（信号与信息处理专业论文）ieee80211b的接入与安全研究.pdf

摘要 摘要 随着无线技术和互联网技术曲l a 1 仕，f 1 6 h ，无线局域网技术得到迅猛发展，特别是 i e e e8 0 2 1 l b 在各个方面得到了广泛的应用。在无线网络开始普及应用的同时，用 户对于网络性能，尤其是网络的安全性和无线上网速度提出了更高的要求。目前 应用的主流技术i e e e8 0 2 1 l b 主要使用默认的基本访问控制方式，其本身没有考 虑到网络应用中的实际情况，随着网络用户的继续增大，将带来大量的网络冲突， 导致网络饱和吞吐量迅速下降，从而严重影响网络的性能，而由于i e e e8 0 2 1 l b 安全机制w e p 本身的设计缺陷，其安全机制也无法满足用户的安全需求。 本文针对上述问题，以无线局域网i e e e8 0 2 1 l b 为主要研究对象，在深入分 析了无线局域网i e e e8 0 2 1 l b 的主要结构和原理的基础上，对无线局域网i e e e 8 0 2 ，l i b 的访问控制和安全性能着重进行了分析，同时研究了虚拟专用网技术在 8 0 2 1 l b 中的应用。本文的主要工作包括： 1 分析了无线局域网i e e e8 0 2 1 l b 的媒体访问控制( m a c ) 层协议和工作方 式。 2 详细研究了i e e e8 0 2 1 1 b 的访问控制方式，对d c f 的基本访问方式和 r t s c t s 访问方式进行了比较，通过理论分析和仿真实验验证体现了在实际网络 中r t s c t s 方式的优越性。 3 对i e e e8 0 2 1 1 b 的安全机制和安全漏洞进行了分析，并比较了当前无线局 域网中研究的主要的安全防范技术，在此基础上引入了虚拟专用网技术，设计了 一个基于v p n 的无线局域网安全方案，探讨了该方案无线局域网中的应用以及安 全性能。 通过理论分析和仿真验证，发现在无线局域网的访问控制中采用r t s c t s 方 式，可以大大提高网络的饱和吞吐量，同时降低m a c 层延时，从而提高了整个网 络性能：而采用v p n 技术可以提高当前网络的安全性能。由于v p n 是一个开放的 标准，并提供兼容性，适用于过去、现在和将来的无线局域网，有利于扩展其实 际应用。 关键词：i e e e8 0 2 1 l b ，c s m a c a ，虚拟专用网，o p n e t ，网络安全 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o m b i n a t i o no fw i r e l e s st e c h n o l o g ya n di n t e r n e t ，w l a nh a sar a p i d p r o g r e s s a st h ep r i m a r yt e c h n i q u eo fw l a n ，i e e e8 0 2 1 1 bh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yf i e l d s a tt h et i m eo ft h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fw l a n ，t h ec a p a b i l i t yo ft h e n e t w o r k ，e s p e c i a l l y , t h es e c u r i t ya n dt h r o u g h p u to fw l a n ，n e e d b e t t e rr e q u i r e m e n t a t p r e s e n t ，i e e e8 0 2 1 l bm o s t l ya d o p t st h ed e f a u l tm e t h o d ：b a s i ca c c e s sc o n t r o lm e t h o d ， w h i c hi sn o tw i t he y eo nt h ea c t u a lc o n d i t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fw i a k nu s e r s ，l a r g e n u m b e r so fc o n f l i c t si nw l a nw i l la p p e a r , w h i c hw i l lb r i n gr a p i dd e c r e a s eo ft h e s a t u r a t i o nt h r o u g h p u ta n db a d l ya f f e c tt h ec a p a b i l i t yo fw l a n f o rt h el i m i t a t i o no fn o t t a k i n gt h es e c u r i t yp r o b l e m si n t oc o n s i d e r a t i o nw h e nw e pw a sd e s i g n e di n i e e e 8 0 2 1 1 b ，t h ed e v e l o p m e n to fw l a nu r g e st h ee x p o s u r eo ft h es e c u r i t yf l a w s ，w h i c h r e s u l ti nt h a tw e pc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n tn o w a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h ea c c e s sc o n t r o la n ds e c u r i t yi n i e e e8 0 2 1 l ba r ee x p l o r e da n di n v e s t i g a t e dd e e p l yi n t h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h e a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo f v i r t u a lp r i v a t en e t w o r ki n8 0 2 1 1 bi sa l s oi n v e s t i g a t e d t h em a i nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 t h em a cp r o t o c o l sa n dm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l so fw i a k ni e e e 8 0 2 1 l ba r es t u d i e d 2 t h ee f f e c t so fv a r i o u sa c c e s sm e t h o d so fi e e e8 0 2 1 l ba r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l a n dt h er e l a t e dm e c h a n i s m sa r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a l l y ，t h eb a s i ca c c e s sm e t h o da n dt h e r t s c t sm e t h o da r ec o m p a r e dw i t hi nt h e o r ya n dw i t ho p n e t 3 t h es e c u r i t ys e t t i n ga n dl i m i t a t i o na r ea n a l y z e d ，a n dt h em a i nt e c h n n i q u e so f d e f e n s ea r ec o m p a r e d t oi m p r o v et h es e c u r i t yp e r f o r m a n c eo fi e e e8 0 2 1 1 b ，an e w s e c u r i t yp r o j e c tb a s e do nv p n i sd e s i g n e da n di n v e s t i g a t e d w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，i ti sf o u n dt h a tu s i n g r t s c t sa c c e s sm e t h o di na c t u a lw l a n ，t h ec a p a b i l i t yo fw l a nw i l lb ei m p r o v e d g r e a t l y , w h e r et h et h r o u g h l c i u ti si n c r e a s e da n dt h ed e l a yi sd e c r e a s e da tt h es a m et i m e i na d d i t i o n t h es e c u r i t yp e r f o r m a n c eo fw l a ni se n h a n c e dw h e nv p nt e c h n i q u ei s i i a b s t r a c t u s e d a n da sao p e n e ds t a n d a r d v p nc a ns u i tt h er e q u i r e m e n t so fw l a ny e s t e r d a y t o d a ya n dt o m o r r o w k e y w o r d ： i e e e8 0 2 1 l b ，c s m a c a ，o p n e t ，v p n ，n e t w o r ks e c u r i t y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：毖垒兰星日期：冲歹月如日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 整! 墨 导师签名： 日期：年月 日 第一章引言 第一章引言 1 1 无线局域网发展现状及研究动态 近2 0 年以来，计算机互联网获得了巨大成功并迅速发展。为了实现通信技术 发展的最终目标5 w ：即对任何人( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) ，与任何地 方( w h e r e v e r ) 的任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信，需要计 算机网络由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体业务发展。在计算 机网络技术与无线通信技术支持下，无线局域网( w l a n ) 应运而生，无线局域 网是9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它采用无线多址信道的方 式支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了实现 的手段。 与通过电缆、光缆或双绞线连接的有线网络相比，用无线电波、激光、红外 线等来代替部分或全部电缆，成为网络设备之间主要的通信传输介质，这就构成 了无线局域网。无线局域网具有不受电缆束缚，可移动，解决有线网布线因难、 电缆接插件松动、短路等带来的问题，组网灵活快速，扩容方便，与多种网络标 准兼容，保护用户已有投资，应用范围广等诸多优点。 无线局域网以其方便、快捷、廉价等诸多优势，在企事业内部和公共热点地 区等领域的有用中很快取得了长足的发展和巨大的成功，由于技术和市场的原因， i e e e 提出的8 0 2 ，1 1 无线局域网方案在现在的网络群体中更能引起共鸣，而其中的 8 0 2 1 1 b 标准在工业界中更是出于先导位置，现有很多笔记本电脑都配有8 0 2 1 l b 无线网卡。 而与此同时，随着无线局域网应用的逐步普及，用户对无线局域网的各种性 能，尤其是访问控制、安全性能和网络速度提出了更高的要求。 与有线网络相比，w l a n 在安全、网络速度等性能方面还是有很大的差距， 8 0 2 n b hj 虽然现在理论上最高有1 l m 的带宽，但是在实际应用中由于软硬件的限 制，8 0 2 1 1 中在m a c 层访问仍然采用的是基本b a s i c 方式，这种方式不考虑实际 网络可能存在的通信冲突，这样简化了通信的具体过程，在网络节点很少，通信 量很小的情况下还是有很大的优势，但是在实际网络中，通信量是很大的，由于 电子科技大学硕士学位论文 无线信道带宽的限制，这样必定带来大量的通信冲突，从而导致网络性能的下降， 甚至是网络通信的堵塞或是瘫痪。 在i e e e8 0 2 1 1 b 在可选访问方式中还有一种r t s c t s 访问方式，在这种方式 下通信数据的发送与接受过程中增加了r t s 帧( 即请求发送帧) 和c t s 帧( 确定 发送帧) ，以及重传机制，在这种方式下理论上是可以减少网络冲突，提高这个无 线局域网的通信能力，并且重传机制在很大程度上可以增强通信数据的完整性保 护，从而提高通信的安全性。但是现在国内外在这方面的研究还不是很多，具体 的实际应用更是还没有出现。 无线局域网的安全问题是当前无线网络应用和研究的一个热点问题，其目的是 通过研究无线局域网的特点、可能存在的安全攻击等问题，进而研究无线网路的 安全体系结构和相应的信息、加密机制、认证机制和密钥管理机制来保证无线局 域网的信息安全。 由于无线局域网具有高移动性、建网容易、管理方便、兼容性好等优点，无线 局域网在很多领域得到了广泛的应用。随着应用领域的扩大和应用层次的深入， 无线局域网本身所固有的缺点( 相对于l a n 而言) 一数据通信的安全性不高一得 到人们越来越广泛的重视。 与有线网络相比较，无线网络的传输媒体主要为光波和无线电波。由于其通信 信道的开放性，导致无线网络的安全性不及有线网络。从目前保证无线局域网安 全性机制上看，主要结合使用以下两种方法。第一，在物理层上采用相应的安全 技术，在一定程度上弥补通信信道开放性所带来的安全问题。这种技术主要是扩 展频谱通信技术，简称扩频通信技术。扩频通信技术在发射端以扩频编码进行扩 频调制，在接收端以相关解调技术收取信息，这一过程使其具有许多优良特性， 如抗干扰能力强、隐蔽性强、保密性好、且有较好的安全机制。在一定程度上保 证了数据安全。第二，与有线网络相似，在高层应用有效的加密机制，实现数据 的保密传输。 目前，无线局域网数据链路层的数据加密主要的采用工e e e 8 0 2 1 1 标准中的 w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ：有线等效协议) 。该协议从数据加密、信息认证 和身份认证等三方面保证无线局域网的安全。w e p 协议的提出在一定程度上保证 了无线局域网的安全，但随着应用的深入和技术的发展，w e p 协议由于其自身的 缺陷，已经不能满足无线局域网的安全需求。 为此，国内外学者和研究人员对无线局域网的安全认证研究做了深入的分析 和研究，包括对各种现有的网络安全措施的分析，提出相应改进措施以及改进方 蔓二童! ! 童 案，比如8 0 2 1 x 认证技术，以及各种加密认证算法在无线局域网中的应用。国内 也推出了自己的无线局域网的安全标准w a p i ，i e e e 也推出了新一代无线局域网 的安全标准8 0 2 1 1 i 。 1 2 研究内容及本文结构安排 本课题是一个预研基金项目，项目任务是针对无线局域网i e e e8 0 2 1 l b 的访 问机制和安全漏洞、攻击方式和应对方法进行分析，并找出可能的改进方案。其 中我主要是对i e e e8 0 2 i i b 的访问控制和安全漏洞进行分析。 本文结构安排： 第一章：引言。简要介绍无线局域网发展现状和趋势，用户对于无线局域网 的新的要求。 第二章：简要介绍无线局域网i e e e8 0 2 1 l 的基本协议原理框架，全面介绍了 8 0 2 1lm a c 层的基本协议。 第三章：详细分析了8 0 2 1 1 m a c 层的两种访问控制方式，即基本的访问方式 和r t s c t s 方式，比较了各自的有缺点，并通过仿真验证；进一步在考虑网络饱 和吞吐量和网络时延的要求，对访问控制进行了分析，并对c s m a c a 算法做了 一定的改进。 第四章：详细分析了i e e e8 0 2 ，1 1 b 的安全机制和安全漏洞，并对防御措施进 行研究。 第五章：研究了虚拟专用网v p n 在无线局域网中的应用，以及其对无线局域 网安全性能的贡献。 第六章：结束语。总结全文。 电子科技大学硕士学位论文 第二章8 0 2 1 1 b 无线局域网m a c 层协议 2 1 无线局域网总体技术概览 世界上第一个试验性无线局域网于1 9 8 7 年建立，随后，在医疗、零售、机场 等地方，无线局域网络不断出现，但是各厂商的无线局域网不能互联，于是1 9 9 0 年1 1 月成立i e e e8 0 2 1 l 委员会，着手制定无线局域网标准，并于1 9 9 7 年6 月制 定出全球第一个无线局域网标准i e e e8 0 2 1 l 1 1oi e e e8 0 2 1 1w l a n 标准使得不同 供应商的产品具有了互操作性，同时1 m b p s 和2 m b p s 的w l a n 技术和产品已相 当成熟，整个系统的实现成本也正逐渐下降。但与以太网( 1 0 0 m b p s ) 相比，w l a n 较慢的数据传输率成了其迸一步发展的瓶颈。为此，i e e e 工作组又相继推出了新 的高速标准8 0 2 1 1 b 2 1 和8 0 2 1 l a 3 1 两个新标准，而且在前不久又推出了相当于前二 者的混合标准8 0 2 1 1 9 4 l ，使得w l a n 的速度又向前迈进了一大步。欧洲电信标准 化协会( e t s i ) 的宽带无线电访问网络小组着手制定h i p e r ( h i g l ap e r f o r m a n c e r a d i o ) 访问标准，研究任务之一是h i p e rl a n 标准，已推出h i p e rl a n l 和h i p e r l a n 2 。h i p e rl a n l 对应i e e e8 0 2 1 l b ，h i p e rl a n 2 与i e e e8 0 2 1 l a 具有相同的 物理层。 目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈， 主要有i e e e8 0 2 1 1 家族、h o m e r f ，h i p e rl a n 2 以及蓝牙技术等，它们各有特点， 其应用领域也不尽相同。 h i p e rl a n 标准主要由欧洲e t s i ( 欧洲通信标准学会) 大力推广，它包括h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 两个版本。其中，h i p e r l a n l 发布于1 9 9 6 年，它工作于5 g h z 频带，采用的调制方式为高斯滤波最小移频键控，可提供的数据速率最高可达 2 5 m b p s 。从整体上看，h i p e rl a n l 与8 0 2 1 1 b 是相当的。 h i p e rl a n 2 5 1 是h i p e rl a n l 的第二代版本，于2 0 0 0 年底通过e t s i 批准成为 标准。它对应于i e e e 的8 0 2 1 1 a ，工作在5 g h z 频带，采用o f d m 技术，并且具 备动态频率选择、发送功率控制功能，最高可支持的数据速率为5 4 m b p s 。在m a c 层，h i p e rl a n 2 采用预留t d m a 多址方式，动态t d d 双工方式。并且能够在高 吞吐率下支持q o s ，从而为视频流、话音等实时应用提供支持。做v o i c e o v e r w l a n 第二章8 0 2 1 l b 无线局域网m a c 层协议 的公司比较喜欢这项技术。 h o m e r f 6 1 无线联网标准是由p r o x i m 、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等技术巨 头于1 9 9 8 年发起组建的h o m e r f 工作组负责研发的。它汲取了i e e e8 0 2 1 l 与 d e c t 等无线标准优势，能够有效降低语音和数据传输成本，可提供1 m b p s 至 2 m b p s 的数据传输带宽，新的h o m e r f 2 x 标准的最高数据传输带宽则可达 1 0 m b p s 。由于市场，技术等方面的原因，作为w i f i ( i e e e8 0 2 1 l b ) 技术主要竞 争对手的h o m e r f 技术目前在无线联网市场上已经销声匿迹了。 8 0 2 1 1 系列标准由美国的电子电器委员会制定，它拥有横跨物理层和m a c 层 的有5 个标准，即8 0 2 ，1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 和8 0 2 1 1 n 和相应的增强补 充版本。其中，8 0 2 1 1 标准是i e e e 于1 9 9 7 年推出的，它工作于2 4 0 h z 频段，物 理层采用红外、d s s s ( 直接序列扩频) 或f s s s ( 跳频扩频) 技术，共享数据速率 最高可达2 m b p s 。它主要用于解决办公室局域网和校园网中用户终端的无线访问 问题。由于其数据速率不能满足日益发展的业务需要，目前已经过时了。 8 0 2 1 1 b l7 】工作于2 4 g h z ( 工业、科技、医疗) 频带，采用直接系列扩频和补 码键控，能够支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两种速率，可以与速率为1 m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 1 1d s s s ( 直接序列扩频) 系统交互操作，但不能与i m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 “ f s s s 系统交互操作。当前它的最大速率可以达到l l m ，基本上满足了局域网的带 宽要求，有着划时代的意义。 8 0 2 1 1 a 工作于5 g h z 的u n i i 频段( 5 1 5 5 2 5 g h z 、5 2 5 5 3 5 g h z 、 5 7 2 5 5 8 2 5 g h z ) ，采用o f d m ( 正交频分复用) 技术。8 0 2 1 1 a 支持的数据速率最 高可达5 4 m b p s 。8 0 2 1 l a 速率虽高，但和8 0 2 1 1 b 不兼容，并且成本也比较高，所 以在目前的市场中8 0 2 1 l b 仍然占据主导地位，8 0 2 1 1 a 产品预计将在今后几年内 得到快速发展。 8 0 2 1 1 9 是对8 0 2 1 1 b 的一种高速物理层扩展，同8 0 2 1 l b 一样，8 0 2 1 1 9 工作 于2 4 g h zi s m 频带，但采用了o f d m 技术，可以实现最高5 4 m b p s 的数据速率， 与8 0 2 1 l a 相当。同时它还较好地解决了与蓝牙的干扰问题，是下一代w l a n 的 发展方向。 8 0 2 1 1 n 增加原i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 及p h y 层的传输输出率性能，预计 将使带宽达到1 0 8 m b p s ，最高速率或可达到3 2 0 m b p s 。加入服务质量管理功能， 以支持语音和视频应用。 以上5 种标准是完善的无线局域网系统的扩展版本，除此之外，i e e e 还出台 电子科技大学硕士学位论文 了修改现存协议缺陷的一些加强版本，现列举如下 8 0 2 1 l c关于8 0 2 1 1 网络和普通以太网的互通协议 8 0 2 1 l d 非2 4 g 频段上8 0 2 1 l b 协议的移植 8 0 2 1 l e解决8 0 2 1 l 的q o s 问题，采用时分多路技术；可以增加额外纠错 功能，适用于语音通信 8 0 2 1 1 f 改善切换机制 8 0 2 1 1 h优化传输功率和在8 0 2 1 l a 中的无线信道的选择 8 0 2 1 1 i克服8 0 2 1 1 安全性方面的不足，建立基于a e s 加密算法 8 0 2 1 1 j讨论8 0 2 1 l a 和h i p e rl a n 2 的无线共存问题 上述协议中，8 0 2 1 1 b a j g 都得到了应用。它们的协议体系结构如图2 1 所示 l 瓣雾鬻麓繁鬻鬻懑戮羧戮鬻鬃懑懑鬻 i 熬鬣鬻耀i i 女嚣蓦8 t 臻? 靠穗誊口j 糍l 鼢量罐“ 豳囊纛鬟ii 黧鞴斓i 鬻麓溺瓣l 隧懋霾1 图2 - 1 i e e e8 0 2 1 1 协议栈 2 2i e e e8 0 2 1 1 b 的网络拓扑结构 作为一项得到广泛应用的无线技术，i e e e8 0 2 1 1 b 定义了先进的网络拓扑，提 供了不仅提供了在局域网范围内的移动终端的通信，还能提供超出局域网范围的 设备之间的通信，使其设备可以在不同范围内的w l a n 之间漫游，以及和有线网 络设备之间的通信。 第二章8 0 2 1 l b 无线局域网m a c 层协议 2 2 1 基本服务集 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t b s s ) m 【9 是无线局域网的最小组成单元。它有 两种组成方式：一是由两个或两个以上移动台( s t a t i o n s t a ) 组成独立的b s s ，它 们之间不需要任何额外的网络控制设备就可以直接通信，这实际上是一个只有一 跳的a dh o c 网络。其拓扑结构如图2 2 的左半部分所示，又叫作i n d e p e n d e n tb s s 。 二是由一个a p 和几个移动终端组成的有控制中心的网络，其中a p 负责整个无线 网络的管理，如图2 - 2 的右半部分所示。在该拓扑中，a p 负责移动终端与其b s s 以外的移动台的通信，和整个网络的关联、授权、同步等的管理。这种拓扑也叫 做i n f r a s t r u c t u r eb s s 。 2 2 2 分布服务集 图2 - 2i e e e8 0 2 1 1 网络的基本组织形式 访问点( a p ) 既可以和移动终端连接，又可以通过分布系统和其他的网络连 接。所以a p 在具有s t a 功能的同时还需要有相互通信的功能，该功能叫做d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 功能。它能提供d s 服务，实现使得a p 互联的称作分布系 统体系的网络，如图2 。3 所示。 电子科技大学硕士论文 2 2 3 扩展服务集 图2 - 3 分布系统与访问点 为了实现无线局域网设备在更大范围内的通信和漫游，i e e e8 0 2 l b 定义了 a p 和b s s 可以组成任意大的无线局域网的拓扑，称作扩展服务集网络，它的所有 组成部分合称扩展服务集( e s s ，e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。 其中d s 可以是任何能把各个a p 连接的网络，它可以是有线局域网甚至是公 共广域网。a p 的则跨接8 0 2 1 1 网络和其他的如8 0 2 3 等有线或者其他网络。通过 d s ，各个b s s 可以互连成一个覆盖范围很大的网络，图2 - 4 中的所有组成部分构 成一个e s s 。在e s s 内的终端相互通信以及从其中的个b s s 到另一个b s s 时， 上层协议将觉察不到。 2 2 4 与有线网络的集成 无线网络与有线网络实现互通称作集成。无线与有线网络连接的进行集成时 的逻辑点叫入口。通过入口，m s d u 可以实现非i e e e8 0 2 1 1 的网络和8 0 2 1 1 的 网络之间的传送，它实际上可以看作一个桥接设备。在实际的应用中，入口的逻 辑功能常常和我们前面所说的a p 集成在起，因为连接各个无线b s s 的d s 常常 使用有线网络来实现的。一个无线局域网与有线网络互连的实例见图2 - 4 。 第二章8 0 2 1 1 b 无线局域网m a c 层协议 图2 4 集成有线网络的拓扑 2 2 58 0 2 1 1 b 协议框架 作为无线局域网众多协议中的一种， 无线局域网的特定环境制定了协议规范 8 0 2 1 1 b 是由i e e e 制定。它主要针对在 并且把有关无线通信的特殊之处的集中 在物理层和m a c 层中处理。在更上层的l l c 层看来，下面的协议提供的接口和 功能和其他8 0 2 局域网协议完全相同。所以，研究和实现8 0 2 1 1 b ，主要是对其在 m a c 层和物理层进行研究。8 0 2 1 1 b 的p h y 层和m a c 层的协议结构如图2 5 所 不。 8 0 2 1 1 b 的物理层协议主要有三种，即直接序列扩频，调频扩频和红外线传 输方法。所谓直接序列扩频，就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱， 而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。 采用d s s s 的无线局域网可在很宽的频率范围内进行通信，支持1 - 2 m b s 数据速 率，在发送和接收端都以窄带方式进行，而传输过程中则以宽带方式通信。而跳 频技术与直序扩频技术不同，跳频的载频受一个伪随机码的控制，其频率按随机 规律不断改变。接收端的频率也按随机规律变化，并在接收端保持与发射端的变 化规律的一致。f h s s 局域网共有2 2 组跳频图案，包括7 9 个信道，支持1 m b s 数 据速率，而接收端通过对输出的同步载波解调，可获得发送端送来的信息。 电子科技大学硕士论文 图2 - 58 0 2 1 l b 底层协议结构 红外线局域网采用小于1um 波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性， 受太阳光的干扰大。红外线支持1 2 m b s 数据速率，适于近距离通信。 2 3m a c 层服务描述 从前面可以看出，无线局域网的拓扑结构中既有基本服务集，又有分布系统 服务集，因此完整的m a c 层需要对这两种服务分别进行定义，以实现在整个网络 中的相互通信和移动终端在无线网络中的漫游。 2 3 1 无线局域网通信和服务之间的关系 无线局域网中的设备的状态和它们之间的关系如图2 - 6 【9 】所示。移动台共有三 种状态，它将处于其中之一。当移动台刚进入无线局域网的时候，它处于状态1 ， 即既没有和其它设备进行身份识别，也没有和a p 进行关联。此时，它只能使用类 型1 的帧与a p 或者其它终端通信。当它和其它的设备成功的进行鉴权后，它将进 入状态2 ，即已经在网络中进行了身份识别但是还没有和a p 关联，此时它可以通 过类型1 和2 帧与对等终端或者a p 通信，但是却无法使用d s 发送数据。在此状 态下，它或者与它鉴权的任何一方发出取消鉴权时，它将回到状态1 。当设备成功 第二章8 0 2 1 l b 无线局域网m a c 层协议 的与对等终端或者a p 关联后进入状态3 ，该状态是正常工作状态。此时它可以使 用类型1 、2 或者3 的帧与对等终端或者a p 通信。在状态3 ，设备可能因为解除 关联而进入状态2 或者因为解除鉴权而回到状态1 。其中，类型一的帧主要有r t s 帧，c t s 帧，a c k 帧等控制帧，b e a c o n 帧，鉴权取消鉴权a t m 等管理帧，和仅 仅在b s s 内传送的数据帧。类型二的帧主要是关联，再关联和取消关联等管理帧。 类型三的帧是可以在d s 中传送的数据帧以及p s p o l l 的控制帧。 删懒叹獭 类型1 和2 帧 类型1 、 2 和3 帧 2 3 2m a 0 功熊描述 成功鉴权 成功关联或 者重新关联 状态2 ： 己鉴权 未关联 状态3 ： 已鉴权 己关联 解除鉴权 通知 解除关联 通知 图2 - 6i e e e8 0 2 11 m a c 的状态图 靖 幂 瞵 潜 菌i * e b b8 0 2 1 1 无线局域网的的所有节点和访问节点都提供m a c 层服务，m a c 服 务是指同层l l c ( 逻辑链路控制层) 在m a c 服务访问节点之间交换m a c 服务数 据单元( m s d u ) 的能力。因此，m a c 层服务包括利用共享无线电波或红外线介 质进行m a c 服务数据单元的发送。 m a c 层具有以下功能： 无线介质访问。 网络连接。 提供数据验证和保密。 i e e e8 0 2 1 1 标准定义了节点对介质访问的几种时间间隔，并提供了多种访问 优先级。 电子科技大学硕士论文 下图说明了这些帧间隔。每一种间隔均定义了上一个发送的帧的结束标记到 一个发送帧的开始标记之间的时间。 p i f s s s 介质忙 时间 图2 - 7m a c 访i 司协议的不同的时间司隔 s i f s ( s h o r t i n t e r f r a m es p a c e ) ：是最短的帧间隔，为此帧提供最高的介质优先 访问级别。下列的帧使用s i f s 问隔： a c k ( 应答) 帧。 c t s ( 清除发送) 帧。 分段的介质数据单元。 这些帧要求能方便地对介质进行访问，从而提供最高的优先访问级别。 p i f s ( p c fi n t e r f r a m es p a c e ) ：工作在p c f 方式下的节点获得介质访问权的时 间间隔。它的优先级高于d c f 方式。这类节点如果一旦监测到介质空闲，就可以 进行无竞争的通信。这种时间间隔使得基于p c f 方式的节点获得比基于d c f 方式 的节点享有更高的帧发送优先级。 d i f s ( d c fi n t e r f r a m es p a c e ) ：工作在d c f 方式下的节点都使用d i f s 来发 送数据帧和管理帧。 e i f s ( e x t e n di n t e r f r a m es p a c e ) ：基于d c f 的工作采用e i f s 间隔，工作于 d i f s 间隔之外的时间一在不正确的f c s 值导致错误的帧接收情况下作为等待时 间。这类间隔为接收节点发送应答( a c k ) 帧提供了足够的时间。 第二章8 0 2 1 i b 无线局域网m a c 层协议 2 3 3m a c 层对物理层信道使用的体系结构 摹求无竞i 争服划， f m a c 范围 i - 用于竞争服务并且 ，唑c f 的基础 图2 - 8 媒体访问控制( m a c ) 的体系结构 8 0 2 1 l m a c 标准支持两种不同模式：基于竞争的d c f 模式和无竞争的p c f 模式。其中p c f 是一种可选模式。d c f 则使用c a m a c a 协议，要求实现物理探 测和逻辑探测机制，使得m a c 得知物理媒介的当前状态。在本文中，主要实现的 是m a c 的d c f 功能，下面将详细描述d c f 功能。 如图2 9 ，c 位于a 的范围之内，但在b 的范围之外，只要不和c t s 产生干 扰，它就可以随意地在a 发送数据帧时发送自己的帧。相反地，d 位于b 的范围 之内而在a 的范围外，它听不到r t s 帧却能听c t s ，使得它必须向其他节点关闭， 推迟发送任何帧直到a 向b 发送的帧被认为已发送完毕。站e 既可以听到r t s ， 也可以听到c t s ，它像d 一样，必须保持等待直到数据帧发送完毕。 尽管如此冲突仍有可能发生。例如，b 和c 可能同时向a 发送r t s 帧，这样 会产生冲突而导致数据丢失。在冲突的情况下，没有成功的发送方( 即在预期时 间内没有收到c t s 的那一方) 等待一个随机时间后再次重试。一旦在节点在争用 期内发生冲突，采用二进制指数退避算法来退避。 图2 - 9r t s c t s 帧访问方法 电子科技大学硕士论文 2 4m a c 帧结构 2 4 1ie e e8 0 2 1 1 m a c 帧格式 i e e e8 0 2 1 1 定义了m a c 帧格式的主体框架，如图2 一1 0 所示。工作发送的所 有类型的帧，都采用这种帧的结构。形成正确的帧之后，m a c 层将帧传给物理层 集中处理子层，帧从控制字段第一位开始，以帧校验域( f c s ) 的最后一位结束。 字节数：22666 2 6 0 - 2 31 2 4 l f r a m ed u r a t i o na d d r e s s a d d r e s sa d d r e s s s e g u e n c ea d d r e s sf t a m e f c s l c o n t r o la dc o n t r o l b o d y m a c k 头 图2 1 0 m a c 帧格式 m a c 帧的主要字段 ( 1 ) f r a m ec o n t r o l ( 帧控制) ：这个字段载有在工作站之问发送的控制信息。 图2 8 对帧控制字段的子字段结构进行了说明。 ( 2 ) d u r a t i o n i d ( 持续时间标志) ：大多帧数，在这个域内包括持续时间的 值，值的大小取决于帧的类型。通常，每个帧一般都包含表示下一个帧发送的持 续时间信息。 例如：数据帧和应答帧中的d u r a t i o n i d 字段表明下一个分段和应答的持续时 间。网络中的工作站就是通过监视这个字段，依据持续时间信息来推迟发送的。 只有在节能一轮询控制帧中，d u r a t i o n i d 字段载有发送端工作站1 4 位重要的连接 特性，置两个保留位为1 。这个标识符的取值范围一般为1 2 0 0 7 ( 十进制) 。 ( 3 ) a d d r e s s1 ，2 ，3 ，4 ：地址字段包含不同类型的地址，地址的类型取决于 发送帧的类型。这些地址类型可以包含基本服务组标识，源地址、目标地址、发送 站地址和接收站地址。i e e e 8 0 2 1 9 9 0 标准定义了这些地址的结构，长度为4 8 位。 有单独地址和组地址之分。组地址又有两种：多点传送地址，是指和一组逻辑相 连的工作站连接：广播地址，广播到一个局域网中的所有工作站。广播地址的所 有位均为1 0 。 ( 4 ) s e q u e n c ec o n t r o l ( 序列控制) ：该字段最左边的4 位由分段号子字段组 成，这个子字段标明一个特定m s d u ( 介质服务数据单元) 的分段号。第一个分 1 4 第二章8 0 2 1 1 b 无线局域网m a c 层协议 段号为o ，后面的发送分段的分段号依次为加1 。下面1 2 个位是序列号子字段， 从0 开始，对于每一个发送的m s d u 子序列依次加1 。一个特定m s d u 的每一段 都拥有相同的序列号。 在同一时刻只有一个m s d u 是重要的。接收帧时，工作站通过监视序列号和 分段号来过滤重复帧。如果帧的序列号和分段号和先前的帧相同，或者重传位置 为1 ，那么工作站就可以判断帧是一个重复帧。工作站无误地接收到一个帧之后， 会马上向发送工作站返回一个a c k 帧，如果传输差错破坏了途中的a c k 帧，这 样会产生重复i 帧。一段特定的时间内还没有收到a c k ，发送工作站将重复发送该 帧，即使这个帧被重复过滤机制丢弃掉了，但目标工作站还是会对这个帧进行响 应的。 ( 5 ) f r a m eb o b v ( 帧体) ：这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发 送帧。如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个l l c 数据单元( 也叫m s d u ) 。 m a c 管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数，这些参数由该帧所提供的特 殊的服务所决定。如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为0 。接收工作站 从物理层适配头的一个字段判断帧的长度。 ( 6 ) 帧校验序列( f c s ) ：发送工作站的m a c 层利用循环冗余码校验法( c y c l i c r e d u n d a n e vc h e c k ：c r c ) 计算一个3 2 位的帧校验序列( f c s ) ，并将结果存入这 个字段。m a c 层利用下面的覆盖m a c 头所有字段和帧体的生成多项式来计算 f c s ： g ( x 1 _ x 3 2 + 五2 6 + x 2 3 + 盖2 2 + 置1 6 + 盖1 2 十x ”十盖1 。+ x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 结果的高阶系数放在字段中，形成最左边的位。接收端也利用循环冗余码校验 法检查帧中的发送差错。 2 b i t s 2 b i t s4 b i t s1 mlb i t 1b i t1b i t1 b i t1b i t1b i t1