（通信与信息系统专业论文）关于gprs网络与无线局域网集成的研究.pdf

摘要 无线局域网平蜂窝无线通信系统的g r p s 业务是主要的两种最广泛使用的无线分组业 务形式。无线局域网提供了相对较人的带宽而g r p s 提供了较大的覆盖范围和良好的移动 性能。将两者的优点相结合是近年来研究的一个热点。w l a n 和g p r s 工作的频率，多址 方式，惆制的方式等方面都很不相同，所以在两者的结台当中我们使用双模的方式，在一 个无线设备中配置两种相互独立的物理层模块而在上层将两种无线接口结合起来，为姆户 提供一个透明的无线分组业务平台。用户在两种接入网中切换的过程是不需要用户人为干预 的，井在一定稗度上保证连接的保持和q o s 的保持。 为了达到这些目的，提出了一系列方法，包括提出对于系统模型的紧密耦合结构和松弛 耦合结构；一定程度上满足了3 g p p 提出的系统集成的应用场景的要求。同时分析了对丁- f 一代蜂窝移动通信系统，g p r s 业务和w l a n 的集成的可能性。 捉j j 了乖赢切换的二个切换准则，并做了与切换准则相_ 关的分组业务性能在两个主要方 面的影响：切换时延导致的性能的影响和网络拥塞对性能的影响；并引入a h p 方法对用户 在系统中的q o s 进行分析，并以q o s 判据术决定在有双重覆盖的环境下是否进行切换做判 决。并针对不同的业务模型，采取不同的判决矩阵，满足各种业务模型的需要。 关键词：无线岗域网g p r s 层次分析法番直切换 3 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) a n dg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) a r et w ot y p e so f w i r e l e s sp a c k e ts e r v i c e sw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d w l a np r o v i d e s a r e l a t i v e l yl a r g eb a n d w i d t h ；o i lt h eo t h e rh a n d g p r s u m t sh a sal a r g ec o v e r a g ea r e aa n da p e r f e c ta b i l i t y o fm o b i l i t y h o wt o i n t e g r a t e t h e i r s t r o n g p o i n t i n t oo n eu n i t e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa na t t r a c t i v ep r o j e c ti nr e s e a r c hw o r kr e c e n t l y b u tw l a na n dg p r s a r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l yw i t ht w oi n d e p e n d e n ti n f r a s t r u c t u r e s t h e yh a v ed i f f e r e n tf r e q u e n c y , m o d u l a t i o n a n ds oo n i tm a d eo u rn e ws y s t e mw o r ki nd u a l - m o d e au s e re q u i p m e n tm u s t c o n t a i nb o t hw l a na n du m t s p h y s i c a ll a y e rm o d u l ew i t ho n eu p p e rl a y e ri n t e r f a c et oc o m b i n e t h e mt o g e t h e ra n dc o n t r o it h et w om o d u l e s t h eg o a li st op r e s e n tat r a n s p a r e n tp a c k e td a t a c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m r y p i c a l l y n o l b e ri n t e r v e n t i o nw o u l db e r e q u i r e d t o p e r f o r m t h e s w i t c h o v e rf r o mw l a n t og p r s a n dt h ec o n n e c t i o nw o u l dr e m a i na c t i v ea f t e rt h es w i t c h o v e r i no r d e rt oa c h i e v et h i s g o a l ，as e r i e s o fa p p r o a c h e sa r e p r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， i n c l u d i n gt i g h tc o u p l i n ga n dl o o s ec o u p l i n gi nc o r en e t w o r k f o rv e n i c a lh a n d o v e rb e t w e e nv e l a n a n dg f r s s y s t e m ，a n dt h e s ea r c h i t e c t u r e sf i tf o rt h e6s c e n a r i o sp r e s e n t e db y3 g p ea f t e rt h a t ，w e a n a l y z et h ea b i l i t yo f i n t e g r a t i o nb e t w e e n n e x tg e n e r a t i o nc e l l u l a rs y s t e ma n dw l a n i nt h i sp a p e rw ef o c u so nt h e s ev e r t i c a l l m n d o v e rm e c h a n i s m s ，g i v e a0 0 sb a s e dr u l et om a k e t h ed e c i s i o no fv e r t i c a lh a n d o v e rb e t w e e nt h et w o p a c k e t n e t w o r k s t oa r c h i v eab e t t e r p e r f o r m a n c ei n t h i s i n t e g r a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w ef i r s ta n a l y z et h ei m p o r t a n tf a c t o r s ， h a n d o v e rd e l a ya n dn e t w o r kc o n g e s t i o n ，w h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c e so fh a n d o v e r sm o s t l y t o g i v et h eq u a n t i z e dr e s u l t s ，w eo s ea h p t ow e i g h tt h ep a r a m e t e r so f t h en e t w o r k s a n dm a k et h e c h o i c eo ft h et w os y s t e m sb a s e do nt h e i rq o s i na d d i t i o n ，w eu s ed i f i e r e n ti u d g m e n tm a t r i x e sf o r d i f f e r e n tu s e ra p p l i c a t i o n st og e tt h er i g h td e c i s i o nf o rt h eu s e r se x p e c t a t i o n k e y w o r d s ：w l a n ，g p r s ，a h e , v e r t i c a lh a n d o v e r 4 第一章引言 析年来，无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) 和蜂窝移动通信的分组业 务得到了越米越j 泛的应j ：f j 。在移动中进行通信交得越来越能破人们接受并逐渐成为一种社 会生活的必须。第二代蜂窝通信系统提供了高度的移动性，以及和有线网络相当的稳定的语 音业务和较为低速( 的通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 。 以w c d m a 为代表的第二代移动通信系统( 3 g p p t h e 3 ”g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) ， 无线接入部分引入了适丁分组数据传输的协议和机制。目前即将在我国商用的r e l e a s e 9 9 版 本，数据速率可支持1 4 4 k b i t s 、3 8 4 k b i t s ，静止时可达2 m b i t s 。w c d m a 充分考虑与 _ 二代网络g s m ( g i o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 的兼容性，更增加了服务级别的 概念，使系统能更好地提供q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证。g p r s 分组域的大大加强使蜂 窝移动j = j 户的分组业务更具有实际意义。同时借助蜂窝系统大覆盖范围的特点，人火扩展了 用户接入分组网络的地域范围。住未来的4 g 蜂窝系统中，更进一步提高了分组业务的速率。 与3 g p p 同样利用空中接口进行通信的无线局域网也飞速发展。无线局域网具有灵活方 便的特点，被j | 泛地使用在很多公共环境中，如酒j 占，咖啡馆，在企业和家庭环境中也有安 置。w l a n 在室内的静l r 和、p 移动环境f ，能提供很高的分组速率，井随着无线局域网技 术的演进，传输速率不断提高。 将g p r s 系统和w l a n 进行集成，升提供两种网络之间的无缝垂直切换是1 i 常有意义 j 勺。在这种情况f ，_ h ；j 户能同时利用w l a n 的高速率和g p r s 覆盖范用广的优点。当用户 在没有w l a n 覆盖的室外，可以使硝g p r s 弼络进行通信：而在有w l a n 覆盖的区域可 以从g p r s 系统无缝切换到速率较高的w l a n 系统而保持通信的连续性。 目前，对丁两个系统的集成的研究已经j “泛展开，e t s i 已经把w l a n 和g p r s 网络的 集成作为标准进行研究，并初步提出了紧密耦合和松弛耦合的概念。3 g p p 的成立了致力解 决3 g p p 平w l a n 之间集成问题的标准化小组，井提出了两种系统之间集成的六种应用场 景要求。但是目前的紧密耦合方式平松弛耦合结构都没有完全满足3 g p p 提出的这六种廊l j 场景要求。同时w l a n 和g p r s 系统的无缝切换，也依赖丁w l a n 平i n t e r n e t 在技术上的 革新。 在商_ | _ j 市场上，已经出现了基于g p r s g s m 和8 0 2 1 l b 的无线网络适配器。但是仅仅 住是将两种系统融台到一个物理实体当中，并没有提供任何切换方面的功能。用户需要主动 对当前的接入环境进行考察，决定接入的网络。 即将投入商业运营w c d m a 网络，住与原g s m 网络的g p r s 万千兼容的基础上，分 组业务的速率人大增加。对丁单个埘户而言，提供了撮人3 8 4 k b p s ( 室外) 的数据速率，并 可以根据明户的需要，通过会活管理层的p d p 上卜文修正的会话过程，动态改变当前分组 业务的q o s 。并且由丁3 g p p 蜂窝系统使用了专 l 信道的方法为用户提供无线资源，用户的 无线资源一耳分配，在网络资源的调度上不受其他刚户的干扰。很多分组业务，如分组域的 视频会议，对带宽的有一定要求，但是对时延有严格要求。在g p r s 系统下，此类分组业务 的性能能得到有效的保障。但是在制定切换策略上，在两种网络存在的环境下，优先考虑了 w l a n 的高速性。忽略了由于竞争机制，过多用户接入导致的w l a n 导致的o o s 性能下降 的问题。在这种情况f ，垂直切换可能不能给用户带来更高的通信速率，反而可能引起q o s 的f 降。 针对目前g p r s 和w l a n 集成研究的现状和问题。本文对现有的紧密耦合和松弛耦台 结构进行了总结，并对两种系统结构进行了定的补充。并对未来的4 g 系统和w l a n 的 结台和发展，殴计了一种适合分组业务的空中接口模型。同时对切换策略进行了分析，探讨 通过对系统当前状态的检测，制定符合更高q o s 的切换策略方案。 本文的组织如f ：第二章分别简要地对w l a n 乖lg p r s 系统进行了介纠：第二章为 w l a n 和g p r s 系统结成的网络结纷：第四章洋缁分析了两个系统切换的策略，并针对新 的切换方法，进行了仿真：第五章为结求语。 6 第二章无线局域网和蜂窝网络简介 2 1 无线局域网简介 随着笔记本i u 脑的r 。泛使川，人h j 对无线计算机通信网络的发展日蕊芙注，因为有了这 些便携式1 具利网络的无线接入能让人1 j 方便地在外出或交通上具上进行各种无线通信。 与有线l a n 相比，无线l a n 具有以。f 主要优点： i由丁无线l a n 不需要布线，冈此可以自由地放置终端，有效合理地利用办公室的 空间。 2无线l a n 可以作为有线l a n 的延伸也可与有线l a n 互连- 3 便r 笔记本电脑的接入。人们可以川携带方便的笔记本【乜脑白由访问无线l a n ， 传送有关数据。 4不受场地限制，能迅速建立局域网。如火删展会、灾后网络恢复等需要短时间内建 立一些临时局域网。 5 越过支持移动i p ，实现移动计算机网络。 2 1 i 无线局域网的历史 无线局域网的初步应用，可以追朔剑五十年前的第_ 二次世界火战期间，当时美国陆军就 采坩了无线电信号做资料的传输，他们研发出了一套无线电传输技术，并且采_ ；i 4 常高的加 密技术。 战时删，美军年盟军都j 、泛使川了这项技术，升止学者从中得到了灵感。1 9 7 1 年， 复戚龙人中( u n i v e r s i t yo f h a w a i i ) 的研究人员创造了第一个基于封包式技术的无线l 乜通讯 网络被称为a l o h n e t 网络，是最甲的无线局域网络。 这个w l a n 包括了7 台计算机，采删烈向斥型拓扑( b i d i r e c t i o n a ls t a rt o p o l o g y ) 横跨 四庸复威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦l ! i f j 岛( o a h ui s l a n d ) 上。从这时开始，无线局域网 可以说是正式诞生了。 虽然，目前儿乎所有的局域网络( l a n ，l o c a la r e an e t w o r k ) 都仍j r 是有线的架构 不过近年米无线局域网的麻t i j 日渐增加，而且相关的技术也直在进步，对企业而言要转换 刮无线局域网也更加容易，更加便宜了。 为了让w l a n 技术能够被广为接受和使埘，就必须要建立一个业界标准，以确保各厂 商生产：的设备都能具有兼容陛，也确保产品的稳定性。这些标准是由i e e e ( t h ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 所制定的，最甲的1 e e e8 0 2 1 l 标准是在1 9 9 7 年提出的。 i e e e 8 0 2 1 i 标准制定了在r f 射频频段2 4 g h z 上的运用，并且提供了l m b p s 、2 m b p s 和许 多基础信号传输方式与服务的传输速率标准。 1 9 9 9 年9 月义提出了i e e e8 0 2 1 l a 标准希f i e e e8 0 2 ，1 l b 标准。i e e e8 0 2 ，l l a 标准利i e e e 8 0 2 、l l b 标准则分别为5 8 g h z 和2 4 g h z 频段做定义。这两组新的标准也定义了i e e e8 0 2 1 l a 中5 m b p s 、l j m b p s 到5 4 m b p s 速率的新物理层。 7 这些标准可以在i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c a n dm e d i c a l ) 频段上使州，这些频道包括 9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 2 4 8 3 5g h z ，以及5 7 2 5 ，5 8 5 0g h z ，晟后一项也符合i e e e 8 0 2 1l a 标准 的最高述率。 无线l a n 的戈键深题是高速化。然而，新规范的目标不仅是高逑化。为了添加各种新 功能，i e e ef l - 住制订新的无线l a n 规范。 i e e e8 0 2 11 b 现行2 4 g h z 频带的w l a n 物理层基本规范 i e e e8 0 2 】1 b 无线局域网的带宽最高可逃1 1 m b p s ，比1 9 9 7 年的i e e e 8 0 21 1 标准 快5 倍，扩人了无线局域网的麻【 领域。另外，也可根据实际情况采片j5 5 m b p s 、 2 m b p s 和1m b p s 带宽，实际的i 作速度在5 m b p s 左也，与普通的1 0 b a s e - t 规格 有线局域网儿乎是处丁同一水平。作为公司内部的设旌，可以基本满足使刚要求。 1 e e e8 0 2 1l b 使用的是开放的2 4 g b 频段，不需要申请就可使川。既可作为对有 线网络的补充，也可独立组网，从而使网络f _ l 户摆脱网线的束缚，实现真正意义上 的移动应用。 i e e e 8 0 2 1 l g2 4 g h z 频带的w l a n 物理层高速化规范 i e e e8 0 2 1 1 9 能够向卜兼容8 0 211 b ，它们在相同的2 4 g h z 无线频谱范嗣内运行。 8 0 2 1 l g 标准理论上最高数据传输速率可达到5 4 m b p s 但在实际应用中，通常有一 f 的”原始速度”被分组负载、校验和( c h e c k s u m s ) 、帧位、错误恢复数据雨t 其他信 息l l 川，而这些信息对客户而言井无直接的h = j 处。实际吞吐率也仅能逃剑昂高传输 速率的一、| 甚至更低，约为2 0 至2 6 m b p s 。但即便是这样，其速率仍然远远高于 8 0 21 1 b 标准5 m b p s 左厶的实际吞吐率。 i e e e8 0 2 1i a5 g h z 频带的w l a n 物理层基本规范 i e e e8 0 2 11 a 麻肘了5 g h zu - n i l 频段中3 0 0 m h z 频段，采_ 【f 了一种新调制方式 一o f d m ，可在扩展频谱上提高信道利川率干数率。采用8 0 211 a 的没备需求支持6 、 1 2 和2 4 m b p s 的速率。可选的速率可剑5 4 m b p s ，典私值包括4 8 、3 6 、1 8 和9 m b p s 。 这些不同是冈为采用了不周的调制技术御ff e c 水平的结果。为了获得5 4 m b p s 的 速率，采用6 4 q a m 的技术，每个子载波可传送最多的信息。在m a c 屡8 0 2 ，】1 a 丰8 0 2i l b 完全相同。 i e e e8 0 2 1 l h 追加在欧洲能使_ | ；i 的功能 i e e e8 0 2 1 i h 是8 0 2 1 l a 的扩展，目的是兼容其他5 g h z 频段的标准，如欧盟使刖 的h y p e r l a n 2 。在8 0 2 1 i a 基础上增加自动频率选抒( d f s ) $ 1 1 发送功率控韦o ( t p c ) 功能以逑戍8 0 2 1l a 住欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。 i e e e8 0 2l1 d 追加在世界各国能使川的规范 7 i e e e8 0 2i 1 d 标准定义了一些物理层方面的要求( 诸如信道化、跳频模式等) 以适 应8 0 21 i 殴备住些国家庸川时这些国家无线电管制上的特殊要求。最初致力丁 开发f ：作在其他频率的8 0 2 11 b 版本，使其在许多没有2 4 g h z 波段的国家羽l 地隈 也可以使用。由于i t u t 的推荐和许多厂商的压力人多数国家都已经开通了这个 波段。然而，8 0 2 1 1 d 仍然可以刚在其他授权波段上。 i e e e8 0 2 1 1 c 追加作为网桥 i 作所需的功能 i e e e8 0 2 1 1 c 是关于8 0 2 1 1 网络和普通以太网之间的互通协议，现已包含在人多 数产晶中。 i e e e8 0 2 1 j e 追加q o s 功能 i e e e 8 0 2 1 1 e 基于w l a n 的q o s 协议，通过该协议8 0 2 1 1 a ，8 0 2 1 1 b 8 0 2 g 能 够进行v o l p 。其中的混合协调功能( h c f ，h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 可以单独 使删或综合使用以下两种信道接入机制：一种是基于论点式的( c o n l e n t i o nb a s e d ) ， 8 一种延基丁投票式冉勺( p 0 1 1 e d ) 。该协议将是无线数据网与传统移动通信网络进行党 争的强有力武器。 i e e e8 0 2i1 f 不同厂商的a p 之间的互联性保证 e e e8 0 2 1 i f 蛙为解决漫游闷题而制订的接入点之间的协议。为了支持用户从一个 点接入到兄个接入点，8 0 211 标准不限制接入点之间的通信，为此允许不同分布式 系统之间灵活运作( 如连接接入点的有线骨干网) 。但漫游时不同提供商提供的接入 点可能无法互通，8 0 2 1 i f 就是专门针对棱入点之间的漫游而制订协议，它能为接 入点之间支持8 0 2 11 分布式系统功能提供必要的交换信息。 l e e e8 0 2 ii i 强化安全功能 i e e e8 0 2 i i i 是新的无线数据网安全协议 为无线数据网络的一个安全舱患。8 0 2 1 1 1 已经酱及的w e p 协议中的漏洞，将成 提出了新的t k i p 协议解决该安全问题。 从物理层米看，i e e e8 0 2 a ，i e e e8 0 2 b ，i e e e8 0 2 1 1 9 等都是面向高速化的规范。 此外，还有i e e e8 0 2 1 l h 。i e e e8 0 2 1 1 a 和h i s w a n a 是为了消除干涉的规范。二种规范虽 冈m a c 层完全不同，不能保- 址兼容性，但至少相互间不发生干扰。 与m a c 层相关的规范对既有的i e e e 8 0 2 1 i 的m a c 层进行了扩充，追加了新功能。例 如i e e e 8 0 2 1 】j 强化了安全功能，这是原有无线l a n 的薄弱之处。 本文中，将针对i e e e8 0 2 1 i b 作为目前最广泛使用的无线局域网协议，进行讨论、分 析，井针对8 0 21 1 b 的特点进行仿真。 2 1 2i e e e s 0 2 1 lw l a n 的体系结构 为了制定w l a n 标准，从事岗域网标准化j 作的i e e e8 0 2 委员会丁1 9 9 0 年7 月设萱 了8 0 21 lf ：作鲥，开始对无线局域网进行标准化【：作。经过七年的反复研究和讨论，终_ 丁 枉1 9 9 7 年完成了w l a n 的标准化草窠，并住同年向l s o ，i e c 提案，1 9 9 8 年5 月此标准作 为国际标准规, 范 1 s o 1 e c 8 8 0 2 一l l 获得承认。 i e e e8 0 2 ：2 i e e e8 0 2 。1 0 m a c p h y j e e e 8 0 2 1 l 图2 1 无线l a n 的协议体系结构 无线局域网由无线网卡、无线接入点( a p ) ，计算机和有关设备组成，采朋单元结构 每个单元称为一个基本服务样( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) ，b s s 的组成有三种方式： 集中控制方式：每个单元由一个中心站控制，终端在该中心站的控制下相互通信。 这种方式中b s s 区域较人，中心站建故费用较昂贵。 分布对等式；b s s 中任意两个终端可直接通信，无需中心站转接。这种方式中b s s 区域较小但结构简单，使用方便。 集中控制方式与分布对等式相结合的方式。 9 篙、 、 2 0 m 1 0 0 m j 、“b s s 2 形i ：、| 。固缈。j 图2 - 2 无线局域网的b s s 结构 2 0 m - 1 0 0 m 无线岗域网的拓扑结构可分为两类：无中心( 或对等式) 拓扑和有中心拓扑。无中，厶拓 扑的网络要求网中任意两点均可直接通信。采辟j 这种结构的网络一般使用公用广播信道而 媒体接入控制( m a c ) 协议多采用载波监测多址接入( c s m a ) 类型的多址授入协议。在 有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由中心站控制。 无线局域网可独立使用，也可与有线局域网互连使 j 。i e e e s 0 2 f l 可支持自组无线局 域嘲，由一个b b s 构成，不与其他网络发生联系，在一个b s s 内至少置两台_ 【作站或计 算机。如幽2 2 所示。另一种方式是与有线l a n 互蛾使用的扩展业务群( e s s ，e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 方式。各个独立结构的b s s 通过接入站点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 与其他b s s 相 迓，扩大了通信范周。如图2 3 所示。 8 0 2 ，xl a n 幽2 - 3 无线局域网e s s 结构 2 1 3c s m a c a 的接入控制方式 为了简单，仅分析了只有台客户的情况。实际上，往往有多台客户共用一个a p 。由 f a p 在通信时只是用一种频率的无线屯波只能运台地和客户进行通信。从多台终端中确 定一台通信对象的方法称作“接入控制”。它是多个终端对一个传输媒体的复用技术。 在无线l a n 中采用了“c s m a c a ”的接入控制方式，如图2 - 4 。在此种方式下想要 0 通信的弃户在确认了没有任何终端在通信后才开始通信以此来回避冲突避免电磁波的混 晷。 此外，无线l a n 的a p 在收到客户发米的帧后，一定要同送确认应答( a c k ) 信号， 以进一步提高可靠性。 图2 4 无线l a n 的c s m a c a 接入方式 2 1 4 无线局域网的安全问题 当有关i e e e s 0 2 1 1 的连线对等保密( w e p ) 协议安全系统易r 受剑攻击的报告发表时。 无线局域网市场冈为安全问题而开始降温。麻该说，无线局域网的性能、互操作性和易管理 性在不断改善，而安全性已经成为一个迫切需要解决的问题。无线局域网的安全性问题表现 如卜： 1 传输介质的脆弱性 传统的有线局域网采用单一传输媒体铜线与无源集线器( h u b ) 或集中器，这些集 线器端口和线缆接头筹不多都连接贝备一定程度物理安全性的设备中，冈而攻击者很雄进 入这类传输介质。许多有线局域网为每个用户配备专fj 交换端口，即使是经认证的内部刚户， 也无法越权访问，更不片j 说外部攻击者了。与此对照，无线局域网的传输媒体人气空问 则要脆弱得多。很多空间都在无线局域网的物理控制范围之外，如公司停车场、无线网络设 备的安装位置以及邻近高人建筑物等。网络基础架构的这些差别，导致无线局域网与有线网 的安全性不在一个水准。 2 w e p 存在不足 8 0 2il 委员会由丁意识到无线局域网固有的安全缺陷而引入了w e p 。但w e p 也不能完 全保证加密传输的有效性，它不具备认让、访问控制和完整性校验功能。而无线局域网的安 全机制是建立在w e p 基础之上的，一旦w e p 遭到破坏，这类机制的安全也就不复存在。 w e p 协议本身存在漏洞它采用r c 4 序列密码算法即运用共享密钥将来自伪随机数 据产生器的数据生成任意字节长序列，然后将数据序列与明文进行异或处理，生成加密文本。 早期的8 0 2 1 l b 网络都采用4 0b i t 密钥，现行方案大多采用1 2 8b i t 密钥。使用穷举法， 一个黑客在数小时内即可将4 0b f t 密钥攻破；而若采用1 2 8 位密钥贝f 不太可能被攻破( 时间 太长) 。 但若采川单一密钥方案( 密钥串重复使川) ，即使是1 0 4b i t 密钥，也弈易受到攻击。为 此，在w e p 中暾入了2 4b i t 初始向量( i v ) ，i v 值随每次传输的信息包变更，升附加在原 盘f i 共享密钥后面，以最人程度减小密钥相同的概率，进而降低密钥皱攻破的危险一 认i 止灭败也会导致非法用户进入网络。8 0 2f 1 分两个步骤对用户进行认证。首先，接入 点必须正确应答潜在通信基站的密码质向( 认证步骤) ，随后通过提交接入点的服务集标识 符( s s i d ) 与基站建立联系( 称为客户端关联) 。这种联合处理步骤为系统增加了一定的安 全陛。一些开发商还为客户端提供可选择的s s l d 序列，但都是以明文形式公布，因而带无 线譬的协议分析器能够在数秒内识别这些数据。 与实现w e p 加密一样，认让步骤依赖于r c 4 加密算法。这里的问题不在于w e p 不安 全，或r c 4 本身的缺陷，而是执行过程中的问题：接入点采用r c 4 算法，运用批享密钥对 随机序列进行加密，生成质洵密码；请求剧户必须对质询密码进行解密。并以明文形式发回 接入点；接入点将解密明文与原始随机序列进行对照，如果匹配，则用户获得认证。 这样只需获取两类数据帧质淘帧和成功响应帧，攻击者便可轻易推导出用于解密质 啕密码的密钥串。w i s p 系统有完整性校验功能，能部分防止这类采用重放法进行的攻击。 但完整性校验是基于循环冗余校验( c r c ) 机制进干亍的，很多数据链接协议都使用c r c ， 它不依赖于加密密钥，冈而很容易绕过加密验让过科。 另外，攻击者还可能运用一些常见的方法对信息进行更改，这不仅意味着攻击者能够修 改任何内容( 如金融文档数据中的十进制小数点的位置) 而且攻击者能够借助校验过程推 断解密方式的止确性。 一口- 经过透当认让和客户端关联，心户便能完全进入无线网。即使不攻f hw e p 加密， 攻击者也能进入连接到无线网的有线网络执行非法操作或扰乱网络主管的正常管理其至 向网络扩散病毒、植入“木马”程序进行攻击等。8 0 2 1 l 以及w e p 机制很少提及增强访问 控制问题。一些开发商在接入点中建有m a c 地址表刚作访问控制列表接入点只接受m a c 地址表中的存户端的通信。但m a c 地址必须以明文形式传输，冈而无线协议分折器很容易 拾取这类数据。通常情况下，可为不同无线网络接口卡( n i c ) 配置不同的m a c 地址因 而远刚仿真方法进行攻击对访问控制的影响较小。 2 1 5 无线局域网的优劣势 无线局域网的网络述度与以太网相告，一个接入点最多可支持i 0 0 多个删户的接入。 无线局域网的优辨在于：速率较高，可满足高速无线上网需求；设备价格低廉，节 省投资：技术较成熟在国外已有丰寓的戊川。 无线局域网的劣势主要有：功率受艰、覆盖范凰较小、移动性较差；一般l ：作在 由频段容易受剑干扰；属于第二层技术规范，上层业务体系不够完善。 3 g p p 已经把无线局域网作为热点地区的一种3 g 接入技术与w c d m a 接入互补，并且 目前已经把无线局域网列入r e l e a s e6 协议进行研究。而中国移动将无线局域网作为g p r s 接入的补充，满足刚户在无g p r s 信号地区和一些热点地区无线高速上网的需求。 j 2 2 2g p r s 系统结构介绍 2 2 1 移动通信的发展 第一代穆动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，时间是本世纪七十年代中期至八 十年代中期。19 7 8 年美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ，a d v a n c e dm o b i l e p h o n es e r v j c e ) ，建成了蜂窝式移动通信系统。其它r 业化国家也相继开发出蜂窝式移动通 信网。这一阶段相对于以前的移动通信系统摄重罂的突破是贝尔实验室在七十年代提出的 蜂窝网的概念。蜂窝网，即小压制，由_ 丁i 实现了频率复用，大大提高了系统容量。 第一代移动通信系统的主要特点是采_ l 频分复用( f d m a ) 模拟制式，语音信号为模拟 调制每 辐3 0 k h z 2 5 k h z 一个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了巨人的成功，但 是其弊端也日渐显露出来： 频谱利_ j 率低 业务种类育限 无高速数据业务 保密陛著，易被窃听和盗号 改各成本高 体积人，重最人 为了解决模拟系筑中存在的这些根本性技术缺陷数字移动通信技术应运而生这就是 以g s m 和i s 一9 5 为代表的第二代移动通信系统，时间是从八十年代中期开始。欧洲首先推 出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后，美国和日本也制订了各自的数字移动通 信体制。数字移动通信网相对丁模拟移动通信网提高了频谱利用率，支持多种业务服务， 升与i s d n 臀兼容。第二代移动通信系统以传输话音币低速数据业务为目的田此义称为窄 带数字通信系统。i s 9 5 是北美的另一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 绒1 9 0 0 m h z 频带 指定使崩c d m a 多址方式，已成为美国个人通信系统的首选技术。 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网络的发展， 数据平多姒体通信有了迅猛的发展贽头，所以第= 代移动通信的目标就是宽带多姒体通信。 第二代移动通信系统是种能提供多种类删、高质爱的多媒体业务，能实现全球无缝覆 盖，具有全球漫游能力，与州定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进 行任何种类的通信系统。由于其请多优点全世界各个运营商、生产厂家与广人川户对此产 生浓厚的式趣。 3 g p p 成立丁】9 9 8 年1 2 月，由欧洲的e t s i 、曰本的a r i b 、韩国的t t a 和美国的t i 等铜成，采州欧洲雨j 日本的w c d m a 技术构筑新的无线接入网络，在核心网，则在现有 的g s m 移动交换网络基础上平滑演进，提供更加多样化的业务。u t r a ( u n i v e r s a lt e r r e s t r i a l r a d i oa c c e s s ) 为无线接口的标准。 图2 5 无线蜂窝系统的发展 同g s m 系统一样，3 g p p 系统同样支持通_ l j 分组交换无线业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 。g p r s 的主要优点是： 标准的无线分组交换i n t e r n e t i n t r a n e t 接入，适州于所有g s m 覆盖的地方 可变的数据速率峰值 由丁按实际数据量记费，使川户可能全大在线上而只付实际传输数据量的费h j 现有业务的使州性以及新的应瑚 无线接口上打包优化无线资源共享 网络构成的分组交换技术，优化网络资源共享 可王正仲剑术米无线协议的能力 2 2 23 g p p 核心网结构 通用移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 是采川 w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统通常也把u m t s 系统称为w c d m a 通信 系统。u m t s 系统采_ j 了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络( r a n ， r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 和核心网络( c n c o r en e t w o r k ) 。其中无线接入网络用下处理所有 与无线有关的功能而c n 处理u m t s 系统内所有的话音n , 2 n t t 和数据连接并实现与外部 网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上分为电路交换域( c i r c u i ts w i t c h e dd o m a i n ，c s ) 和 分组交换域( p a c k e ts w i t c h e d d o m a i n ，p s ) 。u t r a n 、c n 与用户设备( u e u s e r e c l u i p m e n t ) 起构成了韦j 5 个u m t s 系统。 从3 g p pr 9 9 标准的角度来看。u e 平| l u 丁r a n 出全新的协议构成，其设计基于w c d m a 无线技术。而c n 则采用了g s m g p r s 的定义，这样可以实现网络的平滑过度此外在第 二代网络建设的初期可以实现全球漫游。 4 2 2 2 1w c d m a 系统的主要网元 _ _ _ _ 。- 。_ _ 。s i g n a l l i n gi n t e r f a c e - 。- - - - - - - - - - s i g n a l l i n ga n dd a t a t r a n s f e r i n t e r f a c e 幽2 - 6g p r s 网络逻辑结构图 幽2 - 6 所示的是3 g p pg p r s 网络的逻辑绡构，g p r s 网络的土要网元有： 1 u e ( u s e re q u i p m e n t ) u e 是刚户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及廊刚 层软件模块等：u e 通过u u 接口与网络- 歧备进彳亍数据交互，为用户提供电路域和分组域内 的笄种业务功能，包括普通i 膏音、数据通信、移动多媒体、t n t e r n e t 麻异j ( 如e - m a i l 、w w w 浏览、f t p 等) 。 2 u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) u t r a n ，即陆地无线接入网，分为基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ，r a d i o n e t w o r kc o n t r 0 1 ) 两部分。 n o d eb 足w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，包括无线收发信机和基带处 理部什。通过标准的l u b 接口平r n c 且迕，主要完成u u 接口物理层协议的处理。 它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号 和射频信号的相互转换等功能。n o d eb 由。f u j l 个逻辑功能模块构成：r f 收发放 人，射频收发系统( t r x ) ，基带部分( b b ) ，传输接口单元，基站控制部分。 r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资 源管理控制等功能。具体如下：( i ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能；( 2 ) 切 换年jjr n c 迁移等移动性管理功能；f 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等 无线蛰源管理和控制功能， 3 服务g p r s 支持节点( s g s n ，s e r v i c eg p r ss u p p o r tn o d e ) s g s n 是3 g p p 核心网g p r s 功能节点，它通过l up s 接e l 与u t r a n 相连，通过g n g p s 接口与g g s n 相连，通过g r 接1 2 1 与h l r a u c 相连，通过g s 接v a 与m s c v l r ，通过c