（计算机系统结构专业论文）mesh无线网络节点系统平台的设计开发.pdf

摘要 摘要 无线m e s h 网络( w m n ，g r u e l e s sm e s hn e t w o r k , 有称无线网状网或无线网格 网) 这个名词出现的时间并不是太长，大约在2 0 世纪9 0 年代中期以后，而真正引 起人们关注只是在近两年。w m n 的出现并不是偶然，与很多新技术出现的背景 一样，w m n 的出现是应用需求直接推动的结果。本文就一下几个方面给出了研 究成果： 在无线m e s h 网络中，业务是在网关处聚合以及投递，网关以有线的形式连 接主干网。合理有效地放置网关能有效地对无线m e s h 网络管理。本文针对在多 业务多信道无线m e s h 网络进行网关放置，旨在保证簇内q o s 的前提下选取最小 数目的网关节点。通过在蚁群优化迭代算法前完成对待选簇内q o s 的保证，而后 在多项式时间内反复计算最小闭覆盖集合。本文给出了详尽的理论分析以及仿 真。 本文提出了一种新的可以尽最大可能地分离混叠的信号( 观测信号数源信 号数) 算法，唯一的先决条件就是混叠矩阵a 必须是行满秩。通过把恢复信号 代价函数的协方差与恢复信号的协方差之比作为特征值，使求解一个广义特征值 问题，因此算法具有非常快的收敛速度。而且算法针对病态混叠信号的分离表现 出非常好的鲁棒性。 本文提出了一种基于m e s h 网络基础架构的不同表情的人脸识别及其重建系 统。由于无线网络传输容量的限制，本文提出了将不同表情的投影到由i c a 算 法提取的基空间组成的一组系数向量，通过在服务器端进行余弦测度进行辨识以 及表情重构。本文首先提出了针对不同表情的i c a 辨识算法框架，而后根据p c a 在正面人脸图像上摘除眼镜上细节表现力不够强，采用i c a 重建不戴眼镜的与 其表情最接近的人脸，提取了人脸图像中被眼镜遮挡的区域，通过一个迭代的误 差补偿的方法，合成了对应输入图像的无眼镜人脸图像。该方法能有效地从输入 图像中“摘除 眼镜，合成的图像看起来非常自然，不存在原来眼镜的痕迹。合 成了无眼镜人脸图像之后。识别率相对于合成前提高了近7 0 。 关键字：删s 、多信道、广义特征值、i c a a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r ki sn o te x i s t e df o ral o n gt i m e ；t h i st e e h q u ea t t r a c t s p e o p l e sa t t e n t i o nm o s u yi nt h em i d2 0e e n m r y t h ea p p e a r a n c eo fw i r e l e s sm e s h n e t w o r ki sn o ta c c i d e n t a lb u td e v e l o p sb yd i r e c tr e q u i r e m e n to f c l i e n t s , j u s tl i k eo t h e r n e wt e c h s n om a i nc o n t r i b u t i o n sa l el i s t e d 嬲f o l l o w s ： 1 i naw i r e l e s sm e s hn e t w o r kt w l v l n ) ，t h et r a t 嚣ei sa g g r e g a t e da n df o r w a r d e d t o w a r d st h eg a t e w a y s s t r a t e g i c a l l yp l a c i n ga n dc o n n e c t i n gt h eg a t e w a y st o t h ew i r e db a c k b o n ei sc r i t i c a lt ot h em a n a g e m e n ta n de f f i c i e n to p e r a t i o no fa w m n i nt h i sp a p e r , w ea d d r e s st h ep r o b l e mo fg a t e w a y sp l a c e m e n ti n m u l t i - t a s ka n dm u l t i e l a a n n e lw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s , c o n s i s t i n gi np l a c i n ga m i n i m l l n ln u m b e ro f g a t e w a y ss u c h t h a t q u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s a r cs a t i s f i e d w ep r o p o s eap o l y n o m i a lt i m en e a r - o p t i m a l a l g o r i t h mw h i c hr e e u r s i v e l y ；c o m p u t e sm a x i m a lu s e r sd o m i n a t i n gs e t s ( d s ) ， w h i l ec o n s i s t e n t l yp r e s e r v i n gq o sr e q u i r e m e n t sb e f o r ei t e r a t i o n s w ee v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo f o u r a l g o r i t h mu s i n gb o t ha n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n 。 2 ，u pt od a t e , m o s tb l i n d $ o l l r c os e p a r a t i o na l g o r i t h m sn e e d s u f f i c i e n t p r e - e o n d i t i o n , t h a ti s ，t h en u m b e ro fo b s e r v e ds i g n a l ss h o u l db em o l eo i a 圭 l e a s te q u i v a l e n tt ot h en u m b e ro fs o u r c 岔s i g n a l s t h i sp a p e rd e v e l o pan 删 a l g o r i t h mw h i c he a 硅t r yi t sb e s tt os e p a r a t et h em i x e ds i g n a l su n d e rt h e c o n d i t i o no fb e l o w , t h e o n l yn e e d e dc o n d i t i o ni sm i x e dm a l j xs h o u l db er o w f u l lr a n k f l l r m 贸w et r a n s f o r mt os o l v eag e n e r a l i z e de i g e n v e e t o rw h i c h c o r r e s p o n d i n ge i g e n v a l u ei st h er a t i oo ft h ec o v a r i a n e eo fap a r ts u mo f o b s e r v e ds i g n a l sa n dt h ee o v a r i a n e eo fo b s e r v e ds i g n a l s ，t h ec o n v e r g e n c e s p e e di sv e r yf a s t t h ea l g o r i t h ms h o w si t se f f i c i e n c yf o rs i g n a l ss e p a r a t i o n w i t hi l l - m i x e ds i g n a l s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w si t s o u t s t a n d i n g p e r f o r m a n c eo i lb l i n ds o u r c es e p a r a t i o na p p r o a c h 。 3 t h i sp a p e rd e v e l o p san e wf r a m e w o r kw h i c hu s e dt od i f f e r e n te m o t i o n r e c o g n i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o nb a s eo nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa r c h i t e c t u r e h b e c a u s eo fc o n s t r a i n e dc a p a c i t yo fw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ，w ep r o p o s ea s o l u t i o nw h i c hp r o j e c t st h ed i f f e r e n te m o t i o n a lv e c t o r st ob a s es p a c ew h i c h g e n e r a t eb yi c aa l g o r i t h m ；w em a k et h ef a c er e c o g n i t i o nh a p p e nt h r o u g h p r o j e c t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yd e v e l o p saf r a m e w o r kt or e c o g n i z ed i f f e r e n t e m o t i o nb a s eo ni c a ( i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i s ) a l g o r i t h m b e c a u s e p c a ( p r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s ) i sl a c ko fd e t a i l e dd e s c r i p t i o ni n r e m o v i n ge y e g l a s s e sf r o mf r o n t a lf a c i a l i m a g e , s ow ed e v e l o p an e w f r a m e w o r kt or e c o n s t r u c tt h ed i f f e r e n te m o t i o nw i t he y e g l a s s e so nf r o n t a l f a c i a li m a g e , a n dt h e ns y n t h e s i z e san a t u r a ll o o k i n ge y e g l a s s e sf a c i a li m a g e b yr e c u r s i v ee r r o rc o m p e n s a t i o n t h es y n t h e s i z e di m a g e sh a v en ot r a c eo ft h e e y e g l a s s e so rt h er e f l e c t i o na n ds h a d ec a u s e db yt h ee y e g l a s s e s t e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys y n t h e s i z ee y e g l a s s e s t h er e c o g n i t i o n r a t ei n c r e a s e sl l pt 07 0 k e yw o r d s ：w 1 v n s ，m u l t i c h a n n e l s ，e i g e n v a l u e ，i c i l l 主要符号表 c l u s t 锘 e n d 唾 s n 鼗 i k o v s f c d m a u 嚣 n ( c ) l e a p c a l 喇融嗍j w k u r t o s i s r b s 8 a c o y ( a ) 醚肄 e s p c a 玲e f p 洱 i 潞 n a v 膦 弼 e r p b 嚣器 r w b 弘 羌 r z 跫 p h e r o m o r t e 狮 b 再 p 伙 韵檄攀分布 秘秘臻爨a r r i v 嚣 硼蝴l 磷张 簇 信邋总攘 区群 橱邻两个隧攘夺嚣魏中心糖藩 额攀笈耀圜子 信嗓珑 瓣簇小区到达爨蕊小区麓睾拣穗攀 燕交可变扩频麟子 戮挣簧耀系统 用户设器 粥q z c 中的褥字缒个数 教囊分豢努斩 耄分鼍分析 氨储意瑷小纯 燕交解混矩簿 朗阶累积麓 蠢糍关函数 蛮馈譬分离 信号德含矩阵 求矩阵a 朗搬荚艇降 h i d d e ns t a t i o np r o b l e m 掰印刚s t a t i o np r o b l e m c o l l i s i o na v o i d a n c e d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n 群删嗽 p o i n tc o o r d i n a t i o nf t m c t i o n i n t v r f r a m es p a c e n e t w o r ka l l o c a t i o nv 蝴 r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d 翱r r o r t e o u sr e s e r v a t i o np r o b l e m 二遽割稽数邈淹葬法 鬻l = ：l 强毽搔数邋避募竣 离开攀 捌途攀 r a d i ot m m t m i s s i o nr a n g e 信慧翥 人均灞务攮 呼损率 缩遵利糟察 多倍道戴用系筑中同时被矗惩的馈邀数 每个囊钵瓣平均翻迭搴 每个窦体的乎均璃嚣摩 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入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： 日期瓣孑年7 月矽日 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 的全都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：至塞曼导师签名：邀刍 吼吕年7 月罗日 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 无线m e s h 网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线网络 必须首先访问集中的接入点( a p ) 才能进行无线连接。这样的话，即使两个8 0 2 1l b 的节点实际上就是互相挨着，它们也必须通过接入点才能进行通信。而在无线 m e s h 网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。“m e s h 打 这个谲原来的意思就是指所有的节点都互相连接，当然实际上绝大多数现代的 m e s h 网络只是通过部分节点相互连接。m e s h 网络技术一度曾是一顼军方技术， 随着人们对8 0 2 1 l a 、b 和g 等l a n 技术了解的深入，m e s h 网络才逐步成为企业 界和消费者瞩目的焦点。 众所周知，接入因特网的用户位于网络的边缘，他们通过网络内部的路由器 和节点相互连接，而这些路由器和节点的连接方式是这样的：当任意两个节点之 间的一条链路失效后，路由器会经由一个或多个别的路由器找到一条另外的替代 路径。这其实就体现了m e s h 网络的思想。 m e s h 网络的作用不仅仅体现在能提供冗余的链接方面，最重要的是它能使数 据经由多个节点进行传输，从而使付出的功率代价最小。想象一下使用电池供电 的便携式电脑的情况，假如通过g p r s 卡与几公里外的蜂窝塔站进行连接的话， 电池可能没有足够的电量来维持连续的工作；但如果是m e s h 网络，这些电量就 足够使电脑通过仅死步远的蓝牙节点与其他站点进行通信。 无线m e s h 具有组网简单、方便和可扩展等优点。由于它是设计用来动态地 创建新的链接和其他节点相连的一项技术，因而只需要简单地激活邻近的两个装 置，就可轻松地创建矗d - h o c 透信连接。同时随着更多节点的相互连接和可能的 路径数的增加，总的带宽也大大增加了。 在企业应用m e s h 网络 当然m e s h 网络技术的兴起并不意味着企业就应该用m e s h 网络取代企业中现 有的无线网络设施，实际上m e s h 网络技术在企业中有着很多的应用，并且还有 电子科技大学硕士学位论文 更多的应用正在兴起当中。 例如，m e s h 网络组建相对容易，在一个相对偏远的办公室里组建m e s h 网络 可以比传统网络节省几小时到几周的时间。另外m e s h 网络具有很强的健壮性， 因而可以作为灾后网络重建计划中的一个完整部分。m e s h 网络还可以用来为两栋 建筑之间提供临时性的连接。在比较大的校园里，应用室外m e s h 网络能够覆盖 普通的无线设施所不能覆盖的区域。而区域性的m e s h 网络解决方案，能使企业 中的很多通过计算机与企业相连的远距离工作者很方便地获得移动的无线接入。 1 传感器m e s h 传感器是一种构造相对简单、体积较小的装置，具有一个简单的处理器。从 名称上就可以想到，它经常被用来收集一些数据，例如湿度、压力、温度和振动 等，并把这些数据传递给其他的传感器。由于体积小，所以它们一般没有用户界 面，甚至可以被视为数据传送器。传感器还可以嵌入到设备当中，对压力、流量 和温度进行监控。 关于传感器m e s h 的应用，可以举个例子。例如，在不远的将来，传感器将 会被应用于对远洋货运的监控，每一个集装箱里都会装有几个传感器，这些传感 器可以监控冷冻货物的温度或者对装有对湿气敏感的家具集装箱中的湿度进行 监控。由于这些集装箱往往会被紧紧地塞到一起，受它们金属壁( 也可能是里面 货物) 的影响，传统的无线电技术失效了。然而，由于这些传感器彼此之间挨得 很近，因而它们能够以接力的形式将信号传到集装箱开口端的主控无线电设备 上，并由此主无线电设备再对信息进行聚合。 传感器的另一个应用是设备监控和资产追踪，这时可以使用小的无线电设备 来组成m e s h 网络。 2 骨干m e s h 无线m e s h 网络的骨干一般是指网络中构成主要数据传输线路的那些高速链 路。传统上，骨干网是使用光纤( 以前是铜线) 将各个边缘网络相互连接起来。 在m e s h 中只需要有一个节点连接到有线网络上，所有的m e s h 节点就都可以接入 到有线网络了。当然出于冗余度和流量的考虑，可能会需要更多的节点与有线网 络相连。 骨干m e s h 可以布置在室内也可以在室外( 很多公司都能同时提供这两种解 2 第一章绪论 决方案) 。室外设备往往附着在街灯上或者是建筑物外表面上有电力可用的地方。 由于线路上m e s h 设备的出现，每一个节点都越与其他节点进行联系，因而， 很多户外系统就不仅仅起到数据回程作用了，它们也可以包含集成的接入点供客 户端使用。这种解决方案往往包含两套无线电，其中8 0 2 1 l a 作为回程用， 8 0 2 1 l b g 给客户端用，这大大减轻了回程和用户对流量的争夺问题。 1 2 研究现状 由于m e s h ( 无线网状网) 技术的出现，“无线是有线的补充”这句话将不再成 立。 突破当前流行的w i 邛i 技术对每个接入点的有线连接要求，无限扩大w i - f i “热点”的覆盖区域，甚至使整个城域范围都成为一个能够提供无线互联网接入服 务的“热区”，从焉使人们自由自在地享受宽带无线上隧服务的便利和乐趣，听起 来多么诱人l 无线网状网技术的如现，将使这样的构想成为现实。 王、扩浸无线局域鼹 作为一种全新、灵活的广域w l a n 解决方案，无线网状网能够在某一城市地区 或大型园区的整个范围内，实现无线局域网的轻松扩展与延伸。将多个接入点透 过无线方式连接在一超，无需进行布线，就哥形成一个无线网络或“热区”，从蔼 在室内和室外提供非常宽广的无线覆盖这就是无线网状网的最大优势所在。 此外，无线网状网络的接入点可以安装在街道灯柱、大楼侧墙或任何能够提供电 源的位置上，这使它的安装部署具有极大的灵活性。而且由于采用了与w i _ f i 相 同的i e e e8 0 2 1 1 b g 标准，所有原来设置用于w i - f i 的笔记本电脑、p d a 、手机等 终端设备都不需要再安装新的硬件或软件，就可以接入无线网状网，这一点也从 终端方面为无线网状网的推广扫除了障碍。 诸多的利好因素使无线网状网技术一经出现，就受到大学、电力行业、政府 机构等的追捧。2 0 0 4 年底，澳大利亚e d i t hc o w a n 大学与北电合作部署了澳大利 亚境内的第一个无线网状网。据有关人士介绍，网络运行的实际情况表明无线两 状网具有良好酶无缝移动性帮安全性，以及广泛的覆盖。e d i t hc o w a n 大学的学 生们通过笔记本电脑，就可以在校园内的任何地点随时随地登录互联网，同教师 电子科技大学硕士学位论文 和同学保持通信，提交作业，进行v o i p 语音讨论。 国内的清华大学信息网络工程研究中心目前也在进行无线网状网的实际测 试。据参加测试的技术人员介绍，与传统的a p 覆盖相比，m e s h 网的室外a p 效果要 好得多：一是带宽高，二是发射功率大，三是穿透效果好。有了这种解决方案， 一个园区放置十几个室外m e s h 设备，就能完全覆盖整个校园的室外或者大型室内 场景。无须综合布线，只需少量信息点即可，中间的链路完全由无线链路担当， 由此，无线是有线的补充这句话不再成立”。 北电大中国区无线网状网市场部总监金永哲认为，有了m e s h ，w l a n 的应用前 景将大大增加。目前国内大多数大学校园都还没有无线网络覆盖，对于这些学校 来说，选用无线网状网来进行室内、室外无线网络部署，将是非常好的选择；而 对于那些已经部署了w l a n 的用户来说，也可以通过一些技术手段实现已有a p 与无 线网状网的互通，从而扩大网络覆盖范围，实现更强大的功能。 2 、挑战公共移动通信 与有线网络相比，无线网状网的安装不需要进行大量的布线或基础设施，其 成本低得多，更重要的是能够大大节省租用专线的数量，从而节省专线( e l e 3 ) 租费。而且一旦投入运行，m e s h 具有强大的自修复和自适应能力，维护费用也非 常低。 中国台北市日前启动了“无线移动城市”项目，在台北市内部署无线网状网络。 根据项目计划，预计在2 0 0 5 年底台北市将有1 万个无线接入点投入运行，覆盖台 北市9 0 的人口区域。此外，高雄也启动了“无线宽带城市”项目。项目完成后，台 北和高雄的市民无论是在街道上行走，在咖啡厅小憩，在火车上旅行，将都可以 随时随地浏览互联网，实现真正的永远在线。 由于w i f i 手机的发展，通过无线局域网实现v o i p 话音业务乃至其他的多媒 体应用，已经成为2 0 0 5 年w l a n 市场的热门议题。据为台北市部署无线网状网的北 电公司中国区无线网状网市场部总监金永哲介绍，目前台北、高雄都在积极探讨 基于m e s h 网络的w i - f i 手机应用，这种无线语音服务将在一定程度上补充传统的 移动通信和固定电话。 尽管人们对于w i - f i 手机的商业模式还没有达成共识，然而一个显而易见的 问题却已经引起了普遍关注：m e s h 网络的兴起以及运行其上的w i f i 手机应用， 4 第一章绪论 是否会对传统的公共移动通信造成冲击? 北电大中国区首席技术富栋源浩博士认失，燹线黼状照是对无线局域网技术 的一种革命性创新，但其目的不是取代目前达到全国覆盖撼至全球漫游的移动电 话服务。然丽不可否认的是，m e s h 霜络的出现一定会使当前的通信市场竞争形态 更加多元化。 对于露褥运营商来说，可以选择无线网状两替代如s l 乙磷等有线网络，在 原本光有线资源覆盖的地区开展宽带接入服务，快速争取新用户；对于移动运营 商来说，面以在大型企业嚣区采震无线阚状网，通过经济灵活的方式迅速接入 用户，提供宽带网络服务，实现移动数据业务与w l a n 监务的充分合作。无线网 状网正展现出一个具有燹限可能的宽广未来。 1 。3 论文研究目的 本文通过对无线m e s h 网络架构协议的分析，薰点研究了无线m e s h 网络物理 层的规划并提出了一种新的多用户盲检测算法，针对现有的8 0 2 1 l m a c 屡的不 足分析造成该问题的原因以及提出了窗口预留机制的解决方案。在第四章利用马 尔可夫覆理对多信遵进抒了建模，提出了基于多信道税制的霹关敖嚣算法，并采 用蒙特卡罗方法对算法进行仿真，证明该算法的全局最优性取褥了较好的效果。 最后在第五章分辑了非相关路径懿优点：加快传输速度，减少延时盎! 多条路径之闻 分配资源进行传输，其传输性能骧显优于单路径；防止单一链路断裂萼l 起的溺络中 断，增加稳定度；有利于负载平衡，单路径容易造成一条路径的使用过密，过于拥塞； 对单一链路带宽要求降低，资源在多条路径之间分辩，能有效地减少带宽限制的影 响；对紧急程度不同的业务也可以通过多条路径给予一定的保证。在d s r 路出机 期下提感了非稆关性路由发现算法，仿真结果证鳙该算法麓较好酶平衡鼹络负 载，但该算法只能在拓扑变化不是太剧烈的情况下表现出较好的鲁棒性，恰好符 合m e s h 的缩橇有别予a dh o e 网络。在第六章本文重点提擞了基于m e s h 应溺； 基于m e s h 耀络的不同表情识别及其重建系统。针对不同表情的i c a 辨识算法框 架，面看根据p c a 在正面人脸隧像上摘除眼镜上缨节表现力不够强，采用i c a 重建不戴眼镜的与其表情最接近的人脸，提取了入脸图像中被鼹镜遮挡的区域， 通过一个迭代的误差补偿的方法，合成了对应输入图像的无眼镜且富含表情的 人脸图像。该方法能有效地从输入图像中榉摘除眼镜，合成的图像看起来嚣常 s 电予科技大学硕士学位论文 自然，不存在原来眼镜的痕迹。合成了无眼镜人脸图像之后，识别率相对于合成 前提高了近7 0 。稍加改动，本节的方法可以用来去除入脸图像中其他物体造成 的遮挡具有较广阔的应用前景，而且在识别数据库中仅仅存放的是不同表情的 基，摄像机仅仅只需要向中心数据库传送无关分量基空阆重构的系数，大大缩小 了在网络上传输的数据量，非常适合应用于基予无线网络构架的系统。 6 第五章无线嬲状霹概述 2 1无线网络的历史 第二章无线网状网概述 无线网络的初步应用，可以追朔到五十年前的第二次世界大战期间，当时美 国陆军采翔无线电信号徽资料的传输。他锯研发是了一套无线电传输科技，并且 采用相当高强度的加密技术。当初美军和盟军都广泛使用这项技术。这项技术让 许多学者得到了一些灵感，在1 9 7 1 年时，夏威夷大学( u n i v e r s i t yo fh a w a i i ) 豁研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络。这被称作a l o h n e t 的 网络，可以算是相当早期的无线局域网络( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，跳a n ) 。 这最早蘸w l a n 怠括了? 台计算机，它韵采用双蠹星壅拓挣抽i d 主r t 主o n a 王s t a r t o p o l o g y ) 横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛( oa h ui s l a n d ) 上。从这时开始，无线网络可说是正式诞生了。 凰然目前几乎所有的局域网络( l a n ) 都仍旧是有线的架构，不过近年来无线 网络的应焉却霹渐增加。主要应惩范匿在学术界( 像是大学校霾) 、医疗界、制造 业和仓储业等。而且相关的技术也一直在进步，对企业而宙要转换到无线网络也 更加容易、更妻器便宣了。 、 无线网络的应用范围已经越来越广，并且为网络的使用带来了新层次的便利 性。使震无线隧络可以降低安装与维护计算枫网络薛成本，不过相对的，某些隐 含的风险对予高端的企业或用户来说，付出的代价也许太大了。 2 2 无线网络构架 拓扑( t o p o l o g y ) 网络组件的物理( 真实) 或逻辑( 虚拟) 分布形式。 根据以上的定义，我们可以将拓扑藿成是f 许多节点( 是计算机、弼络打霹 机、服务器等等) 在互通网络上的分布形式j 。目前有线阏络有五大网络拓扑，分 别是总线( b u s ) ，令牌环状( r i n g ) ，星型( s t a r ) ，树状( t r e e ) 以及网状( m e s h ) 7 电子科技大学硕士学位论文 拓扑，不过在无线网络中，只有星状和网状两种才有意义。 星型拓扑( s t a rt o p o l o g y ) 是目前最常见的一种，这种架构包含一个通讯用 的中央计算机或是存取点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 。数据封包由源节点发出后，由中 央计算机接收，并且转发到正确的无线网络目标节点。 这台中央计算机，可以用来当作与有线l a n 的通讯桥梁，并且用来存取其它 有线客户端、互连网或是其它网络设备等等。c o m p e xs o f t b r i d g e 程序就扮演着 软件桥接器( b r i d g e ) j 的角色，让您不需要使用特殊的硬件或a p 就可以和有 线客户端与服务端通信。借着这套软件，任何有接上有线网络，并且还配备一块 无线网卡( n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ，n i c ) 的计算机都可以担任桥接器的任务。 网状拓扑( m e s ht o p o l o g y ) 和星型拓扑有些不一样，主要是网状拓扑并没 有中央计算机。每个节点都可以与同在一个网段的其它计算机可由沟通。 2 3 i e e e8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 规格标准 为了让w l a n 技术能够被广为接受和使用，这些技术必须要建立一种业界标 准，以确保各厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。这些标准是由ie e e 所 制定的，最早的规格i e e e8 0 2 i i 是在1 9 9 7 年提出，接着在1 9 9 9 年9 月又提出 了i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 b 。初期的规格制定了在r f 射频频段2 4 g h z 上 的运用，并且提供了1 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规 格。i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 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 1 a 中5 m b p s ，11 m b p s 到5 4 m b p s 速率的新物 理层。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 ca n dm e d i c a l 一工业、科 研与医疗应用) 频段上使用，这些频道包括9 0 2 9 2 8 m h z ( 可利用频宽2 6 m h z ) ， 2 4 - 2 4 8 3 5g h z ( 可利用频宽8 3 5m h z ) ，以及5 7 2 5 - 5 8 5 0g h z ( 可利用频宽 1 2 5 m h z ) ，最后一项也符合i e e e8 0 2 1 1 a 标准的最高资料速率应用。 这些业界标准定义了无线通讯的物理层( p h y s i c a l p h yl a y e r ) 以及媒介存 取控制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a cl a y e r ) 。在这里所谓的层( 1 a y e r ) j 简单来说就是一些相关功能的集合，这些功能与其它各自相关的功能有所区别。 而在无线网络中层代表的意义，我们用个比喻来说明好了：假设您现在要把一本 书( 代表数据封包) 从房间一角的书架上，拿到另一角的书桌上，那么m a c 层就 8 第二章无线网状隧概述 可以当成是一个人把书给拿起来的动作，而p h y 层则代表了人在房间中走动的动 作。标准中定义的p h y 层还包括两种不同的射频逶讯调制方案：分别为童接序 列扩频技术( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 以及跳频扩频技术 ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 。两种方式都是出军方所研发， 并且针对高可靠性、正确性和安全性而设计，它们各有一套独特的方法来传送资 料。f h s s 技术是将可用的频宽带区域分割成好几个通道，它使用的窄频载波借着 2 到4 阶的高斯频移键控( g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，g f s k ) 不断的改 变。换句话说，传送时的频率会在收发双方节点都知道的范围间，利用伪随机技 术( p s e u d o r a n d o m ) 做任意变动。这对ph y 层加入了一些安全性。有心的黑客 基本上没有办法知道接下来要切换到哪一组频率来接收整个信号。另外f h s s 也 有一顼优点，就是可以让许多网络共存在一个物理区域中。 d s s s 采用的方法则不太一样。d s s s 将资料流与一组较高频率的数字代码结 合。每一个资料位都被对映成一组只有收发两方才知道的位样式。这个位样式称 作碎片代码( ch i p p i n gc o d e ) ，它是一串有高有低的信号，并且各代表原本的位。 接着将碎片代码反转，以代表资料流中相对的位。如果传输同步正确，那么这种 方式可以提供独立的错误校正功能，并且对干扰的容错率也比较高。m a c 层定义 的是存取p h y 层的方法，机动性管理与无线电资源控制等。在数据传输上，这和 有线以太潮络的定义差不多，不同的地方是在数据碰撞( d a t ac o l l i s i o n ) 的处 理方式。在有线网络标准中，数据封包可以被任意的送到网络上，只有在两个封 包于菜些情况下互相碰撞( c o l l id e ) 时，才会有其它方式来确保资料封包被正确 送到目的地。在8 0 2 i i 标准中有定义到避免碰撞( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的机 制。在这些标准中，无线网络中的接收端在成功收到资料封包后，会回复确认( a c k ) 封包给发送端。如果发送端没有收到a c k 封包，那么它会等待一段时间后，再尝 试重送封包。 但不幸的是，8 0 2 i i 标准中仍然有一些必须要解决的问题存在。制定标准的 目的，无非是要达到标准化( s t a n d a r d i z a t i o n ) 以及互操作性 ( i n t e r o p e r 曲i l i t y ) 的量标。不过在标准中仍旧有一些与厂商闻互操作性有关 的问题。这些包括a p 点漫游协议，在标准规格中没有明确制定出幽某个a p 范围 移动到另外一个般范圈时的处理枧制。另外无论设备是否符合标准，到醺前为 止还没有一套完整的测试方法来测试无线网络。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 4 网络安全与私秘性 无线网络比起有线网络来说，本来就比较不安全。因为无线网卡使用空气作 为数据传输介质，对越权存取和窃听的行为也比较不容易防备。对一个网络窃听 专家而言，他们在面对有线网络时，通常得要有高度的警觉性与相当程度的知识。 不过由于无线网络不需要用到物理连接，要渗透进去其实很容易。他们只需要一 片无线网络卡，和一些无线网络的漏洞与弱点知识就够了。为了防堵这些自称黑 客的攻击，标准规格中也制定了称为有线安全等级协议( w i r e de q u i v a l e n c y p r o t o c o l ，w e p ) 的事项。理论上，这个构想可以保护网络的私密性，另外w e p 协 议也可以防止未经授权就存取无线网络。不过根据许多研究人员的分析，这项协 议实际上还无法达到上述的两项目标。目前为止已知可行的攻击手法有下列几项： 水根据统计分析结果，对流经的数据展开被动式译码攻击 ，i c 根据已知明文内容，可以由未经授权的通讯站发出新数据流以作主动攻击 宰借着对a p 动手脚，可以对流通的资料展开主动式译码攻击 木当每天的资料流动遭到监控与分析时，有可能借着字典建立式 ( d i c t i o n a r y - b u i l d i n g ) 攻击，对所有流通数据做实时的译码 w e p 协议使用共享于一个基本服务组( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 的秘密键 值做传输。b s s 指的是一个无线a p 与一组相关节点的组，这个键值用来在资料封 包传输前作加密的动作，封包也必须经过完整性的检查，以确保在传输中没有被 篡改。而在8 0 2 i i 标准中的小漏洞，是里头没有定义共享键值( 密匙) 要如何建立。 在大部分无线网络中，是使用单一键值在区域内共享，并且必须要手动设定。这 种加密方法的问题是出在加密的算法。w e p 使用的是r c 4 算法，这是一种流式加 密器( s t r e a mc i p h e r ) ，它将短的键值展开成为无限制的伪随机数键值串。发送 者使用这个键值串与明文信息做异或( x o r ) 运算处理并产生密文。异或( x o r ) e x c l u s i v eo r ( 异或) 逻辑运算指的是是一种二进制系统的逻辑运算子，若两 个操作数不同，则结果为l ，当两个操作数相同时，其结果为0 。依照这项原则， 接收者则使用键值产生适当的键值串。并且对密文做x o r 及键值串运算之后，就 可以得到原始的明文了。这种串流加密器也制造了几种遭攻击的机会。其中一种 攻击方式，是攻击者篡改拦截到封包中的位，这么一来原本可以解密的封包就解 1 0 第二章无线网状网概述 不开了。另外一种攻击可能导致所有寄送的明文曝光，窃听者只要拦截到两组使 用同一组键值串加密的密文就可以了。用这两组密文可以算出原本明文的x o r 表， 而这个x o r 资料可以用展开统计式攻击以解开所有明文。只要掌握越多同一键值 串加密的密文，这种攻击就越有效。一旦其中一道明文被解开，那要解开其它甓 文自然不是难事。不过怒p 对这两种攻击倒也不是束手无策。它使用完整性检验 ( i n t e g r i t yc h e c k ，i c ) 文件来确保传输中资料不会被篡改，另外它也使用初始 向量( i n i t i a l i z a t i o nv e c t o r ，i v ) 来产生共享的键值，以防使用相同键值串来 加密两份明文。研究则指出这两项方法运作的都不太正确，导致在安全性上效果 不彰。 i c 值采用相当常见的错误剑测方案- - c r c - 3 2 校验和。但这种方法也有问题存 在，就是它是线性的值。由于可以根据数据封包的位差异，来算出两个c r c 码的 位差异，攻击者也可以在更改实际位的同时，算出应该要修改c r c 3 2 码中的哪一 个位，好让封包看起来是正确的。 w e p 算法的另一项弱点，是它使用2 4 - b i t 的初始向量。这导致i v 可能组合 的范围很小，也就是说在很短的时间内就可能重复用到同一组键值串。在一个资 料流量普通的忙碌艘上，大约只要5 小时就可能会出现重复的键值串。如果封包 尺寸缩小，那时闯还会曼短。这诖攻击者有机会在很短的时闻内收集到两个采相 同键值串加密的密文，并开始做统计分析以找怒翳文。更糟的是由予所有节点都 用相同的键值，i v 重复的可能大大的增加。而且在8 0 2 。1 1 标准中，变动i v 还不 是预设使用的功能。 这时使用更先进的键值管理方法，可以用来防止上述的攻击。这些攻击并j 暑 一般人所想的那么容易，当然啦，市面上的各种8 0 2 1 1 规格产i l l 让许多自称骇客 的人在译码2 4 g h z 信号时不再那么困难，不过最大的难点还是在硬件本身。许 多8 0 2 1 1 设备都设计成要是没有持有相对应的键值，那么就会无视于加密的内 容。如果对驱动程序动手脚，并且让硬件搞混，那么还是可以把无法辨识的密文 给抓回来研究。需要数据传输动作的主动式攻