（电磁场与微波技术专业论文）无线局域网中的网管设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：专车望蜂 日期：丝! 笙。i ：篁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文 本人签名： 导师签名： 不属于保密范围，适用 垫始 本授权书。 日期：塑垡! ：! 翌 日期：千州叫蚪一 北京邮电大学硕士学位论文 无线局域网中的网管设计与实现 摘要 从1 9 8 5 年5 月f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m it t e e ) 为局域扩 频通信开放i s m 频带以来，许多公司开始投入对无线局域网( w l a n ) 技术和 产品的研究和开发。随着8 0 2 11 等标准的批准或制定，无线局域网产品 在兼容性上的风险日益减少，而同时无线局域网产品性价比大幅度提高。 另一方面，随着计算机网络的日益广泛使用，网络的规模在不断的扩大， 网络的结构也变的越来越复杂。为了保持和增加网络的可用性，减少故障 的发生，人们必须对网络本身进行管理。但由于网络日趋庞大和复杂，必 须依靠自动网络管理工具。 作者参与了北邮无线通信中心的无线网桥的开发的全过程，对网络设 备从底层到上层软件的开发，协作，调试过程有了非常清晰的认识。本文 先介绍了无线局域网的发展情况，特点，及其相关标准8 0 2 1 1 ，并介绍 了嵌入式开发的特点，着重对在无线局域网中进行s n m p 协议的开发进行 了深入的分析，并给出了具体的解决方案。 本文重点在于s n m p 协议的分析和实现，详细阐述了在嵌入式平台下 代理端对s n m p 报文的接收，分析，查找m i b ，得出结果再按照s n j i p 协议 组帧，并从u d p 端口发出的过程。经过实际的大量的调试和测试工作，已 经达到了预期的功能设计：m i b 库遍历，和其它模块交互，陷阱报文等主 要的功能得到实现。 关键词：无线局域网，无线网桥，8 0 2 1 1 ，v x w o r k s ，s n m p 。m i b 韭垒! ! ! ! ! 生丕堂里主望堡堡塞 d e s i g n sa n di m p l e m e n t so f n e t ma n a g e m e n ti nw i r e l e s sl a n a b s t r a c t s i n c et h ef c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o d sc o m m i t t e e ) o p e n e dt h ei s m b a n d w i d t hf o rl a n e x p a n d i n gf r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n s ，m a n yc o m p a n i e s h a v es t a r t e dt or e s e a r c ha n dd e v e l o pw l a n t e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t s w i t h t 1 es t a l l d a r d ss u c ha s8 0 2 11a u t h o r i z e da n de s t a b l i s h e d t h er i s ko fw i r e l e s s p r o d u c t s c o m p a t i b i l i t yp r o b l e mh a sr e d u c e da n d a tt h es a m et i m et h er a t i oo f p e r f o r m a n c e t o p r i c e h a s g r e a t l yi m p r o v e d o nt h e o t h e rh a n d w i mt h e c o m p u t e rn e t w o r k sb e i n gw i d e l yu s e d , t h ec a p a c i t y o ft h en e t w o r k si s e x p a n d i n ga n dt h es t r u c t u r eo f n e t w o r k sb e c o m e sm u c hm o r ec o m p l i c a t e d i n o r d e rt oi n c r e a s et h eu s a b i l i t yo ft h en e t w o r k sa n dr e d u c et h eh a p p e n i n go f f a u l t s ，i ti si n d i s p e n s a b l ef o rp e o p l et om a n a g en e t w o r k s b u tt h en e t w o r k sa r e s ol a r g ea n d c o m p l i c a t e d t h a tw em u s t d e p e n d o nt h ea u t o m a n a g e m e n t t 0 0 1 t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e si nt h e r & do fw b ”p r o j e c t ，s p o n s o r e db y b u p tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc e n t e r t h ea u t h o re x p e r i e n c e st h e w h o l e p r o c e s s o ft h i s p r o j e c t ，i n c l u d i n gt h e o r ys t u d y i n g ，d e s i g n i n g ，a n ds y s t e m t e s t i n g i nt h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo fw l a n a n d c o r r e s p o n d i n g s t a n d a r d8 0 2 ，1ia r ef i r s ti n t r o d u c e d ，t h e l lt 1 1 es t r u c t u r eo fv x w o r k s a n dt h e p l a t f o r mo f o u r p r o j e c t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h em e t h o do ft h ea n a l y s i sa n d d e v e l o p m e n t o fs n m pi nw l a n ，a n d g i v e st h ep a r t i c u l a rs c h e m ef o ri t t h e e m p h a s i so ft h i st h e s i si sm ya n a l y s i sa n di m p l e m e n to fs n m pi n w l a n i nt h ee m b e d d i n gs y s t e m ，t h ea g e n tf i r s tr e c e i v et h ed a t a g r a mf r o m 4 北京邮电大学硕十学位论文 u d p p o r t ，t h e na n a l y z ei t ，a n ds e a r c hi ti nm i b ，t h e ng e tt h e r e s u l ta n d c h a n g e i tt of r a m ea c c o r d i n gt os n m p , a n d f i n a l l ys e n d i tt om a n a g e r a c c o r d i n gt oa l o to ft e s t i n gw o r k t h es n m pa g e n th a sa c h i e v e dt h e e x p e c t e dg o a l ：t h e f u n c t i o n ss u c ha sf a s ta n de x a c ts e a r c ho f m i b ，g o o de x c h a n g ew i t ho t h e r m o d u l e s ，a n dt r a pm e s s a g eh a v eb e e nf i n i s h e d k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , i e e e 8 0 2 1 l b ，v x w o r k s ，s n m p ，m i b 目录 北京l 1 5 电人学硕士学位论文 第一章序论 引言 局域网分为有线局域网和无线局域网。历来一直广泛使用有线l a n ，先是利用小 型同轴电缆的总线网( b u s ) ，即所t n e t h e r n e t ，数据速率可达l o m b s ，接着改用光 纤的环形网( r i n g ) ，即常称的f d d i ( f i b e r d i s tr i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) ，数据 速率增至1 0 0 m b s 。近年来，个人计算机快速进步，出现轻便携带式，诸如膝上计算 机( 1 a p t o p c o m p u t e r ) 。人们随身携带这样的计算机在单位地区内自由走动，也希望 接上计算机网，与本单位的其它计算机互相通信。这就导致9 0 年代出现无线局域网 ( ! l a n ，w i r e l e s s l a n ) 。由于无线局域网的快速发展，无线局域网的性能大幅度提高， 现在已经能够提供远大于移动电话的数据速率，有着其它方式不可比拟的优势，必将 成为未来个人通信系统的重要组成部分。 在各类无线局域网的标准中，i e e e s 0 2 1 1 是由十分成熟的有线以太网发展而来，具有 简单可靠兼容性强的优点，获得了网络设备生产商的广泛支持。并且最高达1 l i v l b d s 的数据速率足以支持现有的绝大多数语音、数据和视频业务，所以具有十分广阔的发 展前景。 1 1 无线局域网的发展 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 1 v l h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 三个i s m 频段，允许在满足定的条件下可以免许可的使用这些频段( 即只要无线局域网设备 的发射功率及带外辐射满足f c c 的相关规定，用户无需向f c c 提出申请就可使用这些 产品。) 随后，欧洲无线电委员会( e r c ) 于1 9 9 1 年公布了建议用于无线局域网的一 组频段，这些频段分别为2 4 6 h zi s m 频段，5 8 g h z i s m 频段，1 7 1 g h z 频段，2 4 g h z i s m 频段和6 0 1 g h z 频段。日本邮政省电波系统开发中心( r c r ) 在9 3 年公布了无线 局域网的电波规范r c rs t d 3 3 和r c rs t d 一3 4 。 北京邮电人学硕士学位论文 最早的无线局域网产品是在9 0 年代初出现在市场上的。其中除了工作在上述i s m 频段的系统外，也有采用专用频段的产品，如美国摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 的a l t a i r 室内无线系统就工作在1 9 g h z ( 1 9 4 9 5 1 9 5 5 5 ) 专用频段。 这些早期产品主要特点是各个设备制造商都采用了专有的传输方式和各自不同 的m a c 协议，这是由于当时还没有存在一个正式的或事实上的统一标准。由于所采 用的传输技术和m a c 协议都不相同，不同厂商的设备之间没有互通性，同一无线局 域网内的设备必须由同一设备生产商提供，这大大限制了无线局域网的普及。 1 2 无线局域网优势 从理论上讲，实现移动数据网络的方法有很多种，除了无线局域网以外，主要还 有下面几种途径。 一直接利用现有的模拟或数字蜂窝电话网、微蜂窝无绳电话网传送计算机数据。这 种方法的优点是网络覆盖范围广，但它只支持十几k b p s 的数据速率并且可靠性 差，不适宜传送突发数据。 建立专用的移动分组交换网；这种方式只是利用一个专用数字分组交换网代替移 动交换网，它的可靠性和安全性都得到了很大提高，但是它需要重新建立一套网 络系统并且数据速率没有得到明显提高。 在现有的蜂窝电话网络上建立数据交换网。这种技术的代表是g p r s 技术。通过对 现有g s m 网络的改进，g p r s 可以提供高达1 7 0 k b p s 的数据速率，它结合了上述两 种途径的优点，具有安全可靠的特点，并且只需对现有g s m 系统进行改造而无需 建设新的网络。 另外，第三代移动通信( 3 9 ) 将数据通信作为一个重要的业务，它的目标是在将 来提供车载1 4 4 k b p s 、步行3 8 4 k b p s 、室内2 m b p s 的信息传输速率( 目前的系统还 远未达到这个目标) 。虽然作为下一代移动电话网，它在技术上要优于前面三种方 案，但建设成本是目前3 g 系统的最大缺点。 上面所提到的方案都是建立在电信网络的基础上，它们都存在着一些共同的缺点： 传输速率低、主要面向语音业务、系统复杂，成本高。 北京邮电大学硕十学位论文 同前面的几种方案不同，无线局域网是在有线局域网的基础上发展丽来的，因此 它继承了有线局域网的以下优点： 一简单：由于覆盖范围和用户都是有限的，所以可以采用广播方式传输而不需要复 杂的信道分配和路由管理。这使得网络设备和网络管理都可以大大简化，这意味 着网络的建设和维护成本都可以大大降低。 一高速：由于共享信道，终端可以使用相对较宽的信道而达到高数据速率，虽然总 的吞吐量没有改变，但对于高突发性的数据传输是一种高效的方案。 - 兼容性好：由于无线局域网是从有线局域网发展丽来，所以两者具有相似的性能 和特点，用于有线局域网的大量软件和终端只需要稍作改动就可以用于无线局域 网。这大大提高了无线局域网的兼容性 由于具有上述这些优点，无线局域网必将成为实现移动计算网络的关键技术之一。 在未来的个人通信网中，无线局域网即使不是构成移动计算网络的基础，也会成为其 中的一个重要组成部分。 1 3 无线网桥 网桥是工作在数据链路层，连接两个l 从的网络设备，它根据接收帧的m a c 地址 来决定帧的转发路径，可以看作是一个“低层的路由器”。 一般来说，用于网络互联的设备有集线器( h u b ) 、网桥( b r i d g e ) 和路由器( r o u t e r ) ， 三种设备有不同的应用场合。使用网桥的原因： 用于局域网之间的互联，费用低。 _ 对网络进行分段，以减少网络上的用户数和通信量，还可以增加网络的物理总距 离。可靠性问题。可以对网桥编程以决定是否转发收到的帧，所以网桥可以设置 在局域网中的关键部位，防止因单个节点失常而破坏整个系统。 - 安全保密性。在网络中多处置网桥并谨慎的拦截无需转发的重要信息，那么就可 以把网络分隔以防止信息被窃。 传统的有线网桥受到了来自交换机和路由器的冲击。由于交换机是基于硬件转发 每一帧，相对于基于软件来转发每一帧的网桥来说交换机能够以更快的转发速率来进 北京邮电大学硕士学位论文 行两个或多个l a n 的连接工作，并且交换机还支持v l a n ，可以为用户提供更好的安全 性。另一方面，网桥不能像路由器一样分割广播域，网桥只能连接同一i p 子网的设 备。并且随着交换机和低端路由嚣的价格一再降低传统的有线网桥已经快销声匿迹 了。 但是随着无线局域网技术的迅速发展，给了网桥新的希望。作为无线局域网技术 的核心网络设备一接入点( a p ) 和无线网桥( w b ) 来说，其本质都是网桥。a p 是连接 本地的两个不同类型l a n ( 有线网和无线局域网) 的本地透明网桥，而无线网桥是通 过无线局域网来连接远程两个或多个l a n 的远程透明网桥。可以说无线局域网赋予了 网桥新的概念。 a p 和w b 无线端口的物理层和m a c 层参照8 0 2 1 1 协议规定，有线端口物理层和m a c 层则参照8 0 2 3 协议规定。a p 和w b 的不同主要体现在上层协议上：由于支持的网络 连接方式不同，所以对接收帧的处理也不同，相关的管理工作和性能完 善工作也不同。 无线局域网的主要优势是无线连接，使用无线局域网不仅可以减少布线的需求和 与布线相关的一些开支，还可以为用户提供灵活性更高、移动性更强的信息获取方式。 如不同l a n 之间互连时，由于物理上的原因，若采取有线方式不方便( 费用高或者挖 沟铺线不方便) ，则可利用无线网桥的方式实现两个l a n 或多个l a n 的无线连接，并 且不需要获得接入许可( 8 0 2 1 1 b 使用的是免费的i s m 频段) 。无线网桥不仅提供l a n 之间的物理与数据链路层的连接，还可以为l a n 用提供较高层的路由与协议转换。 1 4s n m p 的应用发展 随着计算机网络的应用领域曰益广泛，网络的规模在不断的扩大，网络的结构也 变的越来越复杂。为了保持和增加网络的可用性，减少故障的发生，人们需要对网络 本身进行管理，但由于网络日趋庞大和复杂，单靠人力是无法胜任这一工作的，必须 依靠自动网络管理工具。当前国际网络市场上，各厂家除了推出其网络产品外还同时 推出其相应的网管产品，例如3 c o mt r a n s c e n d ，b a yo p t i v i t y , c i s c oc i s c ow o r k h p 北京邮屯夫学硕士学位论文 o p e n v i e w 等等 通常，一个计算机网络由许多不同的厂家的产品构成，要有效的管理这样一个网 络系统，就要求各个网络产品提供统一的管理接口，即遵循标准的网络管理协议。这 样，一个厂家的网络管理产品就能方便的管理其他厂家的产品，不同厂家的网络管理 产品之间还能交换管理信息。 s n m p ( s i m p l e n e 觚o n m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，简单网络管理协议) 是由i n t e r n e t 活动 委员会( 从b 媾4 订的，被采纳为基于t c p i p 协议的各对互联网络的管理标准。由于它 满足了人们长期以来对通用网络管理标准的需求，而且它本身简单明了，实现起来比 较容易，占用的系统资源少，所以得到了众多网络产品厂家的支持，成为实际上的工 业标准，基于它的网络管理产品在市场上占有统治地位。1 9 9 3 年它的更新版本s n m p v e r s i o n2 又被推出，改进了s n m p 的不少缺陷。 1 5 论文结构 第一章序论，介绍一些基本背景。 第二章介绍了无线局域网的基础知识及关键技术，简介了无线局域网的发展历 史，详细的介绍了i e e e 8 0 2 1 1 协议，叙述了i e e e8 0 2 1 1 协议的特点、逻辑结构和 所能提供的服务。 第三章介绍了无线网桥上层协议实现中使用的系统平台一嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 的构成，分析了该实时系统软件设计的一些基本问题、设计思路以及软件实 现中应该注意的一些重要的细节问题。 第四章介绍了s n m p 的仂议规定和功能设计。主要讲述s n m p 的报文格式，内部 处理机制，s n g p 的基本知识，包括抽象语法记法a s n i 和基本编码规则b e r ，网络参 考模型。 第五章讨论了无线网桥上层协议实现中使用的系统平台一嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 的构成，分析了该实时系统的构成及其常用工具。 第六章对无线网桥的整体设计做了概要说明。主要阐述了在嵌入式系统中实现的 基于无线网桥的s n m p 的设计思路及具体实现过程，给出了主要的模块框图和程序流 北京邮电人学硕士学位论文 程图。 最后对工作做出了总结和展望。 北京批电大学硕士学位论文 2 1 无线局域网简介 第二章无线局域网技术 一般来说，采用无线作为传输媒介的计算机局域网都可以称为无线局域网。但为 了区别以往的低速网络，我们将无线局域网定义为传输速率高于2 5 6 k b p s 的无线计算 机局域网。 由于无线局域网可以被认为是从有线局域网发展而来，而有线局域网的技术和理 论相对成熟，并且为较多的人所熟悉。我们将主要从无线局域网与有线局域网的相似 和不同之处来描述无线局域网的特点。 2 1 1 技术要求 无线局域网同以往的基于蜂窝电话网、专用分组交换网及其它技术的无线计算机 通信网相比，由许多本质的区别。如对高速突发数据业务的支持，对多径衰落的克服， 以及相邻系统之间的干扰等问题，下面我们将给出无线局域网应该达到的性能以及存 在的技术难点 可靠性：只有信道的误比特率达到相当低的水平，此能够保证重发数据包不会使 网络实际吞吐能力大大下降，即使无法达到有线局域网的1 0 1 的信道误比特率的水 平，无线局域网也需要达到低于l o “的信道误比特率( 或低于l o 。的数据包丢失率) ， 才可以保证较为满意的网络性能。 兼容性：对于室内应用的无线局域网，因为涉及到数量巨大、种类繁多的终端， 系统应尽可能与现有的有线局域网兼容，尽量保证现有的网络操作系统和网络软件在 无线局域网中不加修改的正常运行。 数据速率：为了满足局域网的业务环境，无线局域网至少应具备1m b p s 以上的数 据速家。 北京邮屯j 、学硕工学位论文 通信保密：由于无线信道缺乏有线信道自然具有的对信号传播范围的控制能力， 所以必须提供额外的保护措施来保证通信的安全性，这包括鉴权认证、数据加密等多 种层次的保证，它至少具有与有线局域网相同水平的安全性。 节能管理：由于室内无线局域网主要面向移动用户和便携终端，所以必须采取一 定的节能措施来保证合理的使用时间。 小型化、低价格：这是无线局域网能够实用并普及的关键所在。它取决于两个方 面：一是系统采用的技术必须做到简单实用，为了片面追求高性能而使系统复杂化的 设计并不可取；二是微波单片集成电路( 渤i c ) 的技术取得进步，使得生产小型、低 价格的射频单元成为可能。 电磁环境、无线频段的使用规范：使用无线电波的无线局域网，必须考虑电磁波 对人体健康的损害及其它电磁环境的影响，必须控制发射功率和带外辐射等技术指 标。 2 ，1 2 传输方式 无线局域网的传输方式主要包括采用的传输媒体、选择的频段以及调制方式。目 前所采用的传输媒介有无线电波和红外线两种；而无线电波选择的频段则主要可分为 免许可的i s m 频段和专用频段两种；而无线调制方式可分为扩展频谱调制和窄带调制 两种。 作为无线局域网的传输媒介，红外线的最大优点是相互之间不易干扰，并且在使 用上不受无线电管理部门的限制。然而，红外线的传输特性很差，覆盖的范围远远小 于无线电波，在室内的传输距离一般在十米之内，这大大限制了红外线在无线局域网 中的使用。 无线电波作为传输媒介有着穿透性好( 相对于红外线) ，覆盖范围大的优点，但是 同时也存在着相互间干扰的问题，并且在使用上受到一定限制，这样就带来了一个合 理选择频段的问题。 目前，我国以及欧美等国都已经分配了一些频段作为免许可使用的频段，只要无 线设各的发射功率及带外辐射满足无线电管理部门的要求，无需向管理部门提出专门 的申请就可以使用这些频段。由于许多工业、科研和医疗设备辐射的能量集中于该频 北京越电大学硕士学位论文 段，所以通常将这些频段称为i s m 频段( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i c 及m e d i c a l 首字母 缩写) 。除此之外，其它频段的使用必须提出申请并经过无线电管理部门的许可才能 使用，它们一般都有专门的用途，所以也称为专用频段。与专用频段相比，i s m 频段 在使用方便同时更易于受到外界的干扰，尤其在共享媒介的无线局域网中，相邻设备 的干扰是一个需要高度重视的问题，它有可能造成系统性能的严重恶化，使通信的可 靠性无法得到保障。 为了满足i s m 频段的特殊要求，工作在i s m 频段的无线局域网系统采用了扩展频 谱调制技术。这种作法实际上是牺牲频带利用率来换取性能的改善，并且由于带宽的 限制而不能采用c d m a 系统所采用的宽带扩频技术。这一方面意味着只能获得有限的 性能改善；但另一方面大大降低了系统的复杂性，从而具有了简单、价廉的优点。 对于工作在专用频段的系统，由于不需要特别考虑干扰的问题，所以一般采用窄 带调制方式来获得较高的频带利用率。这使得系统可以达到较高的频谱效率( 相对于 i s m 频段的扩频系统) 。 2 1 3 拓扑结构 无线局域网的拓扑结构可以归结为两类：无中心节点的拓扑结构和有中心节点的 拓扑结构。图2 。l 给出了无中心节点拓扑和有中心节点拓扑的示意图。 无中心节点的拓扑结构由图i i a 所示。它要求网中的任意两个站点均可直接通 信，各个站点在网络中的地位是完全相等的，所以又称为对等式( p e e rt op e e r ) 拓 扑。这种结构的优点是网络抗毁性好、组网简便、且费用较低，但是网络中站点的布 局受周围环境限制较大。 需要注意的是，虽然这种对等式拓扑在节点地位上同总线型以太网相似，但无线 媒介实际上构成了一个网状结构，这使得无线局域网中任意一个节点的损坏不会像总 线型有线局域网那样造成整个网络的失效，这就是无中心拓扑的无线局域网抗毁性好 的原因。 北京邮屯火学硕士学位论文 旷、 l 二8 5 5 d 、鲤罗 图2 1 无线局域网的拓扑结构( 无中m ；b 有中o ) 有中心拓扑的网络结构由图1 1 b 所示。在这种结构中，存在着一个中心节点，所 有节点对网络的访问均由中心节点控制，它的优点是可以对节点对网络的访问进行分 配和控制，这样在网络业务量增大时就可以减少网络吞吐量和时延性能的恶化。此外， 中心节点还可以为无线局域网接入有线骨干网提供了一个逻辑接入点，这样就可以大 大扩展无线局域网的服务范围，这也是实际应用中通常由中心站实现的功能。 同有线局域网相比，我们可以发现它同星型结构的有线局域网( 如使用双绞线作 为传输媒介的1 0 b a s e x 及1 0 0 b a s e x ) 十分相似，而中心节点在这里的作用也相当于有 线局域网中的h u b ，这也就是将中心节点称为无线h u b 的原因，而中心节点最基本的 功能同有线局域网中h u b 的功能也是完全一致的( 虽然在细节上仍有所区别) 。 2 1 4 网络接口 对应于国际标准化组织( i s 0 ) 提出的“开放系统互连参考模型”( o s i r m ) 中的 七层功能，局域网定义的是第一层物理层和第二层数据链路层的功能，其中数据链路 层按功能又被进一步细分为媒介访问控制层( m a c ) 和逻辑链路层( l l c ) 。 无线局域网使用一个独特的物理媒介( 支持移动的无线媒介) 并规定了系统相应 的传输方式，这就构成了无线局域网物理层的内容，如t e e e 8 0 2 1 l 协议在物理层部 分就定义了两种不同的无线媒介，以及支持不同的数据速率时所采用的调制方式以及 相应的数据格式。这就形成了一个完整的物理层定义。 如果保持有线局域网协议中物理层以上部分不变，仅仅使用无线信道代替有线信 道( 即仅仅改变物理层的定义) 就可以很简单的实现无线传输功能，这样做的最大优 点就是可以不对上层的网络操作系统及相应的驱动程序作任何修改。由于前面所说的 i 卜 巳： 一 罢 、 北京趔些走堂塑学位论文 无线媒介同有线媒介传输特性存在根大的区别，所以有线局域网的m a c 层协议一般无 法直接在无线物理层工作。在这种情况下就有必要为无线局域网设计一套适应于无线 媒介特点的m a c 层协议，而不再沿用传统的有线局域网m a c 协议。 如果在无线局域网和有线局域网中分别采用两套不同的m a c 协议，那么在两种网 络混合工作的环境中就会存在两种协议之间的转换问题，这相当于有线局域网中网桥 ( b r i d g e ) 的功能，而能够实现这种功能的无线局域网设备( 通常由中心站完成转换 功能) 就称为无线网桥，这是一种不同于室内无线局域网但有着其重要作用的特殊设 备。 21 5 实际应用 根据无线局域网的特点和功能，我们可以将应用情况分为三类：固定网络应用、 半移动网络应用和全移动网络应用。 固定网络应用：一般用于室外环境中固定点之间的远距离通信，它可以克服布线 的困难，充分发挥无线局域网高速率、组网灵活的优点。由于具有终端数量少、终端 位置固定。传输距离远的特点，所以它可以采用定向天线来改善传输性能，并且无线 信道环境较好。但是，由于传输距离大大增加，传输的延迟会严重的影响系统性能。 半移动网络应用：半移动网络应用是指用户平时移动，但在连接网络时位置固定。 它一般是用来作为有线局域网的补充，用在流动性大、布线困难或成本过高的场合， 在室内和室外环境中都由一定的用途。在这种应用方式中，技术问题相对简单，也可 以保证较好的通信质量，所以是目前最为普遍的应用方式。 全移动网络应用：全移动网络是指用户在连接网络时位置不固定，在移动过程中 传输数据。在这种应用中，局域网用户的位置改变是相对于有线局域网的一个本质区 别，它不仅涉及到无线局域网的覆盖范围、在不同覆盖区之间的切换、信道特性恶化 等技术问题，而且还涉及到网络高层对用户定位和寻址的问题 虽然全移动网络在技术上仍然存在很多的难点，并且最为复杂，但是只有全移动 网络才能满足个人通信所提出的要求，而支持全移动应用的移动计算网络也是无线局 域网的发展方向。 ! ! 室些皇盔堂雯主堂丝堕茎 2 2i e e e 8 0 2 1 1 标准 无线局域网技术的进步发展和普及首先要求解决不同生产商的无线局域网产品 之间的互通性问题。所以有关部门和国际标准化组织先后开始了无线局域网的标准化 工作。虽然高速无线局域网有者足够支持高质量视频的数据速率。但是存在着尚未解 决的技术问题并受到成本的限制，所以虽然高速局域网仍将是今后的发展方向，但是 目前只有中速局域网具有较大的实用价值，而它的速率也可以满足目前绝大多数网络 应用的要求。所以我们在下面将具体对y e e e 8 0 2 11 标准进行研究和分析。 i e e e8 0 2 1 1 标准主要服务是发送两个同级l l c 之间m s d u 。8 0 2 1 1 标准提供m a c 和p h y 功能，在局域网内为固定、便携式和以步行或行车速度移动的移动站提供无线 连接。8 0 2 ，标准包括下列一些具体的特征： 提供异步和限时发送服务。 通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务。 自动调节适应传输速率。 支持大部分市场应用。 多点传送( 包括广播发送) 服务。 网络管理服务。 注j l | j 和认证服务。 2 ，2 ，1i e e e8 0 2 ”几个基本概念 在i e e e8 0 2 1 1 中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本服务区b s a ( b a s i c s e rx 。i c e a r e a ) ，而在一个b s a 内彼此之间相互联系，相互通信的一组主机组成了一 个基率服务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，通常我们把介质访问控制层和物理层的接 口规范符合无线介质特性的设备，如计算机等，称为主机s t a ( s t a t i o i l ) 。一个单独 的矗鼯组成的网络为单区网h o c 网络。因为在无线环境下，传播延时和信号衰落 是动态和不可准确预测的，所以所谓的基本服务区实际上只是一个概念上的区域，某 一时刻属于同一b s s 的所有s t a 的功率覆盖范围才是真正的与该b s s 对应的基本服务 区。所以，我们用b s s 代表一组互相连接和通信的s t a ，也指与它们相对应的基本服 北京蚍电犬学硕士学位论文 务区。 一个b s a 所能覆盖的区域受n g , 境和主机收发机特性的限制，为了覆盖更大的区 域，我们就需要把多个e s a 通过分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 连接起来， 形成一个扩展服务区e s a ( e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ) ，而通过d s 互相连接起来的、属 于同一个e s a 的所有主机组成一个扩展服务组e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。每个 b s s 都被分配了一个标识号b s s i d ，每个e s s 也被分配一个标识号e s s i d ，所有的 e s s i d 组成一个网络标识n i d ( n e t w o r ki d ) ，用以标识这几个e s s 组成的网络。通 常在b s s 中有一台主机能提供这样的服务：本b s s 中所有主机能通过它对d s 进行访 问、与其它b s s 中的主机通信、获取和维护管理信息，我们称这台主机为无线接入点 a p ( a c c e s sp o i n t ) ，a p 既可以作为一个普通主机应用，也可以提供这种管理服务。 通过a p 把b s s 和d s 互联起来组成的网为多区网i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k 。在 i e e e 8 0 2 1 1 中要求：从数据链路层l l c 看来，e s s 和一个独立的b s s 是没有什么区别 的，属于同一个b s s 的移动主机从一个b s s 移动到另一个b s s 是透明的。 用来形成一个无线局域网的传输介质称为无线媒体w m ( w i r e l e s sm e d i u m ) ，而d s 所用的在a p 之间通信的传输介质称为分布式系统媒体d s m ( d i s t r i b u t i o n s y s t e m m e d i m ) ，w m 和d s m 可以相同也可以不同，即d s m 可以是有线媒体，也可以是频 段多变的无线媒体，这样在组织无线局域网时就有了足够的灵活性。 在一个b s s 中，决定某一时刻哪个主机可以通过无线媒体发送数据或接收数据的 功能称为协调功能c f ( c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。无线局域网最基本的协调功能是分 布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t i o nc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，而在多主机网中a p 决 定某个时刻哪个主机可以发送接收，我们称之为点协调功能p c f ( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，a p 充当点协调器。这两种协调功能实际是基于分布式无线 媒体访问协议d f i n a c ( d i s t r i b u t e df o u n d a t i o nw i r e l e s sm a c ) 引入的两种访问方 法，它们是可以共存，互为补充的。 在这里，我们需要在概念上将便携机和移动主机区分开，就当前的技术现状，便 携机的通常应用是：在一个地方登录上网，若想移动到另一地理位置，需要先关机， 然后移动到另一地方，重新登录，在移动过程中是不进行通信的。而严格意义上的移 动主机是保证当移动主机在以步行速度移动时，仍能保证数据通信。 北京蚍电大学硕+ 学位论文 i e e e s 0 2 1 l 是既支持便携机的无线通信，也支持移动主机的移动通信。 2 22i e e e8 0 21 1 拓扑结构 i e e e8 0 2 1 1 拓扑结构由许多组件组成，他们相互作用提供一个无线l a n ，能使 站点的移动性对高协议层透明，8 0 2 1 1 标准的功能体现在无线网卡和接入点( a p ) 的软件接口。8 0 2 1 1 标准支持下列两种拓扑结构： 独立基本服务集( i b s s ) 网络。 如图2 2 所示，图中有两个b s s ，每个b s s 中各有两台主机。b s s 中的主机只能与 同一b s s 中的主机进行通信，一旦一个主机离开b s s ，我们就认为它与原b s s 中其它 主机的通信宣告中断。一个单独的b s s 组成一个单区网，如图2 4 1 中的b s s 就可以 认为是一个单区网。 图2 2 基本服务集 _ 扩展服务集( e s s ) 网络。 为满足跨越i b s s 范围限制的需求，8 0 2 1 1 详细介绍了一个e s sl a n ，如图2 3 所示。该配置满足了大小任意、复杂度高的大范围网络需要。 j l ，责帆山学研十学付诒文 图2 3 扩展服务集 8 0 2 1 l 标准认可以下的移动类型： - 不迁移型；这种移动类型指那些菲移动的站点和在局部b s s 内移动的站点。 _ b s s 迁移型：这种移动类型指站点从e s s 中的一个b s s 移动到相同e s s 中的另一 个b s s 。 - e s s 迁移型：这种移动类型是指站点从个e s s 中的一个b s s 移动到另一个e s s 中的一个b s s 。 8 0 2 1 l 标准支持不迁移型和b s s 迁移型两种移动类型。当进行e s s 迁移时，该标 准不能继续保证连接。 2 2 3f e e e8 0 2 1 1 逻辑结构 拓扑结构决定了网络的物理组件，而逻辑结构着重定义了网络操作。如图2 4 所 示，每个站点所应用的i e e e8 0 2 1 l 标准的逻辑结构包括一个单一m a c 和多个p h y 中 的一个。 北京邮电火学硕士学位论文 m a c 调频直接序红外光 p r y列p h yp h y 图2 4 一个单一8 0 2 1 i m a c 层支持三个分离的p h y ：调频扩频、直接序列扩频和红外线 2 2 4i e e e8 0 2 1 1 物理层 i e e e8 0 2 1 1 提供了三种不同形式的物理层定义：直接序列扩频( d s s s ，d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p e ds p r e a ds p e c t r u m ) ， 红外线( i r ，i n f r a r e d ) 。 在上面提到的三个物理层中，只有d s s s 和f h s s 这两种工作在2 4 c h zi s m 频段的 物理层具有实用价值。这两种物理层不仅都符合f c c 关于使用i s m 频段的有关规定 并且在频率上满足了大多数国家管关于2 4 g h z 免许可频段的分配，如下表所示。 i s m 频段的分配 国家和地区分配的i s m 频段 美国 2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z 欧洲2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z 日本2 4 7 1 2 4 9 7 g h z 法国2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z 西班牙2 4 4 5 2 4 7 5 g h z 表2 2 d s s s 物理层和f h s s 物理层分别采用p s k ( 相移键控) 调制和g f s k ( 高斯滤波频 移键控) 调制，可以达到1 m b p s 和2 m b p s 的数据速率，并且d s s s 采用更新的调制方 式可以支持更高的数据速率( 1 1 m b p s ) 。这些都是在符合f c c 关于i s m 频段规定的前 提下实现的。 北京邮电大学硕士学位论文 需要注意的是，i e e e s 0 2 1 1 无线局域网使用的d s s s 技术采用个码片长度的 b a r k e r 码作为扩频码，这同g p s 卫星定位系统和c d m a 系统中使用的长序列扩频不同， 它属于小扩频增益的短p n 码直接序列扩频，并且i e e e 8 0 2 1 1 没有采用码分多址技术。 它主要的优点是技术简单，成本低，适合无线局域网应用。 出于同样的考虑( 技术简单，成本低廉) ，i e e e 8 0 2 t 1 采用的f h s s 技术也属于较 简单的慢跳频技术。从技术上说，它的主要目的是避免长时间干扰( 躲避干扰) 而不 是利用扩频进行分集来改善信号质量。这使得f h s s 系统在一个数据帧的传输时间内 具有同窄带调制( 系统) 相似的性能。 2 2 5i e e e8 0 2 ”m a c 层 i e e e 8 0 2 ，1 l 在m a c 控制方面则采用了载波检测多址接入( c s m