（电路与系统专业论文）生成树算法在无线局域网中的应用与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

北求i i i l l l l i 人毕碗位论史捕婴 摘要 现代通信的发展目标是个人通信。它要求在任何时间。为任何地点的用户提供任 何类型的数据传输服务。这就要求通信系统必须具有支持移动的能力，并且还应具有 足够高的数据通信速率以支持包括视频在内的各种类型的服务。在目前的几种移动数 据传输方式中，只有无线局域网具有足以支持视频业务的高数据速率，它必然会成为 未来的个人通信网的重要组成部分。 在这篇论文中，首先对无线局域网的发展历史作了说明，研究了无线局域网的特 点和发展前景，分析了无线局域网标准8 0 2 1 1 b 的内容和所能提供的业务。然后我 们讨论了无线局域网的无线桥接技术及其优势。重点研究了生成树算法的理论及其在 无线局域网中的应用。 我们的无线网桥设计方案是一个嵌入式系统解决方案。本文讨论了嵌入式系统的 结构，嵌入式系统的软件开发环境和开发方法。 在前面工作的基础上。通过对无线网桥及生成树算法的理解和研究，我们在嵌入 式系统中实现了基于双端口无线网桥的生成树算法，并且经过在无线局域网中的实际 测试，验证了生成树算法的解析和配置无线网络拓扑等主要功能。在论文的最后一部 分我们主要说明了生成树算法作为无线网桥上层协议模块的具体实现方法和流程，以 及与其他协议模块的接口问题。 关键字：无线局域网、无线网桥、生成树算法、嵌入式系统、v x w o r k s 、b p d u 竺! 墨坐坠! ! 堕! ! 坠! u ! ! g 婪型! 一竺! ! 竺垒垫! ! 兰! 箜! 坐： 垒塑竖签! a b s t r a c t t h eg o a lo fm o d e mc o m m u n i c a t i o n si s p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hr e q u i r e sa l l k i n d s o fd a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e sd e p e n d i n go np e o p l e sd e m a n d sa ta n y t i m ea n di na n y w h e r e o nt h i sd e m a n d ，t h ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mm u s th a v em o b i l ec a p a b i l i t ya n de n o u g h b a n d w i d t ht os u p p o r ta l lk i n d so f s e r v i c e si n c l u d i n gv i d e o a u d i oa n do t h e rm e d i as t r e a m i n g i nt h er e c e n ty e a r s ，r a p i dp r o g r e s so fw l a n t e c h n o l o g yh a db e e nm a d e t o w a r dh i g h e rd a t a r a t e s i tp o s i t i o n st h i st e c h n o l o g yt or e a c ht h ep r o m i s eo f t r u em o b i l ec o m p u t i n g 【nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to fw l a n ，a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c a n dt e c h n o l o g yo fw l a n ，a sw e l la si t sb r i g h tf u t u r e w ea l s od i s c u s s e dm a i nc o n t e n t so f 8 0 2 11a n ds e r v i c e st h a t8 0 2 11 c a np r o v i d e t h e n ，w ee x p l a i n e dt h et e c h n i q u ea n d a d v a n t a g e s o fw i r e l e s s b r i d g i n g i nw l a n t h ee m p h a s i sw a sp u to nt h et h e o r yo f s p a n n i n g t r e ea l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o n si nw l a n t h ew h o l ed e s i g no fo u rw i r e l e s sb r i d g ew a sas o l u t i o nu n d e re m b e d d e ds y s t e m w e d i s c u s s e dt h ea r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m ，a sw e l la si t sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n d a p p r o a c h o nt h eb a s i so f p r e v i o u sw o r k ，w eh a v er e a l i z e dt h es p a n n i n gt r e ea l g o r i t h mb a s e d o nt h e w i r e l e s sb r i d g eu n d e rt h ee m b e d d e ds y s t e m a n dw ep r o v e dt h em a i nf u n c t i o no ft h e s p a n n i n g t r e ea l g o r i t h mt h r o u g ht h ew l a n t e s t i n ge n v i r o n m e n t t h el a s tp a r to f t h ep a p e r w a sf o c u s e do nt h er e a l i z a t i o na n dp r o g r a mf l o wo f t h es p a n n i n gt r e ea l g o r i t h m ，w h i c hw a s f u n c t i o n e da sa nu p p e rl a y e rs o r w a r em o d u l eo fw i r e l e s sb r i d g e w ea l s od i s c u s s e dt h e i n t e r f a c ep r o b l e mb e t w e e nt h es t pm o d u l ea n do t h e rw i r e l e s sb r i d g ep r o t o c o lm o d u l e s k e yw o r d s ：w l a n ，w i r e l e s sb r i d g e ( w b ) ，s p a n n i n gt r e ea l g o r i t h m ，e m b e d d e ds y s t e m ， v x w o r k s ，b p d u 4 北京邮电大学硕十毕位论文绪论 绪论 计算机网络涉及计算机和通信两个领域5 1 。在传统的有线局域网( l a n ) 中，计算机 等设备被网络连线紧紧牵制着而无法实现可移动的通信，更无法发挥便携式计算机的 通信功能。近些年来随着局域网的应用领域不断拓宽和现代通信方式的不断变化， 尤其是移动和便携式通信的发展，无线局域网( w l a n ) 便应运而生。 引言 无线局域网的发展历史川 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 m h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 三个i s m 频段，允许在满足一定的条件下可阻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 g h zi s m 频段，5 8 g h zi s m 频段，1 7 1 g h z 频段，2 4 g t t 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 。 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 1 l 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。 北求邮也大学蛹十学位论文 绪论 无线局域网的优势 无线局域网是在计算机有线局域网的基础上发展而来，它在继承了有线局域网系 统以下的优点“。 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部可以大大降低。 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而来，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。 生成树算法的应用发展9 1 无线网桥可以连接有线网络，充当有线网络的延伸，也可以连接无线网络，实现 无线中继，这些功能主要是通过无线桥接器( w i r e l e s sb r i d g e ) 之间的通讯来实现 的。 对于无线透明网桥，其操作独立于信息字段的内容，而且是独立于协议的。由于 这类网桥具有自学习功能，因而无需手工配置并且必然是“即插即用”设备，所以这 类网桥在将多个局域网连接在一起时是非常具有吸引力的。但是当存在多个桥的路径 和在网间环境下，互连的网络往往会构成环形拓扑，这种网络回路会导致帧被不必要 的复制，这不仅会降低互联网络的整体性能水平，而且很可能使最终的接收站崩溃。 而无线网桥经常被应用于连接多个建筑物和临时网络，因此存在这种潜在的网络环路 的可能性会更大。 牛成树算法( s t a ) 是由d e c 公司提出的，其主要目标是提高网络循列：连接的可用 性，用于消除网络循环连接带来的问题。d e c 的s t a 后来又被i e e e 8 0 2 委员会所修改 北柬邮i 色人学硕十学位论文绪论 并以i e e e 8 0 2 i d ”1 规范发布，但是d e c 的算法和 e e e 8 0 2 ，l d 的算法既不相同也不兼 容。 ，卜成树算法的摹础是树形结构，因为树构成了没有回路的连接模式。使用术语“牛 成”是因为树的分支结构牛成或连接予网。目前牛成树算法在以太网i e e e 8 0 2 3 网络 中透嘲桥的应用非常广泛。 论文结构 第一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。 第二章对数据链路层的网络互联设备网桥做了一般性讨论针对无线网桥具体介 绍了无线桥接技术和优势，及其典型应用，并总结了网桥包括无线网桥应具有的功能。 第三章对生成树的理论及算法做了详细分析，说明了在网络桥接设备系统中采用 生成树算法的意义，并通过一个具体的例子详细描述了生成树算法及其操作过程。最 后对生成树路由与源路由进行了简单的比较，说明在无线局域网中应该采用生成树路 由算法。 第四章介绍了嵌入式系统技术，并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生成树算法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程图。 北京邮电人学颂十t 位 电文第帝无线j d 域嘲 土木 第一章无线局域网技术 1 1 无线局域网简介 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。f u 为 了区别以往竹低速网络，我们将无线局域网定义为传输速琦蔓高于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。 1 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 “的信道误比特率的水 平，无线局域网也需要达到低于1 0 “的信道误比特率( 或低于1 0 _ 5 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 据速率。 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 北京邮屯 学颟七学位论文讹竹无线j _ 域喇i 点术 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丰要面向移动用户和便携终端，所以必须采取一 定的节能措旌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，为了片面追求高陛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( m m i c ) 的技术取得进步，使得牛产小型、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。 1 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问不易干扰，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 线设备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 的中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 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 北京邮电人中硕士学位论文 第常无线j 。d 域尉技术 缩写) 。除此之外，其它频段的使用必须提出中请并经过无线电销；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。| 生能的改善，并且由于带宽的 限制而不能采用c d ) l 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) 。 1 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1 1 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1 1 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。 0 北求邮也人学硕。i = 位论文第啦无线域网技术 ，厂幕八 l d ：! 岁 、e 丑亏产 、l l l 4 图1 1无线局域刚的拓扑结构( a 无i ir 心：b 什。 t 心) 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! o b a s e x 及i o o b a s e x ) 十分相似，丽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) 。 1 1 4 网络接口 对应于国际标准化组织( s o ) 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i e e e 8 0 2 1l 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 北京邮屯人学硕1 1 卜位论文第壮无线j n i 城网妓术 无线媒介同有线媒介传输特性存在很大的区别所以有线局域网的m a c 层西议一般无 法直接在无线物理层工作。在这种隋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i u i 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 出议，那么在两种网 络混合工作的环境中就会存在两种西议之间的转换问题，这相当于有线局域网中网桥 ( b rid g e ) 的功能，而能够实现这种功能的无线局域网设备( 通常l bl = | _ _ 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怛有着其重要作用的特殊设 各。 1 i1 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。 北京邮电人学硕十学位论文扪啦七纯“城嘲挂米 1 2i e e e 8 0 2 1 1 标准 无线局域网技术的进一步发展和普及首先要求解决不同生产商的无线局域网产r 铬 之间的互通性问题。所咀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着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，仙是 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h 前绝大多数网络 应用的要求。所以我们在下面将具体对i e e e 8 0 2 1l 标准进行研究和分析。 i e e e8 0 2 1 l 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 l 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 1 1 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。 注册和认证服务。 1 - 2 1i e e e8 0 2 1 l 拓扑结构 i e e e8 0 2 。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 l 标准的功能体现在无线网卡驱动网卡和接 入点( a p ) 的软件接口。8 0 2 1 l 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。 - 扩展服务集( e s s ) 网络。 这些网络使用一个基本构件块， e e e8 0 2 1 1 标准称之为基本服务集( b s s ) ，它提 供一个覆盖区域，使b s s 中的站点保持充分的连接。一个站点可以在b s s 内自由流 动，f u 如果它离开了b s s 区域就不能与其他站点建立连接了。 如图2 所示，图中有两个b s s ，每个b s s 中各有两台丰机。b s s 中的丰机只能 北柬邮i 乜凡- 譬硕卜学位论文翦证无线j 一域阿坎术 与同一b s s 中的主机进行通信，一旦一个丰机离开b s s ，我们就认为它与原b s s 中 其它丰机的通信宣告中断。一个单独的b s s 组成一个单区网，如图1 2 。 图1 2 b s s 网络 为满足跨越i b s s 范围限制的需求，8 0 2 1 l 详细介绍了一个e s sl a n ，如图1 3 所示。该配置满足了太小任意、复杂度高的大范围网络需要。 图1 3e s s 网络 8 0 2 1 1 标准认可以下的移动类型： 不迁移型：这种移动类型指那些非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一个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。 1 2 2i e e e8 0 2 1 l 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1 4 所 j 匕求咖 l u 人学硕l j 学位沦文2 f ；常无线j 一域阿投术 示，每个站点所应用的i e e e8 0 2 i 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。 l 工c m c 跳捌“接序红外兜 p i l y 列p i y p h y 图1 4 一个单一8 0 2 1 1m 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 1 2 2 1i 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 t t 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，如表1 ，l 所示。 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 n z 西班牙 2 4 4 5 2 4 7 5 g h z 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i i i l f 电人学硕叶：学位硷文莱啦无线 d 域用技术 1 2 2 2l e r i e8 0 2 1 1m a c 层 i e e e 8 0 2 1 l 在m a c 控制方面则采用了与i o b a s e x 相同的载波检测多址接入( c s m a ， c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 方式。c s m a 的基本思路是终端通过检测信道中是 否存在载波( 信号) 来判断信道空闲状况( 是否有其它终端正在发送数据) 发送数 据则要等待信道空闲时才可进行。 由于物理层不同的原因，i e e e 8 0 2 儿没有采用i e e e8 0 23 标准的c s m a c d 机制， 而使用了适合无线信道的c s m a c a 机制。两者之间最根本区别是c s m a c a 不进行碰撞 侦听，而是采用了碰撞避免的措旌。这样做的直接原因是无线终端无法侦听碰撞的发 牛，而只有通过确认信号a c k 判断数据被正确接收，无论任何原因造成的数据包发送 端没有接收到a c k 信号都将导致数据包的重发。正是a c k 的存在使得c s 凇c a 的帧效 率低于c s m a c d 。 以太网的最大的缺点就是缺乏对实时业务的支持。为了支持语音及图像等对时延 敏感的传输业务，i e e e s 0 2 1 l 将传输时间分为d c f 和p c f 两部分。在d c f 中，使用标 准的c s m a c a 协议：而在p c f 中，采用由a p 轮询的方式来保证所有的s t a 能够较为 平均的使用信道而获得一定的o o s 保证。由于p c f 仍是基于c s m a c a 机制，所以它同 d c f 的性能特点是相近的。 由于前面提到的无线信道的特点，无线局域网有着有线局域网所不存在的“隐藏” 站点问题。在无线局域网中，所有不能收到同一个b s s 中所有其它站点信号的站点都 是潜在的“隐藏”站点，对于这些隐藏站点，c s m a 协议是失效的。 为了克服隐藏站点的问题，i e e e 8 0 2 1 1 提出了虚拟载波检测，它是通过传送 r t s c t s 信号来通知b s s 中所有站点信道即将被占用，解决了隐藏站点无法正确知道 信道使用情况的问题。同c s m a c a 技术相类似，它是以降低效率为代价来克服无线信 道缺点的。 1 2 3i e e e8 0 2 1 l 服务 i e e e 8 0 2 1 l 标准给l l c 层在网络中两个实体问要求发送m s d u ( m a c 服务数据单元) 的服务下了定义。m a c 层执行的这些服务分为站点服务和分布式系统服务。 北京邮也人学硬七学位- 电文第哪光线“域刚技术 1 2 3 1 站点服务 i e e e8 0 2 1 l 标准定义“服务”为在各站点问提供的功能。站点可以位于网络仔 一无线组件内，如于持式p c 或手持式扫描仪，并且，所有a p 都执行站点服务。为了 发挥必要的功能这些站点需要发送和接受m s d u 阻及保持较高的安全标准。 1 认证 因为无线l a n 对于避免未经许可的访问来讲，物殚安全性较低，所以8 0 2 1l 规定 了认证服务以控制l a n 对无线连接相同层的访问。所有8 0 2 1 1 站点，不管他们是独 立的b s s 网络还是e s s 网络的一部分在与另一个想要进行通信的站点建立连接之前， 都必须利用认证服务。执行认证的站点发送一个管理帧到一个相应的站点。 i e e e 8 0 2 11 标准详细说明了下面两种认证服务： 1 】开放系统认证：8 0 2 1l 默认的认证方式非常简单，过程有两步：首先，想认证 另一站点的站点发送一个含有发送站点身份的认证管理帧：然后，接收站点发回一个 提醒它是否是别人认证站点身份的帧。 2 ) 共享密钥认证：这类认证先假定每个站点通过一个独立于8 0 2 1 i 网络的安全 信道，已经接收到一个秘密共享密钥，然后这些站点通过秘密密钥的共享知识认证 要求执行无线等效保密( w e p ) 算法。 2 不认证 当一个站点不愿与另一个站点连接时，它就调用不认证服务。不认证是发出通知， 而且不准对方拒绝。站点通过发送一个认证管理帧( 或一组到多个站点的帧) 去“建 议”认证终止来执行不认证服务。 3 保密 在一个无线网络中，所有站点和其他设备都能够“听到”数据通信在网络范围内 通过，这严重影响了无线链路的安全性。i e e e8 0 2 1 1 提供了一个保密服务解决了这 个问题，将8 0 2 1 l 网络的安全级提高到有线网络的程度。该保密功能应用于所有数 据帧和一些认证管理帧，它是建立在8 0 2 1 1w e p 算法基础上的，可以有效的降低网 上被窃听的危险。 北柬邮l u 人学硕十学位论文策啦无线j n | 域网技术 1 2 3 2 分布式服务 8 0 2 1 l 所定义的分布式系统服务，是为整个分布式系统提供服务功能。a p 提供分 布式系统服务。下面介绍了分布式系统需要为m s d u 正确传输提供的服务。 结合：每个站点在通过分布式系统发送信息之前必须首先借助a p 调用结合服务。 该结合通过a p 将一个站点映射到分布式系统。每个站点只能与单一 p 来连接，而 个a p 却可以与多个站点连接。结合也是为个站点在b s s 问提供可移动性的第一步。 分离：每一个站点或a p 可以调用分离服务终止一个现存的结合，它是一种标志信 息，因此，任何一方都不能拒绝终止。离开网络是站点就应该分离，比方说一个a p 如被移动用于维护，它将于所有的站点进行分离。 分布：一个站点每次发送m a c 帧经过分布式系统对都要利用分布式服务。8 0 2 。l l 标准没有指明分布式系统如何发送数据。分布式服务仅向分布式系统提供足够的信息 去判明正确的目的地b s s 集成：集成服务使得m a c 帧能够经过分布式系统和一个非8 0 2 。1 1l a n 间的入口发 送。集成功能执行所有必须的介质和抵制空问的变换。集成功能的具体情况依据分布 式系统的事实，而不在8 0 2 1 l 标准的范围内。 重新结合：重新结合服务能使一个站点改变它当前的结合状态。再结合为结合站 点提供附加的功能以支持b s s 灵活的转移。再结合能使个站点从一个a p 到另一个 a p 变换结合。但站点在e s s 内从一个b s s 移动到另一个b s s 时，能让分布式系统一直 了解a p 和站阃的当前变换。当多个站点与同一个a p 保持连接对，重新结合还能改变 己确定结合的结合属性。移动站点总是启动重新结合服务。 本章小结 本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 e e e8 0 2 1 l 盼议的特点、逻辑结构和所能提 供的服务。 i l ；j l 邮l u 人中颂i 学化沧文第常刚桥盟尤线桥接投术苘舟 第二章网桥及无线桥接技术简介 2 1 网桥及无线网桥的基本概念 由于网络中的站点数、大小及通信量的限制，单一的l a n 很难适合全部需求。如 果一个站点需要通过路由器把数据包发送给另外一个地区的站点则这个站点需要实 现能和路由器协作的网络层协议。这样就可以通过路由器把多个l a n 连接在一起。 但是，如果一个站点只是在一个单一的l a n 里接收和发送数据，那么他们一般都 没有实现网络层，因而不能使用路由器。因为很多的站点没有设计网络层，但确实需 要一个设备来连接l a n ，使得包可以在l a n 间转发，而不需要站点间的协作。这样 的设备就称为网桥。 网桥是数据链路层的连接设备，准确他说它工作在m a c 子层上。网桥在两个局 域网的数据链路层( d d l ) 间转接帧传送信息，在o s i r m 中的位置如图2 1 所示。 0 s l 巾m( k t ，r v 局域同i 局域网2 c 6 i 蹦中的网挢 图2 1 网桥在o s i r m 中的位置 它的作用是扩展网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的 距离，同时又有选择地将有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能 有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信。 网桥是为各种局域网存储转发数据而设计的，它对末端节点用户是透明的末端 9 北京邮i 乜凡学f i i i 卜。警位论文 策竹叫侨段正纯桥按挫术简介 节点在其报文通过网桥时，并不知道网桥的存在。 网桥可以将相同或不相同的局域网连在一起组成一个扩展的局域网络。 2 2 需要网桥的理由 网桥是使用于所有的局域网都具有相同特性的环境中的，这些环境是可能具备组 成一个大的局域网的条件，仙是由于以下原因还是有必要采用网桥用于局域刚之间的 瓦联的： 可靠拦：将所有的数据处理设各连接在单个网上时，一个错误会导致所有设备的 通信中断。而由于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。 拦虞曼一般而言，随着入网设备的增加或网线的加长，网络的性能会随之下降。 若分解为一些小的网并使网内通信明显优于网际通信，则往往能提高网络的性能。 黄全生盎建立多个局域网能提高通信的安全性。在网络中多处设置网桥并谨慎的 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确保了安全保暂、 性。 增理- 辱匈：相对于铺设同轴电缆和光纤来说费用低。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。 2 3 无线网桥的基本介绍 2 3 1 什么是无线网桥 无线网桥顾名思义就是抛弃了传统的铜线或光纤，利用无线通讯技术，以空气作 为媒介进行网络数据传输，达到连接不同网段的目的。无线网桥可以连接有线网络， 充当有线网络的延伸也可以连接无线网络，实现无线中继，这些功能主要是通过无 线桥接器( w i r e l e s sb r i d g e ) 之间的通讯来实现的。传统的有线网桥如果需要连接 两个相距数公里的建筑物，通常使用铜介质线缆和光缆，但是一旦遇到跨越公路、湖 泊等特定五f ：境限制，网络的铺设会有很大的困难，如果租用专线，租金又十分昂贵。 北京邮电人牛颈十学位论文第。常刚桥及无线桥接 土术简介 使用无线网桥就可以避免以上的问题，并能够很容易的扩展有线以太网络的范围，为 移动终端用户和难以布线的地区提供有效的网络连接方式。因此无线网桥的应用正在 广泛深入到各个领域，使网络无所不在。 2 。3 。2 无线瞬桥的工作原理 整个无线桥接网络是一个开放式网络，它允许各种网络设备相耳交换数据t 无线 网桥连接的两个局域网可以基于同一种标准，也可以基于两种不同类型的标准。当网 桥收到一个数据帧后，首先将它传送到数据链路层进行差错校验，然后再送至物理层， 通过物理层传输机制再传送到另一个子网上，在转发帧之前无线网桥对帧的格式和 内容不作或只作很少的修改。网桥一般都设有足够的缓冲区，有些网桥还具有一定的 路由选择功能，通过筛选网络中一些不必要的传输来减少网上的信息流量。 由于无线传输速率与i e e e 8 0 2 3 以太网传输速率不太匹配，因此，在网桥上就存 在拥挤和超时问题，也就有重发的可能。如果多次重发均告失败，那么将放弃发送， 并通知目的站点网络可能有故障。 2 3 3 无线桥接技术 无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物，无线网桥可以无 缝地将相隔数十公里的局域网络连接在一起，创建统一的企业或城域网络系统，在最 简单的网络构架中，网桥的以太网端口连接到局域网中的某个集线器或交换机上，信 号发射端口则通过电缆和天线相连接；通过这样的方式实现网络系统的扩展。针对无 线网桥的应用主要有以下几种结构：点对点型、点对多点型和混合型。这三种结构都 有不同的适用场合，用户可根据实际应用选择： 点对点型 这种类型常用于固定的需要连网的两个位置之间，是 无线连网的常用方式，使用这种连网方式建成的网络，优耐。一。翰 点是传输距离远，传输速率高，受外界环境影响较小。( 图2 2 )圈22 点对点型 北京邮i 乜人学硕七毕位- 盹文第一常网桥及无线桥接技术简，卜 点对多点型 点对多点的无线网桥能够把多个离散的远程网络连成 一体，结构相对于点对点无线网桥来说较复杂。该类型常 用于有一个中心点、多个远端点的情况下。其最大优点是 组建网络成本低、维护简单。其次由于中心使用了全向 天线，设备调试相对容易。该种网络的缺点也是因为使用 l 翰 图2 3j _ 埘多点型 了全向天线，波束的全向扩散使得功率大大衰减，网络传输速率低，对于较远距离的 远端点，网络的可靠性不能得到保证。( 见图2 3 ) 混合型 这种类型适用于所建网络中有远距离的点，近距离的点，还有建筑物或山脉阻挡 的点，在组建这种网络对，综合使用上述两种类型的网络连接方式。对于远距离的点 使用点对点方式，近距离的多个点采用点对多点方式，有阻挡的点使用中继。 2 ，3 4 无线桥接的优势 相对于传统的有线网络连接，无线网络桥接具备了诸多优势，主要体现在以下几 个方面： 1 设无线桥接网络无需架线挖沟线路开通速度快。可以随时架设，随时增加链 路，安装、扩容方便。而有线网络铺设须挖沟，受地势影响不能任意铺设且建设 工期长。