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第九章无线网络 无线网络是采用无线传输介质的计算机网络 无线网络可分为无线局域网 无线广域网 无线城域网 无线个人网等 无线局域网使用802 11标准 802 11实际上指的是一组协议 WLAN使用下面三个无需许可证的频段 900MHz 2 4GHz和5 7GHz 波长 光速 频率 频率越高 波长越短 地面广播的低频波将以较少的损耗通过大气层和地面反射 这些信号可以沿着地球表面传播得很远 而高频信号趋向于以较大的损耗进行反射 通常无法直接传播得很远 第九章无线网络 无线电波可分为表面波 天波 自由空间波 散射波和外层空间波等五种传播方式 1 表面波也称地波 是电磁波沿着地球表面到达接收点的传播方式 由于这种方式的电磁波是紧靠地球表面传播的 地面的性质 地貌和地物等情况都会影响电磁波的传播 当波长和障碍物高度相当时 产生绕射 长波 中波和部分短波波段能产生绕射 绕过地球表面的大部分障碍到达较远的地方 2 空间波当发射和接收天线架设得较高时 在视线范围内 电磁波从发射天线直接传播到接收天线 这种方式的波称为直接波 空间波也可以经地面反射到达接收天线 这种方式的波称为反射波 直接波的传播距离受地球曲率的影响 一般视线距离可达50KM 空间波还受到低空大气层即对流层的影响 在移动通信中 电磁波主要以空间波的形式传播 第九章无线网络 3 天波也称电离层波 电离层是指分布在地球大气层中60KM以上的电离区域 电离层对电磁波除具有反向作用外 还有吸收能量 引起信号畸变等作用 其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关 天波就是指发射天线发出的电磁波 在高空被电离层反射到接收点的传播方式 4 散射波当天线发射出的电磁波投射到电离层中不均匀体时 电磁波发生散射或反射 只有一部分能量传播到接收点 这种方式称为散射传播 这种通信方式通信距离可达300 800KM 适用于无法建立微波中继站的地区 但散射信号相当微弱 第九章无线网络 5 外层空间波也称自由空间波 是电磁波在对流层和电离层以外的外层窨中的传播方式 外层空间波又称为直达波 沿直接传播 用于卫星和外部空间的通信以及陆地上的视距传播 由于外层空间波主要是在大气以外的宇宙空间进行 传播特性较为稳定 第九章无线网络 散射体 电离层 表面波空间波天波散射波外层空间波 第九章无线网络 微波使用波长为1 0 1mm 频率为0 3G 3THz 的电磁波 在空间沿直线传播 通过天线 微波通信是一个点到点的通信系统 使用 接力通信 一个中继站有两个天线 分别用于指向远方不同方向的天线 这些天线需要无障碍路径 最大范围可达30KM 卫星通信是利用卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信方式 第九章无线网络 红外线的波长约为750nm 10um 物体辐射的红外线频谱是10um左右的远红外 红外线是一种廉价 短距离 低功耗 保密性较强的通信方案 传输距离短 通常不超过1 5m 易受障碍物阻隔 没有穿透能力 红外线传输有三种模式 直接红外线连接 反射式红外线连接和全向型红外线连接 直接红外线连接 Direct BeamInfrared DB IR 将两个要建立连接的红外线通信接口面对面 偏差不超15 近距离放置 中间不能有障碍物 反射式红外线连接 DiffuseIR DF IR 不需要面对面放置 只要是在同一个封闭的空间内 依靠反射即可 容易受到其他干扰源的影响 全向型红外线连接 OmnidirectionalIR Omni IR 利用一个反射的红外线基站为中继 将各个设备的红外线通信接口指向基站 设备之间通过基站建立连接 第九章无线网络 激光能够产生非常纯净的窄光束 一般适用于长余通信中需要高数据速率的场合 激光适合在不能开挖路面 埋设管线 或者两个建筑物被阻隔 铺设管线成本很高时 并且在空旷或拥有制高点的地方用来建立两个局域网之间连接的信道 第九章无线网络 WLAN使用下面三个无需许可证的频段 900MHz 2 4GHz和5 7GHz IEEE最后制定和发布了无线局域网的802 11标准 无线局域网主要标准1 802 11 波段是2 4GHz 最高2Mbps 传输距离100米 用于传送数据2 802 11b 波段是2 4GHz 最高5 5和11Mbps 传输距离100 300米 用于传送数据 图像3 802 11a 波段是5GHz 与其它标准不兼容且成本太高 最高54Mbps 传输距离5 10千米 用于传送数据 图像 语音4 802 11g 波段是2 4GHz 最高54Mbps 传输距离5 10千米 用于传送数据 图像 语音 第九章无线网络 无线局域网无线局域网使用802 11标准 802 11实际上指的是一组协议 WLAN使用下面三个无需许可证的频段 900MHz 2 4GHz和5 7GHz 第九章无线网络 IEEE802 11b802 11b是目前应用最广的WLAN标准 运行在2 4GHz的频段 最高带宽可以达到11Mbps 无须直线传播 同时 用户在移动时可以根据射频的强度进行速率的切换 分别采用5 5Mbps 2Mbps和1Mbps的带宽 速率的切换是自动完成的 802 11b可以在2 4GHz的频段使用14个不同的信道 实际只能使用11个信道 但只有1 6和11信道是非重叠的 第九章无线网络 802 11b 是在802 11b基础上发展起来的 和802 11b相比 具有以下优越性 传输速率 最高可达22Mbps 兼容性 和802 11b运行在相同频段 完全兼容802 11b标准的设备 安全性 最高可支持256位的WEP认证方式 第九章无线网络 IEEE802 11g820 11g运行在和802 11b相同的2 4GHz频段上 兼容802 11b 提供了最高54Mbps的数据传输率 虽然802 11b和802 11g运行在相同频段 使用802 11b的用户可以比较容易的升级到802 11g 但是802 11b的产品不能通过软件升级的方式来迁移到802 11g 而是需要更换相应的芯片和天线 802 11g标准使用了802 11a标准相同的调制技术OFDM 因此能达到54Mbps的传输速率 802 11g标准也使用2 4GHz频带 可以兼容现有的802 11b标准 第九章无线网络 虽然802 11g兼容802 11b 两种不同标准的设备可以分别采用不同的传输速率 但实际上 如果在一个无线网络中同时有802 11b和802 11g的用户 整个网络的传输速率将会降至11Mbps 这是因为在无线局域网中 信道是共享的 数据链路层使用CSMA CA来实现对无线信道的监控并决定数据发送 在同一时刻 只能有一个设备处于数据发送状态 而其他设备处在信道监听状态 在802 11b和802 11g混合使用的无线网络中 由于802 11b无法监听到802 11g的通信状态 就有可能在802 11g设备进行通信的同时抢占无线信道 造成冲突 802 11g采用 RTS CTS RequestToSend ClearToSend 请求发送 清除发送 技术来解决这个问题 无线设备在发送数据前 需要先发送一个RTS帧 请求使用无线资源 如果这时AP没有和其它设备通信 就发送一个CTS帧给该设备 通知它可以跟无线AP进行通信 通过这种方式来避免信道的争用 第九章无线网络 IEEE802 11a802 11a工作在5GHz频段 速率可达54Mb s 拥有12条非重叠信道 支持语音 数据和图像业务 由于微波 蓝牙 无绳电话及工业设备广泛使用2 4GHz频段 而802 11a工作在5 2GHz频段 避免了冲突 因此802 11a标准的抗干扰性大大得到了提高 和802 11b和802 11g相比 802 11a拥有更多的非重叠信道 5 15GHz 5 825GHz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 第九章无线网络 802 11a的应用面临以下几方面的问题 由于802 11b的成熟应用 并且这两种标准不能互相兼容 厂商的生产和用户的应用之间存在着矛盾 如果选择a b的方式 即同时支持两种标准的方式 又增加了制造成本 降低了竞争力 5 2GHz频段难以在全球各个国家中获得批准和认可 人造卫星和地面通讯站也同时使用了5 2GHz的频段 这同样带来了干扰和安全的问题 第九章无线网络 IEEE802 11h802 11h标准是对802 11a的补充 有多达23个非重叠信道 802 11h由国际电信联盟提出 主要是因为欧洲通信管理局顾虑到无线网络可能对卫星通信造成的干扰 802 11h使用了两种技术 DFS DynamicFrequencySelection 动态频率选择 和TPC TransmissionPowerControl 传输功率控制 动态频率选择用于检测在信道上是否有雷达信号 当检测到雷达信号时 将放弃当前信道 跳变到另一个信道 或者把这个信道标记为不可用 这样可以防止和WLAN产生干扰 传输功率控制可用于降低无线的输出功率 减少干扰 提高网络性能 第九章无线网络 基于IEEE802 11标准的WLAN使用扩展频谱方式 使用扩展频谱的方式 数据信号的频谱被扩展成几倍甚至几十倍后再被发射出去 提高了通信系统的抗干扰能力和安全性 采用扩展频谱方式的无线局域网一般选择的是ISM Industrial Scientific Medical 802 11b使用FHSS或DSSS 802 11a和802 11g使用OFDM的技术进行传输 第九章无线网络 FHSSFHSS Frequency HoppingSpreadSpectrum 通过频率捷变 Frequencyagility 快速改变发送频率 的扩频技术将数据扩展到频谱的83MHz以上 FHSS技术中 载波根据扩频的码序列来改变频率或者跳频 跳频系统的跳变频率可以多达几十甚至上千个 数据 调制 扩频码产生器 发送方 频率合成器 频率合成器 解调 扩频码产生器 接收方 数据 第九章无线网络 用户在发送数据时 原始数据经过调制后再和这些扩频码进行组合 扩频码产生器在传输过程中不断产生新的频率 在接收方 通过与发送端相同的本地扩频码发生器产生相同的扩频码进行解扩 再经过解调接收原始数据 接收方的扩频码产生器同步于发送方 使通讯双方能够在正确的时间内以正确的频率进行数据传输 对于非通讯双方的其他用户 将不能解扩FHSS所产生的跳变信号 只能作为脉冲噪声 采用跳频技术时 当跳变的频率数目足够多 跳频带宽足够宽时 其抗干扰能力是很强的 第九章无线网络 DSSSDSSS DirectSequenceSpreadSpectrum 直接序列扩频技术 简称为直扩 DS 是直接用高速率的伪噪声序列对载波进行调制 对需要发送的数据信息经过编码后 与伪噪声序列进行模二加运算 生成复合码 接受机在收到发射信号后 首先通过伪码同步捕获电路来捕获到伪码精确相位 并产生跟发送端的一致的伪码相位 作为本地解扩信号 解码后恢复原始数据信息 扩频后 DSSS将原来功率较高 带宽较窄的频率变为功率较低 带宽较宽的频率 提高了抗干扰性能 与FHSS不同的是 DSSS将2 4GHz的频宽划分为14个22MHz的信道 数据在这14个信道中的一个进行传输而不会在信道之间跳变 FHSS周期性的使用每一个信道一段时间 而DSSS始终使用某一个信道 第九章无线网络 OFDMOFDM OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 正交频分复用技术 其原理是将无线信道分成若干正交子信道 在每个子信道上使用一个子载波进行调制 将高速的数据信号转换成并行的低速子数据流在每个子信道上进行传输 在OFDM中 由于各个子信道的载波相互正交 其频谱相互重叠 减少了子载波之间的干扰 并且提高了频谱利用率 同时 OFDM允许每个子信道采用不同的调制方法 可以增加子载波的数目 提高数据的传输速率 OFDM中每个子信道的频段约为300KHz 使用不同的调制技术时每个子信道的数据率可达到6Mbit s 12Mbit s 24Mbit s和54Mbit s 第九章无线网络 和IEEE802 3以太网类似 802 11也采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送 不同的是 802 11采用了CSMA CA CarrierSensorMulti Access CollisionAvoidance 载波侦听多路访问 冲突避免 技术来避免冲突的产生 从而提高网络的利用率 提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用 其原理简述如下 1 侦听 如果一个工作站希望通过无线网络传送数据 同样需要先进行侦听 如果检测到信道空闲 那么还需要继续等待一段时间 再随机选择一个时间片继续侦听 如果信道仍然空闲 则发送数据 2 发送 如果发送的过程中检测到冲突 则停止发送 丢弃该数据包 并重新侦听尝试下一次发送 第九章无线网络 3 确认 如果接收方收到发送方送出的有效数据 接收方将返回发送方一个ACK确认报文 如果发送方收到该确认报文 则发送成功 如果存在以下情况 接收方未能正确接收到发送方的数据 发送方未能正确接收到接收方返回的ACK报文 该次发送都被认为失败 需要重传 第九章无线网络 802 11还采用了虚拟载波侦听 VirtualCarrierSense 的机制 让源站把它要占用信道的时间 包括发送数据以及目的站返回确认的时间 通知给其他所有站 以便其他站在这一段时间都停止发送数据 减少冲突 虚拟指的是其他站并没有实际监听信道 而是由于收到了某个源站的通知才不发送 源站的通知是指源站在其MAC帧首部的第二个字段 持续时间中插入了本帧结束后还要占用信道多长时间 单位为微秒 第九章无线网络 为更好的解决冲突问题 802 11允许要发送数据的站点对信道进行预约 1 源站A在发送之前先发送一个短的控制帧 称为RTS RequesttoSend 请求发送 包括源地址 目标地址以及这次通信从发送到收到确认所需的时间 2 若媒体空闲 则目的站B发送一个响应控制帧 称为CTS CleartoSend 允许发送 A收到CTS后就可发送 第九章无线网络 在如图所示的网络中 红色部分为A机区域 蓝色部分为B机区域 C机能收到A机的RTS 但不能收到B机的CTS 因此 在A向B发送数据时 C可以发送而不会干扰B D机不能收到A机的RTS 但能收到B的CTS 因此 D知道B将要和A通信 D在AB通信的一段时间内将不能发送 E机能到RTS和CTD 因此 E机在A发送数据和B发送确认的整个过程中将不能发送 STB STC STD STA STE 第九章无线网络 WLAN可以分为以下几种基本的拓扑结构模型 IBSS BSS和ESS IBSSIBSS IndependentBasicServiceSet 独立基本服务集 是IEEE802 11标准的模式 也称为特设模式 采用点对点的连接模式 IBSS模式没有无线基础设施骨干 需要两台无线网络工作站 在这种网络中 只能在工作站中互相收发数据 不能同时进行多点访问 STA STA 第九章无线网络 BSSBSS BasicServiceSet 基本服务集 是一个AP提供的覆盖范围 也称为微单元 是最常用的网络拓扑结构 在BSS结构中 由一个AP作为中央节点 连接区域内的无线工作站 构成星形网络结构 如果需要 可以用AP的以太网口和有线局域网互联 使无线网络的终端可以访问其他网络 STA AP STA STA 第九章无线网络 ESS如果网络的地理范围较广 单个覆盖单元不能满足覆盖范围 可以采用多个接入点的方式 无线终端可以通过就近的接入点接入网络 此时 WLAN中由超过一个以上的BSS构成 称为ESS ExtendServiceSet 扩展服务集 并且 为了确保移动用户在不同区域漫游时不丢失射频连接 相邻的BSS单元应具有不小于10 15 的重叠覆盖区域 同时为了确保最好的性能 避免干扰 单元之间应使用不同的信道 STA AP 信道1 STA STA AP STA 信道6 10 15 的重叠覆盖区域 第九章无线网络 案例分析 某公司构建无线网络并允许用户在网内漫游 由于无线AP在室内有效传输距离约为30米 于是在施工时每隔60米安装了一台无线AP 在但测试时发现有许多盲区 分析 无线信号的覆盖范围是一个圆形 30米的距离是该圆半径 因此 若每相隔60m安装一台无线AP 将会存在大量的盲区 如果要实现无线漫游 多个无线覆盖区域应当相互重叠 1 11 6 1 1 11 11 11 6 1 第九章无线网络 案例分析 某公司构建无线网络并允许用户在网内漫游 由于无线AP在室内有效传输距离约为30米 于是在施工时每隔60米安装了一台无线AP 在但测试时发现有许多盲区 分析 无线信号的覆盖范围是一个圆形 30米的距离是该圆半径 因此 若每相隔60m安装一台无线AP 将会存在大量的盲区 如果要实现无线漫游 多个无线覆盖区域应当相互重叠 第九章无线网络 WhatisthemaximumdataratespecifiedforIEEE802 11bWLANs A 10MbpsB 11MbpsC 54MbpsD 100Mbps 第九章无线网络 Youandaco workerhaveestablishedwirelesscommunicationdirectlybetweenyourwirelesslaptops Whattypeofwirelesstopologyhasbeencreated A BSSB ESSC IBSSD SSID 第九章无线网络 WLAN的安全与认证SSID在WLAN应用初期 由于设备非常昂贵 最初的WLAN仅依靠SSID ServiceSetIdentifier 服务集标识符 进行认证 SSID是一个长为1 32个字符的ASCII字符串 配置在AP中 默认情况下 AP或无线路由器定期广播SSID 在这种情况下任何具有空SSID的客户端都可以连接到AP 客户端也可以手工配置SSID 如果无线网卡和AP的SSID不同 则不能连接到网络 虽然用户可以在AP上关闭