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第一章无线技术体系与理论 ISSUE1 0 日期 杭州华三通信技术有限公司版权所有 未经授权不得使用与传播 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物 它利用射频 RF 技术 取代旧式的双绞线构成局域网络 提供传统有线局域网的所有功能 无线网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里 并且可以随需移动或变化 WLAN已经成为宽带接入的有效手段之一 使用WLAN的区域及其承载的业务愈来愈多 为了更好地构建理想中的无线网络 我们需要了解无线网络的技术体系 熟悉构建无线网络的设备的功能 引入 了解WLAN的的基础知识了解802 11协议族标准了解主流WLAN设备及天线了解几种WLAN典型部署 课程目标 学习完本课程 您应该能够 WLAN基础知识802 11协议族WLAN设备WLAN的典型部署 目录 为什么要使用WLAN网络什么是WLANWLAN技术的发展进程 WLAN基础知识 凡是自由空间均可连接网络 不受限于线缆和端口位置 办公大楼 候机大厅 渡假山庄 商务酒店 无线让网络使用更自由 无线让网络建设更经济 通信更便利 终端与交换设备之间省去布线 有效降低布线成本 适用于特殊地理环境下的网络架设 如隧道 港口码头 高速公路 终端与设备之间不方便通过线缆连接 地理环境不适合布设有线网络 无线让工作更高效 不受限于时间和地点的无线网络 满足各行各业对于网络应用的需求 体育场馆新闻中心 展馆与证券大厅 制造车间 物流运输 IrDABlueTooth802 11802 11b802 11a802 11g 几种主要的WLAN技术 802 11协议的发展进程 各个国家授权使用的频段 ChannelFreq GHz US CanEuropeJapan 12 412 x x 22 417 x x 32 422 x x 42 427 x x 52 432 x x 62 437 x x 72 442 x x 82 447 x x 92 452 x x 102 457 x x 112 462 x x x 122 467 x 132 472 x 142 484 802 11b g工作频段划分图 蜂窝式无线覆盖 任意相邻区域使用无频率交叉的频道 如 1 6 11频道 适当调整发射功率 避免跨区域同频干扰 蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用 WLAN产品对人体的电磁辐射是安全的 很多的研究已经证明 WLAN产品可以在家庭及商业中使用 对人体来说是安全 典型的WLAN产品 如AP AccessPoint 接入点 输出功率为100mw 对于网卡来说 通常只有10mw至50mw 相比较来说 手机的发射功率在通话时可以超过1W 而无线对讲机甚至可以达到5W 政府有相关的法令对发射功率进行严格的限制 因此通过政府相关部门认证过的无线设备对人体是无害的 WLAN基础知识802 11协议族WLAN设备WLAN的典型部署 目录 802 11协议族成员WLAN网络基本概念和组网模式WLAN网络接入访问机制WLAN网络接入漫游与加密WLAN网络的QoS功能 802 11协议族 IEEE802 11无线局域网工作组 PHY 802 11 1 2Mbps 802 11b 5 5 11Mbps 802 11g 54Mbps 802 11a 54Mbps MAC 802 11 11a 11b 11gMAC 802 11f 漫游和切换 802 11e QoS 802 11i 安全增强 802 11n 600Mbps 802 11s mesh 802 11r 快切 802 11网络的基本元素 BSS Stations STA 任何的无线终端设备 AP AccessPoint 一种特殊的STABSS BasicServiceSet BSS1 BSS2 STA1 STA2 STA3 STA5 STA6 STA4 AP AP 802 11网络的基本元素 DS DS DistributionSystem 分布式系统 BSS2 AP BSS1 AP DS 802 11网络的基本元素 SSID AP1 SSID marketing SSID ServiceSetID服务集识别码 STA STA STA 802 11网络的基本元素 ESS ESS ExtendedServiceSet 是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS ESS BSS2 AP2 Servicesetidentify SSID1 BSS1 AP1 Servicesetidentify SSID1 属于同一VLAN的客户端 DS CSMA CA 载波侦听多点接入 避让机制 FrameExchange FrameExchange FrameExchange FrameExchange DIFS DIFS DIFS STA1 STA2 STA3 STA4 退避窗口 退避窗口 退避窗口 分布式帧间隔 DCFinterframespace 简称DIFS 10 9 3 5 7 6 10 2 5 4 8 10 802 11MAC层工作原理 概述 802 11MAC层负责客户端与AP之间的通讯 主要功能包括 扫描 接入 认证 加密 漫游和同步 802 11MAC报文分类 数据帧用户的数据报文控制帧协助发送数据帧的控制报文 例如 RTS CTS ACK等管理帧负责STA和AP之间的能力级的交互 认证 关联等管理工作例如 Beacon Probe Association及Authentication等 802 11MAC层工作原理 用户接入管理过程 STA AP Authentication Association 1 2 3 4 802 11MAC层工作原理 Scanning 802 11MAC使用Scanning功能来完成Discovery寻找和加入一个网络当STA漫游时寻找一个新的APPassiveScanning通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络 ActiveScanning在每个信道上发送Proberequest报文 从ProbeResponse中获取BSS的基本信息 802 11MAC层工作原理 Authentication STA AP Authenticationrequest AuthenticationResponse success STA AP Authenticationrequest Plaintextchallenge Ciphertextchallenge AuthenticationResponse success 预置Key 用Key加密明文 密文解密和明文比较 预置Key Open systemAuthentication过程 Shared KeyAuthentication过程 1 2 1 2 3 4 802 11MAC层工作原理 Association STA AP Associationrequest SSID AssociationResponse STA NewAP 数据 OldAP Reassociation请求 SSID Reassociation应答 Association过程 Reassociation过程 1 2 deassociation 什么是漫游 STA可以在属于同一个ESS的AP接入点接入 STA可以在Wireless网络中任意移动 保证已有的业务不中断 用户的标识 IP地址 不改变 STA AP AP 移动 ESS 漫游的分类 二层漫游在同一个子网内的AP间漫游三层漫游在不同子网内的AP间漫游 VLAN1IP 1 0 0 1 VLAN1 AP AP VLAN1 L2网络 STA 移动 二层漫游 VLAN1IP 1 0 0 1 VLAN1 AP AP VLAN2 L3网络 STA 移动 三层漫游 802 11WEP加密 STA AP 加密报文 IV值 IV 静态Key Key生成器 Key流 XOR 用户数据明文 发送的加密报文 IV 静态Key Key生成器 Key流 XOR 用户数据明文 接收的加密报文 IV initializationVender初始向量 WEP WiredEquivalentPrivacy有线对等私有协议 802 11技术在QOS方面存在的缺陷 最初的802 11技术是为满足用户的数据传输而设计的 根本没有考虑多业务承载 802 11采用的DCF distributedcoordinationfunction 分布式协调功能 调度模式是基于CSMA CA原理 最终的效果是所有用户发送的报文平等地竞争无线资源 由于没有区分业务优先级的机制 造成AP和终端在对外发送报文时对报文按同等优先级对待 当发生流量拥塞时 需要优先处理的报文 例如语音报文 和普通的报文 例如浏览网页的报文 会按相同的概率被丢弃 和有线网络相对完善的QOS机制无法很好地衔接 802 11e协议 QOS保证 802 11e针对DCF模式进行了改进 支持EDCA EnhancedDistributionCoordinateAcess 增强型分布式协调访问机制 的媒体访问机制支持8个业务优先级的报文标记 类似于有线网络中的802 1P 业务优先级可被映射到4个输出队列高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力 802 11e协议 EDCA调度模式 优先级队列1 优先级队列2 优先级队列3 优先级队列4 Busy Time IFS4 CW4 IFS3 CW3 Frame IFS2 CW2 Frame IFS1 CW1 Frame AP和用户等待发送的数据的调度机制 WLAN基础知识802 11协议族WLAN设备WLAN的典型部署 目录 什么是FAT 胖 AP什么是无线网桥什么是无线交换机和FIT 瘦 AP天线工作原理及参数介绍 WLAN设备 FATAP设备功能 802 11a b g 网管 二层漫游 安全 802 1x认证 802 11eQoS 天线 加密 FATAP设备的典型组网 企业网络的组网模式 AP1 APn STAs 家庭或soho网络的组网模式 AP ADSLModem WAN 以太交换机 PC STAs 企业核心网 802 11无线网桥 无线网桥是一种采用无线技术进行网络互连的特殊功能的AP 无线网桥根据传输距离的不同可分为工作组网桥和长距专业网桥 为了防止信号大幅度衰减 网桥组网时两个网桥之间通常不能有障碍物的阻挡 以室外作为主要应用环境的无线网桥一般在设计时都会考虑适应一些恶劣的应用环境 802 11无线网桥的典型组网 有线网络A 有线网络B 有线网络互连 无线网络互连 有线网络 网络A 多网络互连 1208E 网络B 网桥 网桥 网桥 网桥 网桥 网桥 网桥 FATAP组网的局限性 FATAP组网更适合在家庭和中小型网络中使用 无法满足大型的无线企业网络的需求 这是由于FATAP自身的特点所决定的 当需要组建大型无线网络或需要更多的增值服务时 无线交换机和FITAP因此应运而生 802 11a b g 天线 加密 网管 三层漫游 安全 802 1x认证 802 11eQOS AP点监测 用户防火墙 网络自愈 RF管理 无线欺骗防护 802 11a b g 网管 二层漫游 安全 802 1x认证 802 11eQOS 天线 加密 FATAP FITAP 无线交换机和FITAP的功能 更易管理的无线解决方案 天线在无线系统中的使用 典型无线系统 发射器 空间介质 接收器 发射天线 接收天线 电磁波 电场 电场 电场 振子 电波传输方向 磁场 磁场 功率计算单位 dB dBm dBw dB是用来测量被测量功率与某一基准功率的比值 它的数值等于被测量功率与基准功率的比值取以10为底的对数 再乘以10 当基准功率取为1mw时 此dB值以dBm表示 当基准功率取为1w时 此dB值以dBw表示 公式 测量功率 dB 10 lg 测量功率 参考功率 主要无线技术指标 无线电频率 Hz 发射功率 dBm 接收功率 dBm 接收灵敏度发射天线增益 dBi 天线极化方向天线方向图 天线的工作频率 天线的工作频率范围 无论是发射天线还是接收天线 它们总是在一定的频率范围内工作的 通常 工作在中心频率时天线所能输送的功率最大 偏离中心频率时它所输送的功率都将减小 天线的方向性 全向天线 发射天线的基本功能之一是把从AP取得的能量向周围空间辐射出去 基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射 水平面上各向能量辐射相等的天线称为全向天线 图c水平面方向图 图b垂直面方向图 各向同性点状天线能量辐射形状 全向天线能量辐射形状 图a天线能量辐射形状图 天线的方向性 定向天线 水平面上各向能量辐射不等的天线称为定向天线 全向阵 垂直阵列不带平面反射板 扇形区覆盖 垂直阵列带平面反射板 平面反射板 天线增益 10dBm 20dBm 13dBm 一个各向同性的天线在所有方向具有相同的辐射能量 一个具有一定增益的天线只在某个特定方向才具有辐射能量 一个3dBi增益的天线 辐射能量的范围在50 的空间 点状天线 天线的极化 垂直极化 天线向周围空间辐射电磁波 电磁波由电场和磁场构成 人们规定 电场的方向就是天线极化方向 一般使用的天线为单极化的 下图示出了两种基本的单极化的情况 垂直极化 是最常用的 水平极化 也是要被用到的 水平极化 波束宽度 15 峰值 3dB点 3dB点 旁瓣 主瓣 天线方向图 2 4G室外高增益全向天线 全向天线 增益 11dBi工作在2 4G频段用于地广人稀地区的大范围覆盖 水平方向图 垂直方向图 天线方向图 2 4G室外高增益定向天线 面板型定向天线 增益 11dBi工作在2 4G频段适用于高密度接入覆盖 水平方向图 垂直方向图 无线传输的干扰因素 障碍物 功率在穿过障碍物后衰减 墙 门 等等 各类障碍物对无线信号的衰减效果对比 无线传输的干扰因素 电磁干扰 2 4GHz为ISM频段 不许授权即可使用 同一区域内AP之间的互相干扰 其他工业设备的干扰微波炉双向寻呼系统等等 WLAN设备的实际工作性能 吞吐率 802 11g标准描述的速率为54Mbps 此为物理层传输速率 实际可获