802.11协议标准ppt.ppt

IEEE802 11协议 IEEE802 11协议标准 概述IEEE802 11系列协议标准的发展IEEE802 11的工作方式及802 11网络基本元素IEEE802 11的物理层协议IEEE802 11的MAC层协议无线局域网 WLAN IEEE802 11n 概述 802 11是IEEE 美国电气和电子工程师协会 最初制定的一个无线局域网标准 这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议 主要用于解决办公室局域网和校园网中 用户与用户终端的无线介入 业务主要限于数据存取 速率最高只能达到2Mbps 由于802 11在速率和传输距离上不能满足人们的需要 因此 IEEE小组又相继推出了802 11a和802 11b等许多新标准 几者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层 IEEE802 11系列协议标准的发展 在物理层或者MAC层进行调整的802 11协议成员 PHY 802 11 1 2Mbps 802 11b 5 5 11Mbps 802 11g 54Mbps 802 11a 54Mbps 802 11n 300Mbps IEEE802 11的工作方式及802 11网络基本元素 802 11定义了两种类型的设备 一种是无线站 通常是通过一台PC机器加上一块无线网络接口卡构成的 另一个称为无线接入点 AccessPoint AP 它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接 一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口 802 3接口 构成 桥接软件符合802 1d桥接协议 接入点就像是无线网络的一个无线基站 将多个无线的接入站聚合到有线的网络上 无线的终端可以是802 11PCMCIA卡 PCI接口 ISA接口 或者是在非计算机终端上的嵌入式设备 例如802 11手机 SSID AP SSID marketing SSID office STA STA STA SSID ServiceSetID服务集识别码 BSS BSS1 BSS2 STA1 STA2 STA3 STA5 STA6 STA4 AP AP STA Station 任何的无线终端设备 AP AccessPoint 一种特殊的STABSS BasicServiceSet 基本服务集 DS BSS2 AP BSS1 AP DS DS DistributionSystem 分布式系统 ESS ESS BSS2 AP2 Servicesetidentify SSID1 BSS1 AP1 Servicesetidentify SSID1 属于同一VLAN的客户端 DS ESS ExtendedServiceSet 扩展服务集 采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS AdHoc STA STA STA STA STA AdHoc构成一种特殊的无线网络应用模式 STA间可直接互相连接 资源共享 而无需通过AP IEEE802 11的物理层协议 IEEE802 11无线网络标准规定了3种物理层传输介质方式 其中2种物理层传输介质工作方式在微波频段 根据各国当地法规或规定不同 频段的具体定义也有所不同 采用扩频传输技术进行数据传输 包括跳频序列扩频传输技术 FHSS 和直接序列扩频传输技术 DSSS 另一种方式以光波段作为其物理层 也就是利用红外线光波传输数据流 扩频传输技术 跳频扩频 FHSS FrequencyHoppingSpreadSpectrum 使用了传统的窄带数据传输技术 但传输频率将发生周期性的切换 系统在一个扩频或宽波段的信道上使用不同的中心频率 以预先安排好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频 跳频现象可以使FHSS系统避免受到信道内窄带噪音的干扰 直接序列扩频 DSSS DirectSequenceSpreadSpectrum 系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽 即使在传输波段中存在部分噪声信号 接收机也可以无错误地接受数据 使用扩频技术的好处 扩频是一种在信号的带宽进行扩展的技术 采用扩频的好处是 抗干扰 若使用窄频 容易受到使用相同频率的通信干扰导致完全无法通信 对于非特定的目的的接收器 扩展了带宽的信号混在背景噪声中 让蓄意想侦听窃取数据资料的人不易判别真正的信号 避免他人的截听 提供了供多个用户使用同一传输波段的方法 保证了无线设备在频段上的可用性和可靠的吞吐量 也保证了使用同一频段的设备不互相影响 红外线 IR 物理层 红外线 IR 物理层描述了一种在850到950nM波段运行的调制类型 用于小型设备和低速率连接的数据传输应用 这种红外线介质的基本数据速率是利用十六进制脉冲位置调制 16PPM 的1Mbit s速率和利用四进制脉冲位置调制 4PPM 的2Mbit s增强速率 基于红外线设备的峰值功率被限定为2W 物理层结构 IEEE802 11物理 PHY 层结构图 IEEE802 11标准规定的物理层协议可以分为一般物理层管理和物理层汇聚过程 物理媒体依赖两个子层 图中未示出物理层管理 物理层结构 物理层管理 PhysicalLayerManagement 物理层管理与MAC层管理相连 为物理层提供管理功能 物理层汇聚子层 PLCP 媒体访问控制 MAC 子层和物理层汇聚 PLCP 子层通过物理层服务访问点 SAP 利用原语进行通信 MAC发出指示后 PLCP就开始准备需要传输的媒体协议数据单元 MPDU PLCP也从无线媒体向MAC层传递接收帧 PLCP为MPDU附加字段 形成一种合成帧 字段中包含物理层发送器和接收器所需的信息 IEEE802 11标准称这个合成帧为PLCP协议数据单元 PPDU PPDU的帧结构提供了工作站之间MPDU的异步传输 因此 接收工作站的物理层必须同步每个单独的即将到来的帧 物理媒体依赖 PMD 子层 在PLCP下方 PMD支持两个工作站之间通过无线媒体实现物理层实体的发送和接收 为了实现以上功能 PMD需直接面向无线媒体 并对帧传送提供调制和解调 PLCP和PMD之间通过原语进行通信 控制发送和接收 物理层主要功能 1 载波帧听功能物理层通过命令其物理媒体依赖 PMD 子层检查媒体状态来执行载波侦听操作 探测信号的到来 DetectionofIncomingSignal 工作站的PLCP持续地对媒体进行监听 当媒体忙时 PLCP将读取PLCP前同步码和帧头 并试图同步接收器和数据率 信道评价 ClearChannelAssessment 信道评价操作用于检测无线媒体忙碌还是空闲 如果媒体空闲 PLCP将发送一条状态字段表明为空闲的PHY CCA indication原语到MAC层 使得MAC层可以考虑决定发送帧 如果媒体忙碌 PLCP将发送一条状态字段表明为忙碌的PHY CCA indication原语到MAC层 从而MAC层就可以决定暂不能发送帧 物理层主要功能 2 数据发送功能如果前述的载波侦听出现媒体空闲状态 则物理层汇聚子层 PLCP 在接收到MAC层的PHY TXSTART request原语后便将PMD从常规的检测接收模式转换到传输发送模式 同时 MAC层将与该请求一道告知PLCP要发送数据的字节数 0 4095 和数据速率 然后 PMD通过无线发送器在20微秒内发射帧的前同步码 发送器以1Mbit s的速率发送前同步码和适配头 为接收器的收听提供特定的通用数据速率 适配头的发送结束后 发送器将数据速率改到适配头确认的速率 整个发送完成后 PLCP向MAC层发送一条PHY TXEND confirm原语 关闭发送器 并将PMD电路转换到接收模式 物理层主要功能 3 数据接收功能如果信道检测评价到媒体处在忙碌状态 同时有合法的即将到来的前同步码 则物理层汇聚 PLCP 子层就开始监视该适配头 当PMD检测到的信号能量超过85dBm 它就认为媒体忙碌 如果PLCP子层检测到帧的适配头是无误的 它将向MAC层发送一条PHY RXSTART indication原语 通知一个帧的到来 随同这个原语一起发送的 还有帧适配头的一些信息 PLCP根据PLCP服务数据单元 PSDU 适配头长度的值 来设置字节计数器 计数器跟踪接收到的帧的字节数目 使PLCP知道帧什么时间结束 PLCP在接收数据的过程中 通过PHY DATA Indication信息向MAC层发送PSDU的字节 收到最后一个字节后 向MAC层发送PHY RXEND infication原语 声明帧的结束 IEEE802 11标准的物理层扩充协议 IEEE802 11a是对IEEE802 11标准进行的物理层扩充 它彻底地抛弃了前述的扩频思想 IEEE802 11a工作在5GHz频段 物理层速率可达54Mbit s 传输层达25Mbit s 采用正交频分复用 OFDM 扩频技术 可提供25Mb s的无线ATM接口和10Mbps的无线以太网帧结构接口 支持语音 数据 图像业务 IEEE802 11b标准的物理层采用的是补码键控CCK ComplementaryCodeKeying 技术 在2 4GHz高速局域网标准中采用CCK调制的主要原因是 它可以在提供高达11Mbit s数据传输速率的同时保持了与原有的1Mbit s和2Mbit s的无线局域网的互操作性 即两者具有同样的射频带宽和分组结构 IEEE802 11的MAC层协议 按照无线局域网 WLAN 的协议体系结构层次划分 MAC子层是位于物理 PHY 层和逻辑链路控制 LLC 子层中间的一个层次 其主要目的是在LLC子层的支持下为共享物理媒体提供访问控制以及执行寻址方式和帧产生与帧识别 IEEE802 11标准中 以CSMA CA协议作为无线局域网MAC协议的基础 主要用来支持异步业务 并称其为分布式访问控制 分布协调功能 方式 DCF 为了使得系统也能够支持具有最大时延要求的一些同步或时限业务 标准中还要求了MAC协议支持用户可选择的中心网控 点协调功能 方式 PCF IEEE802 11的MAC层 802 11标准设计独特的MAC层 它通过协调功能 CoordinationFunction 来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接受数据 802 11的MAC包括两个子层 分布式访问控制方式 DCF 分布式访问控制方式 DCF 是IEEE802 11标准规定的物理层兼容的无线局域网中的工作站和访问点 AP 之间共享无线媒体的主要访问控制协议 和IEEE802 3总线式以太网的CSMA CDMAC协议类似 IEEE802 11标准规定无线局域网的分布式访问控制方式 DCF 使用具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入 CSMA CA 协议 中心网络控制方式 PCF IEEE802 11标准规定的无线局域网媒体访问控制可以工作在集中式中心网络控制方式 PCF PCF是在支持异步业务的DCF方式 采用CSMA CA协议 的基础上 依照其提供的访问优先权 由网络中心站 AP 控制 采用Polling协议方式 支持无竞争型同步或时限业务 IEEE802 11标准的MAC协议支持的业务模型 MAC层主要功能 1 MAC层帧生成与分解在帧发送前 MAC须将上层提交待发数据分段 然后加入地址 控制及校验信息 形成MAC帧发送缓冲区待发 在收到接收MAC帧之后对其解析 判断帧类型 完整性 地址匹配 校验无误后 提取数据并向上层提交 MAC帧结构 IEEE802 11标准中把无线局域网的MAC帧分为三种类型 管理信息帧 控制信息帧 数据信息帧 IEEE802 11定义了MAC帧格式的主体框架结构 无线局域网中发送的各种类型的MAC帧都采用这种帧结构 站一旦形成正确的帧之后 MAC层将帧传给物理层汇聚处理子层 PLCP MAC层主要功能 2 无线媒体访问控制在帧发送前 MAC须首先利用以下某方式获得网络连接 具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入 CSMA CA 媒体访问控制 MAC 方式 IEEE802 11规范称为分布式访问控制方式 DCF 基于不同服务优先级别的集中式轮询 Polling 访问控制 IEEE802 11规范称为中心网络控制方式 PCF MAC层主要功能 3 加入网络与认证工作站的电源打开之后 它在验证和连接到合适的工作站或访问点之前 首先检测有无现成站和访问点 AP 可供加入 工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程 IEEE802 11标准提供开放系统和共享密钥两种认证服务 用于增强802 11网络的安全性能 4 提供数据安全和保密为向帧传输提供和有线网络相近的安全性 IEEE802 11标准定义了可选择的有线同等保密 WEP WEP生成共用加密密匙 发送端和接收端工作站均可用它加密和改变帧中信息位 以避免信息的泄漏 这个过程也称为对称加密 MAC层主要功能 5 漫游功能Wireless漫游的概念 STA可以在属于同一个ESS的AP接入点接入 可以使用同一信道或者不同信道 多数人都认为漫游就是终端从一个AP转换到另一个AP 即无线终端从一个BSS服务集移动接入到另外一个服务集的过程 而漫游分为 二层漫游 在同一子网AP间漫游 只需保证用户在AP切换时访问网络的权限不变即可 三层漫游 在不同子网内AP间漫游 通常会采用特殊手段来保证用户业务不中断 如何实现三层漫游在协议中没有描述 各厂家实现方法不同 MAC层主要功能 MAC登录与认证服务 1 加入网络 工作站的电源被打开之后 它在验证和连接到合适的工作站或访问节点之前 首先会检测有无现成的工作站和访问点AP可供加入 工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程 加入一个BSS或ESS之后 工作站从访问点AP接收服务组标识符 SSID ServiceSetIdentifier 时间同步函数 TSF TimerSynchronizationFunction 计时器的值和物理 PHY 安装参数 2 认证与保密服务 802 11标准提供两种认证服务 增强了802 11网络的安全性能 1 开放系统认证 OpenSystemAuthentication 默认的认证服务 仅宣布与其他站和AP的连接请求 2 共享密匙认证 SharedKeyAuthentication 包含更加严格的帧交换 以确定响应工作站是可信的 3 网同步服务 BSS中的工作站必须和访问点AP保持同步 从而保证所有的工作站工作在相同的参数下 同时也保证节能管理的正常进行 为了实现以上目的 访问点AP须定期地发送信标帧 对各个独立工作站的时钟进行同步 各站依照信标提供信息修改自己的时钟 这种服务成为网同步服务 802 11MAC层用户接入管理过程 STA 步骤1 Scanning 步骤2 Authentication 步骤3 Association 步骤4 数据收发 AP Scanning STA通过Scanning功能来完成Discovery寻找一个无线网络当STA漫游时寻找一个新的APScanning功能的两种方式PassiveScanning STA通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络ActiveScanning STA在每个信道上发送Proberequest报文 从AP回应的Proberesponse中获取SSID信息 Authentication STA AP Authenticationrequest AuthenticationResponse 1 2 success Open systemAuthentication STA AP Authenticationrequest Plaintextchallenge Ciphertextchallenge AuthenticationResponse 预置Key 预置Key Shared KeyAuthentication 1 2 3 4 用Key加密明文 密文解密和明文比较 802 11WEP加密原理 发送侧 STA 接收侧 AP 加密报文 IV值 接收的加密报文 IV InitializationVender初始向量 WEP WiredEquivalentPrivacy有线对等私有协议 XOR 静态Key IV Key生成器 Key流 发送的加密报文 用户数据明文 静态Key IV Key生成器 Key流 用户数据明文 XOR Association STA AP Associationrequest Associationresponse 数据 Association过程 1 2 WLAN WLAN WirelessLocalAreaNetwork 是指传输范围在100米左右的无线网络 可用于单一建筑物或办公室之内 需要使用WLAN的场合主要包括 1 不方便架设有线网络的环境 2 使用者时常需要移动位置 3 临时性的网络 802 11WLAN主要面向两种应用类型 1 接入 无线站点通过无线接入设备访问企业网络 2 中继 利用无线信道作为企业网的干线 利用大楼 LAN 与大楼 LAN 之间的数据传输 WLAN协议 IEEE802 11 在实际使用上 通常会将WLAN和现有的有线网络结合 不但增加原本网络的使用弹性 也可扩大无线网络的使用范围 目前最热门的WLAN技术就是IEEE的802 11及其相关标准 IEEE802 11 1997 6 数据速率最高为1或2Mbps 工作在2 4GHz频段或使用红外 InfraredSpectroscopy IR IEEE802 11a 1999 数据速率最高为54Mbps 12个信道 最多8个互不重叠 工作在5GHz频段IEEE802 11b 1999 9 数据速率最高为11Mbps 11个信道 最多3个互不重叠 工作在2 4GHz频段 最常用 IEEE802 11g 2003 6 数据速率最高为54Mbps 11个信道 最多3个互不重叠 工作在2 4GHz频段IEEE802 11n 2007 数据速率最高为600Mbps 11个信道 最多3个互不重叠 工作在2 4GHz和5GHz频段 IEEE802 11n 802 11n是在802 11g和802 11a之上发展起来的一项技术 最大的特点是速率提升 理论速率最高可600Mbps 目前业界主流为300Mbps 802 11n可工作在2 4GHz和5GHz两个频段 802 11n标准至2009年才得到IEEE的正式批准 但采用MIMOOFDM技术的厂商已经很多 包括华为 腾达 TP Link D Link Airgo Ubiquiti Bermai Broadcom以及杰尔系统 Atheros 思科 Intel等等 产品包括无线网卡 无线路由器等 IEEE802 11n的主要性能 覆盖范围 802 11n采用智能天线技术 通过多组独立天线组成的天线阵列 可以动态调整波束 保证让WLAN用户接收到稳定的信号 并可以减少其它信号的干扰 因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里 使WLAN移动性极大提高 兼容性 802 11n采用了一种软件无线电技术 它是一个完全可编程的硬件平台 使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容 这使得W