第3章-组建SOHO无线局域网VIP

无线局域网项目教程胡云编著,第3章组建SOHO无线局域网,第2页,教学目标了解IEEE802.11标准及其更新补充。掌握无线局域网使用的电磁波频段及信道。掌握基础结构（Infrastructure）模式WLAN。了解IEEE802.11的逻辑结构。了解IEEE802.11物理层技术。了解IEEE802.11数据链路层技术。掌握无线路由器的功能及配置方法。掌握无线路由器组建SOHO无线局域网的技术。,第3页,教学重点IEEE802.11标准及其更新补充；电磁波频段及信道；基础结构（Infrastructure）模式WLAN；IEEE802.11物理层技术；IEEE802.11数据链路层技术；无线路由器的功能及配置方法；用无线路由器组建SOHO无线局域网。教学难点IEEE802.11物理层技术；IEEE802.11数据链路层技术。,第4页,3.1项目导引SOHO（SmallOfficeHomeOffice），就是家庭办公室、小型办公室的意思。某公司最近租用了一个新房间作为小会议室。这个房间只有两个有线网络接口和一个电话接口。为了使大家开会时的交流和信息的互通更为方便，公司希望在会议室能让10台左右的计算机上网。小王是公司的兼职网络管理员。他建议在会议室里组建SOHO无线局域网，只需要购置一台无线路由器，在计算机上安装无线网卡，就可以实现无线上网。,第5页,3.2项目分析组建SOHO无线局域网方便快捷，部署灵活，适合小型办公区域的用户或家庭的用户，无线联网并共用一个有线网络接口。无线路由器是组网的关键设备，把无线局域网和有线网络连接起来，使用户可以接入互联网。组建SOHO无线局域网主要是进行无线路由器的配置。,第6页,3.3技术准备3.3.1IEEE802.11系列标准1.IEEE802.11系列标准IEEE802.11系列标准是无线局域网技术的规范。IEEE（电气和电子工程师协会）在1990年成立IEEE802.11工作组，1993年形成基础协议，1997年完成IEEE802.11标准，并公布了第一个正式版本。此后，IEEE802.11标准一直在不断发展和补充更新之中，形成IEEE802.11系列标准，如教材表3-1。,第7页,第8页,涉及物理层技术的几个标准,3.3.2基础结构模式WLAN1.基础结构（Infrastructure）模式WLAN的拓扑结构基础结构模式WLAN由一台AP和若干台工作站构成，如图3-1所示。其中无线AP相当于有线网络中的交换机或集线器，具有集中连接无线节点和数据交换的作用。工作站是指配置有支持IEEE802.11协议的无线网卡的计算机，也称为无线终端。,第9页,第10页,2基本服务集（BSS）在基础结构模式WLAN中，通常把AP的通信覆盖区域称为基本服务区（BasicServerArea，BSA）。一个BSA内相互联系、相互通信的AP和工作站组成基本服务集（BasicServerSet，BSS）。图3-2所示是由3个STA和1个AP构成的一个BSS。3扩展服务集（ESS）当一个以上的AP连接到公共分布式系统上时，这些AP的无线信号覆盖范围被称为扩展服务区（ExtendedServiceArea，ESA），也称为扩展服务集（ESS）。,第11页,第12页,4基础结构模式WLAN特点基础结构模式WLAN在网络扩展、集中管理、用户身份验证等方面有优势，另外数据传输性能也明显高于Ad-hoc模式。在基础结构模式WLAN中，由于STA之间的通信必须通过AP，因此AP的故障将导致整个网络瘫痪。在基础结构模式WLAN中，AP和工作站可以针对具体的网络信号强弱调整传输速率，如11Mb/s的IEEE802.11b的速率可以调整为1Mb/s、2Mb/s、5.5Mb/s和11Mb/s。,第13页,5基础结构模式WLAN的标识（1）服务集识别符（ServiceSetID，SSID）：在BSS内，AP使用SSID来标识特定的区域。SSID由字母、数字组成，字母区分大小写。SSID通常是无线LAN子系统中设备的网络名称，无线设备利用SSID来建立和维持连接，它提供低级别的访问控制。（2）扩展服务集标识符（ExtendedServiceSetIdentifier，ESSID）：在ESS内所有AP共享同一个扩展服务集标识符。,第14页,3.3.3WLAN的电磁波频段及信道1.电磁波1）在空间传播着的交变电磁场，即是电磁波。电磁波能够在真空环境中传播。电磁波在真空中的传播速度约为3105km/s。电磁波在物理介质中传播时会产生衰减。2）无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线都是电磁波，它们的区别仅在于频率或波长范围的不同。,第15页,第16页,2.FCC频段分配无线电频谱资源是人类共享的自然资源，在一定的时间、空间、地点都是有限的。各国都颁布专门的法规来保护、开发和管理无线电频谱资源，由专设机构予以执行。世界多数发达国家将无线电分成若干频段，再通过许可和注册的方式将这些频段分配给特定的使用或用途。美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）通过控制无线电广播、电视、电信、卫星和电缆来协调国内和国际通信，负责授权和管理除联邦政府使用之外的射频传输装置和设备。,第17页,第18页,3ISM频段1）什么是ISM频段ISM频段由国际电信联盟无线电通信委员会定义。ISM取自工业（Industrial）、科学（Scientific）和医疗（Medical）的第一个字母。ISM频段主要给工业、科学、医疗三大领域使用。使用ISM频段无需许可证授权，免费使用，只要遵守一定的发射功率（一般小于1W），并且不要对其他频段造成干扰即可。,第19页,2）信道用数字表示人们通常把传输数据信号的电磁波频段划分成一定数量的、带宽相同的小频段，并称其为信道（或频道）。信道用数字表示。3）2.4GHz频段有14个信道FCC公布IEEE802.11G的2.4GHz频段有14个信道，各个信道带宽为22MHz。各国使用2.4GHz频段的信道数量是不一样的，美国使用11个信道，我国及欧洲使用13个信道，如教材表3-2所示。,第20页,4）信道的重叠与不重叠为有效地使用2.4GHz频段，减少信道竞争时间和同频干扰，对于邻近的WLAN，应该使用频率互不重叠的信道组中的信道。一个WLAN可选13个信道中的任意一个；2个邻近的WLAN，可选的频率互不重叠信道组有36个；3个邻近的WLAN，可选的频率互不重叠信道组有3个，即1、6、11信道；2、7、12信道；3、8、13信道。,第21页,第22页,4UNII频段无需许可证的国家信息基础设施（UnlicensedNationalInformationInfrastructure，UNII，发音为you-nee）电磁波频段范围是5.1505.825GHz，通常称为5GHz频段，免费、免许可证使用，主要用于无线联网，也可以用于其他方面，如宽带多媒体广播。美国将UNII频段划分为12个频道，欧洲将UNII频段划分为19个频道。,第23页,第24页,第25页,我国WLAN使用的5.7355.835GHz频段常称为5.8GHz频段，划分了5个信道，各个信道带宽为20MHz。,3.3.4IEEE802.11的逻辑结构1.IEEE802.11的物理层（PHY）由物理汇聚子层、物理介质相关子层和物理层管理构成。数据链路层分为逻辑链路控制子层、介质访问控制子层和介质访问控制管理。2.物理汇聚子层主要进行载波侦听和对不同物理层形成不同格式的分组，物理介质相关子层识别介质传输信号使用的调制与编码技术，物理层管理进行信道选择。3.逻辑链路控制子层负责建立和释放逻辑连接、提供高层接口、差错控制、为帧添加序号等;介质访问控制子层主要控制节点获取信道的访问权;介质访问控制管理负责越区切换、功率管理等。4.站点管理层负责协调物理层和MAC层的交互。,第26页,3.3.5IEEE802.11物理层技术1.直接序列扩频（DSSS）技术1)扩频(SpreadSpectrum，SS)扩频是一种重要的通信技术，可用于传输模拟信息和数字信息。发送方的数据进入信道编码器后，生成窄带模拟信号，然后使用伪随机序列生成器产生的扩展码进行调制，调制后的信号带宽显著增加，即扩展了频谱。经信道传输至接收方后，使用同一数字序列对扩频信号进行解调，最终还原为数据。,第27页,第28页,在DSSS中，传输信号被扩展到正在使用的整个频谱上。例如，在信道1上发送数据的一个AP将载波信号扩展到2.4012.423GHz范围内的22MHz带宽的信道上。,2)数据碎片代码与码片序列编码是将信息从一种形式转换成另一形式的过程。利用DSSS对数据进行编码，需要使用一个码片序列（ChipSequence）。码片和比特本质上是一样的，但比特代表数据，而码片用于载波编码。当便携式计算机通过无线网络发送数据时，该数据必须利用码片序列进行编码处理，随后通过无线电波进行调制。在图3-10中，比特值为1的碎片代码被扩展为00110011011码片序列，比特值为0的碎片代码被扩展为11001100100。,第29页,第30页,2.正交频分复用（OFDM）技术1）FDM与OFDM扩频OFDM技术可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。传统的频分复用（FDM）多载波调制技术（如图3-11（a）所示）中各个子载波的频谱是互不重叠的，同时，为了减少各子载波之间的相互干扰，子载波之间需要保留足够的频率间隔，频谱利用率较低。OFDM多载波调制技术（如图3-11（b）所示）中各子载波的频谱是互相重叠的，并且在整个符号周期内满足正交性，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率。,第31页,第32页,2）OFDM技术要点OFDM技术把一个20MHz的RF信道划分为52个正交子信道，然后把数据信号分成52个单独的载波，每个载波在一个子信道中，这样就可以将高速数据信号转换成并行的低速子数据流。OFDM技术支持的数据传输速率有6Mb/s、9Mb/s、12Mb/s、18Mb/s、24Mb/s、36Mb/s、48Mb/s和54Mb/s。,第33页,3.多入多出（MIMO）技术1）多入多出传统的无线设备使用一个发射信号的天线和一个接收信号的天线，这种传输方式称为单进单出。MIMO是在发射端和接收端分别使用多根天线。MIMO是一种应用于IEEE802.11n的核心技术。该技术抑制信道衰落，将多径传播变为有利因素，有效地使用随机衰落和多径时延扩展，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，不仅可以利用MIMO信道提供的空间复用增益提高信道的容量，同时还可以利用MIMO信道提供的空间分集增益提高信道的可靠性。,第34页,3.多入多出（MIMO）技术1）多入多出传统的无线设备使用一个发射信号的天线和一个接收信号的天线，这种传输方式称为单进单出。MIMO是在发射端和接收端分别使用多根天线。MIMO是一种应用于IEEE802.11n的核心技术。该技术抑制信道衰落，将多径传播变为有利因素，有效地使用随机衰落和多径时延扩展，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，不仅可以利用MIMO信道提供的空间复用增益提高信道的容量，同时还可以利用MIMO信道提供的空间分集增益提高信道的可靠性。,第35页,3.3.6IEEE802.11数据链路层技术IEEE802.11的数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。MAC层又分为MAC子层和MAC管理子层。使用与IEEE802.2完全相同的LLC层以及48位MAC地址，使得无线和有线之间的桥接非常方便。MAC层决定了IEEE802.11的吞吐量、网络延时等特性。,第36页,1.MAC子层的主要功能MAC子层的功能是通过MAC帧交换协议来保障无线介质上的可靠数据传输。通过两种访问控制机制实现共享介质的使用：分布协调功能（DistributedCoordinationFunction，DCF），在每一个节点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取数据发送权，向上提供争用服务；点协调功能（PointCoordinationFunctions，PCF），使用集中控制接入算法，用类似于探询的方法把发送数据权轮流交给各个站，以避免碰撞的产生。,第37页,2.IEEE802.11MAC接入协议1）IEEE802.3协议IEEE802.3协议中采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议检测和避免当两个或两个以上的网络设备同时需要进行数据传送时产生的冲突。在无线局域网IEEE802.11协议中，冲突的检测存在一定的问题，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号一边传送数据信号，而这在无线局域网中是无法办到的。,第38页,2）IEEE802.11采用载波监听多路访问/冲突避免协议CSMA/CA工作机制：主机首先侦听信道是否空闲，判断当前是否有其他主机在发送数据。若信道忙，则主机必须进行延迟，直到检测到一个长达DCF帧间隔的媒介空闲期之后，启动随机访问退避规程。继续检测在随机退避时间内信道是否空闲，若空闲则发送数据，否则当在随机退避时间内检测到信道忙时，此随机退避时间将被冻结，直至再发现媒介空闲时，即又检测到一个长达DIFS的媒体空闲期之后，再启动此随机退避时间。随机退避时间一到，即可将信息送出。当一个主机在一次发送成功后还想发送下一帧时，也必须进行退避。,第39页,第40页,3）信道竞争无线信道是由多个用户共享的。但在某一时刻，无线信道只能由一个用户使用。当多个用户使用时，要进行信道的竞争，由CSMA/CA来安排决定。信道的竞争将直接影响数据的传输速率。下面举例分析：（1）只有一个AP时，假设使用1,6,11信道之一，如果有20个无线用户，那这些用户就依据CSMA/CA来竞争信道的使用。（2）如果3个AP分别使用1,6,11信道（1,6,11信道是互不重叠的），则分别接入它们的用户，只与使用本信道的用户通过CSMA/CA竞争信道，其他信道的用户不可能跨信道竞争。,第41页,（3）如果AP1选用信道1，邻近的AP2选用信道2，因为信道1和信道2有重叠，所以AP1发送的信号虽然在信道1上，但是仍能被信道2上的设备（工作站）检测到；同样AP2发送的信号虽然在信道2上，但是仍能被信道1上的设备（工作站）检测到，即信道2的设备也会参与信道1的设备通过CSMA/CA竞争信道，这样就会降低信道1的设备数据传输的速率。（4）假设有2个邻居AP都选择信道1，对于用户来说，他只选择自己AP的信道1传输数据，那接入邻居AP的信道1就会对其出现同频率干扰。,第42页,第43页,4）MAC帧格式IEEE802.11无线局域网中所有无线节点必须按照规定的帧结构发送帧和接收帧。MAC帧格式由帧头（MACHeader）、帧体（FrameBody）和校验（FCS）三部分组成。,第44页,表3-4MAC帧基本格式,第45页,表3-5帧控制域格式,（1）帧控制域格式协议版本：在802.11标准中该值为0。类型和子类型：共同确认该帧的功能，类型中00-管理帧，01-控制帧，10-数据帧。ToDS：在数据帧中被设置为1表示该帧发送给DS（DistributionSystem），其他帧时设置为0。FromDS：在数据帧中被设置为1表示该帧从DS发送出来，其他帧时设置为0。ToDS、FromDS同时为1是表示该帧从一个AP发送到另一个AP。,（2）持续时间表示一个帧的持续发送时间，以便虚拟载波侦听。（3）序列号是对分段号的标识，以便按序重组。（4）地址域。IEEE802.11的MAC帧中有4个地址域，其中的地址类型有5种：基本服务集识别码（BasicServiceSetIdentification，BSSID）、源地址（SA）、目的地址（DA）、发送站点地址（TA）、接收站点地址（RA）。,第46页,第47页,表3-6数据帧地址格式,5.MAC管理子层在WLAN中，当站点接入网络时，MAC管理子层负责客户端与无线接入点之间的通信。无线连接就是站点（STA）与无线接入点（AP）的握手过程，包括如下几个阶段：无线STA通过广播Beacon（信标）帧，在网络中寻找AP；当网络中的AP收到了STA发出的广播Beacon帧之后，AP也发送广播Beacon帧用来回应STA；当STA收到AP的回应之后，STA向目标AP发起RequestBeacon（请求帧）；AP响应STA发出的请求，如果符合STA连接的条件，给予应答，即向AP发出应答帧，否则将不予理睬。,第48页,第49页,图3-16建立无线连接的过程,（1）扫描（Scanning）。扫描可分为主动扫描与被动扫描。主动扫描是由STA发出一个ProbeRrquest帧。如果是单一SSID的ProbeRequest帧，则SSID相同的AP才回应。如ProbeRequest帧中的SSID属于广播型，则所有的AP都会响应。被动扫描是指STA通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络，如图3-18所示。用户预先配有用于扫描的信道列表，在每个信道上监听Beacon。被动扫描要求AP周期性发送Beacon帧。当用户需要节省电量时，可以使用被动扫描。,第50页,（2）认证（Authentication）。在STA已经找到一个AP之后，便试图利用认证帧来连接。这个帧包含的内容有用于认证的算法、认证处理的编号以及认证成功或失败的信息。认证过程可发生在AP（如图3-19所示的开放系统的认证过程）或AP会将认证请求再传送到认证服务器。（3）关联（Association）。在认证成功之后，客户端发送一条关联请求，而AP用关联响应消息来响应。如果STA与AP结合成功，则STA就可以与AP通信或传输数据。,第51页,3.3.7无线路由器1.无线路由器的功能无线路由器（WirelessRouter）是将无线AP和宽带路由器合二为一的扩展型产品，不仅具备无线接入功能，而且能实现SOHO无线局域网的Internet连接。通常，无线路由器还具有DHCP、WEP、WPA加密、VPN、防火墙等功能。无线路由器集AP、路由器和交换机于一体。可以关闭它的无线发射功能，把它作为功能简单的路由器或有线交换机使用。,第52页,第53页,在购买无线路由器时，主要关注该产品支持的IEEE802.11标准、接口和管理功能。有很多的品牌产品可供选择，如TP-LINK、D-LINK、NETGEAR、华为、华硕、联想等。现在主流产品支持IEEE802.11g/n标准；管理功能体现在支持LAN防火墙和WAN防火墙功能，前者主要通过采用IP访问限制、MAC地址过滤等手段来限制局域网内的计算机访问Internet，后者则采用网址过滤、动态包过滤等手段来阻止网络上黑客的攻击；另外，还具有DHCP服务器、动态DNS、虚拟服务器等高级功能。,2.无线路由器的通信接口通常无线路由器面板上有一个WAN端口以及4个LAN端口。WAN端口用于连接ADSLModem、CableModem、有线局域网等，进而接入Internet。LAN端口用于有线连接主机，使之与无线工作站组成同一子网，这样有线连接主机与无线工作站之间交换数据就非常方便。另外，无线路由器通过天线接口与无线终端连接。3.无线路由器信号覆盖的范围在不外接天线的情况下，视野所及之处信号覆盖的最大距离约100多米；若属于半开放性空间或有隔离物的区域，信号覆盖距离约3550m。,第54页,3.4项目实施3.4.1项目设备多台安装了WindowsXP系统的计算机（或Wi-Fi手机）、多块Tenda（W541UV2.0）无线网卡、1台TP-LINK(TL-WR841N)无线路由器。3.4.2项目拓扑项目拓扑如图3-22所示。,第55页,第56页,3.4.3项目任务1.观察无线路由器1）外观结构(1)前面板指示灯,第57页,第58页,表3-7指示灯名称及状态指示,（2）后面板POWER：电源插孔，用来连接电源，为路由器供电。1/2/3/4：局域网端口。该端口用来连接局域网中的集线器、交换机或安装了有线网卡的计算机。WAN：广域网端口。该端口用来连接以太网电缆或ADSLModem或CableModem。RESET：复位按钮。使设备恢复到出厂默认设置。复位操作：在路由器通电的情况下，使用较细的棍状物按压RESET按钮大约5秒钟，同时观察到SYS指示灯由缓慢闪烁变为快速闪烁状态时，就可以松开RESET键。路由器重新启动，恢复到出厂默认设置。天线：用于无线数据的收发。,第59页,2硬件连接和配置准备1）建立局域网连接用一根网线连接无线路由器的LAN口和局域网中的交换机或集线器，也可以用一根网线将无线路由器与计算机网卡直接相连。2）建立广域网连接用网线连接无线路由器WAN接口和ADSL/CableModem或以太网接口。3）连接电源连接电源适配器，无线路由器将自行启动。,第60页,4）连接配置计算机用一根双绞线将一台计算机的网卡和无线路由器的一个局域网端口连接，并设