无线局域网课件

无线局域网,张明军,友情提示：本章内容理论性较强，但,本章主要内容,无线局域网基础IEEE802.11标准IEEE802.11体系结构介质访问控制与CSMA/CAMAC帧类型,无线局域网基础,WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)无线局域网指以无线信道作为传输介质的计算机局域网计算机用以收发电子/光子信号的物理路径,无线局域网基础,WLAN的特点覆盖范围在一个建筑物内访问一般在100m以内(室外增大功率可达几百米)提供LAN和Internet的接入提供高速数据速率例：802.11b11Mbps，802.11b/g54Mbps支持移动性成本低,无线局域网基础,WLAN的主要标准HIPERLANHighPerformanceRadioLAN(高性能无线LAN)欧洲标准(欧洲电信标准化协会ETSI下的宽带无线电接入网络BRAN小组制定的)，HiperLan1和HiperLan2两个标准，物理层最高速率为54Mpbs(网络层25Mpbs)。IEEE802.11美国标准目前在世界范围内主导市场本课程中主要讨论802.11标准,IEEE802.11标准,什么是Wi-Fi?“WirelessFidelity”：无线相容性认证，主要指WiFi论坛组织，负责设备的互操作性的认证（非强制性）。IEEE802.11a802.11b802.11g1980年2月，IEEE成立了802委员会，主要制定局域网标准。其中，802.11任务组主要制定无线局域网标准。,IEEE802.3是什么网络标准呢？,IEEE802.11标准,IEEE802.11标准主要定义了：无线联网的物理介质802.11支持3种物理传输介质红外(Infrared)跳频扩频(FHSS)直接序列扩频(DSSS)介质访问控制功能例：控制介质访问、帧分段、加密,IEEE802.11标准,IEEE802.11系列标准,OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)正交频分复用技术,IEEE802.11标准,IEEE802.11WLAN模式基础设施模式(InfrastructureMode)终端与访问点AP(AccessPoint)通信无基础设施模式(AdHocMode)终端进行对等网(peer-to-peer)通信(不需要AP),IEEE802.11标准,InfrastructureModeWLAN,IEEE802.11标准,InfrastructureModeWLAN几个概念BSS(BasicServiceSet，基本服务集)包括一个基站和若干个移动站，本BSS内站可直接通信，与本BSS之外的站通信要通过本BSS的基站。AP(AccessPoint，接入点)AP指基本服务集中的基站，其作用和网桥相似。DS(DistributionSystem，分布式系统)可以是一个交换机、有线网、无线网。ESS(ExtendedServiceSet，扩展服务集)经过DS连接的多个BSS构成门桥(Portal，也称门户)与其它(有线)网络相连接的网桥,IEEE802.11标准,InfrastructureModeWLAN：漫游漫游,移动站A从某一个BSS移动到另一个BSS，叫漫游。漫游后仍然可保持与另一个移动站B进行通信。,IEEE802.11标准,Ad-hocModeWLAN自组网络(Ad-HocNetwork)没有上述基本服务集中的接入点AP而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。,IEEE802.11标准,802.11的服务控制访问和私密性（3）Authentication、De-authentication、privacy用于支持MAC服务数据单元的传送（6）移动性管理（5）association、re-association、disassociation、distribution、integration数据传递（1）MSDUdelivery,MSDU：MAC用户传给MAC协议需要传输的一块数据,IEEE802.11标准,802.11的服务控制访问和私密性（3）Authentication(鉴权)802.11支持多种认证模式，并允许对此进行扩充。标准没有强制任何特定认证模式De-authentication(结束鉴权)一个原先已通过认证的站点离开网络时需要解除认证Privacy(隐私)用来防止消息内容被非指定接收者阅读WEP（具体是RC4）,IEEE802.11标准,802.11的服务移动性管理（5）Distribution(分配)用在节点之间交换MAC帧从一个BSS的节点发送到另一个BSS的节点Integration(集成)当数据交换双方一个位于802.11LAN另一个位于非802.11LAN时涉及地址转换、传输介质变换逻辑和帧格式转换,IEEE802.11标准,802.11的服务移动性管理（5）Association(联接)节点必须与所在BSS的AP建立关联，AP才能将此信息通报给ESS内其他AP，以便路由和帧的传递。Re-association(再联接)关联可从一个AP转换到另为一个，允许节点从一个BSS移动到另一个。Disassociation(结束联接)关联通告可由AP或者与之关联的节点发出MAC管理机制防止没通告的节点消失,IEEE802.11体系结构,使用802.11的用户感受802.11满足与其他有线802.x系列的无缝融合应用程序感觉不到任何不同，除了：带宽低接入时间长无线节点的高层协议(应用协议、TCP、IP)与有线节点的高层协议一样,IEEE802.11体系结构,802.11协议栈,IEEE802.11体系结构,802.11协议栈,IEEE802.11体系结构,802.11物理层物理介质依赖子层（PMD）调制解调和编码/解码物理层汇聚协议（PLCP）向上提供独立于传输技术的物理层访问点（SAP）,IEEE802.11体系结构,802.11物理层,IEEE802.11体系结构,802.11MAC层MAC层控制介质访问用户数据分段加密MAC管理节点与AP的关联、节点的漫游认证、加密、同步、能量管理MAC管理信息库的维护,介质访问控制与CSMA/CA,如何在多个用户间共享公用介质?,介质访问控制与CSMA/CA,可以使用有线LAN中的方法吗?例如：载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection在IEEE802.3(以太网)中使用,介质访问控制与CSMA/CA,CSMA/CD方法“先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发”,发送流程,接收流程,为什么WLAN中不能使用CSMA/CD呢？,介质访问控制与CSMA/CA,三个定义：传输范围(TX_range)：可以成功接收帧的通信范围，取决于发送能量和无线电波传输特性物理层侦听范围(PCS_range)：可以检测到该传输的范围，取决于接收器灵敏度和无线电波传输特性干扰范围(IF_range)：在此范围内的节点如果发送不相关的帧，将干扰接收端的接收并导致丢帧,介质访问控制与CSMA/CA,一种情况：假设：A正在向B传输数据，C也要向B发送数据,介质访问控制与CSMA/CA,隐蔽站问题(hiddenstationproblem)由于距离太远而导致一个节点无法检测到介质竞争对手的存在。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题。隐藏节点不能侦听到发送端但能干扰接收端,介质访问控制与CSMA/CA,另一种情况：假设：B正在向A传输数据，C要向D发送数据。,介质访问控制与CSMA/CA,暴露站问题(exposedstationproblem)由于侦听到其他节点的发送而误以为介质忙导致不能发送。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题。暴露节点能够侦听到发送端但不会干扰接收端。,发送端,接收端,暴露节点,TX_range,IF_range,介质访问控制与CSMA/CA,两种控制和协调方法：MAC层通过协调功能来确定在BSS中的移动站什么时间能发送数据或接收数据DCF：DistributedCoordinationFunction，分布式协调功能PCF：PointCoordinationFunction，点协调功能,介质访问控制与CSMA/CA,DCF,DCF子层在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,802.11b,802.11a,IEEE802.11,介质访问控制与CSMA/CA,PCF,PCF子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,802.11b,802.11a,IEEE802.11,介质访问控制与CSMA/CA,DCF(CSMA/CA)载波侦听(CSMA)如果介质为空，则节点传输帧；如果介质为忙，则等待直到当前传输完全结束。上述规则并不总是适合(如RTS/CTS，后面讲授)冲突避免(CollisionAvoidance)随机后退算法优先级确认协议,介质访问控制与CSMA/CA,IFS(Inter-FrameSpace，帧间间隔)所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。,介质访问控制与CSMA/CA,CSMA/CA流程图,介质访问控制与CSMA/CA,后退(Backoff)过程当空闲时间IFS，立即传输当介质忙，延迟直到当前传输结束+IFS时间开始随机后退过程选择一个随机数(0,Cwindow)使用侦听确定每个时间槽是否有活动如果没有活动则减少backoff时间后退过程中介质为忙时挂起backoff过程在当前帧传输结束后恢复后退过程,使用后退过程延迟发送的目的在于避免多个站点同时传输引起的冲突。,介质访问控制与CSMA/CA,IFS优先级短IFS(ShortInterFrameSpacing)高优先级，用于ACK，CTS，轮循响应等，典型值10s点协调功能IFS：PIFS(PCFIFS)中等优先级，用于使用PCF的时限服务，典型值30s分布协调功能IFS：DIFS(DCFIFS)低优先级，用于异步数据服务，典型值50s,介质访问控制与CSMA/CA,CSMA/CA方法1802.11CSMA/CA:发送者if侦听发现信道空闲时间大于DIFS秒then传输一帧(无冲突检测)if信道忙then等待一段随机时间后再侦听802.11CSMA/CA:接收者if接收成功then在SIFS秒后返回ACK(14字节),介质访问控制与CSMA/CA,怎么解决“隐蔽站”和“暴漏站”问题？RTS/CTS机制机制的使用是可选的每个802.11节点必须实现该功能明确预留信道发送端发送短的RTS(请求发送)接收端用短的CTS(清楚发送)CTS为发送端预留了带宽同时通告所有的站点(包括隐藏的)RTS和CTS长度很短，冲突的概率减少,介质访问控制与CSMA/CA,解决隐蔽站问题站A和C都想向站B发送数据(A和C互不知道对方存在)站A首先发送RTS站C收不到A的RTS，但能够收到从站B发送的CTS，因此站C在站A发送数据时间内不会发送数据，因此不会干扰A发向B的数据。,介质访问控制与CSMA/CA,解决暴露站问题站B欲向站A发送数据,同时站C欲向其它站(如站D)发送数据。B首先向A发送RTS，A、C均收到。过一会后，C仍收不到A的CTS。现在站C无需等待，因为站C收不到站A的CTS，也意味着A收不到C的信号。,介质访问控制与CSMA/CA,带有RTS-CTS的CSMA/CACSMA/CA:预留信道发送者:如果信道空闲时间大于DIFS，发送RTS(20字节)接收者:等待SIFS后，发送CTS响应(14字节)使用CTS为发送者预留信道，通知其它（可能的隐藏）终端等待。,介质访问控制与CSMA/CA,PCF(点协调)由AP进行轮询(Polling)在等待PIFS秒后，发送轮询消息由于PIFS小于DIFS，因此轮询阻挡了所有异步数据传输为防止轮询无限制占用信道，定义了超帧(superframe),MAC帧类型,帧结构,MAC帧类型,帧结构Framecontrol两个字节的控制字段具有多种用途。Duration/ID表示下一个要发送的帧可能要持续的时间。Address14每个地址的含义由Framecontrol中的DS解释。Sequencecontrol序列号用来过滤掉重复帧。Data包含任意长度的数据（02312字节）。Checksum802.11采用4个字节的校验码。,MAC帧类型,802.11帧控制字段标志位Morefragments1表示在当前的MSDU后面还有另一个fragment。Retry1表明当前帧是以前帧的重传。Powermanagement表明站的模式：1表示节能；0表示活跃。Moredata一般来说该字段指示接受者发送者还有帧要传来。Wiredequivalentprivacy(WEP)该字段表明采用802.11标准的安全机制。Order1指示接受者必须严格按照顺序处理该帧。,MAC帧类型,三种帧控制帧数据帧管理帧,MAC帧类型,MAC控制帧ACK来自接收端的立即确认正确的数据帧管理帧Poll帧RTS/CTS4次交换的前两个帧通知发送端和接收端附近的节点,MAC帧类型,MAC控制帧Powersave-poll（节能轮询）发自某个节点(可能在睡眠状态)，请求缓存帧节能模式：AP可以指示一个移动节点进入睡眠状态，直到由AP或者用户显式唤醒为止在移动节点睡眠期间，AP必须负责把所有发给该节点的帧全部缓存起来CF-end（自由竞争结束）通告无竞争阶段的结束CF-end+CF-ack确认CF-end,MAC帧类型,MAC数据帧第一类：携带用户数据（4）Data最简单的数据帧。用于无竞争/有竞争阶段Data+CF-ack仅用于无竞争阶段。除了携带数据外，该帧还携带对刚收到数据的确认。Data+CF-poll被AP用来传递数据给移动节点；请求移动节点发送一个可能被缓存的数据帧；Data+CF-ack+CF-poll把上述功能结合在一个帧中,MAC帧类型,MAC数据帧第二类：没有任何数据（4）Nullfunction（nodata）能量管理帧中由AP指示节点点进入节能状态CF-ack（nodata）CF-poll（nodata）CF-ack+CF-poll（nodata）,MAC帧类型,MAC管理帧基本功能：处理移动节点与AP之间的通信Synchronization：支持寻找一个无线节点、同步内部时钟、产生beacon信号。Powermanagement：为powerconservation而不丢失帧控制发送器活动，例如定期睡眠、缓存、Roaming：加入一个网络（关联），改变AP、扫描AP,MAC帧类型,MAC管理帧分类关联操作帧连接请求(Associationrequest)/响应(Associationresponse)重连请求(Re-associationrequest)/响应(Re-associationresponse)拆除连接(Dissociation)获取BSS及站点信息帧侦测请求(Proberequest)/响应(Proberesponse)信标(Beacon)宣