《无线局域网技术》PPT课件.ppt

1、第5章 无线局域网络技术,1/jpkc/c30/index.htm,内容目录,无线局域网络的概念与特点,1,无线局域网的组成,2,无线局域网的协议族,3,IEEE 802.11协议体系,4,无线局域网的管理,5,组建无线局域网案例,6,5.1 无线局域网络的概念与特点,5.1.1 无线局域网络的概念 无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)还没有一个统一的定义，一般分为广义和狭义两种定义。 广义的无线局域网是指以无线介质为传输介质的局域网。这种定义涵盖了诸如IEEE802.11系列、HiperLan、Bluetooth等

2、各种类型的无线网络技术。 狭义的无线局域网特指采用了IEEE802.11系列无线局域网标准的局域网。由于IEEE802.11系列无线局域网标准相对于其它无线网络技术标准具有较大优势，有成为主流无线局域网的趋势。 在本章中，如果没有特别指明，无线局域网均指狭义的无线局域网，即IEEE802.11无线局域网。,5.1 无线局域网络的概念与特点,5.1.2 无线局域网络的特点 1. 无线局域网的优点 (1) 可移动性； (2) 灵活性； (3) 可扩展性； (4) 经济性。 2. 无线局域网的局限性 (1)可靠性与服务质量 (2) 带宽与容量 (3) 覆盖范围 (4) 安全性 (5) 节能性,5.1

3、 无线局域网络的概念与特点,5.1.3 无线局域网的使用范围 无线局域网的应用范围广泛，可以分为室外环境和室内环境两种。室内包括家庭、办公室、临时的室内展馆、车间等；室外则主要包括诸如校园网、企业网、城域网、建筑物互连、特殊用途网络等。一般来说，无线局域网的应用主要可以满足以下4种需求： (1) 替代有线网络 (2) 补充有线网络 (3) 移动接入 (4) 不便于布线的环境,5.2 无线局域网的组成,5.2.1 无线局域网的物理组成 无线局域网的物理组成如图5-1所示，由站STA(Station)、无线介质WM(Wireless Medium)、基站BS(Base Station)或无线接入点

4、AP(Access Point)和分布式系统DS(Distribution System)4部分组成。,图5-1 无线局域网的物理结构,5.2 无线局域网的组成,5.2.1 无线局域网的物理组成 1. 站STA 站是指以无线方式接入无线局域网的设备，是无线局域网的基本组成单元，包括主机(Host)或终端(Terminal)。站在无线局域网中通常用于客户端(Client)，是具有无线网络接口的计算机设备，比如用有无线网卡的便携式计算机。 (1) 站的组成 站由3部分组成： 终端用户设备； 无线网络接口； 网络软件。,5.2 无线局域网的组成,5.2.1 无线局域网的物理组成 (2) 站的分类 按

5、照移动性，无线局域网中的站可分为固定站、半移动站和全移动站三类。 固定站是指位置固定不动的站；半移动站是指站可在网内移动，但只能在静止状态下进行通信；全移动站是指站可在移动状态下保持通信，移动速率通常限定在210m/s。固定站、半移动站和全移动站的特点如表5-1所示。,表5-1 无线局域网中移动站的分类,5.2 无线局域网的组成,5.2.1 无线局域网的物理组成 2. 无线介质 无线局域网采用的传输介质不是双绞线或者光纤，而是红外线或者无线电波。 (1) 红外线 红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性。红外信号要求视距传输，并且窃听困难，对邻近区域的类似系统也不会产

6、生干扰。但由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大，一般要求的发射功率较高。 (2) 无线电波 无线电波是无线局域网最常用的无线传输媒体。这主要是因为无线电波的覆盖范围较广，已有的应用技术较成熟。特别是用于无线通信的直接序列扩频调制方法，使得无线电波的发射功率低于自然的背景噪声，具有很强的抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力。这一方面保证了通信安全，基本避免了窃听；另一方面，无线局域网使用的无线电波频段主要是S频段(2.4GHz2.4835GHz)，也叫工业科学医疗频段ISM(Industry Science Medical)，不受无线电管理部门的限制，不会对人体健康造成伤害。,5.2

7、 无线局域网的组成,5.2.1 无线局域网的物理组成 3. 基站BS和无线接入点AP 基站是指在一定的无线电覆盖区中，通过通信交换中心，与终端之间进行信息传递的无线电收/发信电台，完成无线通信网和用户之间的通信和管理功能。常用于移动通信的蜂窝结构中。 无线接入点AP(Access Point)类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元，除了具备站的基本功能外，可以为其它站提供无线网络接入服务的设备。它的基本功能有： (1) 作为无线接入点，完成其它非AP的站对分布式系统的接入访问和不同站间的通信连接。 (2) 作为无线网络和分布式系统的桥接点，完成桥接功能。 (3) 作为BSS的控制中心

8、，完成对其它非AP的站的控制和管理。,5.2 无线局域网的组成,5.2.1 无线局域网的物理组成 4. 分布式系统DS 分布式系统DS(Distribution System)是用来连接不同的基本服务区BSA(Basic Service Area)的，通常是有线网络(例如采用IEEE 802.3协议的局域网)，但也可以是可通过AP间的无线通信构成的无线网络。,5.2 无线局域网的组成,5.2.2 无线局域网的逻辑结构 1. 基本服务集BSS 无线局域网的最小构件是基本服务集BSS(Basic Service Set)。一个BSS包括一个基站和若干个无线终端，或者只包含若干无线终端。图5-2所示

9、为一个拥有AP的BSS结构。,图5-2 BSS无线局域网,5.2 无线局域网的组成,5.2.2 无线局域网的逻辑结构 2. 扩展服务集ESS ESS(Extended Service Set)是由多个BSS组成的多区网。如图5-3所示。,图5-3 ESS无线局域网,5.2 无线局域网的组成,5.2.3 无线局域网的拓扑结构 1. 无中心分布式结构 无中心分布式结构是一种以自发方式构成的网络，是独立的BSS工作模式，简称为IBSS(Independent BSS)工作模式。在IBSS中，至少拥有两个站，任意站之间可直接通信而无需AP转接，如图5-4所示。,图5-4 IBSS工作模式,5.2 无线

10、局域网的组成,5.2.3 无线局域网的拓扑结构 2. 有中心集中控制式结构 有中心集中控制式结构中，一个BSS至少包含一个AP，如图5-2所示。 中心集中控制结构的优势如下： (1) BSS的覆盖范围或通信距离由AP确定，比无中心分布结构的通信距离长，站布局灵活。 (2) 路由的复杂性和物理层的实现复杂度较低。 (3) AP作为中心站，控制所有站对网络的访问，网络的吞吐性能和时延性能不会随着网络业务量增大而迅速恶化。 (4) AP可以方便地对BSS内的站进行同步管理、移动管理和节能管理等，网络可控性(Controllability)好。 (5) 具有较大的可伸缩性(Scalability)。,

11、5.2 无线局域网的组成,5.2.4 无线局域网的互连设备 1. 无线接入点AP/无线网桥 无线接入点AP/无线网桥用于网络客户端与局域网之间、局域网与局域网之间的连接，具备有线和无线两类端口。 (1) 无线接入点AP和无线网桥的区别 (2) 无线接入点AP的组成 无线接入点AP设备包括以下4部分： 天线 接口 复位系统 指示系统 (3) 无线AP的安装,5.2 无线局域网的组成,5.2.4 无线局域网的互连设备 2. 无线交换机 无线交换机是将无线局域网控制器与交换机合并在一起。无线交换机采用back end-front end工作方式，即将无线交换机置于用户机房内，称为back-end，而

12、将若干类似于天线功能的AP置于前端，称为front-end。 3. 无线路由器 无线路由器是无线AP和宽带路由器的结合体，是在无线AP的基础上扩充各种功能而来。无线路由器在提供和无线AP相同的无线覆盖功能同时，还支持xDSL/Cable方式的宽带接入，以及DHCP、NAT、VPN、MAC地址过滤和防火墙等常用的网络管理、网络服务和网络安全功能。所以，无线路由器也称为扩展型无线AP。,5.2 无线局域网的组成,5.2.4 无线局域网的互连设备 4. 无线局域网适配器 无线局域网适配器是指将各种计算机、网络打印机等设备接入无线局域网的适配器，即通常所说的无线网卡。无线网卡还泛指所有通过无线方式接入

13、网络的设备，如GPRS无线网卡。无线适配器主要实现WLAN协议中的物理层和数据链路层的内容。 图5-5为无线局域网适配器的硬件组成。,图5-5 无线网络适配器的硬件组成,5.2 无线局域网的组成,5.2.4 无线局域网的互连设备 总线接口简称接口，由于受到各种终端设备用途和体积限制，其类型繁多，主要有PCMCIA/CardBus接口、PCI接口、Mini-PCI接口和USB接口。按照接口类型不同，可将无线网络适配器进行以下分类： (1) PCMCIA/CardBus无线网络适配器 (2) PCI无线网络适配器 (3) Mini-PCI无线网络适配器 (4) USB无线网络适配器,5.3 无线局

14、域网的协议族,IEEE802.11系列标准是国际电气电子工程师协会IEEE制订的一组无线局域网标准，以IEEE802.11标准为基础，包括多个已经发布的或正在开发中的无线局域网标准组成，在802.11系列标准中，802.11、802.11b、802.11a、802.11g构成了该系列协议的物理层和数据链路层体系结构，如图5-6所示。,图5-6 IEEE 802.11系列的协议体系,5.3 无线局域网的协议族,5.3.2 蓝牙Bluetooth 蓝牙技术是面向网络中各类数据及语音设备、实现语音和数据无线传输的开放性规范，也是一种低成本、短距离的无线连接技术。一般情况下，蓝牙技术的正常工作范围是1

15、0m。蓝牙技术采用了一系列技术实现无线网络的通信。包括： (1) 使用跳频和时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)技术，数据分组短，抗衰减能力强； (2) 使用高速跳频和前向纠错FEC(Forward Error Correction)相结合方案，以保证链路稳定，减少同频干扰和远距离传输时的随机噪声影响； (3) 同时支持数据、音频、视频信号； (4) 采用二进制的调频FM(Frequency Modulation)调制方式，降低设备的复杂性； (5) 可以使用一个单独的微型芯片实现所有蓝牙功能。,5.3 无线局域网的协议族,5.3.3 红外线IrDA

16、IrDA是由国际红外数据协会(Infrared Data Association)的缩写，制定了多种使用红外线为数据传输介质的无线传输标准，所以也将这些标准称为IrDA。 红外线通信标准是一种点对点的数据传输协议，用于取代设备之间的连接线缆。其分为串行红外协议SIR(Serial Infrared)、快速红外协议FIR(Fast Infrared)和特速红外协议VFIR(Very Fast Infrared)三种。SIR，也称IrDA1.0协议，基于异步收发器UART，最高数据传输速率为115.2kbps。FIR，也称IrDA1.1协议，数据传输速率提高到4Mbps，兼容IrDA1.0协议。V

17、FIR主要是在FIR的基础上改进，达到了16Mbps的数据传输速率。 IrDA是视距传输技术，即两个IrDA设备在通信时必须相距很近且不能有障碍物。另外，产生红外光的红外线LED寿命有限，无法应用在需要长时间、高密度的数据传输场合。,5.3 无线局域网的协议族,5.3.4 HomeRF HomeRF无线局域网标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏等公司于1998年发起组建的HomeRF工作组负责研发的。其研发初衷是希望提供一种方便易用、部署成本低廉的通用性无线局域网标准。 HomeRF是专门针对家庭住宅环境开发的无线局域网技术，工作频段为2.4GHz的公用无线频段。其在数据传输方面采用了

18、简化的802.11协议，支持TCP/ IP传输；而语音传输上则来自无绳电话DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)标准，使用TDMA时分多址技术。 HomeRF提供了对流媒体(Stream Media)的支持，规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，确保了实时播放流媒体所需的带宽、低干扰、低误码。,5.3 无线局域网的协议族,5.3.5 HiperLAN2 HiperLAN是欧盟在1992年提出的一个WLAN标准，HiperLAN2是它的后续版本。HiperLAN2部分建立在GSMC(Global System for Mobile Comm

19、unications)基础上，工作频段为5GHz。 在HIPERLAN2网络中，移动终端MT除了与接入点AP通过标准的无线接口进行通信外，也可以采用两个MT之间直接通信的模式。通信过程的主要技术特征如下： (1) 自动频率分配 (2) 安全性支持(3) 移动性支持,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.1 IEEE 802.11 IEEE 802.11在物理层定义两种传输方式，即无线电射频(RF)方式和红外线方式，其数据传输速率也分别为1Mbps和2Mbps两种。 1. 扩频技术 扩频技术是通过在天线之前的发射链路处引入相应的扩频码，注入一个更高频信号将基带信号扩展到更宽的频带，即发

20、射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内，使其看起来如同噪声一样。 (1) 扩频因子和编解码因子 扩频技术中发射机和接收机必须预先知道一个预置的扩频码，又称扩频因子。 扩频码的数字序列是近似随机的，通常称为伪随机码(PRN)或伪随机序列。通常采用反馈型移位寄存器产生伪随机序列。,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.1 IEEE 802.11 (2) 扩频技术的优点 扩频技术具有以下主要优点： 抗干扰和抗阻塞特性 衰落抑制(多径影响) 防止信号拦截 (3) 扩频技术的分类 如图5-7所示，如果在数据上直接加入伪随机序列码，即伪随机序列与通信信号相乘，则可得到直序扩频(DSSS)。如果伪随

21、机码作用于本振端，迫使载波按照伪随机序列改变或跳变，就得到跳频扩频(FHSS)。如果用伪随机序列控制发射信号的开或关，则可得到时间跳变的扩频技术(THSS)。DSSS和FHSS是现在最常用的两种技术。,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.1 IEEE 802.11,图5-7 扩频技术中的调制方式,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.1 IEEE 802.11 2. FHSS 跳频扩频技术FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)就是用扩频码序列去进行移频键控(Frequency Shift Keying，FSK)调制，使载波在一个很宽

22、的频带上按照伪随机码的定义从一个频率跳变到另一个频率。 FHSS的优点是： (1) 具有保密性。 (2) 具有抗单频及抗部分带宽干扰的能力。 (3) 具有频率分集的作用，从而具有抗多径衰落的能力。 (4) 可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，具有承受过载的能力。 (5) FHSS为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信。 (6) 无明显的远近效应。,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.1 IEEE 802.11 3. DSSS 在直接序列扩频技术DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)中，伪随机码直接加入载波调制器的数据上。与FHSS不同，DS

23、SS将2.4GHz频段划分为14个22MHz的子频段，在这14个子频段中，除了特定的3个频段外，相邻频段互相重叠。信号在这14个频段中的其中一个进行传输，而不需要进行频段间的跳跃。DSSS采用长度为11比特的Barker序列对数据进行编码，然后通过相移键控PSK(Phase Shift Keying)方式调制后进行发送。 为了解决在某些特定频段中的噪音开销，DSSS采用一种称为“码片(chipping)”的技术，把需要传输的数据通过特定算法转化成一个带冗余校验的数据码片后，再发送出去。由于该技术同时提供查错和纠错功能，大部分传送错误的数据可以在接收端进行纠错而不需要重传，增加了网络的吞吐量。,

24、5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.1 IEEE 802.11 4. 载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA 以太网技术所使用的MAC层介质访问控制协议CSMA/CD不能直接应用于IEEE 802.11无线局域网标准中，原因主要有以下三点： (1) 传输介质不同。以太网使用有线传输介质，IEEE 802.11无线局域网使用无线传输介质。 (2) 检测方式不适用。CSMA/CD的冲突检测是通过检测线缆内电压的变化实现的，这在无线电磁波为传输介质的IEEE 802.11中是无法实现的。 (3) 在无线局域网中，一个结点的发送信号强度可能会强于来自其它结点的信号强度，从而淹没掉接收信号

25、。 因此，IEEE 802.11的MAC层规定使用改进的、适合于无线网络的载波监听多路访问/冲突避免CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)协议。,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.2 IEEE 802.11b IEEE 802.11b标准于1999年9月由IEEE发布。该标准在IEEE 802.11的基础上提供两种更高的数据传输速率，即5.5Mbps和11Mbps，同时能良好的兼容其它局域网技术。因此，IEEE 802.11b技术成为使用最为广泛的一种无线局域网标准，又被称为Wi-Fi(Wireless

26、 Fidelity)技术。IEEE 802.11b规定，采用不同的编码长度和调制方式来实现不同的传输速率，如表5-2所示。,表5-2 IEEE 802.11b数据传输速率规范,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.3 IEEE 802.11a IEEE 802.11b发布不久，IEEE又发布了IEEE 802.11a标准。与IEEE 802.11和IEEE 802.11b不同，IEEE 802.11a工作在5GHz的免授权国家信息设施UNII(Unlicensed National Information Infrastructure)频段。需要注意的是，不同国家和地区的UNII频段

27、范围并不完全一样，表5-3列出了几个主要国家和地区的UNII频段。,表5-3 部分国家和地区UNII频段范围,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.4 IEEE 802.11g IEEE 802.11g标准兼容IEEE 802.11a标准，可以直接与其数据通信。虽然它们采用了不同的信号调制方法，即IEEE 802.11b标准采用CCK编码的DSSS技术，而IEEE 802.11g则采用了OFDM技术。但是，IEEE 802.11g同时支持OFDM和CCK调制技术，并在通信前通过保护机制判断对方使用的是IEEE 802.11g协议，还是IEEE 802.11b协议，然后切换到合适的调制

28、方式。保护机制的具体实现是通过采用IEEE 802.11b标准内置的RTS/CTS(Ready To Send/Clear To Send)技术。 但是，IEEE 802.11g采用和IEEE 802.11b完全相同的介质访问控制技术和工作频段，因此，具有和IEEE 802.11b相同的缺点：一是实际数据传输效率不高，仅有理论值的50%；二是容易受到工作在2.4GHz频段的其它无线技术产品的干扰，如无绳电话和微波炉等。,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.5 IEEE 802.11n IEEE802.11n无线局域网标准的基本目标是在兼容已有的IEEE802.11系列协议的前提下，

29、提供与主流高速以太网技术同一水平的带宽、QoS等性能。从其最新版本的草案来看，IEEE802.11n的最高数据传输速率将达到600Mbps，同时提供对工作在2.4GHz的IEEE802.11b/g和工作在5GHz的IEEE802.11a的无缝兼容，以及更高的无线信号覆盖能力和更强的漫游能力。这些高性能是通过以下技术实现的。 1. OFDM/MIMO技术 2. 智能天线技术 3. 软件无线电技术,5.4 IEEE 802.11协议体系,5.4.6 其它标准 IEEE 802.11d标准定义了一些物理层方面的要求(诸如信道化、跳频模式等)，以适应在一些国家的无线电管制要求。 IEEE 802.11

30、f标准定义了一套称之为IAPP(Inter-Access Point Protocol)的协议，用以实现不同供应商的无线接入点AP间的互操作性。 IEEE 802.11h标准是在802.11a基础上增加自动频率选择(DFS)和发送功率控制(TPC)功能，以适应802.11a在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。 IEEE 802.11e、IEEE 802.11f和IEEE 802.11i标准是为了满足在安全性、QoS等方面的进一步要求，而提出的。802.11e增强了802.11 MAC层，为WLAN应用提供了QoS支持能力，使得WLAN也能够传送语音、视频等应用。而IEEE 802

31、.1x标准完成于2001年，是所有IEEE 802系列LAN(包括无线LAN)的整体安全体系架构，包括认证(EAP和Radius)和密钥管理功能。,5.5 无线局域网的管理,1. 集中式管理 无线局域网设备大都集成了SNMP协议，通过基于SNMP协议的网络管理软件可以实现设备的集中式管理。但由于各厂商的理念、功能实现方式、设置命令的不同，通用SNMP集中式管理软件一般只能做到对大多数局域网设备的监控以及一部分产品的设置管理。能够从真正意义上做到对整个网络的集中式管理，一般需要使用通过设备制造商提供的配套网管软件。 使用了无线交换系统的网络，更加方便进行集中管理。,5.5 无线局域网的管理,2.

32、 AP的信道划分 使用多个AP实现大范围的无线覆盖及对移动站点的漫游支持，由于无线电本身的特性会引起相互之间的干扰，因此必须进行信道划分。大量实验结果表明，需要相隔5个信道才能实现相互重叠的无线信道不产生干扰。图5-8表示了这种信道划分方式。,图5-8 无线AP的信道划分方式,5.6 组建无线局域网案例,以某高校无线校园网为例，介绍组建无线局域网过程。 1.用户概况 某大学是一所包括文、理、外语、艺术等专业的综合性大学，设有17个院系，各类在校生总数2.5万余人。此次无线局域网系统项目是针对其某院系大厦做无线局域网的覆盖。 该大厦无线局域网系统项目是为了满足该院系在学生教学、各种学术活动和会议

33、的召开，以及大厦现代化建设等方面的网络需求而进行的信息化基础设施建设。,5.6 组建无线局域网案例,2. 用户需求 该大学要求建成无线交换局域网系统后，在大厦内的任何一处，都可以方便地接入网络，获得Internet、VoIP(音视频)以及其它WLAN应用服务。要求无线网络具有： (1) 语音、视频、数据业务的无缝漫游； (2) 对多个AP进行集中安全监控管理； (3) 集中的设备管理和认证； (4) 支持多服务区； (5) 同时支持数据和语音业务； (6) 通过强制网络门户页面对用户进行认证； (7) 支持以太网供电。 另外，要求实现完善的WLAN覆盖，为教师、学生、来宾提供便利的上网环境。网

34、络要兼容校园原有网络管理中心，方便维护网络的正常运转。兼容校园原有的收费系统，简化网络结构。,5.6 组建无线局域网案例,3. 设计原则 (1) 安全性和可靠性：整个系统必须具有高度的安全性、可靠性和稳定性； (2) 成熟性和先进性：应采用被实践证明为技术成熟且领先的技术设备，最大限度地满足现在业务和未来发展的需求； (3) 开放性和可扩展性：应考虑未来发展的需要，使系统与未来扩展的设备具有互联性和互操作性，便于升级、换代； (4) 集成性和可管理性：充分考虑系统所涉及的各子系统的集成和信息共享，保证系统总体上的先进性和合理性，采用集中管理、操作和分散控制的模式。,5.6 组建无线局域网案例,4. 解决方案 经过多方比较与测试，最终选择了某公司的IEEE 802.11b/g企业级无线AP以及该公司战略合作伙伴所生产的支持IEEE 802.11b的无线交换机。该无线交换机带有管理功能、防火墙功能、POE供电功能。该无线多媒体解决方案，实现了该大学此大厦无线网络环境下的办公与教学、访问Internet、音视频会议以及VoIP的应用。 校园原本具有完善的网络结构，新的无线网络建设具有良好的兼容性，校园使用原有的网管系统就可以对该WLAN进行管理。整体方