第3章_无线局域网

1、第第3章章 无线局域网无线局域网主讲：林科主讲：林科内容提要内容提要3.1 概述概述3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.3 无线局域网的协议体系无线局域网的协议体系3.4 IEEE802.11物理层物理层3.5 IEEE802.11媒体访问控制层媒体访问控制层3.6 其他其他IEEE802.11标准标准3.7 Wi-Fi保护接入保护接入3.1 概述概述3.1.1 无线局域网的覆盖范围无线局域网的覆盖范围3.1.2 无线局域网的特点无线局域网的特点3.1.3 无线局域网的发展历程与相关标准化活无线局域网的发展历程与相关标准化活动动3.1.4 无线局域网的分类与应用无线

2、局域网的分类与应用3.1.1 无线局域网的覆盖范围无线局域网的覆盖范围v无线局域网（无线局域网（WLAN）是）是在局部区域内以无线媒体或介质进在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络行通信的无线网络。v局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区别主要在于数据传输的范围不同别主要在于数据传输的范围不同(但覆盖范围界限的区别并但覆盖范围界限的区别并不十分明显不十分明显)，而引起网络设计和实现方面的一些区别。，而引起网络设计和实现方面的一些区别。v介于广域网介于广域网WAN和局域网和局域网LAN之间还有一种局部网络，称之间还有一种局

3、部网络，称为城域网为城域网v比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区人区)域网。域网。v广义的无线局域网还包含无线城域网广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网和无线个域网(WPAN)。v无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。 3.1.2 无线局域网的特点无线局域网的特点优点优点:(1)移动性移动性(Mobility)(2)灵活性灵活性(Flexibility) (3)可伸缩性可伸缩性(Scalability)(4)经济性经济性(Saving) (1)可靠性可靠性(Reliabi

4、lity) (2)带宽与系统容量带宽与系统容量(3)兼容性兼容性(Compatibility)与共存性与共存性(Coexistence)(4)覆盖范围覆盖范围(5)干扰干扰(6)安全性安全性(7)节能管理节能管理(8)多业务与多媒体多业务与多媒体(9)移动性移动性(10)小型化、低价格小型化、低价格3.1.2 无线局域网的特点无线局域网的特点3.1.3 无线局域网的发展历程与相关标准化活动无线局域网的发展历程与相关标准化活动1980年惠普实验室从事了真正意义上的年惠普实验室从事了真正意义上的WLAN研究，研究，900MHz, 100Kb/s(未从未从FCC获获得频段流产得频段流产)1971，夏

5、威夷大学采用基于封包技术的，夏威夷大学采用基于封包技术的ALOHANET.7台计算机，台计算机，4个岛屿个岛屿1979年，瑞士年，瑞士Gfeller首先实验室提出无线局域网的概念，采用红外线传输解决车间首先实验室提出无线局域网的概念，采用红外线传输解决车间布线困难问题（速率小于布线困难问题（速率小于1Mb/s）1971，夏威夷大学采用基于封包技术的，夏威夷大学采用基于封包技术的ALOHANET.7台计算机，台计算机，4个岛屿个岛屿第一代无线局域网第一代无线局域网:1985年，年，FCC颁布的电颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路。波法规为无线局域网的发展扫清了道路。第二代无线局域网：基于

6、第二代无线局域网：基于IEEE 802.11标准标准的无线局域网的无线局域网第三代无线局域网：符合第三代无线局域网：符合IEEE 802.11b标标准的产品已经较为普及；准的产品已经较为普及；第四代无线局域网：符合第四代无线局域网：符合IEEE 802.11a、HiperLAN2和和IEEE 802.11g标准标准第五代无线局域网：第五代无线局域网：5G Wi-Fi3.1.4 无线局域网的分类与应用无线局域网的分类与应用 无线局域网可根据不同的层次、不同的无线局域网可根据不同的层次、不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的应用等进行分类。应用等进行分类

7、。 无线局域网的分类方法无线局域网的分类方法1 无线局域网的分类方法无线局域网的分类方法2 3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构AP1AP2站STA3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构AP1AP2站STA一个基本服务集一个基本服务集 BSS 包括包括一个基站和和若干个移动站，所有的站在本所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，以内都可以直接通信，但在和本但在和本 BSS 以外的站通信时以外的站通信时 ，都要通过本都要通过本 BSS 的基站。的

8、基站。 3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构AP1AP2站STA 基本服务集内的基站叫做基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point)，其作用和网桥相似。，其作用和网桥相似。 当网络管理员安装当网络管理员安装 AP 时，必须为该时，必须为该 AP 分配一个不超过分配一个不超过 32 字节的字节的服务集标识符 SSID 和一个和一个信道。 3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构AP1AP2站STA 一个基本服务集可以是孤立的，也可

9、通过接入点一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构AP1AP2站STAESS 还可通过叫做还可通过叫做门户(portal)为无线用户提供到非为无线用户提供到非 802.11 无线局域网无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥

10、。（例如，到有线连接的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。 3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构AP1AP2站STA移动站移动站 A 从某一个基本服务集从某一个基本服务集漫游漫游到另一个基本服务集（到到另一个基本服务集（到 A 的位置）的位置），仍可保持与另一个移动站仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。进行通信。 1.站站STA(Station) 站站(点点)也称主机也称主机(Host)或终端或终端(Terminal)，是无线局域网的最基本组成单元是无线局域网的最基本组成单元,包括以下几包括以下几部分：部分：

11、 (1)终端用户设备终端用户设备 (2)无线网络接口无线网络接口 (3)网络软件网络软件无线局域网中移动站的分类无线局域网中移动站的分类 移动站的分类移动站的分类固定站固定站半移动站半移动站移动站移动站开机使用的移开机使用的移动站动站固定固定固定固定固定固定/移动移动关机时的移动关机时的移动站站固定固定固定固定/移动移动固定固定/移动移动举例举例台式机台式机便携机便携机掌上机、车载台掌上机、车载台2无线介质无线介质 无线介质是无线局域网中站与站之间、无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。空气是无站与接入点之间通信的传输介质。空气是无线电波和红外线传播的良好介质。线电波

12、和红外线传播的良好介质。 无线局域网中的无线介质由无线局域网无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义。物理层标准定义。3.无线接入点（无线接入点（AP） 无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。是一种特殊的站，通常处于域网的重要组成单元。是一种特殊的站，通常处于基本服务区（基本服务区（BSA）的中心，固定不动。基本功能：）的中心，固定不动。基本功能： (1)作为接入点，完成其他非无线接入点（作为接入点，完成其他非无线接入点（AP）的站对分布式系统的接入访问和同一基本业务组的站对分布式系统的接入访问和同一基本业务组（BSS）中的

13、不同站间的通信联结。）中的不同站间的通信联结。 (2)作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。线局域网与分布式系统间的桥接功能。 (3)作为基本业务组（作为基本业务组（BSS）的控制中心完成对）的控制中心完成对其他非无线接入点（其他非无线接入点（AP）的站的控制和管理。）的站的控制和管理。 4分布式系统（分布式系统（DS） 为了覆盖更大的区域，把多个基本服务区（为了覆盖更大的区域，把多个基本服务区（BSA）通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区（ESA），通过分布式系统（），通过

14、分布式系统（DS）互相连接起来）互相连接起来的属于同一个扩展业务区（的属于同一个扩展业务区（ESA）的所有主机组成）的所有主机组成一个扩展业务组（一个扩展业务组（ESS）。）。 分布式系统通过入口分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连与骨干网相连 3.2.2 无线局域网的拓扑结构无线局域网的拓扑结构v从物理拓扑分类看从物理拓扑分类看:单区网（单区网（SCN）和多区网）和多区网（MCN）v从逻辑上看从逻辑上看:对等式、基础结构式和线型、星对等式、基础结构式和线型、星型、环型型、环型 v从控制方式方面来看从控制方式方面来看:无中心分布式、有中心无中心分布式、有中心集中控制式集中控制式v从与

15、外网的连接性来看：独立从与外网的连接性来看：独立WLAN和非独和非独立立WLAN 1分布对等式拓扑分布对等式拓扑 分布对等式网络是一种独立的分布对等式网络是一种独立的(Independent) BSS(IBSS)，它至少有两个站。是一种典型的、以，它至少有两个站。是一种典型的、以自发方式构成的单区网，该工作模式被称作特别网自发方式构成的单区网，该工作模式被称作特别网络或自组织网络络或自组织网络(Ad Hoc Network) 2基础结构集中式拓扑基础结构集中式拓扑 基础结构包括分布式系统媒体、基础结构包括分布式系统媒体、AP和端口实体和端口实体 3ESS网络拓扑网络拓扑 4.中继或桥接型网络拓

16、扑中继或桥接型网络拓扑 v两个或多个网络两个或多个网络(LAN或或WLAN)或网段通过或网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来。网络互连设备连接起来。v采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。覆盖范围的有效方法。 3.2.3 无线局域网的服务无线局域网的服务v与与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服体系结构和工作原理密切相关的服务主要有两种类型：站务主要有两种类型：站(点点) STA服务和分布服务和分布式系统服务式系统服务(DSS)，这两种服务均由，这两种服务均由MAC层

17、层使用。使用。vIEEE 802.11标准中定义了九种服务，三种用标准中定义了九种服务，三种用来移动数据，其余六种是管理操作。来移动数据，其余六种是管理操作。 1.STA服务服务(SS)v由站由站(点点) STA提供的服务被称为提供的服务被称为STA服务，服务，它存在于每个它存在于每个STA和和AP中。中。SS包括：包括： (1)认证认证(Authentication) (2)解除认证解除认证(Deauthentication) (3)保密保密(Privacy)2.分布式系统服务分布式系统服务(DSS)v由由DS提供的服务被称为分布式系统服务。在提供的服务被称为分布式系统服务。在WLAN中，中

18、，DSS通常由通常由AP提供。包括：提供。包括：(1)联结联结(Association)(2)重新联结重新联结(Reassociation) (3)解除联结解除联结(Disassociation)(4)分布分布(Distribution)(5)集成集成(Integration)3服务之间的关系服务之间的关系 v对于通过对于通过WM进行直接通信的进行直接通信的STA均有认证均有认证状态状态(值为未被认证和已认证值为未被认证和已认证)和联结状态和联结状态(值值为未联结和已联结为未联结和已联结)两个状态变量。这两个变两个状态变量。这两个变量为每个远端量为每个远端STA建立了三种本地状态：建立了三种本

19、地状态：状态状态1：初始启动状态，未认证，未联结；：初始启动状态，未认证，未联结；状态状态2：已认证，未联结；：已认证，未联结；状态状态3：已认证，已联结。：已认证，已联结。状态变量与业务之间的关系状态变量与业务之间的关系 3.3 无线局域网的协议体系无线局域网的协议体系1无线网络逻辑结构无线网络逻辑结构2.IEEE 802.11x无线局域网协议体系无线局域网协议体系PHY802.11(12 Mbps)802.11b(11 Mbps)2.4G802.11g(54 Mbps)802.11a(54 Mbps)5G802.11n(300 Mbps)MAC802.11/11a/11b/11g MAC8

20、02.11e QoS802.11i 安全增强安全增强802.11f 漫游和切换漫游和切换802.11h 动态调整动态调整802.11s mesh物理层数据链轮层802.11 IR(12 Mbps)IEEE 802.11x标准较为完整的协议体系标准较为完整的协议体系 MAC子层：子层：访问机制的实现访问机制的实现和分组的拆分与和分组的拆分与重组重组MAC管理子层：管理子层：ESS散步管理、电源散步管理、电源管理及联结过程管理管理及联结过程管理物理层汇聚过程子层物理层汇聚过程子层PLCP：将将MAC桢映射到媒体，载波侦桢映射到媒体，载波侦听及格式形成听及格式形成物理媒体依赖子层物理媒体依赖子层PM

21、D：识别媒体传输信号所使用的调识别媒体传输信号所使用的调制和编码技术，完成桢发送制和编码技术，完成桢发送管理子层：管理子层：信道选择和协调信道选择和协调IEEE 802.11x标准较为完整的协议体系标准较为完整的协议体系 802.11802.11b802.11a802.11g标准发布时间July 1997Sept 1999Sept 1999June 2003合法频宽83.5MHz83.5MHz325MHz83.5MHz频率范围 2.400-2.483GHz2.400-2.483GHz5.150-5.350GHz 5.725-5.850GHz2.400-2.483GHz非重叠信道 33123调制

22、传输技术BPSK/QPSKFHSSCCKDSSS64QAMOFDMCCK/64QAMOFDM物理发送速率1, 21,2,5.5, 116, 9, 12, 18,24, 36, 48, 546, 9, 12, 18,24, 36, 48, 54理论上的最大UDP吞吐量 (1500 Byte)1.7 Mbps7.1 Mbps30.9 Mbps30.9 Mbps理论上的TCP/IP吞吐量 (1500 Byte)1.6 Mbps5.9 Mbps24.2 Mbps24.2 Mbps兼容性N/A与11g产品可互通与11b/g不能互通与11b产品可互通3.HiperLAN协议体系协议体系 欧洲欧洲WLAN产

23、业标准的代表是以产业标准的代表是以HiperLAN为典型的宽带无线接入网为典型的宽带无线接入网(BRAN)，它是以无线它是以无线ATM(WATM)为基础的面向连接为基础的面向连接业务的标准。业务的标准。 HiperLAN2的协议体系的协议体系 3个基本层：物理层、数据链轮层个基本层：物理层、数据链轮层DLC、汇聚层、汇聚层汇聚层：把采用汇聚层：把采用 不同协议的高层分组映射道不同协议的高层分组映射道DLCDLC：提供：提供AP和移动终端之间胡逻辑连接，提供和移动终端之间胡逻辑连接，提供媒体访问功能和用于连接处理的通信管理功能媒体访问功能和用于连接处理的通信管理功能4Wi-Fi联盟的作用联盟的作

24、用v在无线局域网标准的采纳和市场化推进中，在无线局域网标准的采纳和市场化推进中，Wi-Fi联盟联盟(论坛论坛)起到了主导作用。起到了主导作用。 v无线以太兼容性联盟无线以太兼容性联盟WECA1999年成立年成立,后更名后更名Wi-Fi联盟，建立了用于验证联盟，建立了用于验证802.11b产品互操作能力产品互操作能力的一套测试程序。的一套测试程序。v2004年起，验证的年起，验证的802.11b产品使用名称是产品使用名称是Wi-Fi。vWi-Fi认证已扩展到认证已扩展到802.11gvWi-Fi针对针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5 3.4 I

25、EEE802.11物理层物理层物理层物理层（或称物理层，（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络）是计算机网络OSI模型中最低的一层。为设备之间的数据通信提供传输模型中最低的一层。为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。简单的说，媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。3.4 IEEE802.11物理层物理层v物理层：物理层：物理层管理物理层管理（Physical Layer Management）物理层汇聚子层物理层汇聚子层（PHY converg

26、ence procedure，PLCP）物理介质依赖子层物理介质依赖子层（Physical Medium Dependent，PMD）PMD子层MAC层PLCP子层物理层vPLCP：将将MAC帧增加同步头、起始定界符等，形成物理层帧增加同步头、起始定界符等，形成物理层PDU,以适合以适合信道的传输信道的传输不同的不同的PMD子层，所对应子层，所对应PLCP也不同（与以太网不同）也不同（与以太网不同）vPMD：信号的调制、解调，信道状态检测，从信道上收、发数据信号的调制、解调，信道状态检测，从信道上收、发数据与物理层采用的技术相关与物理层采用的技术相关在在802.11-1999中又具体分为中又具

27、体分为vFHSS PMD、DSSS PMD 、IR PMD3.4 IEEE802.11物理层物理层v物理层功能：物理层功能：载波侦听载波侦听发送发送接收接收v物理层功能物理层功能-载波侦听：载波侦听：通过通过PMD子层检查介质状态来完成子层检查介质状态来完成探测信号是否到来探测信号是否到来信道评价信道评价PMD子层子层MAC层层PLCP子层子层物理层物理层3.4 IEEE802.11物理层物理层v物理层功能：物理层功能：载波侦听载波侦听发送发送接收接收PMD子层子层MAC层层PLCP子层子层物理层物理层v物理层功能物理层功能-发送：发送：PLCP子层接收到子层接收到MAC层的发送请求后将层的发

28、送请求后将PMD转换到传输模式转换到传输模式PMD在在20微秒内发射帧的前同步码微秒内发射帧的前同步码以以1Mbps的速率发送前同步码和适配头的速率发送前同步码和适配头适配头的发送结束后，发送器将数据率转换到适配头确定的速率适配头的发送结束后，发送器将数据率转换到适配头确定的速率发送全部完成后，发送全部完成后，PLCP向向MAC层发送确认一个层发送确认一个MPDU传送结束传送结束关闭发送器，并将关闭发送器，并将PMD电路转换到接收模式电路转换到接收模式3.4 IEEE802.11物理层物理层v物理层功能：物理层功能：载波侦听载波侦听发送发送接收接收PMD子层子层MAC层层PLCP子层子层物理层

29、物理层v物理层功能物理层功能接收：接收：载波侦听检测到介质繁忙载波侦听检测到介质繁忙接收到合法的同步码和适配头接收到合法的同步码和适配头通知通知MAC层层设置字节计数器设置字节计数器3.4 IEEE802.11物理层物理层3.4.1 初始的初始的IEEE 802.11物理层物理层IEEE802.11无线网络标准规定了无线网络标准规定了3种物理层传种物理层传输介质方式。输介质方式。v(1)工作在工作在2.4GHz的的ISM波段上的波段上的直接序列扩直接序列扩频频,数据速率为数据速率为1Mb/s和和2Mb/s。v(2)工作在工作在2.4GHz的的ISM波段上的波段上的跳频扩频跳频扩频，数据速率为数

30、据速率为1Mb/s和和2Mb/s。v(3)工作在波长介于工作在波长介于850nrn950nm的的红外波红外波段段上，其数据速率为上，其数据速率为1Mb/s和和2Mb/s。 3.4.1 初始的初始的IEEE 802.11物理层物理层v跳频扩频（FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum）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。v直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Sprea

31、d Spectrum ）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。3.4.2 IEEE 802.11a 1.信道结构信道结构 IEEE 802.11a使用通用网络信息基础结构使用通用网络信息基础结构UNII的的频带。频带。UNII-1频段频段(5.155.25GHz)用于室内；用于室内；UNII-2频段频段(5.255.35GHz)用于室内或者室外；用于室内或者室外；UNII-3频段频段(5.7255.825GHz)用于室外。用于室外。 2编码和调制编码和调制 IEEE 802.11a使用正交频分多路复用使用正交频分多

32、路复用OFDM。OFDM也称为多载波调制，在不同也称为多载波调制，在不同频率上使用多个载波信号，在每个信道上发频率上使用多个载波信号，在每个信道上发送若干位，类似于送若干位，类似于FDM。然而，在。然而，在OFDM中，中，所有的子信道被指定给单个的数据源。所有的子信道被指定给单个的数据源。3.物理层的帧结构物理层的帧结构 3.4.3 IEEE 802.11b IEEE 802.11b是是IEEE 802.11 DSSS模式的一个扩充，提供了在模式的一个扩充，提供了在2.4GHz， ISM频段上频段上5.5 Mb/s和和11 Mb/s的数据速率。传输范围：的数据速率。传输范围：100米米 为在相

33、同的分片速度、相同带宽下获得更高的数据速率，使用了一种名为在相同的分片速度、相同带宽下获得更高的数据速率，使用了一种名为补码键控为补码键控(complementary code keying，CCK)的调制模式。的调制模式。 13个子信道，不重叠子信道数：最大为个子信道，不重叠子信道数：最大为3 3.4.3 IEEE 802.11b 目前主流的无线WIFI网络设备不管是802.11b/g还是802.11b/g/n 一般都支持13个信道。它们的中心频率虽然不同，但是因为都占据一定的频率范围，所以会有一些相互重叠的情况。下面是13个信道的频率范围列表。了解这13个信道所处的频段，有助于我们理解人们

34、经常说的三个不互相重叠的信道含义。 2.422 2.4322.4422.452 2.462 2.4822.4842.4122.417 2.427 2.437 2.447 2.457 2.46723451789106111213IEEE 802.11b物理层协议数据单元物理层协议数据单元 3.4.4 IEEE 802.11gvIEEE 802.11g将将802.11b的数据率扩展到的数据率扩展到20Mb/s以上，达到以上，达到54Mb/s。v与与802.11b相同，相同，802.11g操作在操作在2.4GHz范围内，范围内，因而二者是兼容的。因而二者是兼容的。v该标准的设计使得该标准的设计使得8

35、02.11b的设备在连接到一个的设备在连接到一个802.11g的的AP上时仍能工作，上时仍能工作，802.11g的设备连的设备连接到一个接到一个802.11b的的AP上时也仍能工作。这两种上时也仍能工作。这两种情况下都使用较低的情况下都使用较低的802.11b的数据率。的数据率。 IEEE802.11g的物理层选项的物理层选项 数据率数据率(Mb/s)调制模式调制模式数据率数据率(Mb/s)调制模式调制模式1DSSS18ERP-OFDM2DSSS22ERP-PBCC55CCK或PBCC24ERP-OFDM6ERP-OFDM33ERP-PBCC9ERP-OFDM36ERP-OFDM11CCK或P

36、BCC48ERP-OFDM12ERP-OFDM54ERP-OFDM3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层v三个功能：三个功能：可靠的数据传送可靠的数据传送接入控制接入控制以及安全以及安全 vIEEE 802.11使用帧交换协议。当一个站点收使用帧交换协议。当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认点返回一个确认(ACK)帧。此交换被作为一帧。此交换被作为一个原子单元处理，它不会被其他站点发出的个原子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。如果因为数据帧被损坏或因为返传送打断。如果因为数据帧被损坏或因为返回的回的

37、ACK被损坏，源站点在一个短的时间周被损坏，源站点在一个短的时间周期中没有收到期中没有收到ACK，它会重发该帧。，它会重发该帧。v为了更进一步地增强可量性，可以使用四帧为了更进一步地增强可量性，可以使用四帧交换。（交换。（RTS/CTS） 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层CSMA/CA（带有冲突避免的载波侦听多路访问（带有冲突避免的载波侦听多路访问 ）CSMA/CA工作过程工作过程 当发射端希望发送数据时，首先检测介质是否空闲，若是介质当发射端希望发送数据时，首先检测介质是否空闲，若是介质为空闲时，送出为空

38、闲时，送出RTS（Request To Send请求发送），请求发送），RTS信号包括信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息，发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息，接收端收到接收端收到RTS信号后，将响应短信号信号后，将响应短信号CTS（Clear To Send），），CTS信号上也附上信号上也附上RTS内记录的持续发送的时间，当发射端收到内记录的持续发送的时间，当发射端收到CTS包后，随即开始发送数据包。接收端收到数据包后，将以包内的包后，随即开始发送数据包。接收端收到数据包后，将以包内的CRC（CyClic Redundancy Ch

39、eck，循环冗余校验）的数值来检验包数据，循环冗余校验）的数值来检验包数据是否正确，若是检验结果正确时，接收端将响应是否正确，若是检验结果正确时，接收端将响应ACK包，告知发射端包，告知发射端数据己经被成功地接收。当发射端没有收到接收端的数据己经被成功地接收。当发射端没有收到接收端的ACK包时，将认包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层CSMA/CA（带有冲突避免的载波侦听多路访问（带有冲突避免的载波侦听多路访问 ）v CSMA作为随机竞争类作为随机竞争类MAC协议，算法简单而且性能

40、丰富，所协议，算法简单而且性能丰富，所以在实际局域网的使用中得到了广泛的应用。但是在无线局域网中，以在实际局域网的使用中得到了广泛的应用。但是在无线局域网中，由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的MAC在差错控制、解决隐藏终端等方面存在应有别于有线局域网。因此在差错控制、解决隐藏终端等方面存在应有别于有线局域网。因此WLAN与有线局域网所采用的与有线局域网所采用的CSMA具备一定的差异。具备一定的差异。WLAN采用采用CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）协议，其与）协议，其与CSMA/CD最大的不

41、同点在于其采取避免冲突工作方式。最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。v 与与CSMA/CD不同，不同，WLAN媒体访问控制（媒体访问控制（MAC）层采用的）层采用的CSMA/CA（CSMA/Collision Avoidance）协议，由于在）协议，由于在RF传输网传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测避免冲突检测代替代替802.3协议协议使用的冲突检测，采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率，使用的冲突检测，采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率，以提高网络吞吐性能与迟延性能。协议使用以提高网络吞吐性能与迟延性能。协议使用信道空闲评

42、估（信道空闲评估（CCA）算法算法来决定信道是否空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度来决定信道是否空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成，并且使用来完成，并且使用RTS、CTS和和ACK帧减少冲突。帧减少冲突。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层无线局域网却不能简单地搬用无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。协议。这里主要有两个原因。这里主要有两个原因。vCSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的协议要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种

43、功能就花费过大。网的设备中要实现这种功能就花费过大。v即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。然有可能发生碰撞。 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(hidden station problem) 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。A 的作用范围C 的作用范围ABCD3.5 IEEE 802.1

44、1 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁无线局域网的特殊问题 B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。 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(exposed station problem) ADCB？B 的作用范围C 的作用范围3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层v无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。v改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。v802.11 就使用 CSMA/CA

45、协议。而在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议。v下面先介绍 802.11 的 MAC 层。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层v802.11标准设计独特的标准设计独特的MAC层。它通过协调功能（层。它通过协调功能（Coordination Function）来确定在基本服务集）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中的移动站在什么时间能发送数据或接受数据。802.11的的MAC包括两个子层。包括两个子层。逻辑链路控制分布协调功能(DCF)点协调功能(PCF)2.4GHz调频扩频1Mb/s2Mb/s2.4GHz直序扩频1Mb/

46、s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s红外1Mb/s2Mb/s2.4GHz直序扩频5.5Mb/s11Mb/sMAC层自由竞争的服务竞争服务IEEE802.11IEEE802.11a IEEE802.11b3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层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

47、信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层PCF 子层使用集中控制的接入算法把发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 1.分布协调功能分布协调功能vDCF子层利用一个简单的载波监听多点接入子层利用一个简单的载波监听多点接入CSMA算法：如果一个站点有一个算法：如果一个站点有一个MAC帧要帧要发送，它监听媒

48、体。如果媒体空闲，站点可发送，它监听媒体。如果媒体空闲，站点可以发送，否则，该站点必须等到当前发送已以发送，否则，该站点必须等到当前发送已完成才能发送。完成才能发送。v为确保此算法起到平滑和公平的作用，为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔间隔IFS实现。实现。3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层IEEE 802.11媒体接入的控制逻辑媒体接入的控制逻辑 等待需发送的帧等待IFS发送帧媒体空闲？依旧空闲？等待IFS当媒体空闲时，按指数率暂停发送帧依旧空闲？等待当前发送结束NNYNYY3.5

49、 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层帧间间隔帧间间隔 IFS v所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的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。这段时间的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是通称是帧间间隔帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。v帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高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，因此可优先获得优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。发送权。v若低优先级帧还没来得及发送

50、而其他站的高优先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级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。撞的机会。 三种三种IFSv(1)SIFS(short IFS，短，短IFS)：最短的：最短的IFS。被用于。被用于所有的立即响应动作中，这将在接下来的讨论中作所有的立即响应动作中，这将在接下来的讨论中作解释。解释。v(2) PIFS(point coordination function IFS，点协，点协调功能调功能IFS)：一个中间长度的：一个中间长度的I

51、FS。在发布轮询时，。在发布轮询时，被中央控制器用于被中央控制器用于PCF模式。模式。v(3)DIFS(distributed coordination function IFS，分布协调功能分布协调功能IFS)：最长的：最长的IFS。作为一个最小的。作为一个最小的时延，用于非同步帧的接入竞争。时延，用于非同步帧的接入竞争。3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS

52、，即短(Short)帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比

53、SIFS 长，是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。 时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协

54、调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层基本的接入方法基本的接入方法 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁为什么信道空闲还要再等待 v这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。v如有，就要让高优先级帧先发送。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁假定没有高优先级帧要发送 v源站发送了自己的数据帧。v目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确

55、认帧 ACK。v若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁虚拟载波监听 v虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。v这样就大大减少了碰撞的机会。 v“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。3.5 IEEE 802.11 媒

56、体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁虚拟载波监听的效果 v这种效果好像是其他站都监听了信道。v所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁网络分配向量 v当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。vNAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态

57、。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁争用窗口 v信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。v在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。v802.11 使用二进制指数退避算法。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层图例 冻结剩余的退避时间帧帧帧帧帧DIFSDIFSDIFSDIFS争用窗口争用窗口争用窗口争用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt冻结冻结冻结冻结冻结802.11 的退

58、避机制3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁二进制指数退避算法 v第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个，即： 第 I 次退避是在时隙 0, 1, , 22 + i 1 中随机地选择一个。 。v第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。v第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁退避计时器(backoff timer)v站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况。若检测到信道空闲，退避计时器就继续

59、倒计时。若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS 后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁退避算法的使用情况 v仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。v除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁A 的作用范围B 的作用

60、范围2. 对信道进行预约 v802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。 3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层课件制作人：谢希仁A 的作用范围B 的作用范围2. 对信道进行预约 v802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的