第3章无线局域网

1、第3章 无线局域网2本章内容简介无线局域网概述 无线局域网的组成与服务无线局域网协议体系结构 无线局域网的应用 3无线局域网概述l无线局域网(WLAN)的定义WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，通常指采用无线传输介质的计算机局域网。WLAN在距离有限的区域内实现无线通信，距离差异使得数据传输的范围不同，导致网络具体的设计和实现方面有所区别。4无线局域网概述典型WLAN和LAN集成部署示意图5WLAN的常用设备(a)PCMCIA无线局域网卡 (b)USB无线局域网卡 (c)室内AP (d)室外AP6lWLAN领域的两个典型标准IEEE802.11IEEE802.11系列标准由802.

2、11工作组提出，包括802.11,802.11a,802.11b,802.11g,802.11i和802.11n等多个标准，每一种标准在实现性能上各异。HiperLANHiperLAN由欧洲ETSI开发，包括HiperLAN1,HiperLAN2,室内无线骨干网络的HiperLink,室外访问有线基础设施的HiperAccess 4种标准。7l无线局域网的特点无线局域网的优点移动性,灵活性,可伸缩性,经济性无线局域网的局限性可靠性,兼容性与共存性,带宽与系统容量,覆盖范围,干扰,安全性,节能管理,多业务与多媒体,移动性,小型化和低成本8l无线局域网的分类按频段无线局域网分类一9根据业务类型无线

3、局域网分类二WLAN基于ATM基于分组IEEE 802.11HiperLAN1蓝牙MMACHiperLAN210 根据网络拓扑和应用要求，可分为对等,基础架构,接入,中继等WLAN有3种应用目的WLAN接入,网络无线互联,定位11无线局域网的组成与服务l无线局域网的组成站(STA)站也称主机或终端，是WLAN的基本组成单元。站一般作为客户端，是具备无线网络接口的计算机设备，通常包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件三部分。无线介质(WM)无线介质是WLAN中站或AP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。12无线接入点(BS)无线AP类似于移动通信网络的基站，通常处于BSA的

4、中心，固定不动无线AP是具有无线网络接口的网络设备分布式系统(DS)连接多个BS的系统称为DS13l无线局域网的拓扑结构WLAN的拓扑结构可从几方面分类：根据物理拓扑可分为单区网和多区网；根据逻辑拓扑可分为对等式,基础结构式和线型,星型,环型等；根据控制方式可分为无中心分布式和有中心集中控制式两种；根据与外网的连接性可分为独立WLAN和非独立WLAN。BSS是WLAN的基本构造模块，有两种基本拓扑结构或组网方式：分布对等式拓扑、基础结构集中式拓扑14分布对等式工作模式15基础结构BSS工作模式16ESS网络拓扑ESA是多个BSA通过DS连接形成的扩展区域，范围可达数千米中继或桥接型网络拓扑两个

5、或多个网络(LAN或WLAN)或网段可通过无线中继器、网桥或路由器等连接和扩展17l无线局域网的服务STA服务(1)认证(Authentication)(2)解除认证(Deauthentication)(3)保密(Privacy)DS服务(1)联结(Association)(2)重新联结(Reassociation)(3)解除联结(Disassociation)(4)分布(Distribution)(5)集成(Integration)18无线局域网协议体系结构lIEEE802.11协议标准IEEE802.11标准的发展IEEE802.11标准经历了20多年的发展，已经逐步完善和形成体系，详细见

6、教材3.3.1节IEEE802.11若干子标准比较子标准802.11802.11b802.11a802.11g物理层 DSSS,FHSS,IRDSSSOFDMOFDMMAC层CSMA/CACSMA/CACSMA/CACSMA/CA频带/900MHz2.4GHz5GHz2.4GHz传输速率1,2Mbps1,2,5.5,11Mbps654Mbps最高54Mbps主要缺点传输速率有限传输速率有限通信距离较短 共存网络数有限主要优点通信距离较远通信距离较远传输速率较高 传输速率较高19802.11体系结构逻辑链路子层(LLC)物理汇聚子层(PLCP)介质访问控制子层(MAC)物理介质相关子层(PMD)

7、介质访问控制层管理(MAC Management)物理层管理(PHY Management)站点管理层(Station Management) 802.11体系结构20IEEE802.11较完整协议体系 21无线局域网协议体系结构lIEEE 802.11物理层lIEEE 802.11MAC协议MAC体系结构MAC子层通过两种访问机制来实现共享介质访问的公平：分布式协调功能(DCF)和点协调功能(PCF)。 MAC接入协议分布式的无线介质访问控制协议(DFWMAC)，支持自组织和基础结构两种类型22为避免冲突，MAC层规定所有站在完成发送后必须等待一个很短时间(继续监听)才能发送下一帧，该时间称

8、为帧间间隔(InterFrame Space，IFS)。IFS的长短取决于该站将发送的帧类型。高优先级的等待时间较短，可优先获得发送权，而低优先级则需等待较长时间。若低优先级帧尚未发送而其它站的高优先级帧已发送到介质，则介质被占用，低优先级帧推迟发送以减少冲突。23IEEE 802.11中规范了4种IFS，以实现不同的访问优先级别，其时间长度关系为：SIFSPIFSDIFS EIFS。SIFS (Short IFS)。它是最小的IFS，采用SIFS的节点具有访问最高优先级。一些特殊帧要求使用SIFS访问介质，如应答帧(ACK)、清除发送帧(CTS)、MAC服务数据单元(MSDU)的非头分段、被

9、轮询到的站回应帧等。lPIFS (PCF IFS)。为SIFS和时隙时间之和，AP在无竞争期开始时获得介质访问权的时间间隔，即AP总比普通节点具有更高的访问信道的优先级。lDIFS (DCF IFS)。为SIFS和两倍时隙时间之和，工作在分布式协调功能模式的终端通过载波监听到介质空闲超过DIFS，且本终端随机退避结束，立即发送。lEIFS (Extended IFS)。为ACK帧传输时间和SIFS、DIFS的时间之和，在前一帧出错的情况下，发送节点不得不延迟EIFS时间段后再发送下一帧。EIFS期内收到正确帧将使得该站重新同步并结束EIFS，进入正常介质访问状态。25lIEEE 802.11优

10、化技术物理层优化双频多模无线局域网结构示意图26无线局域网协议体系结构MAC层优化802.11b分布式协调功能(DCF)，包含CSMA/CA和RTS/CTSCSMA/CACSMA/CA方式中，检测到信道空闲期间大于某一IFS后立即开始发送帧，否则延迟发送直到检测到需要的IFS，然后选择退避时间进入退避，退避结束后重新开始上述过程。27l隐藏节点问题隐藏节点问题背景知识A和C同时将数据发送给B，使得数据在B处产生冲突，最终导致发送的数据不可用ABC冲突隐藏节点问题示意图28发送方接收方时间CTSRTSDataACK使用RTS/CTS解决隐藏节点问题使用前面介绍的请求发送(Request to S

11、end，RTS)和清除发送(Clear to Send，CTS)的控制信息来避免冲突29发送方接收方时间CTSRTSDataACK使用RTS/CTS解决隐藏节点问题当发送方发出数据前，先送出一个RTS包，告知在传送范围内的所有节点不要有任何传送操作。30发送方接收方时间CTSRTSDataACK如果接收方目前空闲，则响应一个CTS包，告诉发送方可开始发送数据，CTS包也会告知所有在接受方信号传输范围内的其他节点不要进行任何传输操作。31l暴露节点问题暴露节点问题背景知识暴露节点问题和隐藏节点问题有点不同，当一个节点要发送数据给另一节点时，因邻近节点也正在发送数据，影响了原来节点的数据传送。为了

12、解决暴露节点问题，也采用RTS/CTS机制。32ACKSIFSDIFS竞争窗口数据退避时间延迟之后的退避时间源主机目标主机其它主机DIFS时间数据帧成功传送的时间图33RTS/CTSSIFSACK延迟之后的避让时间SIFSRTSDIFS数据CTSSIFSSIFSNAV(RTS)竞争窗口NAV(CTS)延迟时间源主机目标主机其它主机BSS中RTS/CTS示意图34802.11e 增强分布式通道存取(EDCA)EDCA的特点主要如下：使用AIFS代替DIFS 最大最小竞争窗口的改变参数设置见表3.7EDCA的优势如下：划分了不同优先级的业务流等待信道空闲的时间间隔为AIFS不同AC的业务流等待信道

13、空闲以后，退避时的初始窗口大小也不同增加了时间受限的发送机会的概念35移动IP因特网使用域名对应IP地址，而IP地址通常与某个物理网络的位置相对应，这种传统方式不能应对地址位置的变化。移动IP的引入解决了WLAN的IP漫游问题，是网络层的优化方案。可以认为，如果用户凭一个IP地址进行不间断跨网漫游，即为移动IP。为保证移动站在扩展服务区之间的漫游，需要在其MAC层上引入移动IP技术。36l其它无线局域网技术标准HomeRFHomeRF标准旨在家庭范围内，使计算机与其它电子设备实现无线通信。HomeRF 标准的主要特点有效支持流媒体；采用TDMA技术传输交互式话音数据，满足不同业务对传输技术的要

14、求；采用Blowfish加密算法提供基本和增强两种保密级别；抗干扰能力强；有较强的电源管理功能。37HiperLAN2HiperLAN2不是建立在以太网基础上，而采用TDMA，形成一个面向连接的网络HiperLAN2网络拓扑示意图38高层汇聚层数据链路层物理层RRCACFDCCRLCECMAC控制平面用户平面RRC：无线资源控制ACF：联合控制函数DCC：数据链路连接控制RLC：无线链路控制EC：差错控制MAC：介质访问控制HiperLAN2协议栈示意图39蓝牙蓝牙能有效简化移动通信终端设备之间的通信，也能成功简化设备与因特网之间的通信，使数据传输更加高效。蓝牙基带协议结合了电路交换与分组交换，在保留时隙中可传输同步数据包，每个包以不同频率发送。40无线局域网的应用l无线局域网的应用领域难以使用传统布线的场所，如风景名胜、古建筑等；采用无线网络成本较低的区域，如相距较远的建筑物、有