第08讲 无线局域网网络构成

1、 第第0808讲讲 无线局域网的构成及体系结无线局域网的构成及体系结构构 基本业务区基本业务区扩展业务区扩展业务区 基本业务集基本业务集BSS ： 由一个由一个BSA区构成的业务集合，叫区构成的业务集合，叫BSS（ 扩展业务集扩展业务集ESS ： 由一个由一个ESA区构成的业务集合，叫区构成的业务集合，叫ESS（ BSSBSS（基本服务集）InfrastructuredInfrastructured网网( (基础设施网基础设施网) )有有AP(Access Point, AP(Access Point, 接入点接入点) )，无线站，无线站点通信首先要经过点通信首先要经过APAPAd Hoc A

2、d Hoc 网网（无线自组网）（无线自组网）IBSS (Independent BSSIBSS (Independent BSS，独立基，独立基本服务集本服务集) )，无，无APAP，站点间直接通信，站点间直接通信IBSSBSSESSESS（扩展服务集）属属 Infrastructured Infrastructured 网网 ( ( DS:DS:分配系统，分配系统，APAP：接入点，：接入点，SSIDSSID：ESSESS扩展服务扩展服务集标识符。一个移动节点使用某集标识符。一个移动节点使用某 ESS ESS 的的 SSID SSID 加入到该扩展服务集中，一旦加入到该扩展服务集中，一旦加入

3、加入ESSESS，移动节点便可实现从该，移动节点便可实现从该ESSESS的一个的一个BSSBSS到另一个到另一个BSSBSS的的漫游漫游) )ch6ch11ch12.4GHz ISM2.4GHz ISM频段信道划分无线漫游的实现 m将多个AP的信号覆盖范围相互重叠一小部分.m对各个AP进行设置: 1. 登录AP的参数设置界面，在其中找到SSID设置选项，将所有AP的SSID名称设置成相同，这样才能确保漫游用户在同一网络中漫游； 2. 修改每一个AP的IP地址，让所有AP的IP地址属于同一网段之中； 3. 修改信号互相覆盖的AP的频道。为了防止相邻AP之间的信号相互产生干扰，信号互相覆盖的AP必

4、须使用不同的频道，目前一个AP可以使用的频道总共有13个，其中1、6、11这三个频道是完全无重叠的，因此可将相邻的AP设置成使用这些频 道 ， 来 确 保 无 线 漫 游 成 功 。 l工作站(STA，Station)l分布式系统(DS，Distribution System)l无线媒质(WM，Wireless Medium）l接入点(AP：Access Point)l 关口(Portal) 1 、 WLANWLAN、LANLAN、Internet Internet 连接PortalPortal：门桥：门桥( (作用相当于网桥作用相当于网桥) ) DSDS：分配系统：分配系统( (可以是以太网

5、、点对点链路或其它无线网可以是以太网、点对点链路或其它无线网) )l从物理拓扑分类：单区网（从物理拓扑分类：单区网（SCN）、多区网（）、多区网（MCN）l从逻辑上分类：对等式从逻辑上分类：对等式（Ad Hoc）、基础结构式基础结构式(Infrastructure) ； 线形、星形、环形；线形、星形、环形；l从控制方式分类：无中心分布式、有中心集中控制式从控制方式分类：无中心分布式、有中心集中控制式l从与外网连接分类：独立、非独立从与外网连接分类：独立、非独立有中心控制式网络结构第三节第三节 IEEE 802.11协议栈协议栈有线网络802.11 MAC802.11 PHYLLCApplica

6、tionTCPIP802.3 MAC802.3 PHYLLCApplicationTCPIP802.11 MAC802.11 PHY802.3 MAC802.3 PHYLLC固定终端移动节点802.11 802.11 标准中的 PHY PHY层mWLAN 传输方式有 红外线 和 无线电射频 两种m红外优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。m缺点：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。m无线电射频系统： 扩频 (Spread Spectrum) 技术进行调制。m扩频技术的频率范围开放在 ISM 频段，此频段不需申请：802.11b/g 8

7、02.11b/g 互不重叠信道的选择16112.412G2.4GHz2.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.4835GHz234125789101322MHz同一空间多信道的使用增加了带宽Blue = 11Mb/s (channel 1)Green = 11Mb/s (channel 6)Red = 11Mb/s (channel 11)Total Bandwidth=33Mb/s!扩频技术引入扩频通信主要特性：抗干扰保密性强扩展频谱在军事上的运用由于保密，扩展频谱技术在其发明者去世7年之后、在发明者构想出现3

8、0年之后的1978年才发表。扩展频谱对于军队的重要性能够承受战时战场上严重的干扰；避免敏感通信中途被截获 提供非常好的保密性；不仅具有技术保密性，还具有操作保密性 即使敌人拥有技术/设备，并且准确了解所用频带仍然不能对传输信号干扰或者译码；扩频系统的一般描述两种扩频方法作为反干扰策略提出的跳频扩展频谱；为实现保密话音通信提出的直接序列（噪声调制扩频）信道编码器信 道信道解码器伪噪声发生器伪噪声发生器输入数据输出数据调制器扩展码解调器扩展码窄带模拟信号窄带模拟信号扩展后的信号跳频序列扩频（FHSS ）FSSS特点 信号在一串随机序列的频 率上广播接收者以与发送者同步的方式跳转频率窃听者听到的难以

9、理解好处干扰仅影响某个频率上的有限几比特；没有传统意义上的阻塞；相当宽的频带被划分成大量的窄频道Frequency Hopping Spread SpectrumFHSS 实例FHSS与传统的FSK调制方法类似；FSK通常只使用两个频率，FHSS将使用数千个频率。DSSS 噪声调制将类噪声型信号加入到拟传输的信号之中+话音信号已知特征的噪声型看起来更像噪声的调制信号淹没的原始话音信号已知噪声噪声调制信号发送端接收端输入信息信号可以比淹没它的噪声低几千倍仍然能成功地传输。直接序列扩展频谱（DSSS ）基本原理将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流；第一个信号是信息信号；第二个信号是由随机

10、序列产生器产生的随机比特流；第三个比特流的速率与第二个信号相同；10Kbps信息源100Mbps随机伪噪声100Mbps混合信号Direct Sequence Spread SpectrumDSSS 实例IEEE 802.11 FHSS 物理层. . .1Mhz791 2 383.5 Mhz调频序列分为三组每组包括26个跳频序列2.5 hops/secMPDUPreambleHeader1 Mbps1, 2 MbpsGFSKmodulationMPDUPreambleHeader1 Mbps1, 2 MbpsGFSKde-modulationIEEE 802.11DSSS 物理层基带信号采用B

11、arker word扩频，扩频信号约占用22 Mhz带宽DSSS能有效防止窄带干扰MPDUPreambleHeader1 Mbps1, 2 MbpsDPSKmodulationTransmitterbaseband signalMPDUPreambleHeader1 Mbps1, 2 MbpsDPSKde-modulationReceived signal afterdespreadingSpread the signal using Barker word (11 bits)+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1Transmitted signa

12、l after spreading距离越远、信号越弱、速率越低11Mbps5.5Mbps2Mbps1Mbps距离距离802.11 MAC802.11 MAC MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11 MAC 802.11 MAC 使用 DCF DCF 或 PCF PCFm 分布协调功能分布协调功能 DCF - -争用服务（必选项）争用服务（必选项） ( Distributed Coordination Function ) DCF对每一个结点使用对每一个结点使用

13、 CSMACSMA 机制的机制的分布式分布式接入接入算法，让各个站通过算法，让各个站通过争用信道争用信道来获取发送权。来获取发送权。m 点协调功能点协调功能 PCF - -无争用服务（可选项）无争用服务（可选项） ( ( Point Coordination Function ) ) PCF使用使用 AP 集中控制集中控制的接入算法将发送数据权的接入算法将发送数据权轮流轮流交给各个站从而避免了冲突的产生。交给各个站从而避免了冲突的产生。Binary BackoffBinary Backoff 有线网络使用的二进制指数退避算法（使用的二进制指数退避算法（Binary Backoff）如下：如下：

14、 第第 i i 次退避时，在次退避时，在 2 2i i 个时隙中随机选择一个。个时隙中随机选择一个。 例例 第第1 1次退避在次退避在1-21-2个时隙中随机选择一个；个时隙中随机选择一个； 第第2 2次退避在次退避在1-41-4个时隙中随机选择一个。个时隙中随机选择一个。 。 802.11 802.11 标准中的 MAC MAC层 无线局域网不能简单地搬用以太网的CSMA/CD 协议原因：mCSMA/CD 在无线局域网的设备中要实现这种全双工功能花费过大； m检测结果不准确。 隐藏终端暴露终端802.11 MAC: CSMA802.11 MAC: CSMA802.11 CSMA 802.11

15、 CSMA 发送站：发送站：m如监听到信道空闲如监听到信道空闲, , 经某经某种种IFSIFS 时间后则发送整个时间后则发送整个帧（发送时不用冲突检测）帧（发送时不用冲突检测）m如果监听到信道忙，则坚如果监听到信道忙，则坚持监听到不忙时，经持监听到不忙时，经DIFS DIFS 时间后进入竞争期，进行时间后进入竞争期，进行二进制指数退避（第二进制指数退避（第 i i 次退避时，在次退避时，在 2 2i+2 i+2 个时个时隙中随机选择一个），退隙中随机选择一个），退避后重新尝试发送避后重新尝试发送m如果发后未收到如果发后未收到ACK(ACK(超超时时) )，则重发帧，则重发帧802.11 CSM

16、A 802.11 CSMA 接收站：接收站：如果接收正确，则在如果接收正确，则在SIFSSIFS时间后应答一个时间后应答一个 ACK ACK 帧帧 其它站点：其它站点：听到信道上在发送数据，则推迟访问信听到信道上在发送数据，则推迟访问信道道 NAV(Network Allocation Vector)NAV(Network Allocation Vector)时时间间802.11 MAC Q & A802.11 MAC Q & AQ Q：无线站点监听时如何判定信道：无线站点监听时如何判定信道“忙忙”？A A：802.11 802.11 标准规定在物理层的空中接口进行载波监听，标

17、准规定在物理层的空中接口进行载波监听， 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来 判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据。判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据。Q Q：为何无线站点监听到信道空闲还要再等待？：为何无线站点监听到信道空闲还要再等待？ A A：因为此时可能有多个站点都在监听，而其他的站点可：因为此时可能有多个站点都在监听，而其他的站点可 能有更高优先级的帧要发送，如其有，就要让高优先能有更高优先级的帧要发送，如其有，就要让高优先 级帧先发送。级帧先发送。帧间间隔 IFS IFS 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间

18、（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称为帧间间隔 IFS (InterFrame Space) 帧间间隔长度取决于该站欲发送帧的类型。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。短帧间间隔 SIFSSIFS SIFSSIFS，即短，即短(Short) (Short) 帧间间隔帧间间隔，长度为，长度为 10 10 s s（802.11g802.11g时为例），是最短的帧间间隔，时为例），是最短的帧间间隔，用来用来

19、分隔开属于一次对话的各帧分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这。一个站应当能够在这段时间内段时间内从发送方式切换到接收方式从发送方式切换到接收方式。 使用使用 SIFS SIFS 帧间间隔的场合：帧间间隔的场合： (1) (1) 应答应答 ACK ACK 帧帧 (2) (2) 应答应答 CTS CTS 帧帧 (3) (3) 过长的过长的 MAC MAC 帧分片后的数据帧帧分片后的数据帧 (4) (4) 应答应答 AP AP 探询帧探询帧 (5) PCF (5) PCF 方式中接入点方式中接入点 AP AP 发送出的任何帧。发送出的任何帧。PCF PCF 帧间间隔 PIFSPIFSPIFS

20、PIFS，即点协调功能帧间间隔，即点协调功能帧间间隔（比（比 SIFS SIFS 长），长），是为了在开始使用是为了在开始使用 PCFPCF 方式时（在方式时（在 PCF PCF 方式下使方式下使用，没有争用）用，没有争用）优先获得接入优先获得接入到媒体中。到媒体中。PIFS PIFS 长度长度: : SIFS SIFS 加一个时隙加一个时隙(slot)(slot)长度（其长度为长度（其长度为2020 s s），即），即 30 30 s s。DCF DCF 帧间间隔DIFSDIFS、延长帧间间隔EIFSEIFSmDIFSDIFS，即分布协调功能帧间间隔，即分布协调功能帧间间隔，在在 DCF D

21、CF 方式方式中中用来用来发送发送数据帧和管理帧。数据帧和管理帧。DIFS DIFS 的长度比的长度比PIFS PIFS 再增加一个时隙长度，因此再增加一个时隙长度，因此 DIFS DIFS 的长度的长度为为 50 50 s smEIFSEIFS，即延长帧间间隔，即延长帧间间隔（最长的（最长的 IFSIFS），站点），站点在进行在进行帧重发时所必须等待的时间帧重发时所必须等待的时间。EIFSEIFS的长度的长度至少等于至少等于DIFSDIFS再增加一个时隙长度，因此再增加一个时隙长度，因此 E EIFS IFS 的长度为的长度为 70 70 s s时间长短：时间长短：SIFS PIFS DIF

22、S EIFSSIFS PIFS DIFS EIFS802.11 MAC Q & A802.11 MAC Q & AQ Q：为什么：为什么802.11802.11的二进制算法使用的二进制算法使用2 2i+2i+2个时隙？个时隙？A A：第：第1 1次退避在次退避在1-81-8个时隙中随机选择一个（而不是个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第象以太网那样第1 1次冲突后在次冲突后在2 2个时隙中选）；个时隙中选）； 第第2 2次退避在次退避在1-161-16个时隙中随机选择一个（而不是个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第象以太网那样第2 2次冲突后在次冲突后在4 4个时隙

23、中选）；个时隙中选）； 目的是能够获得更多的选择机会，和较长的等待时间，减少冲突的几率。目的是能够获得更多的选择机会，和较长的等待时间，减少冲突的几率。802.11 MAC802.11 MAC： CSMA CSMA虚拟载波监听 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)：m源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需时间）源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需时间）在其在其 MAC MAC 帧首部字段帧首部字段“持续时间持续时间”中填入指示给所有其他站，中填入指示给所有其他站，其他所有站会在这段时间都停止发送数据其他所有站会在这段时间都停止发送数据, ,

24、这样大大减少了冲突这样大大减少了冲突的机会。的机会。 m“虚拟虚拟”是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到源站发送是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到源站发送帧中的帧中的“持续时间持续时间”才不发送数据，这种效果才不发送数据，这种效果好像是其他站都监好像是其他站都监听了信道。听了信道。当一个站检测到正在信道中传送的当一个站检测到正在信道中传送的 MAC MAC 帧首部的帧首部的“持续时间持续时间”字段时，就调整自己的字段时，就调整自己的网络分配向量网络分配向量 NAVNAV (Network Allocation (Network Allocation Vector)Vector)，NA

25、V NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次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。传输，才能使信道转入到空闲状态。隐终端(Hidden terminal)(Hidden terminal)效应 如只使用如只使用 CSMA CSMA，侦听到信道，侦听到信道 “闲闲” 可能结果不正确，由于：可能结果不正确，由于： (a) (a) 隐蔽站问题隐蔽站问题 - - 在发送方侦听不到在发送方侦听不到: A, C : A, C 不能互相听到，中间有障碍不能互相听到，中间有障碍物、信号衰减，物、信号衰减，A A、C C 于是都发给于是都发给 B B， B B 处此

26、时会产生冲突。处此时会产生冲突。 (b) (b) 信号强度衰减问题信号强度衰减问题 - - C C 在发送，由于信号传输衰减，传到在发送，由于信号传输衰减，传到 A A 处时，处时，A A 听不到，听不到，A A 以为听到信道闲，也发，以为听到信道闲，也发， 接收站接收站 B B 处此时产生冲突。处此时产生冲突。LocationSignal strengthABC 隐终端是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端。隐终端是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端。ABCD暴露终端(Exposed terminal)(Exposed terminal)效应当节点当节点B B向节点

27、向节点A A发送数据时，节点发送数据时，节点C C也希望向节点也希望向节点D D发送数据。发送数据。 根据根据CSMACSMA协议，节点协议，节点C C侦听信道，它将听到节点侦听信道，它将听到节点B B正在发送数据，于是错误正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向节点地认为它此时不能向节点D D发送数据，但实际上它的发送不会影响节发送数据，但实际上它的发送不会影响节点点A A的数据接收，这就导致节点的数据接收，这就导致节点C C所谓暴露终端问题的出现。所谓暴露终端问题的出现。暴露终端暴露终端是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端。是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外

28、的终端。ABCD改进 CSMA CSMAm 目的: 为了尽可能避免冲突，要进一步 改进改进CSMAm 改进: CSMA CSMA/CA CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance冲突避免: : 增加 RTS-CTS RTS-CTS 交互进一步改进进一步改进: :mCSMA/CA:CSMA/CA:信道预约信道预约 发 送 站发 送 站 : : 发 出 短 的发 出 短 的 R T SR T S 帧帧(request to send)(request to send)预约信道预约信道 接收站接收站: : 应答短的应答短的 CTSCTS帧帧 (clear (clear to send)to send)同意预约同意预约mCTS CTS 为发送站保留信道为发送站保留信道, , 起了通起了通知其它知其它( (可能隐蔽的可能隐蔽的) )站点的效果站点的效果避免避免了隐蔽站点造成的冲突了隐蔽站点造成的冲突 冲突避免: RTS-CTS : RTS-CTS 预约信道RTS 与 CTS 为短帧: 由于由于RTSRTS帧长帧长2020字节，字节，CTSCTS帧长帧长1414字节，比最大数据帧长字节，比最大数据帧长度度23462346字节要短很多，所以发生冲突可能性很小；字节要短很多