WLAN-体系结构讲解课件

WLAN培训之二WLAN体系结构和关键技术2023/7/311八六三通信主题WLAN培训之二WLAN体系结构和关键技术2023/7/内容纲要

无线局域网的标准体系无线局域网的关键技术2内容纲要无线局域网的标准体系2IEEE组织IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers），电气和电子工程师协会是世界上著名的专业组织，每年出版大量的技术杂志并召开很多会议。IEEE802又称为LMSC（LAN/MANStandardsCommittee，局域网/城域网标准委员会），致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层规范，对应OSI参考模型的下两层。

LMSC执行委员会（ExecutiveCommittee）下设工作组（WorkingGroup）、研究组（StudyGroup）、技术顾问组（TechnicalAdvisoryGroup）。曾经设立的多个SG已经合并到WG中，目前活跃的WG和TAG如下：3IEEE组织IEEE（InstituteofElectIEEE802802.1：高层局域网协议HigherLayerLANProtocols802.2：逻辑链路控制LogicalLinkControl802.3：以太网Ethernet802.4：令牌总线TokenBus802.5：令牌环TokenRing802.11：无线局域网WirelessLAN802.15：无线个域网WirelessPersonalAreaNetwork802.16：宽带无线接入BroadbandWirelessAccess802.17：弹性分组环ResilientPacketRing802.18：无线管制RadioRegulatoryTAG802.19：共存CoexistenceTAG802.20：移动宽带无线接入(MBWA)802.21：媒质无关切换MediaIndependentHandoff4IEEE802802.1：高层局域网协议HigherWLAN的标准体系IEEE802.11系列到目前为止主要包括下列21个标准：标准编号负责的技术领域IEEE802.11无线局域网物理层和媒质接入控制层规范IEEE802.11a无线局域网物理层和媒质接入控制层规范（5ghz高速物理层规范）IEEE802.11b无线局域网物理层和媒质接入控制层规范（2.4ghz高速物理层扩展）IEEE802.11d物理层方面的特殊要求IEEE802.11eIEEE802.11MAC曾拿增强－服务质量保证IEEE802.11f支持IEEE802.11的接入点互操作协议（IAPP）IEEE802.11g2.4ghz频段高速物理层（20Mbps以上）扩展5WLAN的标准体系IEEE802.11系列到目前为止主WLAN的标准体系标准编号负责的技术领域IEEE802.11h额外定义了物理层方面的要求IEEE802.11i无线局域网媒质接入控制层安全性增强规范IEEE802.11j日本采用的等同于802.11h的协议IEEE802.11k射频资源管理IEEE802.11m对IEEE802.11规范体系进行维护，修正和改进IEEE802.11n高速物理层和MAC层规范IEEE802.11ovowlan6WLAN的标准体系标准编号负责的技术领域IEEE802.WLAN的标准体系标准编号负责的技术领域IEEE802.11p车载环境下的无线通信IEEE802.11qVLAN的支持机制IEEE802.11r快速漫游IEEE802.11sMESH网状网IEEE802.11t无线网络性能预测IEEE802.11u和其他网络的交互性IEEE802.11v无线网络管理7WLAN的标准体系标准编号负责的技术领域IEEE802.目前802.11广泛应用标准标准系列802.11a802.11b802.11g频段5.8G2.4G2.4G容量物理层速率达到54Mbps应用速率达到约20Mbps物理层速率达到11Mbps应用速率达到约5－6Mbps物理层速率达到54Mbps应用速率达到约20Mbps兼容性802.11a与802.11b不兼容与老式DSSS系统后向兼容向后兼容802.11b覆盖范围较小较大较大缺点1.公共频段，信号干扰带来的影响不确定2.当前终端普及性低，成本较高公共频段，信号干扰带来的影响不确定1.公共频段，信号干扰带来的影响不确定.2.802.11b和802.11g混合接入时，性能降低到802.11b优势技术成熟，信道多，干扰少；速率高。技术成熟、成本低，终端支持普及技术成熟，兼容性好；成本接近802.11b，终端支持普及8目前802.11广泛应用标准标准系列802.11a802.WLAN其他主要组织WI-FI联盟ETSI组织WLANA联盟MMAC9WLAN其他主要组织WI-FI联盟9WI-FI联盟目前以IEEE802.11b的产品为主流，国际性组织WECA“无线以太网兼容性联盟”(WirelessEthernetCompatibilityAlliance)提出WiFi(WirelessFidelity)认证标准，只要厂商的无线产品符合此WiFi标准（也就是符合IEEE802.11b规格）就一定可以和不同厂商的WiFi产品进行互通操作。10WI-FI联盟目前以IEEE802.11b的产品为主流ETSI组织WLAN标准的开发主要有两大组织机构。一个是IEEE的802.11工作组，一个是欧洲ETSI的RES10工作组。HIPERLAN(HighPerformanceEuropeanRadioLAN，高性能欧洲无线LAN)，是由ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，欧洲电信标准化协会)的RES10小组开发的，是高速WLAN的泛欧标准。标准HIPERLAN与802.11相似，覆盖了物理和MAC层，通过在5GHz波段内使用传统的无线调制技术，提供2～25Mbit/s的数据传输速率。11ETSI组织WLAN标准的开发主要有两大组织机构。一个是IWLANA联盟除了IEEE802.11委员会以外，其他一些组织在推动无线局域网市场方面也做了许多工作。无线局域网联盟(WLANA)是由无线局域网厂商建立的非营利性组织，它主要是进行无线局域网市场和产品使用方面的培训等工作。由3Com、Aironet、Intersil、朗讯科技、诺基亚以及Symbol科技公司等厂商组建的无线以太网兼容联盟(WECA)则主要通过在同一无线结构内对不同厂商的产品进行验证，以实现真正意义上的多厂商产品的互操作。12WLANA联盟除了IEEE802.11委员会以外，其他一其他标准－HiperLAN在IEEE制定802.11系列WLAN标准的同时，欧洲的ETSI则在大力的推广HiperLAN1/HiperLAN2标准HiperLAN1发布于1996年，它工作在5ghz频段，采用的调制方式为高斯滤波最小移频键控（GMSK）；HiperLAN1提供的数据速率最高可以达到25mbps，整体上，HiperLAN1和IEEE802.11b是相当的。HiperLAN2是HiperLAN1的第二代版本，于2000年底通过ETSI批准成为正式的标准，它对应于IEEE802.11a，工作在5ghz频段，采用OFDM技术，并且具备了动态频率选择和发送功率控制等功能，最高支持的速率为54mbps。在MAC层HiperLAN2采用了TDMA的多址方式，动态TDD双工方式，能够在高吞吐量的情况下支持QOS，从而为视频和话音等应用提供支持。13其他标准－HiperLAN在IEEE制定802.11系列W其他标准－MMAC标准日本的多媒体移动接入通信促进委员会(MultimediaMobileAccessCommunicationPromotionCouncil，)一直致力于WLAN技术研究和标准制订工作。相继制订了HiSWANa和HiSWANb标准。其中HiSWANa工作于5GHz频段，HiSWANb工作于25/27GHz频段，支持数据速率为6～54Mbps，采用OFDM调制、TDMA多址方式、TDD双工方式。IEEE于2002年1月启动了WLANWNG(无线局域网下一代研究组)，目标是研究峰值速率超过100Mbps的WLAN。而日本的多媒体移动接入通信促进委员会正在研究工作于60GHz频段的超高速无线局域网(UltraHighSpeedWirelessLAN)，其速率达156Mbps。14其他标准－MMAC标准日本的多媒体移动接入通信促进委员会(内容802.11基本概念MAC层PHY层安全问题15内容802.11基本概念15网络模型无线局域网由端站（STA）、接入点（AP）、接入控制器（AC）、AAA服务器以及网管单元组成。AAA服务器是提供AAA服务的实体，在模型中，AAA服务器支持Radius协议，Portal服务器是用于门户网站推送的实体，在WEB认证时，辅助完成认证功能。16网络模型无线局域网由端站（STA）、接入点（AP）、接入控制WLAN架构方式ServiceSet形容各种WLAN的构架。换句话说，共有三种方法构建WLAN。此三种方法是：(1)BasicServiceSet（BSS）(2)ExtendedServiceSet（ESS）(3)IndependentBasicServiceSet（IBSS）17WLAN架构方式ServiceSet形容各种WLAN的构BSS当只有一台AP和数个Client，这种构架称为BSS。18BSS当只有一台AP和数个Client，这种构架称为BSS。ESSESS内有两个或者多个BSS。而且使用同一个有线网络作为DS(DistributionSystem)。一个ESS必须至少有两个架构模式下的AP。和BSS相同，所有的封包必须经过一台AP。ESS内的AP可再利用不同的SSID做区域隔离。19ESSESS内有两个或者多个BSS。而且使用同一个有线网络IBSSIBSS又称Ad-hoc模式。IBSS不需要AP的存在，也不需要连接到DS。但有一个覆盖面及一个SSID。因为网络没有AP在送Beacon，IBSS内的Client需要轮流送出Beacon。20IBSSIBSS又称Ad-hoc模式。IBSS不需要AP的存用户client如何连接到WLAN当安装、设定并最后启动一个WLAN网络之后，Client端的USB或PC卡能自动“听”以确定附近是否有一WLAN系统，这个流程称为Scanning(扫描)。Scanning可能得到多个可加入的WLAN，Client内部需要决定应该和哪一个WLAN结合，这个流程称为Joining。Joining之后则是和AP之间的Authentication和Association两个动作。Scanning发生在所有其它动作之前，因为Client靠Scanning来寻找WLAN。Scanning可分为主动扫描和被动扫描。在发现AP时，Client靠AP每隔100ms发出的Beacon，Beacon之中包括SSID以及和该AP相关的许多其他参数。21用户client如何连接到WLAN当安装、设定并最后启动一个概念解释－SSIDSSID(ServiceSetIdentifier)服务集合标识符，也称为网络名称。一种独一无二的标识符，作为无线设备连接到WLAN时的密码。这个名称有助于网络的区分，是最基本的安全方法，用在Client和AP做关联之用。SSID存在于Beacon、ProbeRequest/Response、及一些其他的Frame之中(如AssociationFrame)。22概念解释－SSIDSSID(ServiceSetIdenBeaconAP约每隔100ms会广播一个Beacon，或在Ad-hoc模式下各Client轮流所送出的短封包。Beacon是BeaconManagementFrame之简称，此BeaconFrame可分为三部份。第一部份是PHYHeader，此Header可再细分为PMD和PLCP两部分。Preamble用来让接收者作CarrierDetect及同步之用，PLCPHeader则包括速度(如5.5Mbps)、Frame长度等。第二部份是MACHeader，包括FrameControl、MACAddress等，其中BSSID表示AP的MACAddress。第三部份是BeaconFrameBody。23BeaconAP约每隔100ms会广播一个Beacon，或在Beacon帧格式24Beacon帧格式24被动式扫描（PassiveScanning）被动式扫描是在每个信道听取Beacon的方法，也就是client被动听取beacon信号。例如架构模式下由AP送出的Beacon，或Ad-hoc模式下Client所轮流送出的Beacon。然后比较各个Beacon。找出欲「加入」(Joining)之SSID值。然后启动认证和关联等步骤。若有多台的SSID相同，则选择信号最强的以及封包错误率最低的AP。25被动式扫描（PassiveScanning）被动式扫描是在主动式扫描式由Client发出一个Probe要求，当Client要做主动式扫描时便会发出这个要求到网络上。这个要求会包含一个SSID、或是广播型的SSID。假如是单一SSID的Probe，则SSID相同的AP都会回应。发出Probe的目的是找寻找WLAN。一旦发现合适的AP，此Client可开始进行认证和关联等步骤。主动式扫描（PassiveScanning）26主动式扫描式由Client发出一个Probe要求，当Clie加入(Joining)Joining发生在Client内部。如果当Scanning扫描到有多个WLAN网络，则Client应该考虑加入到哪一个WLAN网络之中。802.11并没有规定joining的规则，而是放手让设备厂家自行定义。所以有的厂家以信号好坏作为选择的标准，有的厂家以SSID的顺序作为首要考虑点。27加入(Joining)Joining发生在Client内部Authentication和AssociationWLAN的连接包括两个步骤，第一个步骤为认证（Authentication），第二步步骤为关联（Association）。如果当Client和AP完成连线，则表示它完成了认证和关联两个步骤。28Authentication和AssociationWLAN认证关联状态迁移图

State1:Unauthenticated,Unassociated

State2:Authenticated,Unassociated

State3:Authenticated,Associated

SuccessfulAuthentication

SuccessfulAssociation

DisassociationNotification

DeAuthenticationTimeout29认证关联状态迁移图State1:验证（Authentication）基于Web的认证基于PPPoE的认证基于IEEE802.1X的认证30验证（Authentication）基于Web的认证30基于Web的认证要求认证系统构架AC对来自STA的HTTP请求重定向到PROTAL服务器中，利用protal页面对用户进行认证。STAAPASACPROTAL31基于Web的认证要求认证系统构架STAAPASACPROT基于Web的认证流程WLAN终端APACProtalRADIUS服务器8、REQ-AUTH1、DHCP地址分配2、HTTPrequestuserurl3、HTTPrequestportalurl4、HTTPresponseportalurl5、httppostprotalurl(username,pwd)6、REQ-Challenge7、ACK-Challenge建立连接9、ACCESSrequest（username,pws,challenge,chaid)DHCP地址分配流程强制protal流程认证流程32基于Web的认证流程WLAN终端APACProtalRA基于Web的认证流程WLAN终端APACProtalRADIUS服务器10、access–accept/access-reject11、accounting-request/startusername12、accountingresponse/start13、ACKAUTH14、HTTPresponseportalurl15、AFF-ACK-AUTH如果成功则计费，如果失败，流程结束认证成功，推入门户页面33基于Web的认证流程WLAN终端APACProtalRAWeb用户主动下线WLAN终端APACProtalRADIUS服务器1、HTTPPOSTportalurl(下线请求，用户IP地址)4、HTTPresponseportalurl2、REQ-LOGOUT5、accounting–request/stop6、accounting–response/stop3、ACK-LOGOUT下线流程计费结束34Web用户主动下线WLAN终端APACProtalRADIWeb用户异常下线WLAN终端APACProtalRADIUS服务器AC侦测到用户下线1、NTF-LOGOUT3、accounting–request/stop4、accounting–response/stop2、ACK-LOGOUT下线流程计费结束35Web用户异常下线WLAN终端APACProtalRADI切换切换是指Client由一台AP的覆盖面游走到另一台AP的覆盖面而不会断线。AP在Client不察觉的情形下将Client交给另一台AP。36切换切换是指Client由一台AP的覆盖面游走到另一台AP的切换802.11并没有定义如何达成切换，但定义了所需的基本元件，包括主动和被动的Scanning，以及Reassociation流程。当Client由一台AP切换到另一台AP时，必须作Reassociation，才能和新的AP作结合。802.11允许Client自一台AP切换到另一台相同信道或不同信道的AP。例如每隔约100ms，AP会发出Beacon。切换者利用Beacon测量信号强度，若目前AP的信号较弱，它会和另一台AP作结合。37切换802.11并没有定义如何达成切换，但定义了所需的基本切换802.11的MAC层，负责Client如何和AP作结合。当Client进入多个AP的覆盖面时，Client会选择信号最强，且封包错误率最小的AP作结合。38切换802.11的MAC层，负责Client如何和AP作结以为AP为认证点的切换WLAN终端ASWLAN终端AP_NEWAP_OLD7、IAPPMSG1、reassociation2、IAPP-move-notify3、IAPP-move-reply4、newIAPPregistertoIAPPSERVER(AS)5、NEWIAPPregisterreply(AS)6、IAPPusroffline39以为AP为认证点的切换WLAN终端ASWLAN终端AP以为AC为认证点的切换WLAN终端ACWLAN终端AP_NEWAP_OLD7、IAPPMSG1、reassociation2、IAPP-move-notify3、IAPP-move-reply4、newIAPPregistertoIAPPSERVER(AC)5、NEWIAPPregisterreply(AC)6、IAPPusroffline40以为AC为认证点的切换WLAN终端ACWLAN终端AP认证发起点的部署部署在AC优点便于对AP集中控制；可以结合路由功能包括DHCP功能，可以简化AP的功能，降低AP成本；建网成本低；和业务控制结合紧密，运营灵活；便于本地维护；认证点和计费采集点合一，实时性加强。缺点对AC的功能要求增加，多厂商的兼容性问题需要考虑。由于AP不参与认证过程，无法得到密钥，需要增加消息由AC把密钥送给AP。AP与AC之间不能有路由器等三层设备，限制了组网的灵活性。部署在AP优点网络结构简单；与加密结合紧密，支持动态加密的方式比较标准；AP和AC之间可以采用三层路由设备，提高了组网的灵活性和扩展能力；缺点投资较大；维护量增加；要求AP必须具备远程软件升级能力；为支持WEB认证方式，AP要能透传DHCP和htpt报文，违背了802.1x只许EAPoL报文通过的规定，增加了不安全因素。现有的WLAN设备也是部分支持认证发起点放在AP，部分支持认证发起点放在AC，带有认证功能的AP价格较高41认证发起点的部署部署在AC部署在AP现有的WLAN设备也是部内容802.11基本概念MAC层PHY层安全问题42内容802.11基本概念42协议构架和其他IEEE802标准一样，802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上，也就是物理层和数字链路层。任何局域网的应用程序、网络操作系统或者像TCP/IP、NovellNetWare都能够在802.11协议上兼容运行，就像他们运行在802.3Ethernet上一样。802.11b的基本结构、特性和服务都在802.11标准中进行了定义，802.11b协议主要在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。43协议构架和其他IEEE802标准一样，802.11协议主要MAC帧结构MAC帧结构帧控制域结构44MAC帧结构MAC帧结构44MAC帧结构帧控制域表示控制信息Duration：表示持续时间AddressFields（1-4）―包括4个地址（源地址、目标地址、发送方地址和接收方地址），取决于帧控制字段（ToDS和FromDS位）。SequenceControl―由分段号和序列号组成。用于表示同一帧中不同分段的顺序，并用于识别数据包副本。Data―发送或接收的信息。CRC―包括32位的循环冗余校验（CRC）。45MAC帧结构帧控制域表示控制信息45碰撞处理－CSMA/CA机制先讲Aloha协议纯ALOHA当任何一站有帧进入其发送缓冲器要求发送时，该站不管信道是否忙碌，立即将该帧送入信道发送出去。当该站检测出自己发送的帧和其他帧碰撞的时候，则该站独立随机延迟一个时间后在发送出去纯ALOHA信道的利用率最好为18%。46碰撞处理－CSMA/CA机制先讲Aloha协议46碰撞处理时隙ALOHA对纯ALOHA协议的改进，1972年，Roberts发表了一种能把ALOHA系统利用率提高一倍的方法。他的方法是把时间分为离散的时间段，每段时间对应一帧。这种方法要求用户时间的同步，方法之一就是设置一个特殊的站点，在每段时间的开始象时钟一样发送一个信号。为了和纯ALOHA相区别，Roberts的方法后来被称为分隙ALOHA。在该方法中，计算机并不是在按下回车键后就立即发送信息帧，而要等到下一时隙开始时才发送。这样，连续的纯ALOHA就变成了离散的分隙ALOHA。47碰撞处理时隙ALOHA47CSMA/CA载波侦听多点接入/冲突避免CSMA/CA协议的工作流程是：一个工作站希望在无线网络中传送数据，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，如果发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。48CSMA/CA载波侦听多点接入/冲突避免CSMA/CA协议的MAC层功能要求－DCFDCF(DistributedCoordinationFunction)分布式协调功能是802.11的存取方式，是让所有的设备互相竞争以取得共享Media上的说话权，其实就是CSMA/CA机制的原理。BSS、ESS及IBSS均使用DCF。AP的角色像是802.3的Hub。一般的AP传送和接受时的模式均属于DCF。49MAC层功能要求－DCFDCF(DistributedC分裂(Fragmentation)分裂能将较长的封包切割为几个较短的封包。当长封包有错误产生的时候，会增加负担并降低总体的Throughput。较长的封包发生碰撞的几率較大，故需要方法以将长度缩小，802.11支持此分裂动作。50分裂(Fragmentation)分裂能将较长的封包切割为几MAC层功能要求－PCFPCF（点协调功能）是AP使用PollFrame指定哪一台Client才能说话，而免去碰撞的发生。PCF模式的优点是可以预期WLANFrame的延迟，故可提供QoS(如声音或图象)的功能。当使用PCF，AP负责作Polling。所以Ad-hoc模式下不可能使用PCF。首先，Client需先告知AP它能支持PCF。在PCF期间，AP会发Poll给Client，Client才能发话。这种PCF方式对WLAN能造成额外负担。51MAC层功能要求－PCFPCF（点协调功能）是AP使用PDynamicRateShifting(DRS)ARS(Adaptive(或Automatic)RateSelection)或DRS(DynamicRateShifting)，均为形容Client的动态速度调整功能，当Client和AP距离缩小时，则速度会增加，反之则速度减小。52DynamicRateShifting(DRS)ARS内容802.11基本概念MAC层PHY层安全问题53内容802.11基本概念53物理层－2.4Ghz工作频率范围为2400－2483.5mhz，此频段为非许可公用频段，无线局域网和其他无线接入系统，蓝牙等多可以公用。可用带宽为83.5MHz，划分为13个信道，每个信道带宽为22MHz。信道划分：54物理层－2.4Ghz工作频率范围为2400－2483.5mh物理层－5.8Ghz设备工作频率范围在5725－5858Mhz可用带宽为125MHz，划分为5个信道，每个信道带宽为20MHz55物理层－5.8Ghz设备工作频率范围在5725－5858M802.11b物理层要求对于支持IEEE802.11b的WLAN设备，必须支持直接序列扩频方式（DSSS），不应该采用跳频方式；数据传送率编码长度调制方式波串速率位数/波串1Mbps11(BS串)BPSK1MSps12Mbps11(BS串)QPSK1MSps25.5Mbps8(CCK)QPSK1.375MSps411Mbps8(CCK)QPSK1.375MSps856802.11b物理层要求对于支持IEEE802.11b的W物理层关键技术－DSSS所谓直接序列的扩频系统是用比信息比特率高许多的伪码序列对已调载波信号进行第二次调制（扩频调制）的系统。57物理层关键技术－DSSS所谓直接序列的扩频系统是用比信息比物理层关键技术－OFDMOFDM——OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。58物理层关键技术－OFDMOFDM——OFDM(Ortho内容802.11基本概念MAC层PHY层安全问题59内容802.11基本概念59安全问题无线比有线更容易窃听无线局域网的安全系统要做到有效，就必须解决下面三个安全问题：提供接入