第8章 计算机网络无线网

第8章无线局域网8.1概述8.2无线接入网8.3无线个人区域网8.4无线局域网返回8.1概述8.1.1无线网基本概念8.1.2采用无线网的原因8.1.3无线网的类别8.1.4无线网的应用返回8.1.1无线网基本概念采用无线介质组建的网络称为无线网无线介质目前主要有无线电波，红外线、微波和卫星通信

电话正在从有线向无线发展计算机网络也将从有线向无线发展

返回8.1.2采用无线网的原因（1）布线困难的场所（如河流、高速公路隔离）（2）为了连网方便（如减少连线）

（3）移动计算

返回8.1.3无线网的类别无线网目前主要分成两类：一类是无线局域网一类是Internet无线接入网无线局域网（WirelessLAN，WLAN）严格来说是指符合国际标准的IEEE802.11系列使通信终端通过无线方式连入Internet的技术称为无线接入网接入网有许多标准，包括比较著名的WAP手机上网、移动通信上网等技术

返回8.1.4无线网的应用1.互联网接入2.无线局域网组网3.有线局域网延伸4.无线传感器网络返回1.互联网接入通过无线的方式接入互联网非常方便可以不用连线在任何地点都可以上网包括出差在外，甚至在高速运行的列车上2.无线局域网组网在野外作业时，无需任何布线即可以非常方便地组建一个临时的局域网，以便共享硬件和数据资源非常适合于采矿、军事等方面的应用3.有线局域网延伸学校、图书馆等场所设置无线接入点AP可以方便用户临时加入图书馆的有线局域网，以便对图书馆的图书、资料等进行检索4.无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器进行实时监测，感知和采集各种环境或监测对象的信息这些信息通过无线方式，以分布式的网络形式传送到用户终端进行处理，实现物理世界、计算机世界以及人类社会的三元世界连通无线传感器网络是当前国际上倍受关注，涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域传感器网络是用途非常广泛的网络，例如，用于军事侦察、环境监测与预报、医疗护理、智能家居、建筑物状态监控以及设备监控等各个方面8.2无线接入网8．2．1移动通信网8．2．2无线城域网WMAN返回8．2．1移动通信网1.WAP2.GPRS上网

3.3G移动通信技术

4.B3G返回1.WAP无线应用协议（WirelessApplicationProtocol，WAP）可以使手持设备（手机、掌上电脑）通过移动通信网络连入互联网上的WAP软件服务器等

早在1997年，由诺基亚、爱立信和摩托罗拉等通信公司成立了WAP论坛爱立信公司于是1999年推出了世界上第一个符合WAP标准的WAP系统。移动通信采用电路交换技术，手机上网只能利用移动通信的低速数据通信功能，传输速率是9.6kb/s而且需要通过拨号方式上网，所以数据通信的能力是非常有限的。2.GPRS上网通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService，GPRS）是在第2代（2G）移动通信GSM系统上发展起来的无线上网（Internet）通信标准GPRS采用分组交换技术，提供端到端的无线IP连接人们称这种技术为向3G移动通信标准过渡的2.5代移动通信技术

GPRS的特点GPRS由于采用分组技术，可以使GPRS手机永远在线

GPRS最主要的特点是传输速率高，理论速度可以达到171.2Kb/s

以GSM为基础的GPRS采用的是TDMA技术，与其对应的是采用CDMA（CodeDivisionMultipleAccess

，码分多址）的移动通信标准这种标准也推出了一种向3G过渡的2.5代技术即CDMA2001x最大传输速率为308kb/s，采用电路交换进行语音通信，采用分组交换进行数据传输

3.3G移动通信技术

第2代数字移动通信系统的不足之处是系统容量不够大，不能满足手机用户高密度要求速率低，不能提供高速数据和多媒体服务不能实现全球覆盖无缝连接ITU组织世界各国共同研究第3代移动通信系统的标准1996年正式命名为IMT-2000（InternationalMobileTeleCommunication-2000）即国际移动通信系统，工作于2GHz频段，最高速率达2Mbps，原计划2000年投入使用IMT-2000的目标是：（1）统一全球使用的频率，满足系统的无线兼容问题（2）统一标准。第2代移动通信系统主要是欧洲和美国的标准，而第3代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，使用共同的频段，全球统一标准（3）便于从第2代移动系统演进。由于第2代网络已具有相当规模，所以，第3代网络一定要能在第2代网络的基础上逐步灵活演进（4）全球无缝覆盖，实现全球漫游（5）支持从语音到分组数据的无线传输技术。2G系统主要以提供语音业务为主，3G应能支持语音、分组数据及多媒体业务。为此，ITU规定3G无线传输技术的最低要求：①快速移动环境最高速率达144Kbps②慢速移动环境最高速率达384Kbps③室内环境最高速率达2Mbps（6）具有QoS保证。3G业务靠电路交换技术和IP技术分别实现，其中多样的非语音业务主要由IP技术实现，且3G业务将向全IP化演进。3G的终端应能支持2G、2.5G和3G等多频多模功能，需要支持多种业务、多种应用标准和多种协议3G的标准3G于1997年开始征集无线传输标准候选技术最终在ITU2000年全会上批准了3个目前公认的主流规范CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMACDMA2000最早由北美提出WCDMA最早由欧洲和日本提出TD-SCDMA最早由中国提出，具有中国自主知识产权，是百年来中国电信技术史上的重大突破，标志着中国在移动通信技术领域进入了世界先进行列3G的应用情况从2001年10月开始，3G技术开始提供商用业务3G将给人们提供诸如视频电话、视频点播、彩信、电子商务等各种无线多媒体互联网业务，通过移动通信为人们带来丰富多彩的生活世界上许多国家的电信运营企业都提供了3G移动通信服务，用户已经数以万计中国3G移动通信业务也已经在部分城市开通，人们正拭目以待3G网络时代的到来4.B3G早在1999年3G移动通信网还没有正式开通之前，ITU就已经把BeyondIMT-2000（后三代，B3G）的研究列入了议事日程在3G到B3G的技术演进过程中，两大移动通信标准化组织3GPP和3GPP2分别开始致力于3G演进系统的技术研究和标准化工作，包括：3GPP提出的长期演进项目3GPP2提出的空中接口演进项目B3G的基本框架主要包括：（1）室内用户速率可达100Mbps，高速移动的情况下可达2Mbps（2）容量要达到第3代系统的5-10倍，传输质量要优于第3代系统（3）数据业务将由从属地位上升到主导地位，分组业务要占主要成份（4）支持下一代Internet（IPv6），采用全IP网络B3G又称为第4代（4G）移动通信标准，目前发达国家已经开始着手研制第4代移动通信的标准和产品，我国863计划也在2002年初启动了对第4代移动通信系统的研究8．2．2无线城域网WMAN有线宽带互联网的接入已经有了很多种方式人们还一直在追求如何方便地通过无线宽带方式接入互联网，解决最后1公里的接入甁颈问题无线城域网有很多种方案，包括欧洲的HiperMAN标准固定无线接入技术IEEE802.16标准返回本地多点分配业务固定无线接入技术的典型代表是本地多点分配业务（LocalMultipointDistributionService，LMDS）是一种宽带无线点对多点接入技术可以通过无线方式向用户提供语音、高速数据和视频业务接入，最高速率为155Mbps，传输距离为3Km左右，被称为无线光纤技术但是由于没有统一的标准，因此一直未能普及IEEE802.16无线城域网标准IEEE802.16委员会，专门制定无线城域网的标准2002年4月通过了IEEE802.16无线城域网标准又称为IEEE无线城域网空中接口标准，其目标是用来作为现有的有线宽带接入业务的补充IEEE802.16与WiMAX的关系为了推广IEEE802.16标准，2001年4月，由业界领先的通信产品及设备公司诺基亚、Harris与Ensemble共同发起了一个非盈利性组织—WiMAX论坛目标是对基于802.16标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证现在已经有超过150家厂商参加了这个论坛WiMAX已经成了IEEE802.16标准的代名词IEEE802.16与WiMAX的关系是：IEEE802.16工作组是该标准的制定者，而WiMAX论坛是IEEE802.16标准的推动者802.16的两个主要标准802.16目前有两个主要标准：802.16d（正式名称是802.16-2004），是固定宽带无线接入空中接口标准（2-66GHz频段）802.16e，是增强型版本，支持移动性的宽带无线接入空中接口标准（2-66GHz频段），向下兼容802.16d802.16标准的主要特点如下（1）传输距离远。作为城域网的接入技术，802.16d的额定小区半径可以达到至少15Km，远远高于移动通信网的小区半径（2）接入速率高。仍以802.16d为例，其接入速率可以达到75Mbps，也远远高于移动通信网的接入速率（3）提供QoS保证，支持多媒体数据传输（4）支持移动宽带无线接入，使用户终端可以以车辆速度移动，但这个功能只有802.16e提供8.3无线个人区域网8．3．1个人区域网基本概念8．3．2蓝牙技术8．3．3ZigBee8．3．4超宽带UWB技术返回8．3．1个人区域网基本概念无线个人区域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）是在一个微小区域内的通信网络，又称为微微网（Piconet）特点是：网络中的所有网络设备都属于一个人或一个家庭网络的范围很小，一般在十几米之内，在一个微小的范围之内实现各种网络设备之间的数据传输这里所说的网络设备是从连网的角度来说的，实际上并不是一般意义上的网络互连设备，大部分都是一些电子设备、消费电子设备等，例如手机、音响、电视机、音箱、灯控设备、MP3和数码相机等这些设备为人们日常的工作、生活提供了很大的方便，但是，令人头疼的是到处都是杂乱无章的连线，弄得人手足无措因此，人们非常希望能有一种微型网络把这些设备通过无线的方式连接起来，这样的网络即WPAN返回WPAN的主要标准IEEE802.15工作组制定的标准主要有：（1）802.15.1蓝牙技术标准（2）802.15.3ZigBee低速WPAN标准（3）802.15.4UWB高速WPAN标准欧洲的ETSI也相应制定了HiperPAN的无线个人区域网标准微软、英特尔、摩托罗拉和惠普等公司成立的HomeRF任务组也制定了HomeRF标准红外数据协会制定了点到点传输的以红外线作为传输介质的IrDA标准8．3．2蓝牙技术蓝牙是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel和Toshiba等几家公司于1998年共同提出的无线通信标准目前，全球已经有很多公司推出了蓝牙芯片、开发平台、测试设备以及各种蓝牙应用系统蓝牙是一种无线局域网

返回蓝牙的功能蓝牙主要功能是在PC机、便携式电脑、掌上电脑、手机、数字相字、打印机等设备之间形成一个以无线通信为基础的“微网”，传输距离为10m，传输速率为1Mb/s

蓝牙具有全向通信能力，不需要对所连接的设备定向(作为比较，红外通信具有方向性)

蓝牙使用全球通行的、无需申请许可证的2.4GHZ频段，可以实时进行语音和数据传输目前许多设备包括手机、便携式电脑、PC机以及打印机等都安装了蓝牙设备接口，实现了设备之间短距离内的无线连接

8．3．3ZigBeeZigBee主要是用于办公自动化、工业监控以及自动化控制领域用来组建监控区域网络系统比如典型的可以应用于传感器网络ZigBee来源于蜜蜂的蜂群通过跳Z形（ZigZag）舞蹈，来通知其伙伴所发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，因此把ZigBee作为一种无线通信技术的名称ZigBee技术主要用于各种电子设备（包括固定的或移动的）之间的无线通信返回ZigBee特点：距离比较短，一般在10-80m速率比较低，一般在2-250Kbps成本低廉，价格便宜功耗低，适合于长期工作ZigBee最主要的特点与其它的WPAN相比较，ZigBee最主要的特点是低功耗ZigBee在工作时，信号的收发时间极短，而在不工作时结点立刻进入休眠状态因此，ZigBee非常省电，结点的电池工作的时间一般都在6个月到2年左右ZigBee的标准ZigBee网络的标准最初是由IEEE定义的，并把标准规定为IEEE802.15.4IEEE802.15.4只定义了ZigBee的物理层和MAC层，高层协议包括网络层和应用层的标准则是由ZigBee联盟定义的ZigBee的产品与IEEE802.15.4的产品是等同的，ZigBee是IEEE802.15.4标准的同义词ZigBee的MAC层沿用802.11无线局域网标准CSMA/CA协议（稍后介绍）ZigBee的物理层定义了三个频段，这三个频段都是免许可证的，包括2.4GHz、915MHz和868MHz，所对应的ZigBee的数据传输率依次是250Kbps、40Kbps和20KbpsZigBee组网ZigBee由全功能设备（Full-FunctionDevice，FFD）与精简功能设备（Reduced-FunctionDevice，RFD）组成一个微型的星型网FFD是主设备，作为星型网的中间结点RFD是从设备，作为星型网的端结点FFD结点具备控制器的功能，能够提供数据交换功能，RFD结点只能与FFD结点交换数据通过各个FFD可以把星型网络再组建成网状网此时，FFD即作为网络中的路由器，可以形成一个大型的、具有超过6万个结点的ZigBee网络8．3．4超宽带UWB技术超宽带（Ultra-WideBand）是一种宽带的、高速的无线个人区域网UWB是一种不用载波，而采用时间间隔极短的脉冲进行无线通信的技术，又称作脉冲无线电（ImpulseRadio）早在上个世纪70年代，人们就开展了脉冲无线电的研究1993年美国南加洲大学的Scholtz在国际军事通信会议上发表论文，论证了冲激脉冲调制的多址技术，开辟了将冲激脉冲作为无线通信信息载体的新途径UWB被认为是无线电技术的革命性进展返回

UWB的标准UWB的正式标准是IEEE802.15.3这个标准定义的UWB高速个人区域网的传输速率是11-55Mbps，传输距离是10m标准是专为便携式多媒体设备之间进行高速数据传输而制定的，可以不用连接线，就能把PC机和同在一个房间的打印机、扫描仪、数码摄像机、活动硬盘以及其它消费类高速电子设备连接起来IEEE802.15.3a工作组还提出了更高速率的UWB标准，使UWB的速率可以达到100-400Mbps，工作频带在3.1-10.6GHz的微波频带UWB的产品包括Intel在内的多家公司推出了UWB芯片及系统8．4无线局域网8．4．1基本概念8．4．2Wi-Fi协议标准8．4．3无线局域网组网模式8．4．4无线局域网组建返回8．4．1基本概念无线局域网是通过无线数据传输的方式组建的局域网（符合802.11标准）相对于无线局域网，过去的局域网，包括以太网、令牌环网、FDDI网络都是采用有线的组网方式

返回为什么采用无线局域网随着笔记本电脑等便携式计算机的不断普及，人们迫切需要能够进行易地办公、移动办公，能够在任何时候、任何地点接入公司的局域网或接入Internet需要穿越公路、河流的情况，野外勘测、考察、试验以及军事演练等在网络布线方面都存在很多局限性

在90年代初，人们开始进行无线局域网的研究，并相继推出了无线局域网产品

两种产品：台式机无线网卡便携电脑无线网卡8．4．2Wi-Fi协议标准1．IEEE802.11标准系列2．无线局域网协议3．无线局域网的安全返回1．IEEE802.11标准系列WLAN的主要标准有3个：最早的WLAN标准是802.11b，工作在免许可证的2.4GH频段，采用DSSS/CCK调制方式，传输速度是11Mb/s2001年又推出了IEEE802.11a标准，采用OFDM调制方式,传输速率是54Mb/s，工作在5.8GHz频段。虽然802.11a的传输速率高，但是由于802.11a工作在5.8GHz的频段，与802.11b不兼容

802.11工作组于2003年6月推出了IEEE802.11g局域网标准。802.11g标准与802.11b标准完全向后兼容，可以工作在同一个网络内。802.11g工作在2.4GHz频段，采用OFDM调制方式，传输速率是54b/s2．无线局域网协议

MAC层即媒体访问控制子层802.11MAC层采用的介质访问控制方法是载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）方式这种方式与802.3的CSMA/CD方式相近

3．无线局域网的安全

WLAN的信息通过电波传向四周的空间，非常容易被窃听，因此局域网的安全问题是非常重要的

802.11提供的数据加密机制称无线等价保密（WiredEquivalentPrivacy，WEP），使用40位共享密钥的RC4密码算法

8．4．3无线局域网组网模式1．自组网络2．固定访问点AP方式3．室外中继返回1．自组网络自组网络是一种无中心拓扑结构，网络连接的计算机具有平等的通信关系，如图8-1所示图8-1自组网络结点A要与结点D通信，需要经过中间结点的转发，如A→B，B→C，C→D其中的B和C都是转发结点，各结点都具有路由功能自组网络不需要基础的固定设施，是临时组成的网络，非常适合于野外作业或军事领域2．固定访问点AP方式这种方式是星形拓扑结构的网络中心结点称作接入点AP组成的这个星型网络称作基本服务集（BasicServiceSet，BSS）一个BSS包括一个类似移动通信的基站和若干个移动站点，所有的站点在本BSS以内可以直接通信，其中的基站就是中心结点AP，如图8-2所示图8-2固定访问点AP方式一个基本服务集可以是孤立的，也可以通过接入点AP连接到一个分配系统（DistributionSystem，DS）,然后再连接到另一个基本服务集若干基本服务集构成了一个扩展的服务集（ExtendedServiceSet，ESS）分配系统DS可以使用