无线网络3-2.ppt

1、3.2无线局域网数据链路层的关键技术,MAC协议 无线媒体访问控制技术 组帧技术 加入网络连接技术 提供数据验证和保密技术,1、以太网中的CSMA/CD原理,一、媒体访问控制技术,2、无线信道中的媒体访问控制技术 （1）分布式协调功能（DCF）即 CSMA/CA （2）点协调功能（PCF）,物理层,分布式协调功能DCF (Distributed Coordination Function),点协调功能PCF (Point Coordination Function),无竞争,竞争,MAC层,3、分布式协调功能（DCF）,（1）CSMA/CA原理图：,SIFS：Short Inter-Frame

2、 Space，短帧间间隔，长度为28s。用来分开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间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中接入点AP发送的任何帧。 PIFS：Point Inter-Frame Space，点协调功能帧间间隔，是为了开始使用PCF方式是优先获得发送权接入到媒体中。长度是SIFS加上一个时隙长度（50 s ），即78 s 。 时隙长度：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，其他站就都能检测到信道已转变为忙态。类似于以太网中的5

3、1.2 s 。 DIFS：Distribute Inter-Frame Space，分布式协调功能帧间间隔，长度为PIFS再加一个时隙，为128 s 。,（2）原理解释： CS：载波监听，包含两个方面，物理层载波监听和MAC层虚拟载波监听。 物理层监听：通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判断是否有其他的移动站在信道上发送数据。 虚拟载波监听：让源站把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，以便使其他站在这一段时间都停止发送数据，这样大大减少了碰撞的机会。 CA：冲突避免，当信道从忙态转为空闲，任何一个站要发送数据帧时，不仅必须等待一个DIFS的间隔，

4、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。 EIFS：SIFS+ACK时间。,（3）流程图,（4）随机退避时间： 退避窗口：022+i-1个时隙。 T backoff=Random(0,CW)* a slot time 当退避计时器的时间减少到0且信道空闲，就开始发送数据。 也可能当退避计时器的时间还未减少到0，信道又转为忙，这时冻结退避计时器的数值，重新等待信道空闲，在经过DIFS后，继续启动退避计时器，这有利于继续启动退避计时器的站更早地接入到信道中。,4、信道预约式CSMA/CA,RTS/CTS机制原理图,C,D,B,A,E,(1)A欲与B通信，发送一个RTS，

5、包含这次通信 的原地址、目的地址和这次通信持续的时间。,RTS,RTS,RTS,(2) B若空闲，发送一个相应控制帧CTS，也包括这次通信所需的持续时间，从RTS中复制。,(3) C处于A的传输范围内，但不再B的传输范围内。因此，C能够收到A发送的RTS，经过一小段时间后，C不会收到B发送的CTS。这样A向B发送数据时，C也可以发送自己的数据给其他站而不会干扰B。,(4)D站点收不到A的RTS，但能收到B的CTS，所以D知道B将要和A通信，D在A和B通信的一段时间内不会发送数据，因而不会干扰A和B通信。,(5)E站点能接收到RTS和CTS，所以在A与B通信过程中不会发送数据，不会产生干扰。,5

6、、点协调功能（PCF）方式,类似于令牌网中的令牌功能。,AP,S1,S2,Sn,询问,询问,询问,二、组帧技术,1、以太网的帧：,2、无线局域网的帧一般格式：,（1）帧控制：包含协议版本、类型等10多个子字段。 （2）持续时间：表示发送站请求发送持续时间的数值，其它站点收到该帧在这个时间内都不允许发送数据。,（3）地址1、2、3、4：包含不同类型的地址，有 ：基本服务集标识 （BSS-ID）、源地址、目的地址、发送站（AP）地址和接收站（AP）地址，具体的地址类型取决于帧的类型。各地址长度均为48位，且有单播、组播和广播地址。 （4）序列控制：靠前4位表示分段号，用来标明一个特定的媒体服务数据

7、单元（MSDU）；后面12位表示序列号，一个特定的MSDU的每一个分段都有相同的序列号。此字段可以用来判断是否为重复帧。 （5）数据：帧体。长度可变，内容随帧类型不同而不同。数据帧中包含的是一个LLC数据单元；MAC管理帧和控制帧包含的就是一些特定的参数；该部分甚至可以为空。 （6）FCS：帧校验序列，使用CRC-32生成多项式计算。,2、控制字段类型,1,协议类型：为0。 类型：00表示管理帧、01表示数据帧、10表示控制帧、11保留。 子类型：进一步功能划分。 到分布系统：表示该帧发往分布系统。 从分布系统：表示该帧来自分布系统。 更多分段：表示同一个MSDU还有其他分段在后续帧中。,重发

8、：表示该帧是重发的帧。 电源管理：表示发送工作站在完成目前的帧交换序列之后的电源管理模式。如果工作站进入睡眠模式，该字段为1，为0表示为激活模式。 更多数据：如果工作站还有MSDU要发往处于节能模式的工作站，那么该字段为1，否则为0。 WEP：加密，为1时表示向接收站声明，数据已经被WEP算法加密了，为0表示数据为明文的。 排序：为1表示采用严格顺序服务级别的帧 ，比如语音类的，必须按顺序接收。,3、管理帧结构,管理帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务，包括信标（beacon）帧、IBSS通告通信量指标（ATIM）帧、解除关联帧、关联请求/响应帧、重新关联请求/响应帧

9、、探询请求/响应帧、链路验证帧、解除链路验证帧。 管理帧格式：,帧控制,时间,DA,SA,BSSID,序列控制,数据,FCS,2,2,6,6,6,2,02312,4,持续时间：在无竞争PCF模式下，管理信息帧该字段为0X8000即32768，这可以使管理信息帧在其他站获得媒体访问权之前，有足够的时间建立通信连接。 在无竞争期，如果目的地址是组播或广播，管理信息帧的持续时间置为0。 MF字段为0时，且目标地址是单个独立地址时，持续时间字段的值是发送一个响应ACK和一个SIFS所需时间。 MF字段为1时，且目标地址是单个独立地址时，持续时间字段的值是发送下一个分段、两个ACK和3个SIFS所需的时

10、间。,连接请求帧（association request frame）：如果一个工作站欲登录到一个AP上，那么就向这个AP发送连接请求帧。得到许可后，工作站的登录连接就算完成。 连接响应帧（association response frame）：AP收到一个连接请求帧后 返回一个连接响应帧，指明是否允许和该工作站建立连接。 再次连接请求帧（reassociation request frame）：如果一个工作站想和一个AP再次连接，就向AP发送此帧。当一个工作站离开一个AP的覆盖区进入另一个AP的覆盖区时，可能发生再次连接。站需要和新的AP再次连接，以使AP知道，它要对原来的AP转交过来的数据

11、帧进行处理。,再次连接响应帧（reassociation response frame）：AP收到再次连接请求帧后，返回一个再次连接响应帧，指明是否和发送工作站再次连接。 探询请求帧（probe request frame）：工作站通过发送探询帧，以得到来自另一个工作站或AP的信息（如是否可用等）。 探询响应帧（probe reponse frame）：工作站或AP收到探询请求帧之后，会向发送工作站返回一个包含自身特定参数的探询响应帧。 信标帧（beacon frame）：在一个基础结构中，AP定期发送信标帧，保证相同物理网中所有工作站的同步。信标帧中包含时戳（timestamp），所有工作站

12、都利用时戳来更新其时间同步功能（TSF）计时器。,业务声明指示信息帧（ATIM：announcement traffic indication message）：有的工作站负责缓存发向其他工作站的帧，前者会向后者发送ATIM帧，接收端立即发送一个信标帧。随后，负责缓存的工作站将缓存的帧发网对应的接受者。ATIM帧的发送使工作站从睡眠转向唤醒，并保持足够长的“清醒”时间来接收各自的帧。 分离帧（diassociation frame）：如果一个工作站或AP想终止一个连接，只需向对方工作站发一个分离帧即可。当使用广播地址时，一个分离帧可终止与所有工作站的连接。 认证帧（authentication

13、 frame）：工作站通过发送认证，可以实现对工作站或AP的认证，认证序列由一个或多个认证帧组成。 解除认证帧（deauthentication frame）：当工作站想终止安全通信时，就向工作站或AP发送一个解除认证帧。,4、控制帧结构,当工作站和AP之间建立连接和认证之后控制帧为数据帧的发送提供辅助功能。,（1）请求发送（RTS）：工作站向某接收站发送RTS帧，以协商数据帧的发送。 Duration字段的值以微妙为单位，是工作站发送一个RTS帧、一个CTS帧、一个数据帧和一个ACK帧和三个SIFS所需时间。,（2）清除发送（CTS）：收到RTS后，接收方向发送方返回一个CTS帧，以确认发送

14、工作站享有发送数据帧的权利。Duration字段的值是工作站发送一个CTS帧、一个数据帧和一个ACK帧和2个SIFS所需时间。,（3）应答（ACK）：工作站收到一个无误的帧（数据帧或管理帧）之后，会向发送工作站发送一个ACK控制帧，以确认没有发生冲突且帧已经被成功接收。其中duration时间为一个ACK时间和一个SIFS间隔之和。,（3）节能轮询（PS-Poll）：当工作站受到PS-poll控制帧后，会重新更新网络分配矢量（NAV），NAV用于表明工作站多长时间内不能发送信息，它包含对媒体未来通信量的预测。,（5）无竞争终点（CF End）：表明中心网络控制方式（PCF）的终点。这类帧的du

15、ration字段一般设置为0。,（6）无竞争终点确认（CF End CF ACK）：用于对CF End的确认。这类帧的duration字段一般设置为0。,5、数据帧结构,数据帧的功能是向目的工作站传送数据信息。 数据帧的地址域（A1A4）的值依赖于控制字段中To DS和From DS的值。,三、MAC子层的管理,1、时间同步 在无线局域网中，所有的工作站必须采用一个公共的时钟同步才能实现相互间的通信。定时同步功能（timing synchronizing function，TSF）使无线局域网内的所有工作站的定时器保持同步。 在一个基础结构（infrastructure）网络中，无线接入点AP

16、周期地发送信标帧，其中包含定时同步参数，其它站点根据接收到的信标帧更新自己的定时器。 在自组模式（AD-Hoc）网络中定时同步功能通过分布式算法来实现，由整个无线局域网中的所有成员来执行。在该模式下，第一个进入此模式的用户将自己设定为主管，此“主管”负责提供时标信号给其他用户做同步用。,2、扫描过程：发现可用网络的过程。有两种类型：主动扫描和被动扫描。此过程也叫登录入网或加入网络。 （1）扫频：在不同信道上的一系列扫描。使用信道列表进行，又根据信道列表的覆盖范围分成完全扫描和短扫描。 （2）主动扫描：工作站发送包含有该站希望加入的SSID的探询（probe）帧，然后开始等待探询响应帧，探询响应

17、帧将标识所需网络的存在。 （3）被动扫描：工作站对每一个信道都进行一段时间的监听，监听AP发送过来的信标帧，如果监听到本站希望加入的SSID信标，便通过验证和连接过程完成连接。 注：在多个AP的环境中，无线客户端可能有多个SSID都满足加入条件，这种情况下，无线客户端将选择最强信号和最低误比特率的AP加入。,（4）切换和漫游 切换：指的是在相同的SSID（AP）之间，移动终端与新的AP建立新的连接，并切断原来AP的连接过程。 漫游：指的是在不同的SSID（AP）之间，移动终端与新的AP建立新的连接，并切断原来AP的连接过程。 （5）移动IP 所谓移动IP，就是指在IP网络上的多个子网内均可使用

18、同一IP地址的技术。使用被称为本地代理（home agent）和外地代理（foreign agent）的特殊路由器对网络终端所处位置的网络进行管理来实现。 （6）切换与漫游存在的问题 在没有启用加密协议的情况下，相同的SSID之间的业务连接由AP控制，AP仅仅起到二层透传的作用；在不同SSID之间，由于地址发生变化，业务将中断，需要重新进行连接。 如果采用了加密机制，每当到一个新的AP时，都需手工输入密钥，即麻烦又不安全。,3、功耗管理 在IEEE802.11标准中无线客户端有两种电源管理模式：主动（活动）模式和省电（节能）模式。 （1）电源管理的活动模式（AM）：工作站处于全功率模式，可以随时接收帧。PCF模式下的工作站应处于该模式下。 （2）电源管理的节能模式（PS）：工