无线网络技术.ppt

1、Wireless Networking,主讲教师：张亮 Tel:E-mail: 2010年1月,无线网络技术导论,第三讲 无线局域网,第三讲 无线局域网,无线局域网概述,无线通信与无线网络 无线通信只要求两台计算机之间能传输数据 无线网络要求以无线方式相连的计算机能共享资源，具有有线网络系统所支持的各种功能。 无线局域网（WLAN） 指以无线信道作为传输介质的计算机局域网。,无线局域网优点,移动性 灵活性 可伸缩性 经济性,无线局域网局限,可靠性 带宽与系统容量 兼容性与共存性 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，低价格,无线局域网的历史

2、与发展,无线局域网的诞生 说到无线网络的历史起源，可能比各位想像的还要早。无线网络的初步应用，可以追溯到五十年前的第二次世界大战期间，当时美国陆军采用无线电信号做资料的传输。他们研发出了一套无线电传输科技，并且采用相当高强度的加密技术。当初美军和盟军都广泛使用这项技术。 这项技术让许多学者得到了灵感，在1971年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络，这被称作ALOHNET的网络，可以算是相当早期的无线局域网络。 1979年，IBM 首先提出无线网络概念 1980年，惠普实验室，开始真正研发无线局域网项目,无线网络的历史与发展,第一代局域网 1985年，FCC颁布电波

3、法规为无线局域网的发展扫清道路。 第二代局域网 IEEE802.11标准的制定 第三代局域网 多个标准出现 IEEE802.11标准的扩展,无线局域网的分类和应用,按照频段 专用频段 自由频段 按照业务类型 面向连接 语音实时性较强业务 非面向连接 分组和IP 按照拓扑结构 Peer-to-Peer 基础结构式,无线局域网主要标准,IEEE 802.11x 欧洲HiperLAN,第三讲 无线局域网,无线局域网的组成,站（主机或者终端） 无线局域网的最基本组成单元 包括（元素） 终端用户设备 无线网络接口 网络软件,无线局域网组成,无线介质 无线接入点（AP） 无线网络核心 无线AP是移动计算机

4、用户进入有线网络的接入点，主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米 分布式系统 扩展业务区,无线局域网技术模式,Ad-hoc(无线自组织)无线网络 对等模式 设备间可直接通信 无需接入点支持 每个节点都有从一个节点转发到另一个节点的能力 独立的基本服务集,无线局域网技术模式,Ad-hoc网络最好应用于 无接入点建立全无线网络 可桥接如有线网络，作为基础机构方案备份 实际应用 会议室、汽车上的临时笔记本会议 互连“个人”设备 紧急救援活动 野外探测 军事应用IBSS,无线网络技术模式,基础结构无线网络 无线站点处于相对固定的位置 指定接入点 有接入点桥接如有线以太网 B

5、SS包含至少一个AP和两台移动设备,无线网络技术模式,基础结构网络 集中的安全性 可扩展性 较好的运作范围 路由简单 抗毁性差,无线网络技术模式,基础结构网络拓展 ESS 多个BSS组成的多区网 有分布式系统链接组成,无线局域网的服务,9个服务 控制访问和机密性（3） 认证（Authentication) 解除认证（Deauthentication） 保密（privacy） 用于支持MAC服务数据单元的传送（6） 处理移动性（5） 连结（association）、重新连接（re-association）、解除连接（disassociation）、分布（distribution）、集成（inte

6、gration） 数据传递（1） MSDU delivery,控制访问和机密性,Authentication 802.11支持多种认证模式，并允许对此进行扩充。 标准没有强制任何特定认证模式 De-authentication 一个原先已经通过认证的站点离开网络时需要解除认证 Privacy 用来防止消息内容被非指定接收者阅读,关联服务,Association 站点首先必须与所在BSS的AP建立关联，然后AP才能将此信息通报给ESS内的其他AP，以便路由和帧的传递。 Re-association 关联可从一个AP转换到另为一个，允许站点从一个BSS移动到另一个。 Disassociation

7、去联通告可由AP或者与之关联的站点发出 MAC管理机制防止没通告的站点消失,分布式系统内的消息分发,Distribution 用来站点之间交换MAC帧 从一个BSS的站点发送到另一个BSS的站点 Integration 当数据交换双方站点一个位于802.11LAN，另一个位于非802.11LAN时设计地址转换、传输介质变换逻辑和帧格式转换,第三讲 无线局域网,什么是Wi-Fi,“Wireless Fidelity”(无线相容性认证) Wi-Fi联盟是一个非盈利组织，致力于802.11 WLAN发展和实现 通过促进使用标准化IEEE802.11技术来鼓励全球Wi-Fi 促进和推广家庭，小型办公和

8、企业使用Wi-Fi产品 测试和保证Wi-Fi产品质量,IEEE 802.11体系结构,IEEE 802.11协议栈 802.11满足与其他有线802.x系列的无缝融合 应用程序感觉不到任何不同（除了） 带宽低 接入时间长 无线节点的高层协议（应用协议、TCP、IP）与有线节点的高层协议一样,IEEE 802.11协议栈,MAC层 MAC子层 访问机制的实现和分组的拆分和管理 MAC管理子层 电源管理等 物理层 物理汇聚层 形成统一格式分组和载波监听分析 物理媒体依赖层 识别 相关媒体信号，编码调制,IEEE 802.11物理层与MAC层,物理媒体依赖子层（PMD） 调制解调和编码/解码 物理层

9、汇聚协议（PLCP） 向上提供独立于传输技术的物理层访问点（SAP） 802.11媒体访问控制层 控制媒体访问 用户数据分段 加密,IEEE802.11物理层,802.11基本机制 FHSS 通过调频功能和频移键控调制技术将二进制数据帧转换为适合无线电波传输的信号，或使FHSS发送数据帧 DSSS 定义了物理层帧的格式，解释了如何利用DSSS发送帧 IR 利用红无线物理层发送帧以及利用调制技术将二进制数转换成合适的红外线光传播信号,IEEE 802.11管理,MAC管理 站点与接入点的关联、站点漫游 认证、加密、同步、能量管理 MAC管理信息库的维护 PHY管理 信道转换 物理管理信息库的维护

10、 站管理 协同两个管理层,IEEE 802.11MAC的功能,访问控制 可靠数据传递 安全,链路管理 帧定界 透明传输 差错控制 流量控制 介质访问控制 寻址,IEEE802.11媒体访问控制,分布接入协议 AD网络 集中接入协议 基础结构网络 分组无线MAC 分布协调功能（DCF） 点协调功能（PCF）,分布协调功能（DCF）,基于CSMA/CA的基本方法,分布协调功能（DCF）,载波侦听（CSMA） 规则 有载波，不发送 无载波，发送 上述规则不适用于无线环境 解决方法： RTS/CTS 碰撞检测（CD） 无线环境下不能工作 采用碰撞避免（CA） Random后退,可靠的数据传送,通过确认

11、机制来提高可靠性 RTS（Request to sent） CTS(Clear to sent) RTS/CTS保证一个数据报的完整传输过程,“隐藏”节点问题,“暴露”终端问题,如何解决“隐藏节点”问题？,隐藏终端：A和C互不知道 障碍物导致信号衰减 如果多于两个节点同时发送将在B处冲突,如何解决“隐藏节点”问题？,RTS/CTS 首先，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，而其余欲向B发送数据的基站则暂停发送；双方在成功交换RTS/CTS信号（即完成握手）后才开始真正的数据传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向

12、同一接收站点发送信号时，实际只能是收到接收站点回应CTS的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。,用RTS-CTS解决隐藏节点问题,CSMA/CA,采用带有冲突避免的CSMA 如果媒体为空，则节点传输帧； 如果媒体为忙，则等待直到当前传输完全结束。 能降低冲突概率 有效的后退算法（高负载时） 优先级服务,帧间间隔 IFS(Interfram space ),后退过程,当空闲时间= IFS立即传输 当介质忙，延迟直到当前传输结束+ IFS时间 开始后退过程 选择一个随机数( 0, Cwindow) 冲突则重复尝试，随机时间的平均值加倍 避免空闲时间同时传输,使用后退过程延迟发送的目的在于避免多个

13、站点同时传输引起的冲突,控制等待时间的参数（优先级）,用不同的帧间隔来定义优先级 SIFS (Short IFS) PIFS (PCF IFS) DIFS (DCF IFS,帧间间隔 IFS(Interfram space ),使用CSMA/CA的基本DCF,如果媒体持续为空的时间大于DIFS，则节点可以立即访问媒体。 网络负载较轻时可缩短访问延迟 网络规模增大时需要其他机制的协助 如果媒体为忙，则等待一段随机时间。,无线介质访问控制方式,分布式访问方式（DCF） 它采用具有冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA协议进行无线介质的共享访问（RTS/CTS为辅）。是物理层兼容的工作站和访问节点

14、（AP）之间自动共享无线介质的主要的访问协议。 中心网络控制方式（PCF）/ 点协调功能 中心网络控制方式是一个无竞争访问协议，适用于节点安装有点控制器(中心控制器)的网络。 所有的工作站均服从中心控制器的控制，中心控制器用轮询法（polling）询问每个站有没有数据要发送，由于完全控制了各个站的发送顺序，因此不会有冲突产生。,点协调功能（PCF）,需要一个集中的轮询站点 以循环的方式轮询所有配置成polling的站点 被询问的站点利用SIFS返回响应 如果收到响应则用另一个PIFS发出另一个polling 如果没有收到响应，则polling其他站,PCF只有在接入点轮询到他时才会发送数据,I

15、EEE 802.11MAC帧基本字段,Frame control 两个字节的控制字段具有多种用途。 Duration/ID 表示下一个要发送的帧可能要持续的时间。 Address 14 每个地址的含义由Frame control中的DS解释。 Sequence control 序列号用来过滤掉重复帧。 Data 包含任意长度的数据（02312字节）。 Checksum 802.11采用4个字节的校验码。,IEEE 802.11帧结构,IEEE 802.11帧控制字段,Protocol version 当前版本号是0 Type/ Subtype 确定帧的功能 管理(00)：11个 控制(01)：

16、6个 数据(10)：8个 保留(11),IEEE 802.11帧控制字段,More fragments 1表示在当前的MSDU后面还有另一个fragment。 Retry 1表明当前帧是以前帧的重传。 Power management 表明站的模式：1表示站进入节能；0表示活跃。 More data 一般来说该字段指示接受者发送者还有帧要传来。 Wired equivalent privacy (WEP) 该字段表明采用802.11标准的安全机制。 Order 1指示接受者必须严格按照顺序处理该帧。,地址字段,802.11MAC控制帧（6）,ACK 来自接收端的立即确认 正确的数据帧 管理和处

17、理Poll帧正确接收 RTS/CTS 4次交换的前两个帧 通知发送端和接收端附近的节点 CF-end 通告无竞争阶段的结束 CF-end + CF-ack 确认CF-end,802.11MAC数据帧,携带用户数据（4） Data 最简单的数据帧。用于无竞争/有竞争阶段 Data + CF-ack 仅用于无竞争阶段。除了携带数据外，该帧还携带对刚收到数据的确认。 Data + CF-poll 被点协调员用来传递数据给移动站，也可用于请求移动站点发送一个可能被缓存的数据帧。 Data + CF-ack + CF-poll 把上述功能结合在一个帧中,802.11MAC数据帧,没有任何数据（4） Nu

18、ll function（no data） 携带能量管理帧中由AP指示站点进入节能状态 CF-ack （no data） CF-poll （no data） CF-ack + CF-poll （no data）,802.11MAC管理帧,管理站点和AP间通信 连接请求Association request 移动站点向BSS内的AP请求关联 连接响应Association response AP接受移动站点的关联请求 重连请求Re-association request 当移动站点离开当前BSS而进入另一个BSS时必须向新BSS的AP请求关联 新AP据此和老AP协商数据帧的转发 解除连接Re-as

19、sociation response 新AP接受移动站点的关联请求 dissociation,802.11MAC管理帧,管理站点和AP间通信 侦测请求Probe request 用来获取AP或者其他站点的信息 侦测相应Probe response 对上述请求的响应 信标Beacon AP建立时序同步功能而准定期发送的管理帧 宣布流量指示标文Announcement traffic indication message 通知其他站点有缓存的数据,802.11MAC管理帧,管理站点和AP间通信 认证Authentication 站点之间交换信息和采用多种模式，达到相互认证目标 取消认证De-aut

20、hentication 通知其他站点终止当前的安全通信。,IEEE802.11三大标准,IEEE802.11a 物理层 用OFDM（正交频分多路复用）技术 工作频段是5GHz 数据速率为54Mbps 用了54个频率 48个用于数据 4个用于同步控制 MAC层与其他802.11标准相同,IEEE802.11三大标准,IEEE802.11b 物理层 采用HR-DSSS(高速率直接序列扩频)技术 工作频段是2.4GHz 数据速率为1、2、5.5Mbps/11Mbps 覆盖范围是11a的7倍 产品 已经发展到第四或第五代 大部分缺陷已经得到解决 16Mbps的吞吐量能满足多种应用的需求,IEEE802

21、.11三大标准,IEEE802.11g 物理层 采用OFDM（正交频分多路复用）技术 工作频段是2.4GHz 数据速率最大为54Mbps 兼备802.11a和802.11b的特点 比802.11a的功耗小、传输距离长、穿透力强,IEEE802.11三大标准比较,信道数量 802.11a在美国可提供8个无重叠的信道 802.11b/802.11g则共享3个 带宽 吞吐量会因距离、障碍和干扰而产生很大的变化 802.11a和802.11b带宽之间的差距理论上是43Mbps，而实际上只有30Mbps 频带 802.11b/g所用的2.4GHz频带正日益拥挤 5.8GHz系统的相互干扰要比2.4GHz系统低,IEEE 802.11协议系列,802.11a 50m, 54 Mbps 802.11b 100m, 11Mbps 802.11g 100m, 54Mbps 802.11c 用于改进设备之间的互操作 802.11d 扩充802.11无线局域网在其他国家应用。 802.11e 改进和管理WLAN的服务质量。 802.11f 实现不同厂商无线局域