WLAN基础知识及WLAN组网介绍.ppt

1、主讲：蔡文锐,WLAN基础知识及WLAN组网介绍,无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频（RF）技术，取代旧式的双绞线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能。无线网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，并且可以随需移动或变化。 WLAN已经成为宽带接入的有效手段之一，使用WLAN的区域及其承载的业务愈来愈多。为了更好地构建理想中的无线网络，我们需要了解无线网络的技术体系、熟悉构建无线网络的设备的功能。,引入,WLAN基础知识 802.11协议简析 WLAN设备 WLAN组网,目录,无线技术演进,无线技术演进,为什么要使用WLAN网络 什么是WLAN WLAN技术

2、的发展进程,WLAN基础知识,无线局域网 (Wireless Local Area Network)是以射频无线电波通信技术构建的局域网，虽不采用缆线，但也能提供传统有线局域网的所有功能。无线数据通信不仅可以作为有线数据通信的补充及延伸，而且还可以与有线网络环境互为备份。这种无线建网与高速网络接入技术近几年来受到广泛的关注并发展为网络技术市场上一个耀眼的亮点。,什么是无线局域网（WLAN）技术？,所谓 Wi-Fi，其实就是 IEEE 802.11b的别称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的组织所发

3、布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。它是一种无线传输技术。是在1997年6月由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法。随著技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi，从而保证了各个厂家产品的兼容性。从应用层面来说，要使用Wi-Fi，用户首先要有 Wi-Fi 兼容的用户端装置。,WI-FI是什么？,IrDA BlueTooth 802.11 802.11b 802.11

4、a 802.11g 802.11n,几种主要的WLAN技术,802.11协议的发展进程,无需授权使用的无线频率(ISM),902MHz 26MHz BW Crowded Worldwide limited 2.4GHz 83.5MHz BW Available worldwide IEEE802.11 WLANs 5.1GHz 300MHz BWdiscontinuous Developing,802.11b/g工作频段划分图,蜂窝式无线覆盖,任意相邻区域使用无频率交叉的频道，如：1、6、11频道 ； 适当调整发射功率，避免跨区域同频干扰； 蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用。,11n的频宽

5、模式,两种频宽模式802.11n同时定义了2.4GHz频段和5GHz频段的WLAN标准，与11a/b/g只用20MHz带宽不同的是11n定义了两种频带宽度：HT20（20MHz带宽）和HT40（40MHz带宽），在HT40模式下可以获得HT20模式两倍以上的吞吐量。 20MHz: 满足兼容性 40MHZ: 满足高性能需求 40MHz 频宽 High Throughput (HT) 信道，提供两倍于20MHz频宽模式的带宽 两个20MHz信道被捆绑，一个是主，一个是辅 主信道: 发送beacon报文和部分数据报文 辅信道: 发送其它报文 40MHz 频宽模式基本不建议在2.4GHz使用 在2.4

6、GHz没有互不干扰的40MHz信道,40MHz频宽模式,40MHz频宽虽然可以获得更多的频谱利用率，但是对于2.4GHz频段仅有的100MHz频谱资源来说却显得有些尴尬，因为一个40MHz的信道带宽实际需要占据60MHz的频谱宽度，足以吃掉它所有的资源。 然而5.8GHz频段具有丰富的频谱资源，可以承受2个以上40MHz的信道，而且使用了MIMO技术还令这个频点的覆盖效果比原来要好上不少，所以想要获得高吞吐量，建议使用5GHz的11n进行部署。 然而这样，我们还要注意老用户，因为他们的11a网卡远没有11g的多，所以40MHz更适合于新建11n网络。,其他WLAN相关组织和标准,Wi-Fi联盟

7、 成立于1999年的Wi-Fi联盟是一个非牟利国际协会，旨在认证基于IEEE 802.11规格的无线局域网产品的互操作性和推动wireless新标准的制定 目前已知的相关标准 WPA：802.11i的子集，支持802.1x认证以及TKIP加密算法 WPA2： 802.11i WMM：802.11e的子集，支持EDCA方式 CAPWAP IETF目前有关于无线交换机和FIT AP间控制和管理标准化的工作组 比较重要的标准 Architecture Taxonomy for CAPWAP (RFC 4118) LWAPP (最新的草案更名为CAPWAP specification) WAPI 中国

8、无线网络产品国标中安全机制 的标准，包括无线局域网鉴别（WAI）和保密基础结构（WPI）两部分。,WLAN产品对人体的电磁辐射是安全的,很多的研究已经证明，WLAN产品可以在家庭及商业中使用，对人体来说是安全。 典型的WLAN产品，如AP（Access Point，接入点），输出功率为100mw，对于网卡来说，通常只有10mw至50mw。相比较来说，手机的发射功率在通话时可以超过1W，而无线对讲机甚至可以达到5 W。 政府有相关的法令对发射功率进行严格的限制，因此通过政府相关部门认证过的无线设备对人体是无害的。,WLAN基础知识 802.11协议简析 WLAN设备 WLAN组网,目录,IEEE

9、 802.11无线局域网工作组,PHY,802.11(1/2 Mbps),802.11b(5.5/11 Mbps),802.11g(54 Mbps),802.11a(54 Mbps),MAC,802.11/11a/11b/11g MAC,802.11e QoS,802.11i 安全增强,802.11n(300 Mbps),802.11f 漫游和切换,802.11h 动态调整,802.11s mesh,802.11MAC层工作原理 概述,802.11MAC层负责客户端与AP之间的通讯。 主要功能包括：扫描、接入、认证、加密、漫游和同步。 802.11MAC 报文分类： 数据帧 用户的数据报文 控

10、制帧 协助发送数据帧的控制报文，例如：RTS、CTS、ACK等 管理帧 负责STA和AP之间的能力级的交互，认证、关联等管理工作 例如：Beacon、Probe、Association及Authentication等,802.11 MAC层工作原理 用户接入管理过程,STA,AP,Authentication认证,Association关联,1,2,3,4,802.11MAC层工作原理 Scanning,802.11MAC 使用Scanning功能来完成Discovery 寻找和加入一个网络 当STA漫游时寻找一个新的AP Passive Scanning 通过侦听AP定期发送的Beacon帧

11、来发现网络。 Active Scanning 在每个信道上发送Probe request报文，从Probe response中获取BSS的基本信息。,802.11MAC层工作原理 Association,STA,AP,Association request (SSID),Association Response,STA,New AP,数 据,Old AP,association请求 (SSID),association应答,Association过程,Deassociation过程,1,2,Dissociation,802.11i协议 802.1x认证接入过程,STA,AP,Open-syst

12、em Authentication,Association,EAPOL start,EAPOL-Request/User Identity,EAPOL-Response/User Identity,服务器证书/公钥,STA证书/用公钥加密的Master Key,认证成功,4次握手Key协商,加密数据报文,Radius Server,User Identity,服务器证书/公钥,STA证书/用公钥加密的Master Key,认证成功/PMK,验证服务器证书 用公钥加密Master Key 生成PMK,验证STA证书 用私钥解密Master Key 生成PMK,PMK一致性检查 生成其他Key,P

13、MK一致性检查 生成其他Key,基于EAPTLS的802.1x认证过程,1,2,3,4,5,8,9,12,7,10,11,6,13,14,什么是漫游,STA可以在属于同一个SSID的AP接入点接入； STA可以在Wireless网络中任意移动； 保证已有的业务不中断，用户的标识（IP地址）不改变。,STA,AP,AP,移动,ESS,WLAN基础知识 802.11协议简析 WLAN设备 WLAN组网,目录,什么是FAT（胖） AP 什么是无线网桥 什么是无线交换机和FIT（瘦） AP 天线工作原理及参数介绍,WLAN设备,FAT AP设备的典型组网,企业网络的组网模式：,AP1,APn,STAs

14、,家庭或soho网络的组网模式：,AP,ADSL Modem,WAN,以太交换机,PC,STAs,企业核心网,FAT AP组网的局限性,FAT AP组网更适合在家庭和中小型网络中使用，无法满足大型的无线企业网络的需求，这是由于FAT AP自身的特点所决定的。当需要组建大型无线网络或需要更多的增值服务时：,无线交换机和FIT AP因此应运而生,802.11 a/b/g,天线,加密,网管、三层漫游, 安全,802.1x认证,802.11e QOS,AP点监测,用户防火墙,网络自愈,RF 管理,无线欺骗防护,802.11a/b/g,网管、二层漫游, 安全,802.1x认证,802.11e QOS,天

15、线,加密,FAT AP,FIT AP,无线交换机和FIT AP的功能,更易管理的 无线解决方案,无线交换机+Fit AP系统构成特点,主要由无线交换机和Fit AP在有线网的基础上构成的。 AP零配置，硬件主要由CPU内存RF构成，配置和软件都要从无线交换机上下载。所有AP和无线客户端的管理都在无线交换机上完成。 AP和无线交换机之间的流量被私有协议加密；无线客户端的MAC只出现在无线交换机端口，而不会出现在AP的端口。 可以在任何现有的二层或三层 LAN 拓扑上部署通用无线解决方案，而无需重新配置主干或硬件。无线交换机以及管理型接入点AP可以位于网络中的任何位置。,在复杂的网络中，Fit A

16、P如何得知无线交换机的位置？,AP直连或通过二层网络连接时的注册流程,AP从无线交换机下载最新软件版本、配置 AP开始正常工作和无线交换机交换用户数据报文,无线交换机,AP,DHCP Server,1、获取IP地址,2、发送二层广播发现请求,4、版本、配置下载,3、无线交换机发现响应,5、用户数据传递,AP通过DHCP server获取IP地址,AP发出二层广播的发现请求报文试图联系一个无线交换机,接收到发现请求报文的无线交换机会检查该AP是否有接入本机的权限，如果有则回应发现响应,AP与无线交换机直连或通过二层网络连接：,AP通过三层网络连接时的注册流程_option 43方式,AP,DHC

17、PServer,无线交换机,1、获取IP地址、 option 43属性,4、版本、配置下载,5、用户数据传递,AP会从option 43属性中获取无线交换机的IP地址，然后向无线控制器发送单播发现请求。,2、无线交换机发现请求,3、无线交换机发现响应,AP通过DHCP server获取IP地址、option 43属性(携带无线交换机的IP地址信息),接收到发现请求报文的无线交换机会检查该AP是否有接入本机的权限，如果有则回应发现响应。,AP从无线交换机下载最新软件版本、配置,AP与无线交换机通过三层网络连接：,AP开始正常工作和无线交换机交换用户数据报文,AP通过三层网络连接时的注册流程_DN

18、S方式,AP,DHCPServer,无线交换机,1、获取IP地址、 DNS Server地址、 域名,2、二层广播发现请求,6、版本、配置下载,7、用户数据传递,AP在多次尝试发现请求无回应的情况下： AP会从DNS server获取xxx.xxxx.xxx的IP地址，该IP地址即为无线交换机的IP地址，其中xxxx.xxx是从DHCP server学习到的域名。,长时间无响应,DNS Server,3、获取无线交换机的IP地址,4、无线交换机发现请求,5、无线交换机发现响应,AP发出二层广播的发现请求报文试图联系一个无线交换机,AP通过DHCP server获取IP地址、DNS server

19、地址、域名,接收到发现请求报文的无线交换机会检查该AP是否有接入本机的权限，如果有则回应发现响应。,AP从无线交换机下载最新软件版本、配置 AP开始正常工作和无线交换机交换用户数据报文,AP与无线交换机通过三层网络连接：,AP向无线控制器发送单播发现请求。,无线交换机的数据转发原理,STA,Server,VLAN 1 IP:1.0.0.1,无线交换机,Fit AP,隧道口,隧道口,IP:3.0.0.1,无线交换机和AP间数据转发的核心思想 在无线交换机和AP之间建立IPinIP隧道，无线交换机将这些隧道看做虚拟物理端口； 无线客户端STA的任何数据报文都将由AP通过IPinIP隧道交给无线交换

20、机，由无线交换机统一转发； 无线交换机从IPinIP隧道接收到用户的数据后先解隧道封装，然后做数据交换，如果出接口为隧道则对数据报文再次加上隧道封装，直到交换到最远端。,核心交换机,接入交换机,Fit AP,隧道口,STA,VLAN 2 IP:2.0.0.1,VLAN 1 IP:1.0.0.2,“胖、瘦”AP性能比较,802.11无线网桥,无线网桥是一种采用无线技术进行网络互连的特殊功能的AP。 无线网桥根据传输距离的不同可分为工作组网桥和长距专业网桥。 为了防止信号大幅度衰减，网桥组网时两个网桥之间通常不能有障碍物的阻挡。 以室外作为主要应用环境的无线网桥一般在设计时都会考虑适应一些恶劣的应

21、用环境。,802.11无线网桥视距问题,视距问题 点对点无线网传输必须保证两点可视。造成不可视的原因包括地球曲率、地理特征如山脉、建筑物和树木等。远距离通信时，还必须考虑地球曲率的影响，当两人相距9km时，将不能相视，无线信号也无法传输,802.11无线网桥Fresnel效应,Fresnel效应 Fresnel区是指在视距的路径中形成的一个椭圆区域。它随着可视距离和信号频率的改变而改变。在Fresnel区中的任何障碍物都有可能影响网络的通信，最好给予清除，60%的Fresnel区被视为有效的。一般可以根据经验值确定Fresnel区的范围。 解决视距问题和Fresnel区问题可以通过以下办法：（

22、1）选择高性能天线，可以解决“部分不可视”问题；（2）提升天线的高度；（3）清除Fresnel区内的障碍物，如砍掉树木；（4）选择一台良好的中继设备。,主要无线技术指标,无线电工作频率(Hz) 发射天线增益(dBi) 天线极化方向 波束宽度 天线方向图,功率计算单位: dB, dBm, dBw,dB是用来衡量被测量功率与某一基准功率的比值。 计算公式：被测量功率（dB）= 10lg（测量功率 / 基准功率） 被测量功率（dB）的数值等于被测量功率与基准功率的比值取以10为底的对数，再乘以10。当基准功率取为1mw时，此dB值以dBm表示；当基准功率取为1w时，此dB值以dBw表示。,天线的工作

23、频率,天线的工作频率范围： 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小。,天线的方向性 全向天线,发射天线的基本功能之一是把从AP取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。 水平面上各向能量辐射相等的天线称为全向天线。,图 c 水平面方向图,图b 垂直面方向图,各向同性点状天线能量辐射形状,全向天线能量辐射形状,图a 天线能量辐射形状图,天线的方向性 定向天线,水平面上各向能量辐射不等的天线称为定向天线。,全向阵 （垂直阵列 不带平面反射板）,扇形区覆盖 （垂直

24、阵列 带平面反射板）,平面反射板,天线增益,10dBm,20dBm,13dBm,一个各向同性的天线在所有方向具有相同的辐射能量,一个具有一定增益的天线只在某个特定方向才具有辐射能量,一个3dBi增益的天线，辐射能量的范围在50% 的空间,点状天线,天线的极化,垂直极化,天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化是最常用的；水平极化也是要被用到的。,水平极化,波束宽度,15,峰值,- 3dB点,- 3dB点,旁瓣,主瓣,无线传输的干扰因素 多径干扰,Direct Signal,Ref

25、lected Signals,PC Card,Access Point (AP),无线传输的干扰因素 障碍物,功率在穿过障碍物后衰减,墙，门，等等。,信号穿透损耗估测,无线传输的干扰因素 电磁干扰,2.4GHz为ISM频段，不需授权即可使用。 同一区域内AP之间的互相干扰。 其他工业设备的干扰 微波炉 双向寻呼系统 蓝牙 无绳电话 等等,WLAN设备的实际工作性能 吞吐率,802.11g标准描述的速率为54 Mbps，此为物理层传输速率。实际可获得的速率为一半 (20-24Mbps max) 其他用于协议封装或冲突避免开销 干扰实际吞吐率的因素 不稳定是无线通讯的本性 无线环境不停的保持变化

26、物理建筑的构成 AP的位置 共享介质：用户数 数据量,WLAN设备的实际工作性能 覆盖距离,输出功率为100mW的802.11b/g产品覆盖距离理论值: 100m 而在实际中，覆盖距离更依赖于实际环境。 影响覆盖范围的因素 建筑结构 电磁设备 在一般办公室大楼内，覆盖距离为15-30m。,WLAN基础知识 802.11协议族 WLAN设备 WLAN组网,目录,热点覆盖 承载Wi-Fi语音和移动数据业务 办公地点无线互连,WLAN的典型部署案例,核心机房,会议厅,餐厅、茶座,大厅、服务台,S3600-PWR,S7500,客户端,热点覆盖,客户端,客户端,S3600-PWR,S3600-PWR,无

27、线交换机,增值业务,电子病历服务器群,S9500,S3600-PWR,S3600-PWR,S3600-PWR,FIT AP,核心机房,手持PDA,住院楼1,住院楼2,住院楼3,WiFi电话,WiFi电话,无线交换机,网管,Radius,语音网关,语音服务器,办公地点无线互连,企业总部网络,企业分支网络1,企业分支网络2,无线网桥,无线网桥,无线网桥,无线控制器B,汇聚交换机,PPPoE或Portal认证,城域网核心路由器,无线控制器A,ADSL猫,DSLAM,汇聚交换机,城域网,两台控制器可互为备份,无线交换机+FIT AP运营商典型组网,PPPoE或Portal认证,BAS-2,隧道报文,数

28、据报文,BAS-1,接入交换机,接入交换机,Fit AP,Fit AP,城域网核心路由器,首先介绍了无线网络的发展史；然后对802.11无线网络的接入过程以及安全、QoS进行了着重描述；随后对WLAN设备特性进行说明，并详细阐述了天线的原理和使用方法；最后给出了典型的无线应用环境及相应的组网方式和相应无线设备。,总结,WiMAX技术介绍,主讲：蔡文锐,基本概念,组网方案与典型应用,应用建议,技术特点,研究主要内容,基本概念,WiMAX： WiMAX全称是World Interoperability for Microwave Access,即全球微波接入互通技术 是IEEE 802.16 系列

29、标准的统称，是一项基于IEEE 802.16 标准的新的宽带无线接入城域网技术。 最大传输距离为50 km，远远大于无线局域网200m 左右的覆盖范围 接入速率最高可达120Mbit/s，超过IEEE 802.11a 所规定的接入速率54Mbit/s。,WiMAX 的技术优势,传输距离远 接入速度高 建设成本低 兼容程度高 系统容量大 业务范围广 QoS 机制完善,移动通信空口标准演进路标,TD-SCDMA Enhanced TD-HSDPA,TD-SCDMA,2005,R4,R5/6,LTE OFDMA FDD/TDD,HSDPA,HSUPA MBMS,E-HSPA,R4,2004,2005

30、,2006,2007 2008,2009后,R5,R6,1X,EV-DO 0 黄金多播,EV-DO A 白金多播,UMA OFDMA,EV-DO B N1.25M,IMT- Advanced,WiMAX 802.16d,WiMAX 802.16e,3GPP,3GPP2,WiMAX,WiMAX 802.16m,R7,IEEE标准规划-PAN to WAN,技术定位不同，边缘有交叉！,WiMAX 论坛介绍,WiMAX论坛成立于2001年4月，由电信和计算机产业界的主导企业发起，旨在建立一个共同的平台，并在全球市场部署基于IP的宽带无线服务。 WiMAX论坛，基于IEEE802.16系列标准和ETS

31、I Hyperman相关标准，进行设备一致性和互操作性的认证 论坛目标 积极地市场化WiMAX技术 协调WiMAX标准的全球化 全球通用的频谱分配策略 保障设备符合产业界的需求 搭建WiMAX生态系统的网络架构 定义并规划能充分发挥WiMAX系统优势的服务,WiMAX Forum 认证工作,WiMAX（微波存取全球互通- Worldwide Interoperability for Microwave Access ） 制定一套基于IEEE802.16标准的测试规范和认证体系 对基于IEEE802.16标准和ETSI HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证 对不同厂商的

32、产品进行认证，促使具有良好的兼容性和互操作性 推动802.16产品的应用,802.16e产品目前正在认证中.,国外发展现状,美国 在话音服务方面，WiMAX 技术成为除传统的铜线和IP 电话之外的重要选择 Sprint 和AT 韩国政府预计到2011年将有900万WiBro网络用户； 韩国政府规定，不允许CDMA2000向Rev A演进，必须沿着WCDMA和WiBro发展。 在网络建设进度上预计在2006年启动，并分三阶段实施，每年一个阶段，2006年第一阶段、2007年第二阶段、2008年第三阶段； 2006年完成韩国前20个重要城市的网络建设，2007年完成18个中等规模城市的网络建设，2

33、008年完成46个较偏地区的网络建设，最终WiBro将在3年内遍布韩国84个乡镇市。 目前商用已经开通，商用服务在韩国开通 最初促销价1.6万韩元/月 KT已于2006年6月宣布建成全球首个移动Wimax商用网络 终端：数据卡和PDA，CDMA与WiMAX双模终端,韩国WiBro简介-网络结构,全球首款WiBro手机 -三星H100,三星同时发表M8000手机和WiBroPCMCIA卡,美国Sprint的应用案例 _1,在新一代移动通信网中导入 “移动WiMAX”,2007年之前向北美地区配置基站设备并进行组网，而后开始试验服务。 在全美占有60M的TDD频谱带宽，如果到期不投入运营，将被政府

34、收回 Sprint的现有移动网采用的是CDMA技术，与GSM/WCDMA技术相比，缺乏向高速数据业务演进的路标，WiMAX 技术可以帮助Sprint在这个领域和其他运营商竞争； CDMA过高专利费导致运营成本的加大，借助相对廉价的WiMAX解决宽带技术的接入； WiFi覆盖范围小，部署困难，即使部署，运营商收益较低 目标是2008年建成能够容纳1亿用户的移动通信网。 2007年将投入10亿美元，2008年计划投入15亿20亿美元。 采用的移动WiMAX符合针对移动通信完成规格化的“IEEE802.16e-2005”。,美国Sprint的应用案例_2,SprintNextel计划使用2.5GHz频段无线频率。 合作伙伴 NOKIA: 网络设施、移动终端、移动服务与应用的开发； 三星：网络设备与终端； Intel: 终端； 中兴：CPE、PCMCIA等终端100万部； MOTO:网络设