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1、 计算机网络教程 电子教案 第五章 无线网络 无线局域网 主要内容 5 4 无线局域网 IEEE 802 11物理层 WLAN体系结构 WLAN媒体访问控制 WLAN的安全机制 2 无线局域网WLAN 1990年IEEE成立了802 11委员会来制定无线局域网标准 1997年发布IEEE 802 11标准 支持1M或2Mbps数据速率 工作在2 4GHz 1991年欧洲ETSI开始高性能无线局域网HIPERLAN研究 1996年发布 HIPERLAN 1 支持10Mbps的数据速率 2000年发布了改进版本HIPERLAN 2 将数据速率提高到54Mbps 采用基于连接的方式 其中的许多原理
2、如OFDM 被逐步加入到802 11 1999年IEEE推出了802 11b 定义一个新的物理层协议 同样工作在2 4GHz 但是数据速率提高到11Mbps 1999年IEEE发布了802 11a标准 采用OFDM技术 工作在5GHz波段 数据速 率最高可达54Mbps 2003年IEEE发布了802 11g 工作在2 4GHz 最高数据速率为54Mbps 802 11g可以与802 11b兼容 2004年IEEE成立了802 11n工作组来开发新的物理层协议 2009年10月29日 正式发布 采用OFDM和多输入多输出天线MIMO技术 支持最高600Mbps的 数据速率 Atheros公司引
3、入了信道联合 channel bonding 技术 对于802 11g进行扩 展称为802 11g 最高支持108 2个54Mbps信道 Mbps 3 Wi Fi认证 1999年许多厂商成立了一个非盈利组织无线以太 网兼容联盟 Wireless Ethernet Compatibility Alliance WECA 2002年WECA更名为无线相容认证 Wireless Fidelity Wi Fi 联盟 Wi Fi联盟的任务是保证802 11b 802 11g设备之 间的兼容性和互操作性 授予该产品Wi Fi认证标 志 工作在5GHz的802 11a产品授予Wi Fi5认证标志 4 IEE
4、E 802 11物理层 工作在1Mbps和2Mbps的802 11物理层 IR PHY工作在红外波段 FHSS PHY工作在2 4GHz 采用跳频技术 DSSS PHY工作在2 4GHz 采用直接序列扩频技术 码片序列为11bit的巴克序列 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 仅仅用于扩频而不是多路访问 码片速率为11Mcps 符号速率为1Msps 扩频后的信号进一步采用差分相移键控DBPSK或差分四相移键控 DQPSK调制 分别支持1M 2Mbps 2 4GHz的频段 2 412 2 484 分成14个带宽5MHz的信道 北美可以使用其中的信道1到信道11 大多数欧洲国家可以使用信道
5、1到信道13 在同一个位置部署多个WLAN时 要求使用的信道之间有足够的间隔 同时使用的信道之间必须相隔5个信道 25MHz带宽 DHSS信 道的信号能量会扩散到22MHz的频带 同一个位置可以支持3个不重叠信道 分别是信道1 6和11 其 中缺省采用信道11 5 IEEE 802 11物理层 802 11a 802 11a使用5GHz的UNII频段 5 15 5 825GHz 借鉴欧洲ETSI的 HIPERLAN2的设计 采用正交频分复用OFDM而不是直接序列扩频来 减少干扰和多径时延扩展的影响 分成12个带宽为20MHz的信道 每个信道进一步由52个子载波组成 其中48个子载波用于传输数据
6、 另外4个子载波分散在不同的频率以 进行同步控制 采用交错和信道编码技术来处理突发的比特差错 要传输的数据首先 采用编码速率为1 2 2 3或者3 4的卷积码提供FEC 然后通过重排 序和比特交错后映射到48个子载波上 每个子载波可以使用BPSK QPSK 16 QAM或者64 QAM进行调制 通过采用不同的调制和卷积码组合可以支持6 9 12 18 24 36 48 54Mbps的数据速率 6 IEEE 802 11b物理层 使用的频段和信道和802 11 DSSS PHY完全一样 2 4GHz 14个带宽5MHz的 信道 802 11b与802 11兼容 采用与DSSS PHY相同的相同的
7、扩频和调制方法支持 1Mbps和2Mbps的数据速率 采用补码键控CCK支持5 5Mbps和11Mbps的数据速率 称为高速直接序列扩 频HR DSSS物理层 DSSS PHY采用固定的Barker序列进行扩频 HR DSSS PHY根据要传输的数据 2个比特或者6个比特 计算出一个8比 特的CCK码片序列 接收方通过比较接收到码组与允许使用的码组之间的距离 来还原发送的 数据 并纠正错误 采用DQPSK调制方法 采用11Mcps的码片速率 每4 8 比特被映射为一 个符号 前面2比特采用DQPSK调制 后面2 6 比特通过CCK携带 支 持5 5 11 Mbps数据速率 802 11b包括采
8、用卷积码技术的分组二进制卷积编码PBCC来支持5 5Mbps和 11Mbps的数据速率 但由于复杂且专利原因 并没有得到广泛的使用 7 IEEE 802 11g物理层 扩展速率物理层 Extended Rate PHY 工作在2 4GHz 的频段 采用的频段和信道的划分完全与802 11以及 802 11b相同 它实际上是把802 11b和802 11a结合在一起 采用ERP DSSS和ERP CCK模式与802 11和802 11b兼容 ERP OFDM模式实际上是把工作在5GHz的802 11a技术 迁移到2 4GHz的频段 为保证兼容性 802 11g还给出了MAC改进机制 管理WLAN
9、的信标帧不能以超过11Mbps的速率发送 要能够告诉802 11b站点目前有一个802 11g站点正在传 输 以避免后面的OFDM信号受到干扰 这是通过以 802 11b的调制方式发送一个目的地址为自身的CTS帧 或者发送RTS和CTS帧来完成的 8 物理层的帧结构 信号 指示数据部分采用 的数据速率 长度字段给出了以指定速 率传输该帧需要的时间 以毫秒为单位 引入短帧模式减少PLCP头 部的开销 9 同步SFD信号服务长度CRC数据 12816881616变长 PLCP前导 PLCP头部 1Mbps DBPSK 1Mbps DBPSK 1Mbps DBPSK 2Mbps DQPSK a 80
10、2 11 DSSS PHY PLCP帧格式 同步SFD信号服务长度CRC数据 12816881616 PLCP前导 PLCP头部 1Mbps DBPSK 1Mbps DBPSK 2Mbps DQPSK 5 5 11Mbps CCK 长帧 1Mbps DBPSK 变长 同步SFD信号服务长度CRC数据 5616881616变长 PLCP前导 PLCP头部 1Mbps DBPSK2Mbps DQPSK 2Mbps DQPSK 5 5 11Mbps CCK b 802 11b PHY PLCP帧格式 短帧 PLCP前导速率保留长度奇校验尾部数据 12符号411216变长 PLCP头部 BPSK R
11、1 2 信号 1符号 采用速率字段对应 的编码 方式 c 802 11a PHY PLCP帧格式 服务尾部填充 166 变长 WLAN体系结构 基本单元是基本服务集BSS 由采用同一MAC协 议共享无线媒体的站点组成 支持Ad Hoc自组织模式 站点之间直接通信 称为IBSS 支持基础设施 AP 模式 10 分发系统 入口 802 x LAN AP2 802 11 LAN BSS2 802 11 LAN BSS1 AP1 STA1 STA2 STA3 ESS 所有的通信必须通过AP中转 AP进一步可以通过一个分发系统DS与其 他AP或者固定站点相连 DS一般采用以 太网实现 通过DS连接的两个
12、或者BSS被称为一个扩 展服务集ESS 无线站点可以从ESS内的一个BSS移动 到另外一个BSS 对于包括LLC在内的上层协议而言ESS 内部的移动是透明的 入口 portal 逻辑部件 把WLAN与 传统的布线LAN 以太网 连接起来 IEEE 802 11协议栈 AP充当了WLAN与其他网络之间的网桥 负责在AP之间以及其他固定 网络之间转发数据 一个ESS可以包括多个AP 配置同一个SSID 更准确的说是ESSID 这些AP之间的漫游不会影响网络层以上高层协议 目前市场上常见的WLAN产品除了支持AP的桥接功能外还可以充当路 由器 相当于一个ESS 11 STA与AP之间的关联 STA的
13、漫游 认证 加 密 同步管理 功率控 制 MACMIB的维护 信道转换等 三种不同的移动类型 无移动 仅在BSS内部 BSS移动 在ESS内的BSS之间移 动 ESS移动 一个ESS的BSS到另外 一个ESS的BSS WLAN提供的服务 5种分发服务 由AP提供 管理站点的关联以及站点在BSS之间的移动 关联相关的服务 Association Reassociation和Disassociation AP定期或者收到请求后发送一个信标帧来描述AP以及所支持 的能力 数据速率 功率管理要求等 站点发送数据之前必须首先关联到某个AP中 分发系统DS中的数据传递 Distribution服务用于转发
14、发给AP的帧 如果帧的目的地就在 AP对应的BSS内 则直接通过无线信道发送给目的地 否则通 过分发系统转发 Integration用于在802 11帧格式与其他非802 11网络的帧格式 之间的转换 4种站点服务 在站点关联到AP之后使用 负责BSS内部的操作 数据递交 Data delivery 即完成数据的发送和接收 Authentication和Deauthentication 支持多种认证模式 隐私 Privacy 服务防止消息内容被非指定接收者阅读 提供 WEP加密选项 12 WLAN媒体访问控制 最底层是分布协调功能DCF 采用CSMA CA DCF之上是一个可选的点协调功能PC
15、F AP通过一个超级帧机制进行 轮询来集中控制站点对于信道的访问 绝大部分的WLAN产品只实现了DCF 很少实现PCF 802 11不能采用CSMA CD机制 要在发送的同时监听信号会大大增加无线收发器的复杂性 信号 传播距离越远衰减越大 发送信号的功率要远远大于接收信号的 功率 很难将接收信号与可能的噪声干扰区分开来 隐藏节点问题 由于距离等因素导致无法监听到与其要竞争媒体 的发送端的信号情况而出现冲突 暴露节点 能够监听到某个发送者但实际该节点的传输不会干扰 即将进行的通信 暴露节点导致无法有效地利用无线信道的资源 13 A B C b B发发送给给A的同时时C发发送给给D A B C D
16、 a A和C都要发发送给给B CSMA CA 1坚持的CSMA 站点有帧要发送时 首先监听媒体 如果媒体空闲 则立即发送 如果媒 体忙 则监听直到媒体空闲后立即发送 显式的ACK机制检测冲突 接收者在收到一个数据帧之后 马上发送一个ACK 如果没有收到ACK 则认为遇到了冲突 考虑到无线信道的误码率比较高 采用停等机制 DATA ACK帧的交换是一个原子操作 属于同一个会 话单元 引入虚拟载波监听机制 网络分配向量NAV 目前预计的要占用媒体的时间 微秒为单位 包括数据帧在内的802 11帧包含了一个持续时间 duration 字 段 该字段给出了当前原子操作估计的剩余时间 其他站点在监听收到该帧后设置自身的NAV计时器 在NAV超时 之前不需要继续监听 14 CSMA CA 802 11的载波监听同时使用两种监听方式 通过检查NAV的值进行虚拟监听 通过物理层提供的空闲信道评估CCA机制来监听物理媒体 帧间间隔IFS 站点在从物理层收到帧后需要时间来进行处理 和以太网MAC的IGP类似 ACK等相比普通DATA帧有更高的优先级要求 保证DATA ACK等原子操作 SIFS最短 用于那
