计算机网络第五版 课件] 谢希任 第九章 无线网络

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1、大山欢迎你的关注！计算机网络（第 5 版）第 9 章 无线网络第 9 章 无线网络9.1 无线局域网 WLAN9.1.1 无线局域网的组成9.1.2 802.11 标准中的物理层9.1.3 802.11 标准中的 MAC 层9.1.4 802.11 标准中的 MAC 帧9.2 无线个人区域网 WPAN9.3 无线城域网 WMAN 9.1 无线局域网 9.1.1 无线局域网的组成n有固定基础设施的无线局域网AP1AP2一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站， 所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信， 但在和本 BSS 以外的站通信时 ， 都要通过本 BSS 的基站。 AP1AP2基

2、本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point) 其作用和网桥相似。AP1AP2当网络管理员安装 AP 时，必须为该 AP 分配 一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个信道。 AP1AP2一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP 连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System)， 然后再接入到另一个基本服务集，构成 扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。AP1AP2ESS 还可通过叫做门户(portal)为无线用户提供 到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接 的因特网）的接入。门户的作用就相当于

3、一个网桥。 AP1AP2移动站 A 从某一个基本服务集漫游到 另一个基本服务集（到 A 的位置）， 仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。 与接入点 AP 建立关联(association)n一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS ，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入 点建立关联。n建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个 虚拟线路。n只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧 ，而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能 向其他站点发送数据帧。移动站与 AP 建立关联的方法n被动扫描，即移动站等待接收接入站周期性 发出的信标帧(beaco

4、n frame)。n信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标 识符 SSID 以及支持的速率等）。n主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧 (probe request frame)，然后等待从 AP 发回 的探测响应帧(probe response frame)。热点(hot spot)n现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、 旅馆、购物中心等都能够向公众提供有偿或 无偿接入 Wi-Fi 的服务。这样的地点就叫做 热点。n由许多热点和 AP 连接起来的区域叫做热区 (hot zone)。热点也就是公众无线入网点。n现在也出现了无线因特网服务提供者 WISP (Wireless Internet

5、Service Provider)这一名 词。用户可以通过无线信道接入到 WISP， 然后再经过无线信道接入到因特网。2. 移动自组网络 又称自组网络(ad hoc network) 自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点n自组网络是没有固定基础设施（即没有 AP）的无线 局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之 间相互通信组成的临时网络。移动自组网络的应用前景 n在军事领域中，携带了移动站的战士可利 用临时建立的移动自组网络进行通信。n这种组网方式也能够应用到作战的地面车 辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中 的机群。 n当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移 动自组网

6、络进行及时的通信往往很有效的 ， 无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) n由大量传感器结点通过无线通信技术构成的 自组网络。n无线传感器网络的应用是进行各种数据的采 集、处理和传输，一般并不需要很高的带宽 ，但是在大部分时间必须保持低功耗，以节 省电池的消耗。n由于无线传感结点的存储容量受限，因此对 协议栈的大小有严格的限制。n无线传感器网络还对网络安全性、结点自动 配置、网络动态重组等方面有一定的要求。 传感器结点的形状(a)和组 成(b) 存储器CPU传感器 硬件电池无线 收发器(a)(b)无线传感器网络主要的应用领 域 n环境监测与保护（如洪水预报、

7、动物栖 息的监控）；n战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、 物资等的监控；n医疗中对病房的监测和对患者的护理；n在危险的工业环境（如矿井、核电站等 ）中的安全监测；n城市交通管理、建筑内的温度/照明/安 全控制等。 移动自组网络 和移动 IP 并不相同 n移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式 连接到因特网。n移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定 互联网中一直在使用的各种路由选择协议 。n移动自组网络是将移动性扩展到无线领域 中的自治系统，它具有自己特定的路由选 择协议，并且可以不和因特网相连。 几种不同的接入n固定接入(fixed access)在作为网络用户 期间，用户设置的地理位

8、置保持不变。n移动接入(mobility access)用户设置能够 以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切 换时，通信仍然是连续的。n便携接入(portable access)在受限的网 络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度 移动时进行网络通信，提供有限的切换能力 。n游牧接入(nomadic access)用户设备的 地理位置至少在进行网络通信时保持不变。 如用户设备移动了位置，则再次进行通信时 可能还要寻找最佳的基站 9.1.2 802.11 局域网的物理 层n802.11 无线局域网可再细分为不同的类型 。n现在最流行的无线局域网是 802.11b，而 另外两种（802.11a 和

9、802.11g）的产品 也广泛存在。 n802.11 的物理层有以下几种实现方法：n直接序列扩频 DSSSn正交频分复用 OFDM n跳频扩频 FHSS （已很少用）n红外线 IR （已很少用） 几种常用的 802.11 无线局域 网 标准频段数据 速率物理层优缺点802.11b2.4 GHz最高为 11 Mb/sHR-DSSS 最高数据率较低，价格最低，信 号传播距离最远，且不易受阻碍 802.11a5 GHz最高为 54 Mb/sOFDM最高数据率较高，支持更多用户 同时上网，价格最高，信号传播 距离较短，且易受阻碍802.11g2.4 GHz最高为 54 Mb/sOFDM最高数据率较高，

10、支持更多用户 同时上网，信号传播距离最远， 且不易受阻碍，价格比 802.11b 贵9.1.3 802.11 局域网的 MAC 层 协议 1. CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。nCSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数 据的同时，还必须不间断地检测信道，但在 无线局域网的设备中要实现这种功能就花费 过大。n即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当 我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在 接收端仍然有可能发生碰撞。 无线局域网的特殊问题 当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的， 因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

11、这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题 叫做隐蔽站问题(hidden station problem) A 的作用范围C 的作用范围ABCD无线局域网的特殊问题 B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。 其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据 这就是暴露站问题(exposed station problem) ADCB？B 的作用范围C 的作用范围CSMA/CA 协议 n无线局域网不能使用 CSMA/CD ，而只能使用改进的 CSMA 协议 。n改进的办法是把 CSMA 增加一个碰 撞避免(Collision Av

12、oidance)功能。n802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而 在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使 用停止等待协议。n下面先介绍 802.11 的 MAC 层。 802.11 的 MAC 层 MAC 层无争用服务（选用） 争用服务 （必须实现）分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA)点协调功能 PCF (Point Coordination Function)物理层MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中 的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF

13、(Distributed Coordination Function) (CSMA/CA)点协调功能 PCF (Point Coordination Function)物理层DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机 制的分布式接入算法，让各个站通过争 用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提 供争用服务。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA)点协调功能 PCF (Point Coordination Function)物理层PCF 子层使用集中控制的接入算法把发送数 据权 轮流交给各个站从

14、而避免了碰撞的产生 帧间间隔 IFS n所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短 的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时 间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space) 。n帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。 高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先 获得发送权。n若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优 先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低 优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了 发生碰撞的机会。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS 争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源

15、站时间目的站ACKSIFS其他站 有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属 于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切 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 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS 争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS其他站 有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比

16、 SIFS 长，是为了在开始使 用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入 到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。 时隙的长度是这样确定的：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，其他站就都能检测出信 道已转变为忙态。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS 争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS其他站 有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式 中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时 隙长度。 CSMA/CA 协议的原理 n