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1、1,21世纪高等学校 计算机规划教材精品系列之一 计算机网络 课 件 杨心强制作 人民邮电出版社，2010 年 6 月,2,课件制作人声明,本课件是“21世纪高等学校计算机规划教材”精品系列之一计算机网络的配套服务资料。 本课件共有9个Powerpoint文件(每章一个)。教师可根据教学需要，自行修改或增删此课件内容，但不能自行出版销售。 对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人的电邮地址：yang_。 课件制作人 杨心强 2010年6月,3,计算机网络 第 8 章 无线网络,4,第 8 章 无线网络,教学目的 掌握无线局域网的基本概念，以及媒体接入控制机制
2、 了解传感器网的基本结构和参考模型 了解无线网格网的基本概念和网络结构 了解无线个人区域网的基本技术和低/高速无线个人区域网 了解无线城域网基本概念和IEEE 802.16标准,学习内容 无线局域网WLAN 无线传感器网WSN 无线网格网WMN 无线个人区域网WPAN 无线城域网WMAN,5,第 8 章：内容提纲,*8.1 无线局域网WLAN 8.2 无线传感器网WSN 8.3 无线网格网WMN 8.4 无线个人区域网WPAN 8.5 无线城域网WMAN,6,8.1 无线局域网 8.1.1 无线局域网概述,无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)是计算机网络
3、与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒体，利用电磁波完成数据交互，实现传统有线局域网功能的局域网。 无线局域网问世之初，发展较慢。其原因是价格高、速率低、安全性差以及登记手续复杂。 20世纪80年代末以来，由于人们的工作和生活节奏加快以及移动通信技术的飞速发展；无线局域网能满足安装便捷、可移动、易扩展、高可靠和特殊联网的需求，而且能覆盖到很难布线的地区，起着传统有线局域网无法取代的补充作用。因此，无线局域网发展很快，开始进入市场。,7,8.1.1 无线局域网概述(续1),无线局域网可分为两大类，一类是有固定基础设施的，另一类是无固定基础设施的。所谓“固定基础设施”是指预先建立的
4、、能覆盖一定地理范围的一批固定基站。 无线局域网的两种站：便携站和移动站 相同点：便携站和移动站都是可以移动的。 不同点：便携站工作时的位置是固定不变的，而移动站(电池供电)不仅可移动，而且可以实现动中通。,8,8.1.1 无线局域网概述(续2),有固定基础设施的无线局域网,9,8.1.1 无线局域网概述(续3),有固定基础设施的无线局域网,10,8.1.1 无线局域网概述(续4),有固定基础设施的无线局域网,11,三种类型的站：无转移的站；BSS间转移的站；ESS间转移的站。转移站可以从某一个BSS/ESS漫游到另一个BSS/ESS，而仍可保持与另一转移站保持通信。,8.1.1 无线局域网概
5、述(续5),有固定基础设施的无线局域网,12,8.1.1 无线局域网概述(续6),移动站的漫游 802.11标准并没有定义如何实现漫游，但定义了一些基本工具。 移动站要加入到一个基本服务集BSS，必须先选择一个接入点AP，并与它建立关联(association)。关联建立建立之后，该移动站就可以与选定的AP互相进行对话。如果移动站使用重建关联(reassociation)，这种关联就可转移到另一个接入点。使用分离(dissociation)则可终止这种关联。,13,8.1.1 无线局域网概述(续7),移动站与接入点建立关联的方法有两种：被动扫描，即移动站等待接收接入点周期性发出的信标帧；主动扫
6、描，即移动站主动发出探测请求帧，然后等待从接入点发回的探测响应帧。 现在在机场、旅馆、图书馆等公共场所都向公众提供了有偿或无偿的Wi-Fi(Wireless-Fidelity，意思是“无线保真度”)服务。能为公众提供无线接入的网点称为热点(hot spot)。热点和接入点 AP 连接起来构成的区域称为热区(hot zone)。随着无线信道使用的日趋广泛，出现了无线因特网服务提供者 WISP。用户可利用无线信道接入 WISP，再接入到因特网。,14,8.1.1 无线局域网概述(续8),无固定基础设施的无线局域网,B,A,C,D,E,A和D通信是经过ABCD的存储转发,它又称自组网络(ad hoc
7、 network)。自组网络没有上述基本服务集中的接入点AP， 而是由一些处于平等状态的移动站组成的临时性通信网络。,15,8.1.1 无线局域网概述(续9),移动自组网络和移动 IP 并不相同 移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。 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。 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。,16,8.1.1 无线局域网概述(续10),移动自组网络的应用前景 在军事领域中，携带移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用
8、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。充分发挥分布式移动自组网生存性强的特点。 在民用领域中，利用移动自组网可方便交换信息。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的。,17,8.1.1 无线局域网概述(续11),无线局域网采用的传输技术,18,8.1.2 IEEE 802.11协议栈,1997年IEEE制订出无线局域网的协议标准的第一部分，称为802.11。1999年又制订了剩下的两部分，即802.11a和802.11b。 802.11的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS、直接序列扩频DSSS和红外线IR。 802.11a的物理层工
9、作在5GHz频带，采用正交频分复用OFDM(又称多载波调制技术)，载波数可多达52个。可以使用的数据率为6、9、12、18、24、36、48和56Mb/s。 802.11b的物理层使用工作在2.4 GHz的直接序列扩频技术，数据率为5.5或11 Mb/s。,19,8.1.2 IEEE 802.11协议栈(续1),IEEE 802.11标准主要包括21个标准，如表6-8所列。 随着无线局域网技术的进一步发展，WLAN研究工作呈现如下特点：向更高数据速率(高于100Mbps)、更高频带方向发展； 积极研究WLAN与3G乃至4G蜂窝移动通信网络的互通与融合。,20,8.1.3 IEEE 802.11
10、媒体接入控制,IEEE 802.11提出了基于两种MAC算法的协议：分布式接入协议和集中式接入协议。 分布式接入协议提供了一个分布式接入控制机制。具有分布协调功能DCF，采用类似于以太网的争用算法向所有要求发送数据的站通过争用信道来提供接入服务。 集中式接入协议由一个集中的决策模块来控制发送权，具有点协调功能PCF，它位于DCF之上，并利用DCF的特性来保证它的用户的接入。PCF 提供的是无争用服务。 802.11标准规定：DCF功能是必须的，而PCF功能则是选项。,21,8.1.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续1),1、分布协调功能 由于无线局域网使用的是无线传输媒体，信号在传送过
11、程中的强度变化范围很大，接收到的信号会比发送信号弱得多。其次，无线信号的传送距离有限，往往会出现并非所有站都能够接收到发送站发送的信号。因此，发送站无法使用以太网使用的冲突检测方法来确定是否发生了冲突，也就是不能搬用CSMA/CD协议。,22,8.1.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续2),(1) CSMA/CA协议 无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议。主要原因有两个： (1)CSMA/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，但是在无线局域网中要实现这种功能的设备成本太高。 (2)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
12、，在接收端仍然有可能发生碰撞。这说明碰撞检测对无线局域网无用，这是由无线信道本身的特点(全向传播和传播距离有限)所决定的。,23,8.1.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续3),A和C都想与B通信，但相距较远。 A和C因检测不到无线信号，都以为 B 是空 闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在信号的问题称为隐蔽站问题(hidden station problem) 。这说明在发送数据之前，未检测到媒体上有信号，还不能保证接收端成功地接收到发送的数据。,24,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续4),A、B和C三个站彼此距离不远，但A和B之间
13、有一座山阻隔，使A和C都不能检测到对方发出的信号。此时，如A和C同时向B发送数据，就会发生碰撞，使B无法正常接收。这说明移动站之间有障碍物也会出现隐蔽站问题。,25,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续5),B向A发送数据，而C也想和D通信。因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),26,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续6),改进的CSMA协议CSMA/CA 隐蔽站和暴露站问题，以及无线信道传输条件的信号强度变化很大，致使发送站无法使用碰撞检测来确
14、定碰撞是否发生。这说明无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议。改进措施是对CSMA增加一个CA，表示碰撞避免，意即尽量减少冲突发生的概率。,27,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续7),为了避免出现冲突，802.11标准规定：所有站在完成发送之后，都必须等待一段继续保持监听的短暂时间，然后检测是否发回了确认帧；如果接收到确认帧，则表明本次发送成功，可以继续发送下一帧。这一短暂时间称为帧间间隔IFS。 为了保证CSMA算法的平稳和公平，802.11标准定义了三种基于优先级的帧间隔，其长短各不相同(IFS值小的优先级高) 。帧间间隔的具体取值，则与所采用的物
15、理层特性有关。,28,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续8),802.11标准常用的三种帧间隔IFS, 短帧间间隔SIFS(Short IFS)，它是最短的帧间间隔，典型值只有10s。 点协调功能帧间间隔PIFS(Point Coordination Function IFS)，它比SIFS长，其值等于SIFS值加上一个时隙长度。 分布协调功能帧间间隔DIFS(Distributed Coordination Function IFS)，这是最长的IFS，其值等于PIFS值加上一个时隙长度。,29,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续9),为了减少冲突，802.1
16、1标准还采用如下措施 采用虚拟载波监听VCS(Virtual Carrier Sence)机制。该机制是让源站把占用信道的时间(以微秒计)写入到发送的数据帧首部的“持续时间”字段中，这样就可使其他所有站在这一段时间内都不要发送数据。其他站通过检测“持续时间”字段，来调整自己的网络分配向量NAV(Network Allocation Vector)。NAV指出信道处于“忙”态的持续时间。 使用停止等待协议，这是考虑到无线信道的传输质量问题。,30,6.8.3 IEEE 802.11媒体接入控制(续10),CSMA/CA协议的退避算法 与以太网的退避算法不同，第i次退避时隙是在整数集合0，1，22+i1中随机选取一整数，退避时间是整数倍的时隙时间。例如，第1次退避（i=1）可从0，1，7中随机选取一个整数，而第2次退避则从1，2，15中随机选取一个。在第6次退避时，因为整数集合最大值已达255，以后就不再增加。这样做可使不同的站减少选择相同退避时间的概率，从而减少
