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1、8.1无线局域网无线局域网WLAN WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)是指传输范围在是指传输范围在100米左右的无线网络，它的推动联盟为米左右的无线网络，它的推动联盟为Wi-FiAlliance（目前都以目前都以Wi-Fi产品的称呼来形容产品的称呼来形容802.11的产品），可的产品），可用于单一建筑物或办公室之内，需要使用用于单一建筑物或办公室之内，需要使用WLAN的场合主的场合主要包括：要包括：(1)不方便架设有线网络的环境不方便架设有线网络的环境;(2)使用者时常需要移动位置使用者时常需要移动位置;(3)临时性的网络。临时性的网络。802.11WLAN主要面向两
2、种应用类型：主要面向两种应用类型：(1)接入：无线站点通过无线接入设备访问企业网络接入：无线站点通过无线接入设备访问企业网络(2)中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼(LAN)与大与大楼楼(LAN)之间的数据传输之间的数据传输WLAN协议协议-IEEE802.11 在实际使用上，通常会将在实际使用上，通常会将WLAN和现有的有线局域网结合，不但和现有的有线局域网结合，不但增加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围，目前增加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围，目前最热门的最热门的WLAN技术就是技术就是IEEE的的802.1
3、1及其相关标准。及其相关标准。qIEEE802.11(1997.6)，1或或2Mbps，工作在工作在2.4GHz频段或使用红外频段或使用红外(IR)qIEEE802.11a(1999),54Mbps，多个信道，其中最多多个信道，其中最多12个互不重叠，工作在个互不重叠，工作在5GHz频段频段qIEEE802.11b(1999.9),11Mbps，11或或13个信道，其中最多个信道，其中最多3个互不重叠，工作在个互不重叠，工作在2.4GHz频段频段qIEEE802.11g(2003.6),54Mbps，11或或13个信道，其中最多个信道，其中最多3个互不重叠，工作在个互不重叠，工作在2.4GHz
4、频段频段（802.11g兼容兼容802.11b）IEEE 802.11的最新发展 - 802.11nqIEEE已成立已成立802.11n工作小工作小组(由高吞吐量研究小由高吞吐量研究小组发展而来展而来)，IEEE802.11n将将WLAN的的传输速率从速率从802.11a和和802.11g的的54Mbps增加至增加至108Mbps以上，最高速率可达以上，最高速率可达300M600Mbps，和以往和以往的的802.11标准不同，准不同，802.11n协议为双双频工作模式工作模式（包含（包含2.4GHz和和5GHz两个工作两个工作频段）。段）。这样11n保障了与以往的保障了与以往的802.11ab
5、,g标准兼容准兼容。IEEE802.11n于于2009年正式批准。年正式批准。qIEEE802.11n采用采用MIMO与与OFDM调制技术调制技术相相结合，使合，使传输速速率成倍提高。另外，率成倍提高。另外，天天线技技术及及传输技技术，使得无，使得无线局域网的局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里距离大大增加，可以达到几公里(并且能并且能够保障保障100Mbps的的传输速率速率)。IEEE802.11n标准全面改准全面改进了了802.11标准，不准，不仅涉及物涉及物理理层标准，同准，同时也采用新的高性能无也采用新的高性能无线传输技技术提升提升MAC层的的性能，性能，优化数据化数据帧结构，提高
6、网构，提高网络的吞吐量性能。的吞吐量性能。802.11b/g互不重叠信道的选择互不重叠信道的选择16112.412G2.4GHz2.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.4835GHz234125789101322MHz北美使用北美使用1-11信道，欧洲使用信道，欧洲使用1-13信道。由图知，某信道的信号传送时信道。由图知，某信道的信号传送时会与相邻的多个信道产生重叠，若在同一个空间建立多个会与相邻的多个信道产生重叠，若在同一个空间建立多个BSS/IBSS时，要让时，要让它们所用的信道不会互相重叠而产生干扰。在同
7、一个空间最多只能使用它们所用的信道不会互相重叠而产生干扰。在同一个空间最多只能使用1、6、11这三个信道，若选用其他信道，最多只能有这三个信道，若选用其他信道，最多只能有2个互不干扰的信道。个互不干扰的信道。同一空间同一空间802.11b多信道使用增加了带宽多信道使用增加了带宽Blue = 11Mb/s (channel 1)Green = 11Mb/s (channel 6)Red = 11Mb/s (channel 11)Total Bandwidth=33Mb/s!无线局域网无线局域网WLAN的组成的组成两种类型的两种类型的WLAN：1.Infrastructured网网（有固定基础设施
8、的网络）（有固定基础设施的网络）2.AdHoc网网（特定网络，或称自组网络，无固定基础设施）（特定网络，或称自组网络，无固定基础设施）BSS（基本服务集）基本服务集）Infrastructured网网(基础设施网基础设施网)有有AP(AccessPoint,接入点接入点)，无线站点通信首先要经过无线站点通信首先要经过APAdHoc网网（无线自组网）（无线自组网）IBSS(IndependentBSS，独立基本独立基本服务集服务集)，无，无AP，站点间直接通信，站点间直接通信）IBSSBSSESS（扩展服务集）扩展服务集） 属属Infrastructured网网(DS:分布系统，分布系统，AP：
9、接入点，接入点，SSID：ESS扩展服扩展服务集标识符。务集标识符。一个移动节点使用某一个移动节点使用某ESS的的SSID加入到该扩展服务集中，一加入到该扩展服务集中，一旦加入旦加入ESS，移动节点便可实现从该移动节点便可实现从该ESS的一个的一个BSS到另一个到另一个BSS的的漫游漫游)WLAN、LAN、Internet连接连接Portal：门桥门桥(作用相当于网桥，有的就做在作用相当于网桥，有的就做在AP中中)DS：分布系统分布系统(可以是以太网、点对点链路或其它无线网可以是以太网、点对点链路或其它无线网)热点(hot spot)q 现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都
10、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。q 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。q 现在也出现了无线因特网服务提供者 WISP (Wireless Internet 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。移动自组网移动自组网(MobileAdhocnetwork) 移动自组网（移动自组网（MANET），），无基础设施，没有基本服无基础设施，没有基本服务集中的接入点务集中的接入点AP，而是由一些处于平等状态的移动站而是由一些处于平等状态
11、的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络中的每一个之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络中的每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能。移动设备都具有路由器的转发分组的功能。自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点接入例：有线网的扩展HubServerSwitchInternetAccess PointHubWireless LAN (WLAN) as an extension to wired LAN典型的典型的WLAN拓扑例拓扑例Access PointWireless “Cell”Channel 6Wireless ClientsLAN BackboneCha
12、nnel 1Access PointWireless “Cell”Wireless Clients中继例：扩展距离中继例：扩展距离-无线网桥无线网桥中继中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼与大楼之间：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼与大楼之间的数据传输。的数据传输。无线中继无线中继(WirelessRepeater)例例 中继Channel 1Access PointWireless ClientsChannel 1Access PointWireless Repeater “Cell”LAN Backbone热备份热备份(HotStandby)例例Wireless Client
13、sLAN BackboneMonitored APStandby AP一个校园无线网实例一个校园无线网实例CiscoAironet无线网桥实例无线网桥实例无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) q 由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。q 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。q 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。q 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。 传感器结点的形状和组成存储器CPU传
14、感器硬件电池无线收发器(a)形状(b)组成无线传感器网络主要的应用领域 q 环境监测与保护（如洪水预报、动物栖息的监控）；q 战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控；q 医疗中对病房的监测和对患者的护理；q 在危险的工业环境（如矿井、核电站等）中的安全监测；q 城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。 几种不同的接入q 固定接入(fixed access)在作为网络用户期间，在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。用户设置的地理位置保持不变。q 移动接入(mobility access)用户设置能够以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，通信车辆速度移动
15、时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的。仍然是连续的。q 便携接入(portable access)在受限的网络覆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。络通信，提供有限的切换能力。q 游牧接入(nomadic access)用户设备的地理位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了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站802.11标准中的标准中的PHY层层q WLAN传输方
16、式有传输方式有红外线(InfraRed,IR)和和无线电射频两种两种q红外系统的优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保红外系统的优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点是：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受密性好。缺点是：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。红外日光、荧光灯等干扰；半双工通信。红外IR在无线局域网中已很少用。在无线局域网中已很少用。q无线电射频系统采用无线电射频系统采用扩频(SpreadSpectrum)技术进行调制。扩频技技术进行调制。扩频技术的频率范围开放在术的频率范围开放在ISM 频段，此
17、频段不需申请：，此频段不需申请：Industry:902928Mhz(26MHz)Science:2.42.4835GHz(83.5MHz)Medicine:5.155.35GHzand5.7255.825GHz(300MHz)扩频技术主要又分为扩频技术主要又分为跳频和和直接序列两种技术。两种技术。FHSS（跳频扩频）跳频扩频）FrequencyHoppingSpreadSpectrum FHSS使用了传统的窄带数据传输技术，但传输频率将发生周期性的切使用了传统的窄带数据传输技术，但传输频率将发生周期性的切换。系统在一个扩展或宽波段的信道上使用不同的中心频率，换。系统在一个扩展或宽波段的信道上
18、使用不同的中心频率，以预先安排以预先安排好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频。好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频。跳频现象可以使跳频现象可以使FHSS系统避免系统避免受到信道内窄带噪声的干扰。受到信道内窄带噪声的干扰。FHSS的发送与接收的发送与接收ModulatorXspreaderFHPseudo-randomfrequencygeneratorDataDemodulatorXdespreaderFHPseudo-randomfrequencygeneratorDataFHSSsignalsTransmitterReceiverDSSS（直接序列扩频）直接序列扩频） DirectSequen
19、ceSpreadSpectrum（Chipcode也称为也称为pseudo-noice或或spreadingcode） DSSS系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也可以无错误地接收数据。在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也可以无错误地接收数据。DSSS的发送与接收的发送与接收ModulatorXspreaderDSWidebandpseudo-noicecarrierDataDemodulatorXdespreaderDSWidebandpseudo-noicecarrier
20、DataDSSSsignalsTransmitterReceiver使用扩频技术的好处使用扩频技术的好处 扩频是一种在信号传输前先将信号的带宽进行扩展扩频是一种在信号传输前先将信号的带宽进行扩展的技术。采用扩频的好处是：的技术。采用扩频的好处是：q限制发射功率谱密度，减小对其它设备的影响限制发射功率谱密度，减小对其它设备的影响q提高抗干扰能力提高抗干扰能力。若使用窄频，容易受到使用相同频率。若使用窄频，容易受到使用相同频率的通信干扰，导致完全无法通信的通信干扰，导致完全无法通信(“盖台盖台”)q有一定的加密作用有一定的加密作用。对于非特定的目的接收器，由于扩。对于非特定的目的接收器，由于扩展了
21、带宽的信号混在背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据展了带宽的信号混在背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据资料的人不易判别真正的信号，资料的人不易判别真正的信号，避免了他人的截听避免了他人的截听q在多用户环境下提供强有力的多址功能在多用户环境下提供强有力的多址功能。供多个用户使。供多个用户使用同一传输波段，保证了无线设备在频段上的可用性和可用同一传输波段，保证了无线设备在频段上的可用性和可靠的吞吐量，也保证了靠的吞吐量，也保证了使用同一频段的设备不互相影响，使用同一频段的设备不互相影响，避免用户之间相互干扰。避免用户之间相互干扰。IEEE802.11PHYFHSS Frequency Hopping S
22、pread Spectrum，跳频扩频(在WLAN已很少用)DSSS Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频HR-DSSS High Rate DSSS，802.11b用，信号经DSSS并相应的各种调制（如 PSK 、CCK等）后，传输速度可达11/5.5/2/1Mbps不等OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用（也叫多 载波调制技术，载波数可多达52个），802.11a/g用，信号经OFDM并相应的各 种调制（如PSK、QAM等）后，速率可达54/48/36/24/18/12/9/6M
23、bps不等OFDM/DSSSPhysical Layer距离越远、信号越弱、速率越低距离越远、信号越弱、速率越低11Mbps5.5Mbps2Mbps1Mbps距离距离 802.11b采用了采用了动态速率漂移动态速率漂移技术技术，可以根据环境噪声变化对，可以根据环境噪声变化对传输速率进行自动调整。传输速率进行自动调整。在理想情况下，发送节点以最在理想情况下，发送节点以最高速率高速率11Mb/s进行发射。当设备进行发射。当设备移动到覆盖范围之外，或者出现移动到覆盖范围之外，或者出现重大干扰时，发送节点将自动逐重大干扰时，发送节点将自动逐次降低速率，以次降低速率，以5.5Mb/s、2Mb/s或或1M
24、b/s等速率等速率进行发射。进行发射。类似地，如果无线设备从低速类似地，如果无线设备从低速率环境进入高速率环境，发射速率环境进入高速率环境，发射速率将会随之自动逐次提高。率将会随之自动逐次提高。这种这种动态速率漂移技术对上层协议是动态速率漂移技术对上层协议是透明的。透明的。使用不同的调制方法，得到不同的速率。使用不同的调制方法，得到不同的速率。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数据率较低，信号传播距离较远，且不易受阻碍 ，价格最低802.11a5 GHz最高为54 Mb/sOFDM数据率较高，支持更多
25、用户同时上网，干扰少，信号传播距离较短，且易受阻碍，价格较高802.11g802.11n2.4 GHz2.4 GHz5GHz最高为54 Mb/s最高为108 Mb/s-320Mb/sOFDMMIMO、OFDM数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离较远，且不易受阻碍，价格比 802.11b贵数据率最高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远，价格较高802.11标准中的标准中的MAC层层 无线局域网虽然也是多个站点共享无线信道，却不能像无线局域网虽然也是多个站点共享无线信道，却不能像同样多个站点共享有线信道的以太网那样搬用同样多个站点共享有线信道的以太网那样搬用CSMA/CD协议，这里主
26、要有两个原因：协议，这里主要有两个原因：q无线网卡无线网卡一般采用半双工方式工作一般采用半双工方式工作，即发送时不接收，即发送时不接收(检检测测)，若搬用以太网的，若搬用以太网的CSMA/CD，则要一个站点，则要一个站点在发送在发送本本站数据站数据的同时还必须的同时还必须不间断地不间断地接收信号检测信道接收信号检测信道，而在无，而在无线局域网中设备要线局域网中设备要实现实现这种这种全双工功能花费过大全双工功能花费过大；q即使即使我们我们使无线网卡全双工方式工作使无线网卡全双工方式工作，在发送同时进行在发送同时进行冲突检测冲突检测，检测到的信道检测到的信道“空闲空闲”，由于隐终端效应可能由于隐终
27、端效应可能也是也是假相假相，因而在接收端，因而在接收端仍可能产生冲突仍可能产生冲突。802.11MAC MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11MAC使用使用DCF或或PCFq 分布协调功能分布协调功能DCF-争用服务争用服务（必选项）必选项）(DistributedCoordinationFunction)DCF在每一个结点使用在每一个结点使用CSMA机制的机制的分布式分布式接入接入算法，让各个站通过算法，让各个站通过争用信道争用信道来获取发送权。因此来获取发
28、送权。因此DCF向上提供争用服务。向上提供争用服务。q 点协调功能点协调功能 PCF -无争用服务无争用服务（可可选项选项） (PointCoordinationFunction)PCF使用使用AP集中控制集中控制的接入算法将发送数据权的接入算法将发送数据权轮流轮流交给各个站从而避免了冲突的产生交给各个站从而避免了冲突的产生802.11MAC:CSMA802.11CSMA发送站：发送站：-如监听到信道空闲如监听到信道空闲,经经DIFS时间后则发送整个幀（发时间后则发送整个幀（发送时不用冲突检测）送时不用冲突检测）-如果监听到信道忙，则坚持如果监听到信道忙，则坚持监听到不忙时，经监听到不忙时，经
29、DIFS时间后进入竞争期，进行时间后进入竞争期，进行二进制指数退避（第二进制指数退避（第i次次退避时，在退避时，在2i+2个时隙中个时隙中随机选择一个），退避后随机选择一个），退避后重新尝试发送重新尝试发送-如果发后未收到如果发后未收到ACK(超时超时)，则重发幀，则重发幀802.11CSMA接收站：接收站：-如果接收正确，则在如果接收正确，则在SIFS时时间后应答一个间后应答一个ACK幀幀 其它站点：其它站点：听到信道上在发送数据，则推迟访问信听到信道上在发送数据，则推迟访问信道道NAV(NetworkAllocationVector)时间时间802.11MAC：CSMA802.11MACQ
30、&AQ：无线站点监听时如何判定信道无线站点监听时如何判定信道“忙忙”？A：802.11标准规定在物理层的空中接口进行载波监听，标准规定在物理层的空中接口进行载波监听，通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据。判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据。Q：为何无线站点监听到信道空闲还要再等待？为何无线站点监听到信道空闲还要再等待？A：因为此时可能有多个站点都在监听，而其他的站点可因为此时可能有多个站点都在监听，而其他的站点可能有更高优先级的帧要发送，如其有，就要让高优先能有更高优先级的帧要发送，如其有，就
31、要让高优先级帧先发送（级帧先发送（高优先级帧需等待的幀间间隔时间较短，高优先级帧需等待的幀间间隔时间较短，可优先获得发送权，低优先级帧需等待的幀间间隔时可优先获得发送权，低优先级帧需等待的幀间间隔时间较长，须等待较长时间。间较长，须等待较长时间。SIFSPIFSDIFSEIFS）帧间间隔帧间间隔IFSq 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间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。这段时间的通称为（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称为帧间帧间间隔间隔IFS(InterFrameSpace)q帧间间隔长度帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。取决
32、于该站欲发送的帧的类型。高优先高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间低优先级帧就必须等待较长的时间q若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧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，这样就能再推迟发送了，这样就减少了发生碰撞的机会减少了发生碰撞的机会短帧间间隔短帧间间隔 SIFSqSIFS，即短即短(Short)帧间间隔帧间间隔， 以以 802.11g为例，为例，长度为长度为 10
33、 10 s s，是最短的帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于用来分隔开属于一次对话的各帧一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内。一个站应当能够在这段时间内从发从发送方式送方式切换切换到接收方式到接收方式。q 使用使用SIFS帧间间隔的场合：帧间间隔的场合：(1)应答应答ACK帧帧(2)应答应答CTS 帧帧 (3)过长的过长的 MAC 帧分片后的数据帧帧分片后的数据帧 (4)应应答答AP探询帧探询帧 (5)PCF方式中接入点方式中接入点AP 发送出的任何帧。发送出的任何帧。PCF帧间间隔帧间间隔 PIFSqPIFS，即点协调功能帧间间隔即点协调功能帧间间隔（比（比 SIFS 长），是为
34、长），是为了在开始使用了在开始使用 PCF方式时（在方式时（在 PCF 方式下使用，没方式下使用，没有争用）有争用）优先获得接入优先获得接入到媒体中。到媒体中。qPIFS 长度长度: : SIFS 加一个时隙加一个时隙( (slot) )长度，以长度，以 802.11g 802.11g 为例，为例，时隙长度为时隙长度为 20 20 s s，因此因此 PIFS = SIFS + 20 = PIFS = SIFS + 20 = 30 30 s sq时隙时隙( (时间片时间片) )长度选多长？长度选多长？ 在一个基本服务集在一个基本服务集BSS内，若一无线站点在某个时隙内，若一无线站点在某个时隙开始
35、接入到媒体，则在下一个时隙开始时，其他站都能开始接入到媒体，则在下一个时隙开始时，其他站都能检测出信道已转变为忙态，检测出信道已转变为忙态，选定该长度作为时隙长度选定该长度作为时隙长度。DCF帧间间隔帧间间隔DIFS、延长幀间间隔延长幀间间隔EIFSqDIFS，即分布协调功能帧间间隔即分布协调功能帧间间隔，在在 DCF 方式中方式中用用来来发送发送数据帧和管理帧。数据帧和管理帧。DIFS 的长度比的长度比 PIFS 再增加再增加一个时隙长度，因此一个时隙长度，因此 , ,以以 802.11g 802.11g 为例，为例， DIFS=PIFS+20= 50 50 s sq EIFS，即延长幀间间
36、隔即延长幀间间隔（最长的（最长的 IFS），），站点在进行站点在进行幀幀重发重发时所必须等待的时间时所必须等待的时间。EIFS的长度至少等于的长度至少等于DIFS再增加一个时隙长度，因此再增加一个时隙长度，因此 , ,以以 802.11g 802.11g 为例，为例， EIFS = DIFS + 20 = DIFS + 20 = 70 70 s sq SIFSPIFSDIFSEIFS虚拟载波监听虚拟载波监听 虚拟载波监听虚拟载波监听(VirtualCarrierSense)：源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需时间）在其时间）
37、在其MAC帧首部字段帧首部字段“持续时间持续时间”中填入指示给所有其中填入指示给所有其他站，其他所有站会在这段时间都停止发送数据他站，其他所有站会在这段时间都停止发送数据,这样大大减少这样大大减少了冲突的机会。了冲突的机会。q“虚拟虚拟”是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到源站发送是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到源站发送幀中的幀中的“持续时间持续时间”才不发送数据，这种效果才不发送数据，这种效果好像是其他站都监好像是其他站都监听了信道。听了信道。q当一个站检测到正在信道中传送的当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的帧首部的“持续时间持续时间”字段时，就调整自己的字段时，就调整
38、自己的网络分配向量网络分配向量NAV(NetworkAllocationVector)，NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。输，才能使信道转入到空闲状态。隐终端隐终端(Hiddenterminal)效应效应若只使用若只使用CSMA，表面上侦听到信道表面上侦听到信道“闲闲”可能结果不正确可能结果不正确,是假相，由于：是假相，由于：(a)隐蔽站问题隐蔽站问题-在发送方侦听不到：可能是由于中间有障碍物，在发送方侦听不到：可能是由于中间有障碍物，A,C不能互不能互相听到，相听到，A、C于是都发给于是都发给B，在在B
39、处此时就会产生冲突。处此时就会产生冲突。(b)信号强度衰减问题信号强度衰减问题-C在发送在发送，但由于信号传输衰减，传到但由于信号传输衰减，传到A处时，处时，A可能听不到，于是可能听不到，于是A以为信道空闲，也发，以为信道空闲，也发，这样接收站这样接收站B处就会产生冲突。处就会产生冲突。 隐终端是指是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端。LocationSignal strengthABC暴露终端暴露终端(Exposedterminal)效应效应q当节点当节点B向节点向节点A发送数据时，节点发送数据时，节点C也希望向节点也希望向节点D发
40、送数据。发送数据。根据根据CSMA协议，节点协议，节点C侦听信道，它将听到节点侦听信道，它将听到节点B正在发送数据，于是正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向节点错误地认为它此时不能向节点D发送数据，发送数据，但实际上它的发送不会影但实际上它的发送不会影响节点响节点A的数据接收，这就导致节点的数据接收，这就导致节点C所谓暴露终端问题的出现。所谓暴露终端问题的出现。暴露终端是指是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端。在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端。ABCD改进改进CSMA,进一步避免冲突进一步避免冲突q为了尽可能避免冲突，除了前面采用的为了尽可能避免冲突，除
41、了前面采用的不同帧间不同帧间间隔间隔、虚拟载波监听虚拟载波监听措施外，还需要进一步改进措施外，还需要进一步改进CSMAq为了为了解决隐终端问题、暴露终端问题解决隐终端问题、暴露终端问题，另外，由，另外，由于无线网卡的半双工工作方式，在发送数据帧时于无线网卡的半双工工作方式，在发送数据帧时并不检测冲突，并不检测冲突，发长数据帧发长数据帧会导致长时间处于冲会导致长时间处于冲突状态，直到帧发完才停，因此有必要突状态，直到帧发完才停，因此有必要在发送前在发送前先预约信道先预约信道qCSMA/CA:CSMAwithCollisionAvoidance冲突避免冲突避免:增加增加RTS/CTS交互交互在发长
42、的数据帧前在发长的数据帧前: :qRTS/CTS:信道预约信道预约l发送站发送站:发出短的发出短的RTS幀幀(requesttosend)预约信道预约信道l接收站接收站:应答短的应答短的CTS幀幀(cleartosend)同意预约同意预约qCTS为发送站保留信道为发送站保留信道,起了通知其它起了通知其它(可能隐蔽可能隐蔽的的)站点的效果站点的效果q避免避免了隐蔽站点造成的冲了隐蔽站点造成的冲突突冲突避免冲突避免:RTS/CTS预约信道预约信道RTS与与CTS为短幀为短幀:q由于由于RTS幀长幀长20字节，字节，CTS幀长幀长14字节，比最大数据字节，比最大数据幀长度幀长度2346字节要短很多，
43、所以发生冲突可能性很小字节要短很多，所以发生冲突可能性很小q最后效果类似于冲突检测最后效果类似于冲突检测协议设计精巧，碰撞很少会发生。但极少数情况下协议设计精巧，碰撞很少会发生。但极少数情况下碰撞仍可能发生，如碰撞仍可能发生，如B和和C站同时向站同时向A发送发送RTS幀，这两幀，这两个个RTS幀就会发生碰撞，幀就会发生碰撞，A收不到正确的收不到正确的RTS幀，因而也幀，因而也不会发送后续的不会发送后续的CTS幀，这时，幀，这时，B和和C发现超时后，会随发现超时后，会随机推迟一段时间后重新发送其机推迟一段时间后重新发送其RTS幀，推迟时间的算法幀，推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。也是使用二
44、进制指数退避。隐终端问题解决方式隐终端问题解决方式1.节点节点A欲发送一数据包给节点欲发送一数据包给节点B,首先首先A发送一发送一RTS给给B;2.B发送发送CTS;3.A收到收到CTS后发送数据后发送数据;4.C监听到监听到CTS，知道有节点在发送数据，知道有节点在发送数据，A和和B数据传输数据传输时间时间C不会发数据包。不会发数据包。暴露终端问题解决方式暴露终端问题解决方式1、发送者发送发送者发送RTS。2、接收者返回、接收者返回CTS。3、邻居节点：、邻居节点：如果收到如果收到CTS则保持安静，不能传输数据。则保持安静，不能传输数据。如果只收到如果只收到RTS而没收到而没收到CTS,可以
45、传输数据。可以传输数据。802.11MAC:CSMA/CA计算随机退避时间(2i+2个时隙选一）以再次重新试图接入信道二进制指数退避二进制指数退避(BinaryBackoff)q当信道从忙态变为空闲时，多个等着发送的站点此时可能当信道从忙态变为空闲时，多个等着发送的站点此时可能都想发送数据帧，当这些站点要发送数据幀时，不仅都必都想发送数据帧，当这些站点要发送数据幀时，不仅都必须等待一个须等待一个IFS间隔，间隔，而且还要进入而且还要进入争用窗口争用窗口，计算随机，计算随机退避时间和进行各自退避，退避后再次重新试图接入信道，退避时间和进行各自退避，退避后再次重新试图接入信道，这样就可以减少发生冲
46、突的概率这样就可以减少发生冲突的概率q以下情况不使用退避算法：以下情况不使用退避算法：当一个站要发送的是它的第一个数据幀时，当一个站要发送的是它的第一个数据幀时，并检测到并检测到信道为空闲。信道为空闲。q其余情况下，都必须使用退避算法。即：其余情况下，都必须使用退避算法。即：l在发送第一个帧之前检测到信道为忙在发送第一个帧之前检测到信道为忙l在每一次的重传后在每一次的重传后l在每一次的成功发送后在每一次的成功发送后BinaryBackoff 802.11使用的二进制指数退避算法（使用的二进制指数退避算法（BinaryBackoff）如下：如下：第第i次退避时，在次退避时，在2i+2个时隙中随机
47、选择一个。个时隙中随机选择一个。例例第第1次退避在次退避在8个时隙中随机选择一个（而不是象以太网个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第那样第1次冲突后在次冲突后在2个时隙中选）；个时隙中选）；第第2次退避在次退避在16个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第样第2次冲突后在次冲突后在4个时隙中选）。个时隙中选）。然后然后根据该时隙数根据该时隙数设置一个退避计时器进行设置一个退避计时器进行减减1计时计时，当计，当计时器时间时器时间减小到减小到0时就开始发送时就开始发送数据。若时间还数据。若时间还未减到未减到0信道又信道又变为忙，则冻结变为忙，则冻结该计
48、时值该计时值重新等待信道变为空闲重新等待信道变为空闲、再经过时间、再经过时间DIFS后，后，继续启动退避计时器继续启动退避计时器（从剩下的时间开始）。这样规（从剩下的时间开始）。这样规定有利于该继续启动计时器的站更早地接入信道中。定有利于该继续启动计时器的站更早地接入信道中。点协调功能点协调功能 PCF（选项选项） q前面讲的是：前面讲的是：分布协调功能分布协调功能DCFCSMA/CA,争用服务争用服务（必选项）必选项）所有的所有的AP、STA都须具有此功能都须具有此功能qIEEE802.11 还有：还有： 点协调功能点协调功能 PCF 无争用服务无争用服务（可可选项选项） (PointCoo
49、rdinationFunction),某些某些AP有此功能。有此功能。具有该功能的具有该功能的AP使用使用集中控制集中控制的接入算法将发送数的接入算法将发送数据权据权轮流轮流交给各个站，从而避免了冲突的产生。交给各个站，从而避免了冲突的产生。可以用在时间敏感的服务场合，如音频、视频传输时；可以用在时间敏感的服务场合，如音频、视频传输时；AP通过使用短的帧间间隔通过使用短的帧间间隔PIFS，可获得优先发送权；可获得优先发送权；AP有了优先发送权，就可以轮流向各个无线站点发送有了优先发送权，就可以轮流向各个无线站点发送查询请求，从而控制无线介质的访问。查询请求，从而控制无线介质的访问。无线接入过程
50、无线接入过程 STA(工作站）启动初始化、开始正式使用工作站）启动初始化、开始正式使用AP传送数据幀前，要经过三个阶段才能接入传送数据幀前，要经过三个阶段才能接入:(1)扫描扫描(Scan/Probe)(2)认证认证(Authentication)(3)关联关联(Association) 无线接入过程无线接入过程无线接入第一阶段无线接入第一阶段:扫描（扫描（Scan/Probe)阶段阶段q若无线站点若无线站点STA设成设成Ad-hoc模式：模式：STA先寻找是否已有先寻找是否已有IBSS（与与STA所属相同的所属相同的SSID）存在，存在，如有，则参加（如有，则参加（join）；）；若无若无,
51、则会自己创建一个则会自己创建一个IBSS，等其他等其他站来站来join。q若无线站点若无线站点STA设成设成Infrastructure模式：模式：1、主动扫描方式主动扫描方式（特点：能迅速找到）（特点：能迅速找到） STA依次在依次在11个信道发出个信道发出ProbeRequest帧，寻找与帧，寻找与STA所属所属有相同有相同SSID的的AP，若找不到有相同，若找不到有相同SSID的的AP，则一直扫描下则一直扫描下去去2、被动扫描方式被动扫描方式（默认默认，特点：找到时间较长，但，特点：找到时间较长，但STA节电）节电）STA被动等待被动等待AP每隔一段时间定时送出的每隔一段时间定时送出的B
52、eacon信标幀，信标幀，该帧提供了该该帧提供了该APMAC地址及地址及SSID相关信息相关信息：“我在这里我在这里”无线接入第二阶段无线接入第二阶段:认证（认证（Authentication）阶段）阶段当当STA找到与其有相同找到与其有相同SSID的的AP，在，在SSID匹配匹配的的AP中，根据收到的中，根据收到的AP信号强度，选择一个信号最信号强度，选择一个信号最强的强的AP，然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。点才能进行无线接入访问。802.11提供几种认证方法，提供几种认证方法，有简单有复杂，如采用有简单有复杂，如采用80
53、2.1x/EAP认证方法时大致为：认证方法时大致为：1.STA向向AP发送认证请求发送认证请求2.AP向认证服务器发送请求信息要求验证向认证服务器发送请求信息要求验证STA的身份的身份3.认证服务器认证完毕后向认证服务器认证完毕后向AP返回相应信息返回相应信息4.如果如果STA身份不符，身份不符，AP向向STA返回错误信息返回错误信息如果如果STA身份相符，身份相符，AP向向STA返回认证响应信息返回认证响应信息无线接入过程无线接入过程无线接入第三阶段无线接入第三阶段:关联（关联（Association）阶段）阶段 当当AP向向STA返回认证响应信息、身份认证获得通过返回认证响应信息、身份认证
54、获得通过后，后，进入关联阶段：进入关联阶段：1.STA向向AP发送关联请求发送关联请求2.AP向向STA返回关联响应返回关联响应至此，接入过程才完成，至此，接入过程才完成，STA初始化完毕，初始化完毕，STA此时此时和该和该AP间才建立起无线链路，间才建立起无线链路，可以开始向可以开始向AP传送数据传送数据幀。此后，若幀。此后，若STA再进一步与再进一步与DHCP服务器交互，得到服务器交互，得到IP地址后，便可地址后，便可Internet上网。上网。无线接入过程无线接入过程无线接入过程示意图无线接入过程示意图Authentication ServerAPSTAProbe RequestProb
55、e Response Probe RequestProbe ResponseSSID比较Authentication RequestAuthentication ResponseAssociation RequestAssociation Response扫扫描描认认证证关关联联Y802.11协议定义三类幀协议定义三类幀q 数据幀数据幀q控制幀控制幀-RTS幀、幀、CTS幀、幀、ACK幀幀等等q管理幀管理幀-ProbeRequest/Response幀幀(主动扫描时主动扫描时)Beacon幀幀(信标幀信标幀,被动扫描时被动扫描时AP发出发出)AuthenticationRequest/Resp
56、onse幀、幀、DeAuthentication幀幀(去掉认证去掉认证)AssociationRequest/Response幀、幀、Disassociation幀幀(去掉关联去掉关联)ReAssociationRequest/Response幀幀(从从ESS的一个的一个BSS漫游到另一个漫游到另一个BSS进行进行重新关联，以便新重新关联，以便新AP联系老联系老AP取得取得原来的关联信息原来的关联信息)IEEE802.11MAC无线数据帧格式无线数据帧格式DataFrameFormatWLAN MAC无线数据帧的主要字段字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址
57、 2地址 3序号控制地址 4帧主体FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP 顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部(30字节)n 四个地址字段中，地址 4 用于自组网络。前三个地址作用如下： 到 DS从 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址10AP 地址源地址目的地址WLAN MAC无线数据帧的主要字段q序号控制字段占 16 位，其中序号子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。作用：帧序号可区别新传帧、重传帧q持续期字段占 16 位，最高位为0时表示将要占用信道的持续时间，单位为微秒。q帧控制字段共分为 11
58、个子字段。q协议版本字段现在是 0。q类型字段和子类型字段区分控制帧(RTS、CTS、ACK)、DATA帧、管理帧的类型、子类型。q更多分片字段置为 1 时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。q有线等效保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。分片的发送举例q 无线信道通信质量较差，正确收帧的概率不是很高，因此WLAN的数据帧不宜太长。此时需把较长的帧划分为许多较短的分片，这时可以在一次使用RTS、CTS预约信道后连续发送这些分片，期间仍要使用停等协议(ACK)。ttt源站目的站 其他站RTSCTS分片 1ACK分片 2ACK分片 3ACKSIFSNAV
59、 (RTS)NAV (CTS)长的帧划分为许多分片A、BinthesameIBSS，AB（Adhoc无线自组网中的数据帧的地址格式）无线自组网中的数据帧的地址格式）AddressingMechanism:Case1I从从AP发出的无线数据帧发出的无线数据帧中的地址格式中的地址格式AddressingMechanism:Case2发到发到AP的无线数据帧的无线数据帧中的地址格式中的地址格式AddressingMechanism:Case3通过无线分布系统传输的无线数据帧通过无线分布系统传输的无线数据帧中的地址格式中的地址格式AddressingMechanism:Case4无线帧的“到DS/从DS”字段(A发送无线数据帧到B时)过程： A先发无线数据帧给AP1； AP1再将无线数据帧发给B。AddressingMechanism:Case5(数据帧从WLAN发送到以太网时)IEEE802.11MAC/PHY小结小结WLAN小结小结IEEE 802.11 (Wi-Fi)， 802.11 b/a/g/nPHY: FHSS/DSSS/OFDMMAC: DCF、PCF CSMA/CA冲突避免措施： (1) 不同的帧间间隔 (2) 虚拟载波监听 (3) RTS/CTS预约信道 (4) 二进制指数退避无线接入过程：扫描、认证、关联
