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,计算机网络简明教程,第 9 章 无线网络,第 9 章 无线网络,9.1 无线局域网的组成9.2 802.11 无线局域网的物理层9.3 802.11 无线局域网的 CSMA/CA 协议9.4 802.11 无线局域网的 MAC 帧,9.1 无线局域网的组成1. IEEE 802.11标准,有固定基础设施的无线局域网,AP1,AP2,一个基本服务集 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。,AP1,AP2,基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。,AP1,AP2,AP1,AP2,一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)。,AP1,AP2,ESS 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一个网桥。,AP1,AP2,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),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。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。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,被动扫描，即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。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）。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),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。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。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。,2. 移动自组网络又称自组网络(ad hoc network),自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,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,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。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。 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，,无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network),由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。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。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。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,环境监测与保护（如洪水预报、动物栖息的监控）；战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控；医疗中对病房的监测和对患者的护理；在危险的工业环境（如矿井、核电站等）中的安全监测；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,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。,几种不同的接入,固定接入(fixed access)在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。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。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。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,9.2 802.11 无线局域网的物理层,802.11 无线局域网可再细分为不同的类型。现在最流行的无线局域网是 802.11b，而另外两种（802.11a 和 802.11g）的产品也广泛存在。 802.11 的物理层有以下几种实现方法：直接序列扩频 DSSS正交频分复用 OFDM 跳频扩频 FHSS （已很少用）红外线 IR （已很少用）,几种常用的 802.11 无线局域网,9.3 802.11 无线局域网的CSMA/CA 协议,无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。在无线局域网的适配器上，接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度。若要实现碰撞检测，在硬件上需要的花费就会过大 。在无线局域网中，并非所有的站点都能够听见对方，而“所有站点都能够听见对方”正是实现CSMA/CD 协议必须具备的基础。,CSMA/CA 协议的思路,要尽量减少碰撞发生的概率。 在无线局域网中，即使在发送过程中发生了碰撞，发送方也要把整个帧发送完毕（因为发送方并不知道发生了碰撞）。因此在无线局域网中一旦出现碰撞，在这个帧的发送时间内信道资源都被浪费了。,链路层确认,802.11 无线局域网在使用 CSMA/CA 的同时，还使用停止等待协议。这是因为无线信道的通信质量远不如有线信道的，因此无线站点每通过无线局域网发送完一帧后，要等到收到对方的确认帧后才能继续发送下一帧。这叫做链路层确认。,帧间间隔,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。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。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。,CSMA/CA 协议的原理,源站必须把它将要占用信道的时间通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。在 MAC 帧首部中有一个持续期字段，填入在本帧结束后还要占用信道多少时间。当信道从忙态变为空闲时，任何站要发送数据帧，不仅都必须等待一个帧间间隔时间，而且还要计算随机退避时间，以便再次重新试图接入到信道。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11 标准也是使用二进制指数退避算法，但具体做法和以太网的稍有不同。,802.11 标准允许要发送数据的站对信道进行预约,源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS (Clear To Send)，它也包括这次通信所需的持续时间。A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。,使用 RTS 和 CTS 帧会使整个网络的效率有所下降。,使用 RTS 和 CTS 帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，其长度分别为 20 字节和 14 字节，与数据帧相比开销不算大。若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。,9.4 802.11 无线局域网的 MAC 帧,802.11 帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。下面是数据帧的主要字段。,字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4,帧控制,持续期,地址 1,地址 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 1,MAC 帧首部,802.11 数据帧的三大部分,MAC 帧首部，共 30 字节。帧的复杂性都在帧的首部。帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312 字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过 802.11 帧的长度通常都是小于 1500 字节。帧检验序列 FCS 是尾部，共 4 字节,1. 关于 802.11 数据帧的地址,802.11 数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址 4 用于自组网络。我们在这里只讨论前三种地址。,帧控制字段,类型字段占 2 位，指明 802.11 帧的类型（控制帧、数据帧和管理帧）。子类型字段占 4 位，用来把某种类型帧再划分为若干个子类型，有线等效保密字段 WEP (Wired Equivalent Privacy)占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。,3. 序号控制字段,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（不分片则保持为 0。如分片则帧的序号子字段保持不变，而分片子字段从 0 开始，每个分片加 1，最多到 15）。重传的帧的序号和分片子字段的值都不变。序号控制的作用是使接收方能够区分开是新传送的帧还是因出现差错而重传的帧。这和运输层讨论的序号的概念是相似的。,4. 持续期字段,持续期字段占 16 位。CSMA/CA 协议允许传输站点预约信道一段时间（包括传输数据帧和确认帧的时间）。这个时间被写入到持续期字段中。由于这个字段有多种用途（这里不对这些用途进行详细的说明），协议规定最高位为 0 时才表示持续期持续期不能超过 215 1 = 32767，单位是微秒。,