第2章 1 无线局域网要点课件.ppt

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1、第2章 无线接入网络技术,2.1 无线局域网与IEEE 802.11标准,2,本节内容简介,无线局域网概述 无线局域网的组成与服务无线局域网协议体系结构 无线局域网的应用IEEE 802.11物理层技术 IEEE 802.11MAC层技术,3,无线局域网概述,无线局域网(WLAN)的定义WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，通常指采用无线传输介质的计算机局域网。WLAN在距离有限的区域内实现无线通信，距离差异使得数据传输的范围不同，导致网络具体的设计和实现方面有所区别。,4,无线局域网概述,典型WLAN和LAN集成部署示意图,5,WLAN的常用设备,(a)PCMCIA无线局域网卡,(

2、b)USB无线局域网卡,(d)室内AP,(e)室外AP,(c)手机,6,WLAN领域的两个典型标准IEEE802.11IEEE802.11系列标准由802.11工作组提出，包括802.11,802.11a,802.11b,802.11g,802.11i和802.11n等多个标准，每一种标准在实现性能上各异。HiperLANHiperLAN由欧洲ETS开发，包括HiperLAN1,HiperLAN2,室内无线骨干网络的HiperLink,室外访问有线基础设施的HiperAccess 4种标准。,IEEE 802 family standards,8,无线局域网的特点无线局域网的优点移动性,灵活性

3、,可伸缩性,经济性无线局域网的局限性可靠性,兼容性与共存性,带宽与系统容量,覆盖范围,干扰,安全性,节能管理,多业务与多媒体,移动性,小型化和低成本,9,无线局域网的分类按频段,无线局域网分类一,10,根据业务类型,无线局域网分类二,11,根据网络拓扑和应用要求，可分为对等,基础架构,接入,中继等WLAN有3种应用目的WLAN接入,网络无线互联,定位,12,无线局域网的组成与服务,无线局域网的组成站(STA)站也称主机或终端，是WLAN的基本组成单元。站一般作为客户端，是具备无线网络接口的计算机设备，通常包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件三部分。无线介质(WM)无线介质是WLAN中站或A

4、P间通信的传输介质，空气是无线电波和红外线传播的良好介质。,13,无线接入点(BS)无线AP类似于移动通信网络的基站，通常处于BSA的中心，固定不动无线AP是具有无线网络接口的网络设备分布式系统(DS)连接多个BS的系统称为DS,14,无线局域网的拓扑结构WLAN的拓扑结构可从几方面分类： 根据物理拓扑可分为单区网和多区网； 根据逻辑拓扑可分为对等式,基础结构式和线型,星型,环型等； 根据控制方式可分为无中心分布式和有中心集中控制式两种； 根据与外网的连接性可分为独立WLAN和非独立WLAN。BSS是WLAN的基本构造模块，有两种基本拓扑结构或组网方式： 分布对等式拓扑、基础结构集中式拓扑,1

5、5,分布对等式工作模式,16,基础结构BSS工作模式,17,ESS网络拓扑ESA是多个BSA通过DS连接形成的扩展区域，范围可达数千米中继或桥接型网络拓扑两个或多个网络(LAN或WLAN)或网段可通过无线中继器、网桥或路由器等连接和扩展,18,无线局域网的服务STA服务(1)认证(Authentication)(2)解除认证(Deauthentication)(3)保密(Privacy)DS服务(1)联结(Association)(2)重新联结(Reassociation)(3)解除联结(Disassociation)(4)分布(Distribution)(5)集成(Integration),

6、19,无线局域网协议体系结构,IEEE802.11协议标准IEEE802.11标准的发展IEEE802.11标准经历了20多年的发展，已经逐步完善和形成体系IEEE802.11若干子标准比较,20,802.11 WLAN,Working Groups summary,802.11,802.11,802.11a,802.11b,802.11g,802.11n,21,无线局域网的应用,无线局域网的应用领域 难以使用传统布线的场所，如风景名胜、古建筑等； 采用无线网络成本较低的区域，如相距较远的建筑物、有强电设备的地方、公共通信网不发达的地区； 临时性网络，如展览会场、大型体育场馆、救灾现场等； 人

7、员流动性大的场合，如机场、仓库、超市、餐厅等；,22,IEEE 802.11体系结构,802.11体系结构,23,IEEE802.11较完整协议体系,IEEE802.11协议体系,802.11 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）,The Physical Layer,Direct Sequence Spread S

8、pectrum (DSSS) PHY2.4 GHz : 1 2 MbpsThe Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) PHY2.4GHz : 2 MbpsInfrared (IR) PHY2.4GHz : 1 and 2 MbpsThe OFDM PHY IEEE 802.11a5.0 GHz : 6-54 Mbps High Rate DSSS PHY IEEE 802.11b2.4 GHz : 5.5 Mbps 11 Mbps Multiple Input Multiple Output IEEE 802.11n 2.4GHz/5GHz : 30

9、0Mbps,几种常用的 802.11 无线局域网,802.11 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,主要有两个原因。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，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。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。,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 stati

10、on problem),A 的作用范围,C 的作用范围,A,B,C,D,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),A,D,C,B,？,B 的作用范围,C 的作用范围,CSMA/CA 协议,无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而

11、在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议。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(Distributed Coordination Function)(

12、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而避免了碰撞的产生,帧间间隔 IFS,所有的站在完成发送后，必须再等待一段

13、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)。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。,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第 1 帧,SIFS,PIFS,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,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,SIFS，即

14、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,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第 1 帧,SIFS,PIFS,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,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比 SIFS 长，是为

15、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,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第 1 帧,SIFS,PIFS,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,ACK,SIFS,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

16、 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,1)欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。2)通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。3)当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。,为什么信道空闲还要再等待,这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如其他的站有高优先级的帧要发送，就让高优先级帧先发送。,假定没有高优先级帧要发送,4)没有高优先级的帧要发送，源站发

17、送了自己的数据帧。5)目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。6)若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。,虚拟载波监听,虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）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。 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。,虚拟载波监听的效果,这种效果

18、好像是其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。,网络分配向量,当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。NAV 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。,争用窗口,信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接

19、入到信道。在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11 使用二进制指数退避算法。,二进制指数退避算法,第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个，即： 第 I 次退避是在时隙 0, 1, , 22 + i 1 中随机地选择一个。 。第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个。,退避计时器 (backoff timer),站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况。若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。若检测到信道忙，就冻结退避计时器

20、的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS 后，从剩余时间开始继续倒计时。 如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。,图例 冻结剩余的退避时间,帧,帧,帧,帧,帧,DIFS,DIFS,DIFS,DIFS,争用窗口,争用窗口,争用窗口,争用窗口,退避,退避,退避,退避,A,B,C,D,E,t,t,t,t,t,冻结,冻结,冻结,冻结,冻结,802.11 的退避机制,退避算法的使用情况,仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。

21、在每一次的成功发送后。,2. 对信道进行预约,802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。,A,C,B,D,E,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。,2. 对信道进行预约,802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。,A,C,B,D,E,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)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。,A 收到 CTS 帧后就可发送

22、其数据帧。,RTS 和 CTS 帧以及数据帧和ACK 帧的传输时间关系,时间,DIFS,RTS,SIFS,时间,NAV（RTS）,DIFS,争用窗口,推迟接入,源站,时间,目的站,ACK,其他站,CTS,SIFS,SIFS,数据,NAV（CTS）,NAV（数据）,802.11 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,

23、顺序,位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1,MAC 首部,802.11 数据帧的三大部分,MAC 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。在这里只讨论前三种地址。,序号控制字段、持续期字段和帧控制字段,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。持续期字段占 16 位。帧控制字段共分为 11 个子字段。协议版本字段现在是 0。类型字段和子类型字段用来区分帧的功能。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。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,t,t,t,源站,目的站,其他站,RTS,CTS,分片 1,ACK,分片 2,ACK,分片 3,ACK,SIFS,NAV (RTS),NAV (CTS),长的帧划分为许多分片,