[互联网]无线局域网14章.ppt

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1、课程名称：无线局域网技术授课时间：周一1-2节授课周数：1-16周主要参考书：无线局域网，郭峰等编著，电子工业出版社。无线局域网（WLAN)-原理、技术与应用 刘乃安主编，西安电子科技大学出版社。,本课的主要内容：1、无线局域网概述2、局域网基础3、无线局域网的构成及功能要求4、局域网的媒体访问控制协议5、无线局域网的扩频技术6、无线信道特性分析7、无线局域网的天线系统8、Internet与TCP/IP协议9、移动计算网络10、无线局域网的应用,无线局域网技术 第一章 概 述,本章概述无线局域网的发展历史及其相关的背景知识；描述无线局域网的技术特点；简介无线局域网的标准化活动。,第一节 引 言

2、,有线局域网：,有线局域网指用电缆线或光纤把局部区域内(几米几千米)的大型计算机、工作站、微型机等相互连接起来，并完成计算机间的数据传输与资源共享的计算机网络。,传输媒体：双绞线、电缆线及光纤。能够满足一般的工业自动化及办公自动化环境要求。,有线局域网的不 足：,传输速率不够高 传输、处理多媒体信息。要求：局域网具有高达几百Mbps甚至几Gbps的传输速率。(2)布线繁琐，办公室电缆线泛滥 现今社会是高度信息化社会，办公室成为信息网络系统的末梢。在办公室内，各种网络系统共存，必将出现电缆线的“洪水”。(3)无法从移动体访问局域网 高度信息化社会要求高的信息传输速率、支持可移动性的局域网。,局域

3、网正沿以太网 FDDI(光纤分布式数据接口)快速以太网(具有100Mbps传输速率)ATM局域网方向发展。目前的ATM（异步传输模式）局域网可支持几十Mbps、几百Mbps甚至几Gbps的传输速率，它被认为是高速局域网。,局域网的发展方向：,第二节 无线机算机通信的历史及现状,无线局域网：,支持具有移动计算能力的局域网，即具有移动计算能力的计算机网。网中的站（终端）可在网中漫游，同时保持与网络通信。,无线局域网的特点：,高传输速率、无线电或红外线传输媒体、灵活的组网。用无线媒体替代有线传输媒体（电缆、光缆）。,计算技术发展的 发展阶段：,第一阶段(5060年代)：庞大的低性能计算机；第二阶段(

4、70年代)：配置大量时分终端的大型计算机；第三阶段(80年代)：桌上型微机、工作站，第四阶段(90年代)：功能强大的便携式计算机。,无线计算机通信的发展阶段：,1.大型机联网阶段，这对应以上第一、二阶段2.微型机联网阶段，对应以上第三阶段3.移动计算网络阶段，对应以上第四阶段,一、大型机联网阶段,这阶段的计算机通信大都采用电缆线做为传输媒体。即使是无线通信也仅仅是用无线媒体替代电缆线，用以克服由于地理环境而造成的布线困难。夏威夷大学1970年投入运行的Aloha Net是这个时期无线计算机通信的典型例子。从网络的业务需求和实现费用角度考虑，采用无线电作为传输媒体在当时的情况下是最佳的选择。Al

5、oha Net属有中心网络拓扑，设置有上行和下行两个广播信道。,二、微型机联网阶段,由于桌上型微机及工作站的广泛使用。这个时期的典型代表：无线分组交换网和初期的无线局域网。网中主要有三种节点：数据终端T、中转节点R、及中心节点C。数据终端由无线分组适配器、微机或其它智能设备组成。中转节点对收到的分组进行存储转发及路由处理，主要用于扩大终端至中心节点的通信范围。中心节点完成各终端间的分组转接及本地无线分组网同其它网络的接口。,无线分组交换网：可采用无中心拓扑结构、使用分布式信道接入协议及分布式路由与流量控制策略。这时，网中只需两种节点：数据终端T和中转节点R。中转节点对收到的分组进行包括路由选择

6、、流量控制等在内的存储转发处理。数据终端完成发送与接收分组功能。初期无线局域网：这是该时期无线计算机通信的另一个典型例子。这种无线局域网使用无线电做为总线式广播信道，网中的站采用随机竞争类信道接入协议(例如载波监测多址接入协议CSMA)访问信道。网络的覆盖范围一般在几米几百米之间，数据传输速率在几百kbps几Mbps。它的优点是无须布线、安装方便，网中的站可在覆盖范围之内移动。采用无线电媒体的无线局域网一般选用微波频段。,三、移动计算网络阶段,一、二阶段只是用无线代替了有线，网络无支持移动能力。进入90年代后，功能强大的便携式计算机的普及使用，人们需要支持移动能力的计算机网络或称移动计算网络。

7、,移动计算网络实现方法：,1直接利用蜂窝电话网 这种方法的特点：网络覆盖范围广，可提供几kbps十几kbps的数据速率。但与专用的数据分组网相比，可靠性差，不适宜传送突发数据。,2由专用移动分组交换网实现移动计算网络 这种网络的构成与蜂窝电话网基本相同，所不同的是它是专用的数字分组交换网。笔记本计算机通过一专用的无线适配器接入网络。这种分组网在可靠性、安全性等方面均优于蜂窝电话网，可在4.8kbps19.2kbps的数据速率下工作。其缺点是需要重新建立一套网络系统，且需要申请专用的频段，覆盖范围小。,3在蜂窝电话网络上建立数字分组交换网 基本思想：在现有的蜂窝电话网基础设施之上建立专用的数据分

8、组交换网。CDPD(Cellular Digital Packet Data)蜂窝数据分组交换网 特点：CDPD网是专用的数据分组交换网，通信可靠性高、安全性好；无需专用的频段资源，是公共蜂窝电话网向分组数据传输的升级；与专用分组网相比，CDPD网造价低、覆盖范围广。,4由无线局域网过渡到移动计算网络 前述所实现的移动计算网络的数据传输速率：几kbps几十kbps，小区的半径：几百米几十公里之间。数据速率低，应用限于电子邮政、数据查询及较短的文件传送等方面。实现高速率、能够支持多媒体业务，可由局部区域逐步扩展到广域的移动计算网络。,第三节 无线局域网的特点,一、无线局域网：凡是采用无线传输媒体

9、的计算机局域网都可称为无线局域网。为区别以往的低速网络，我们说的无线局域网特指传输速率高于256kbps的无线计算机局域网。二、传输方式：传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。传输媒体：无线电波、红外线及蓝牙。调制方式：扩展频谱方式与窄带调制方式。,1扩展频谱方式 扩展频谱方式：数据基带信号的频谱被扩展至几倍-几十倍后再被搬移至射频发射出去。这样牺牲了频带带宽，提高了通信系统的抗干扰能力和安全性，同时减小了对其它电子设备的干扰。使用的频段：一般选择ISM频段，ISM是英文Industrial、Scientific、Medical的缩写。许多工业、科研和医疗设备辐射的能量集

10、中于该频段。欧美日等国家无线电管理机构分别设置了各自的ISM频段，美国的ISM频段：902MHz-928MHz，2.4GHz-2.484GHz，5.725GHz-5.850GHz三个频段组成。,如果发射功率及带外辐射满足美国联邦通信委员会(FCC)的要求，则无须向FCC提出专门的申请即可使用这些ISM频段。,2窄带调制方式,窄带调制方式：数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。窄带调制方式的无线局域网使用的频段：一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用；也可选用ISM频段，这样可免去向无线电管理委员会

11、申请。存在的问题：当临近的仪器设备或通信设备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。,3红外线方式,红外线方式：基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术。无线局域网传输方式的红外线方式的最大优点：这种传输方式不受无线电干扰；红外线的使用不受国家无线电管理委员会的限制。然而，红外线对非透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限。,4Bluetooth-蓝牙方式,Bluetooth-蓝牙技术是最近十几年发展起来的一种新型的无线传输技术。现在这种技术已经比较成熟，市场上已有各种产品，它将广泛应用于各种无线通信设备中。,三、网

12、络拓扑,无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或叫对等式(Peer to Peer)拓扑和有中心(Hub-Based)拓扑,网络中任意两个站点均可直接通信。网络一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，信道接入控制(MAC)协议大多采用CSMA(载波监测多址接入)类型的多址接入协议。优点：网络抗毁性好、建网容易、费用较低。缺点：网中用户数(站点数)过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。为满足任意两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。适用于用户数相对较少的工作群网络规模。,1无中心拓扑,2有中心拓扑,要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。优点：当网络业务

13、量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不剧烈；每个站点只要在中心站覆盖范围之内就可与其它站点通信，这样网络中站点布局受环境限制亦小；此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点，中心站点充当无线局域网与有线主干网的转接器，使两网结合起来。缺点：有中心网络拓扑结构抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪；中心站点的引入增加了网络成本。,四、网络接口,网络接口涉及无线局域网中站点从哪一层接入网络系统。网络接口可以选择在OSI参考模型的物理层或数据链路层。,物理层接口：指使用无线信道替代通常的有线信道，而物理层以上各层不变。最大优点：上层的网络操作系统及相应的驱动程序可不做任何修改。这种

14、接口方式在使用时一般做为有线局域网的集线器和无线转发器以实现有线局域网间互连或扩大有线局域网的覆盖范围。,数据链路层接口：这种接口方法没有使用有线局域网的MAC协议，而采用更适合无线传输环境的MAC协议。在实现时，MAC层及其以下层对上层是透明的，配置相应的驱动程序来完成与上层的接口，这样可保证现有的有线局域网操作系统或应用软件可在无线局域网上正常运行。目前，大部分无线局域网厂商都采用数据链路层接口方法。,五、无线局域网对移动计算网络的支持,移动计算网络提供的功能：,(1)小区内的站点可移动，同一小区内站点可直接或经AP间接通信；(2)不同小区内站点可经过网络接入点AP与主干网进行通信；(3)

15、当某一站点由一个小区移动至另一个小区时，通过越区切换协议或算法，该站点被切换至新的小区，在新的小区中该站点仍和在以前小区时一样保持与外界的联结；(4)小区中的站点可通过主干网上的路由器访问公共网或被公共网访问。,六、无线局域网的技术要求与应用环境,1无线局域网的技术要求,(1)可靠性 保证通信系统的可靠性和稳定性。无线局域网的信道误比特率应尽可能低，信道误比特率10-8，保证较满意的网络性能。(2)兼容性对室内应用的无线局域网，应尽可能与现有有线局域网兼容，现有的网络操作系统和网络软件应能在无线局域网上不加修改地正常运行。,(3)数据速率为了满足局域网的业务环境，无线局域网至少应具备1Mbps

16、以上的数据速率。(4)通信保密由于使用无线媒体，要求有较高的通信保密能力。可在不同层次采取措施来保证通信的安全性。采取适当的传输措施，如采用扩展频谱技术；为防止网间干扰与数据泄漏，采取网络隔离或设置网络认证措施；同一网中设置严密的用户口令及认证措施，防止非法用户入网；设置用户可选的数据加密方案，保证用户数据安全。,(5)移动性 无线局域网中的站分为全移动站与半移动站两类。全移动站指在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保持与网络的通信。半移动站指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动，但仅在静止状态下才能与网络通信。支持全移动站的网络称为全移动网络，而支持半移动站的网络称为半移动网络。目前的无线局域网

17、大都属于覆盖范围极小的(几米几百米)的全移动网络。所以，为扩大覆盖范围和提高频带利用率，必然要引入蜂窝或微蜂窝网络结构。(6)节能管理由于面向便携机，为节省电池的消耗，网络应具有节能管理功能。,(7)小型化、低价格这是无线局域网能够实用并普及的关键所在。这取决于大规模集成电路，尤其是高性能、高集成度砷化镓技术的进步。目前3GHz以下砷化镓MMIC(微波单片集成电路)的技术已逐于成熟，已具备了生产小型、低价格无线局域网射频单元的技术能力。(8)电磁环境，无线电频段的使用规范在室内使用的无线局域网，应考虑电磁波对人体健康的损害及其它电磁环境的影响。无线电管理部门已规定了无线局域网能够使用的频段，规

18、定发射功率及带外辐射等各项技术指标。,2无线局域网的应用环境,应用情况可分为两类：半移动网络应用；全移动网络应用。(1)半移动网络应用a室内应用大型办公室、车间；超级市场、智能仓库；临时办公室、会议室；证券市场等。,b.室外应用 城市建筑群间通信;学校校园网络;工矿企业厂区自动化控制与管理网络；银行、金融证券城区网络；城市交通信息网络；矿山、水利、油田等区域网络；港口、码头、江河湖坝区网络；野外勘测、实验等流动网络；军事、公安流动网络等。,(2)全移动网络应用无线局域网与有线主干网构成移动计算网络。这种网络传输速率高、覆盖面大，是一种可传输多媒体信息的个人通信网络。这是无线局域网的发展方向。,

19、第四节 有关无线局域网的标准化活动,一、有关无线局域网的电波法规,美国联邦通信委员会(FCC)1985年开放了902MHz，2.4GHz及5.8GHz三个ISM频段，允许在低发射功率条件下无执照使用这些频段。只要无线局域网适配器(或网卡)的发射功率及带外辐射满足FCC的规定，用户无需向FCC提出申请即可使用这些产品。1990年美国 NCR公司工作在的2.4GHz频段的无线局域网产品正式进入市场。,欧洲无线电委员会(ERC)1991年公布了建议用于无线局域网的一组频段，这些频段分别为2.4GHz ISM频段，5.8GHz ISM频段，17.1GHz频段，24GHz ISM频段和 60.1GHz

20、ISM频段。欧洲电信标准委员会(ETSI)1993年ETSI下属的无线电设备与系统(RES)技术委员会制订了RES.2草案，对中速无线局域网的2.4GHz ISM频段的使用做了具体规定。目前，ETSI正致力于高性能、高速无线局域网(简称Hiper LAN)的标准化工作。Hiper LAN支持1Mbps-20Mbps异步数据业务及64kbps-2048kbps同步数据业务，适宜覆盖范围较小(15米-800米)的应用环境。该网采用更高的微波频段。,1993年3月公布了无线局域网的电波规范 RCR STD-33和RCR STD-34。RCR STD-33涉及采用扩频技术的中速无线局域网的电波规范(2

21、.4 GHz ISM频段)，RCRS TD-34涉及用于窄带调制的高速无线局域网的电波规范(19GHz频段)。,日本邮政省电波系统开发中心(RCR),二、无线局域网的标准化活动,1990年7月，IEEE 802委员会接受了NCR公司“CSMA/CD无线媒体标准扩充”的提案，成立了IEEE 802.11工作委员会，该工作委员会负责制订无线局域网物理层及媒体访问控制(MAC)协议的标准。,IEEE 802.11委员会对无线局域网的业务及应用环境、功能条件等设置了以下基本要求。1.由无线媒体提供含分组语音在内的1Mbps20Mbps无连接MAC业务;2.WLAN中的站为局部区域内固定或可移动的站;3

22、.应用环境为办公室、建筑群、工厂、机场等;4.任意两站间可自由通信;5.满足802.1、802.10及802.2的功能条件;6.分组丢失率410-5。目前IEEE 802.11委员会已完成公布了IEEE 802.11一系列正式标准。,小 结,局域网目前已成为人们提高工作效率的有力工具，今后它将向更高速、可移动方向发展。无线局域网指采用无线媒体的局域网，常用的无线媒体有无线电、红外线。无线局域网具有不用布线、安装简便、网中的节点可移动等优点。支持移动计算是无线局域网区别于有线网的最大特点。无线局域网中的站可分为全移动站与半移动站两类。全移动站在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保持与网络的通信；半

23、移动站在网络覆盖范围内该站可自由移动，但仅在静止状态下才与网络通信。,无线电局域网使用ISM频段及专用微波频段。当使用ISM频段时常采用扩展频谱调制，当使用专用微波频段时采用通常的窄带调制技术。美欧日等国无线电管理部门已经或正在制定用于无线局域网的无线电波规范。IEEE802.11无线局域网工作委员会已经制定了无线局域网的物理层及MAC层等相关标准协议。,第二章 局域网基础,第一节 局域网的特征,一、局域网的应用环境及特点,局域网中各节点之间的距离为几米-几公里；局域网一般支持数据业务，但综合业务局域网也支持包括话音及图象在内的多媒体业务；网中用户间歇地使用网络资源，用户的数据业务通常具有突发

24、性；局域网的信息传输速率在1Mbps以上；信道误码率低，一般10-8；局域网为单位或用户所有。,二、局域网的拓扑结构,1总线拓扑 总线拓扑使用的传输媒体可以是双绞线、同轴电缆、光缆和无线电等。在使用有线媒体时，总线拓扑所需缆线长度为下式，N节点数，S覆盖面积,优缺点：总线形拓扑与其它结构相比节省缆线。但是，在缆线上的任何故障，诸如缆线断开、终端匹配器损坏或脱落等都可使整个网络瘫痪。总线拓扑局域网可采用集中式，也可采用分布式MAC协议。集中式MAC协议：指网中存在一个被称为中央控制器的节点，该节点依某种规则来控制网中每个节点访问信道。分布式MAC协议：网中每个节点都依同样规则自主地访问信道而无须

25、受其它节点控制。,2星形拓扑,在星形拓扑网络结构中，除了一般的工作站节点之外，还存在一个特殊节点，即集线器(或叫中心节点)。各节点与集线器之间用一条专用的双向链路连接。节点之间的通信需经集线器来中转。星形拓扑网络可使用双绞线、同轴电缆、光缆及无线传输媒体。优缺点：星形拓扑的线路投资大于总线形拓扑。各节点与集线器用专线连接，故每条专线的故障并不影响整个网络的工作。但集线器的损坏将导致网络不能正常运行。星形拓扑的局域网通常采用集中式MAC协议，也可采用分布式MAC协议。,3环形拓扑,环形拓扑采用单方向传输链路把各站顺序地连接成一个闭合的环状网络结构。在环形网中每个节点经过一个环路连接器与网络相连接

26、，每个节点除了是源节点与宿节点外，还充当中继节点的角色。传输媒体可选用双绞线、同轴电缆和光缆等。由于光纤的单向传输特性，它是环形拓扑网络理想的传输媒体。,环形网中各节点的环路连接器对环路上的信号都进行中继处理，为防止一个节点停机或故障而导致全网瘫痪，在实用中，一般都采用旁通(Bypass)技术，即，如果某节点停机或发生故障，该节点环路连接器入口将直接与出口连接，使该节点被旁通掉。此外，为防止缆线故障而危及整个网络工作，实用中还采用双环及环路重构(Loop back)技术，即在网中设置两个传输方向相反的环，一旦一个环出了故障依靠另一个环仍能照常工作；如两只环都出了故障则使用剩余的无故障环路重新构

27、成一个正常的环。环形拓扑局域网可采用分布式也可采用集中式MAC协议。,三、局域网的传输媒体,传输媒体：一般有双绞线、同轴电缆、光缆及无线媒体。1双绞线双绞线是把两根相互绝缘的导线缠绕在一起而构成的电线。双绞线在低频端传输损耗较小。两根线绞在一起，某种程度上可增加抗电磁干扰能力。不过双绞线对高频率的电磁干扰敏感，在强噪声环境下使用时应采取抗电磁干扰措施。2同轴电缆在同轴电缆中电磁场具有封闭的结构，故抗外部电磁干扰能力强。在传输低频信号时，电磁场并不完全封闭，也易受外部干扰。同轴电缆比双绞线具有更宽的传输频带，即使采用基带传输，就可得到数十MHz的传输带宽。此外，连接损耗小，分支连接简单。,3光纤

28、光纤的特点是重量轻、耐电磁干扰，具有很低的信道误码率。由于光纤适于单向传输，故适宜于高速率的点到点通信，例如，适宜于环形拓扑的局域网。但是，光纤的分支连接器件较贵，连接损耗也大。,四、局域网的MAC协议,无论是采用总线形、星形还是环形拓扑，网中的节点都将共享传输媒体。共享媒体的规则一般被称为媒体访问控制协议(Media Access Control Protoco1)或简称MAC协议。常用的MAC协议主要有三类：固定分配类、随机竞争类、及预约类(或叫按需分配类)。,第二节 OSI参考模型及局域网标准协议体系,一、OSI参考模型简介“开放系统互联参考模型”(OSI/RM)是国际标准化组织(ISO

29、)提出的。如果计算机系统及其通信适配器按OSI/RM进行构造，则这些计算机可方便地互相连通。,IOS开放系统互连模型OSIRM的各层分别完成不同的功能。该模型可适用于包括广域网及局域网等所有的网络结构。,二、局域网的标准协议体系,美国电子电气工程师学会(IEEE)负责制订技术标准。它下属的IEEE 802委员会专门从事局域网协议的标准化工作，制订了许多协议。,IEEE 802委员会给出的基于OSIRM的局域网参考模型,1物理层：物理层的任务是定义与实现建立、维持和拆除物理连接信道所必须的机械的、电气的及功能的特性与规格。2MAC层：当发送数据时，MAC层从LLC层接收数据，然后执行媒体访问规程

30、，附加控制信息，并送往物理层。3LLC层：完成两通信实体间一条点到点链路上的数据帧传输与控制。数据帧的差错控制与流量控制。,三、IEEE 802协议体系下画给出了IEEE 802委员会给出的局域网协议体系。IEEE 802协议体系由一系列标准协议构成，它包括802.1、802.2、802.3、802.4、802.5、802.6、802.7、802.8、802.9、802.10、802.11和802.12等协议。,802.1描述各协议间的关系、参考模型及与较高层协议的关系。802.2是通用的逻辑链路控制规程(LLC)。802.10描述局域网的安全与保密问题。802.7 TAG与802.8 TAG

31、分别为诸如802.3、802.4及802.5等采用宽带传输方式或光纤媒体时提供技术指导与建议。802.3描述CSMA/CD总线式媒体访问控制协议及相应的物理层规范。802.4描述令牌总线式媒体访问控制协议及相应的物理层规范。,802.5描述令牌环式媒体访问控制协议及相应的物理层规范。802.6描述城域网(MAN)媒体访问控制协议及相应的物理层规范。802.9描述包括综合话音/数据在内的多媒体局域网。802.11描述无线局域网媒体访问控制协议及相应的物理层规范。802.12描述采用4对音频非屏蔽双绞线实现100Mbps传输速率的高速局域网。,第三节 局域网互连,简述实现不同局域网互连或互通的方法

32、 主要介绍中继器、桥接器与路由器 1中继器(Repeater)中继器的作用是把从一个局域网传输媒体上收到的物理信号进行放大、变换及整形处理，然后再发送到另一个局域网上去。中继器的功能结构如下图，工作在物理层。,2桥接器(Bridge)桥接器在MAC层完成对两个局域网上MAC帧的变换与转发。由桥接器连接的两个局域网必须使用相同的LLC协议，而使用的MAC协议可以相同也可以不同。当两个局域网的MAC协议相同时，桥接器完成帧的过滤与转发工作。当两个局域网的 MAC协议不同时，桥接器还要完成两种帧格式的变换。中继器的功能结构如下图,3路由器(Router)路由器在网络层完成两个网络的互连。严格来讲，路

33、由器并不属于局域网互连的范畴。局域网是一个物理网，它仅涉及物理层与链路层的内容。当一个局域网上运行了网络层及以上协议后，它才成为了一个网络。路由器就是完成网络间的互连。路由器要求LANA与LANB两边使用相同的传输层协议，而网络层及其下层可以相同也可不同。如果两边的网络层协议相同，则路由器只需完成对接收到分组的路由选择与转发处理，否则还将完成不同网络协议的变换。,常用的路由器有LANLAN路由器及LANWAN路由器。由于路由器隔离性很好，故适用于中、大规模的网络间互连。用路由器把许多子网连接起来而形成的网络通常称为互连网络。例如Internet就是一个互连网络。路由器的功能结构如下图,简述中继

34、器、桥接器与路由器的工作原理。,第三章 无线局域网的构成及功能要求,第一节 无线局域网的组成,一、概述 下图绘出了无线局域网的组成示意图,连接在网中的设备称为站，这些站可以是台式计算机、便携计算机，也可以是其它智能设备，例如个人数字助理(PDA)、智能控制装置等。如果从站的移动性来分类的话，局域网中的站可分为三类：固定站、半移动站、移动站。固定站指固定使用的台式计算机，有线局域网中的站均为固定站；半移动站指经常改变使用场所的站，但在移动状态下并不要求保持与网络的通信；移动站如同移动电话一样，它在移动中也可保持与网络的通信，这种站是传统的有线局域网中所没有的。目前无线局域网中移动站的典型移动速度

35、限定在步行速度(2m/s以内)及中低速(10m/s以内)之间，但也可以更高。,二、BSA的构成 BSA是构成无线局域网的最小单元。BSA近似于蜂窝电话网中的小区，但它和小区有明显的差异：蜂窝电话网中的小区采用集中控制方式组网，也就是说网中的站一定要经过小区中的基站方可相互通信，但BSA的组网方式并不限于集中控制式。BSA的组网方式有这样三种：无中心的分布对等方式、有中心的集中控制方式、以及上述两种方式的混合方式。第一种：分布式对等方式，BSA中任意两站可相互直接通信，无须设中心转接站。通常使用CSMA/CA做为MAC协议。这种方式的特点是结构简单易维护。,第二种：集中控制方式，BSA中设置一个

36、中心控制站，主要完成MAC控制及信道分配等功能。网中的其它站在该中心站的协调下与其它站通信。由于对信道资源分配、MAC控制采用集中控制的方式，这样使信道利用率大大提高，网络的吞吐性能优于分布式对等方式。引入中心站也使得BSA结构复杂；中心站需要进行信道资源、站点管理等较复杂的处理。第三种：前两种方式的组合，即分布式对等方式与集中控制方式的混合方式。在这种方式下，BSA中的任意两站均可直接通信；而中心控制站完成部分无线信道资源的控制。,三、BSA间干扰当多个BSA相距较近时，BSA间干扰成为很大的问题。因为使用无线传输媒体，某一BSA的无线信号可能会辐射出其覆盖范围，这些泄漏至其它BSA的信号就

37、成为其它BSA的干扰。为了解决BSA间干扰，相邻的BSA使用不同的无线信道。通常使用频分多址或码分多址的方法实现信道切换。四、站的移动 由于站的移动性，移动站必须从一个BSA切换至另一个BSA(切换AP)，与移动相关连的两个BSA的构成情况均发生变化，所以需要对该移动进行专门的移动管理。移动管理包括以下几个方面：登录管理、认证管理、及移动管理。,第二节 无线局域网的协议体系,一、概述下图是IEEE 802.11委员会提出的无线局域网协议体系。无线局域网的标准化工作主要在逻辑链路层LLC以下，即MAC层与物理层。由于无线传输技术与有线传输技术的差异及无线信道的独特性，需要制订新的MAC协议和相应

38、的物理层协议。,二、无线局域网的物理层 无线局域网(WLAN)的物理层主要由所使用的无线频段及调制方式而定。目前使用的无线频段主要有亚微波(1GHz3GHz)、亚毫米波(10GHz30GHz)、红外线等。亚微波：亚微波及其以下频段的无线电波相对来讲传播损耗较小，且对障碍物的透过性也较好。诸多的移动通信系统都在使用该频段，使这一频段已很拥挤。亚毫米波：亚毫米波传播损耗大，直线传播性强，对障碍物的透过性差。常使用定向天线并要求接收天线在发射天线视野之内。目前使用亚毫米波的无线网络系统尚不多。红外线：红外线目前已被广泛地用做电视机等家电遥控器的传输媒体。尽管红外线只能以视线传播，且无法穿透非透明障碍

39、物，但因使用红外线不受无线电管理部门的管制，并可达到相当高的数据传输速率，故在无线局域网中也倍受青睐。此外Bluetooth-蓝牙技术，是近年发展的新技术。,三、无线局域网的MAC协议原则上讲，无线局域网的MAC协议与有线局域网并无本质上的区别。然而，由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。例如，无线局域网的MAC协议在差错控制、解决隐藏终端等方面应有别于有线局域网。后面将详细讨论无线局域网的MAC协议。第三节 无线局域网的功能要求 1.MAC协议 支持平均传输时延尽可能小的异步传输业务；支持可保证最大帧传输时延的同步传输业务；不同的BSA、E

40、SA应使用相同的MAC协议。,2.不同的物理层支持 支持各种传输媒体(亚微波、亚毫米波、红外线等)；数据速率1Mbps20Mbps；低误码率(应达有线LAN的水平，即10-8)。3.站的移动性 支持服务区内固定站、半移动站及移动站；移动速度限制在步行速度与缓慢行驶速度(10Km/h)之间；越区切换对用户是透明的。4.网络互连与可扩充性 BSA构成简便、安装灵活；若干个BSA可简单地扩充至ESA；与现存LAN兼容，并容易接入WAN。,5.与其它无线局域网及无线通信系统的兼容性不同的BSA或ESA即使在地理位置上重叠也可相互独立地运行；具有一定的抗不同BSA间干扰的能力或可躲避BSA间干扰。6.通

41、信保密在物理层及应用上层具备数据保密措施；禁止非法用户入网；具有抗人为电波干扰的能力。7.使用方便用户站安装灵活、自由，移动操作对用户透明；用户无须向无线电管理部门申请无线频段。,8.低功耗 移动用户站使用电池供电，要求低功耗；支持睡眠工作模式等节能控制。小 结概述了无线局域网的组成及协议体系。BSA构成了WLAN的最小服务区域，它类似于移动电话中小区(Cell)的概念。若干个BSA连同其无线接入站AP、有线骨干网一起构成一个ESA。移动站从一个BSA切换到另一个BSA的过程称为越区切换。越区切换是MAC层的功能，它对MAC层以上是透明的。当采用不同的无线媒体及传输方式时，导致无线局域网的物理

42、层不同。IEEE 802.11工作委员会旨在制订适合无线局域网环境的MAC层及物理层协议。,第四章 局域网的媒体访问控制协议,媒体访问控制(MAC)是局域网的关键技术之一，局域网的网络性能(如吞吐性能与迟延性能)完全取决于所采用的MAC协议。本章介绍媒体访问控制的基本知识，重点讨论适宜于无线通信的随机竞争类媒体访问控制协议的原理及其分析方法，最后介绍IEEE802.11标准的MAC协议DFWMAC（基于分布式的无线媒体访问协议）。,第一节 概 述本节叙述媒体访问控制协议的基础知识，给出媒体访问控制的分类以及描述、分析这些控制方法的性能参数与模型。一、复用与多址接入复用技术:在一个固定频段上实现

43、多个子信道的技术称为复用技术(Multiplexing)。多址接入技术:多个站共享某一固定频段进行通信的技术称为多址接入(Multiple Access)技术。,MAC协议可分为以下三类：(1)固定分配类，如FDMA、TDMA、CDMA等；(2)随机竞争类，如Aloha，CSMA等；(3)按需分配类(或称预约类、无竞争类)，如令牌传递多址接入、查询选择多址接入等。1固定分配类MAC协议 目前主要有三种多址接入方式实现固定分配类MAC协议：即频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)及码分多址接入(CDMA)。这三种多址接入方式的原则是把共享的一条信道(或线路)分割成若干个相互独立的子信

44、道，每个子信道又分配给一个(或多个)用户节点专用。,FDMA是在频域上把给定的频段分割成若干个子频段，每个频段表示一个子信道，不同信道在频率轴上是不重叠的；TDMA是在时域上划分子信道，每个子信道使用不同的时隙，虽然不同子信道在时间轴上互不重叠，但在频率轴上可能重叠；与频分和时分复用相比，CDMA既不在频域上也不在时域上划分子信道，而是在伪随机码上区分各子信道。选择一组适当的伪随机码，使其相关特性具有良好的正交性，就可用一个伪码来代表一个子信道，这些子信道在频域上和时域上都是重叠的。,2随机竞争类MAC协议随机竞争类MAC协议使用的传输媒体一般是广播式信道，连接在这条广播信道上的节点都可以向信

45、道发送广播信息。如某节点有信息需要发送，它将以某种方式竞争信道使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去；所有的节点都能接收到任一节点发送的信息，如果检测出是发给自己的则接收下来，否则丢弃。3按需分配类MAC协议这种方法的基本原理是，网络按某种循环的顺序询问每个节点是否有数据发送，如果有数据，则立即发送，否则网络转向询问下一个节点。,依询问方式不同，这种方法又可分为集中式控制和分布式控制两种类型。在集中式控制方法中，网中存在一个中心站，由该站完成对网中各节点的询问控制过程。在分布式控制方法中，网中各节点都有责任按某种确定的规则对询问控制过程进行管理。常见的按需分配类MAC协议有查询选择法多址接入协

46、议，令牌传递法多址接入协议等。这类协议特别适用于环形拓扑的网络结构；由于它可保证最大传输时延的要求，故适用于对时延要求高的网络业务环境。,以上三类多址接入技术分别适应不同的通信业务，如固定分配类和按需分配类适合于如话音、视象等对实时性要求高的通信业务，而随机竞争类更适合于如文件传送等突发性数据业务。一种好的MAC协议应在下述方面达到折衷：公平、有效地分享宝贵的带宽资源；获得尽可能高的吞吐量；迟延尽可能小。,二、多址接入信道模型 1.广播信道满足以下条件的信道称为具有N个用户站的广播信道：(1)N个用户站直接挂在该信道上；(2)任一用户站发出的信号可被所有其它站直接收到；(3)信道是半双工的，当

47、且仅当同时只有一个站向信道发送信号时，其它站才能正确收到该信号。下图给出了广播信道模型,2帧的生成每个挂在信道上的站各自独立地产生欲发送的数据，这些数据被装成一个一个的帧，然后送到发送缓冲区。并且帧的到达服从泊松分布。,广播信道模型,3站的构成与操作假设挂在信道上的所有的站都具备同等硬件及软件功能，站的个数为N。各站产生的帧首先送入一个FIFO发送缓冲区。如果产生的帧没有设定优先级别，先进入缓冲区的帧先被送往信道发出。4信道质量 实际的信道必然引起传输错误，通常用误比特率BER来衡量信道的质量。在分析MAC协议时，为了简化对多址接入方法的评价分析，假设信道是理想的无差错信道。,5传输碰撞当两个

48、以上的帧同时被送往信道，这些帧将在时间上重叠，这种现象为帧的“碰撞”。发生碰撞的帧在其碰撞部分信号将破损，其中的数据将丢失。在信道是理想的假设条件下，碰撞是唯一引起帧传输错误的原因。当某一帧被发出后，如果信道上不发生碰撞，该帧将成功地到达目的站。在发出碰撞的时间段，数据被丢失，信道处于浪费状态。当某一帧发生碰撞或传输错误时，发送站要按照某种算法把该帧重发。对不同的MAC协议，按排重发的机制也不同。,三、有关多址接入的几个重要性能指标下面引入三个描述MAC协议性能的指标：吞吐量、总业务量、平均传输迟延。1.吞吐量(S)当在信道上发生传输碰撞及传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。显然

49、，信道时间浪费的程度可反映MAC协议的优劣。单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量。假设帧长为固定，长度为l比特，单位时间内成功传输的帧数为n，则吞吐量可表示为nlbps(比特/秒)。用信道传输速率R(bps)对吞吐量归一化，归一化的吞吐量由S表示，即 S=n(1/R)=nT 这里，T=l/R为每帧在信道上的发送时间。,如果在信道上帧不发生碰撞，且帧间隙为零的话，信道将被最大限度地使用，这时nl=R，即吞吐量S1。相反，如果信道上所有的帧均发生碰撞，成功传输的帧数n=0的话，吞吐量达最小值S0。2.总业务量(G)把欲进入信道要求传输的帧分为两类：一类是各站新产生的帧；另一类是由于碰撞或

50、其它传输错误要求重传的帧。把信道上所有的站在单位时间内要求传送的帧的信息量称为信道的总业务量。显然总业务量等于单位时间内新产生帧的信息量与重传帧的信息量之和。与吞吐量类似，用信道传输速率对总业务量归一化，归一化的总业务量用符号G表示。,3.平均传输迟延(D)某一帧从进入缓冲器的时刻开始，到成功地到达目的站接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称该帧的传输迟延。当某帧被成功地传输时，其迟延时间主要由发送等待时间和该帧的在信道上的传输时间(即T)组成。如果发生碰撞或传输错误，迟延时间还包括由于重传带来的迟延时间。由于每帧的传输迟延可能不同，一般取一帧的平均传输迟延做为帧迟延的量度，平均传输迟延用符号D表