沈鑫剡計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用無線局域網(wǎng)PPT課件

1、第第 4 4 章無線局域網(wǎng)章無線局域網(wǎng)本章主要內(nèi)容 無線局域網(wǎng)概述； 無線局域網(wǎng)MACMAC層； 無線局域網(wǎng)工作過程； 無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程。第1頁(yè)/共42頁(yè)4.1 4.1 無線局域網(wǎng)概述無線局域網(wǎng)概述本講主要內(nèi)容 無線局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)； 無線電傳輸； 無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。第2頁(yè)/共42頁(yè)一、無線局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)一、無線局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)際上由MACMAC子層實(shí)現(xiàn)，但用LLCLLC子層給出數(shù)據(jù)類型； 事實(shí)上，IEEEIEEE定義的局域網(wǎng)都用LLCLLC子層給出數(shù)據(jù)類型，第3 3章的以太網(wǎng)幀格式是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不是802.3802.3標(biāo)準(zhǔn)?；跓o線局域網(wǎng)的基于無

2、線局域網(wǎng)的TCP/IPTCP/IP體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)無線局域網(wǎng)表示數(shù)據(jù)類型的方式無線局域網(wǎng)表示數(shù)據(jù)類型的方式第3頁(yè)/共42頁(yè)二、無線電傳輸二、無線電傳輸 通過電磁波在自由空間的傳播實(shí)現(xiàn)無線電通信。 相同頻率的電磁波產(chǎn)生干擾。 電磁波頻段和發(fā)射功率嚴(yán)格控制。第4頁(yè)/共42頁(yè)電磁波頻譜電磁波頻譜 帶寬決定傳輸速率。 高頻段高帶寬。 紫外線以上的有傷害性。 可見光有直線傳播特性。 微波段電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 F(Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 無線電無線電 微波微波 紅外線紅外線 可見光可見光 紫外線紫外線

3、 X 射線射線 射線射線 第5頁(yè)/共42頁(yè)ISMISM頻段頻段 開放公共通信； 功率嚴(yán)格限制； 容易受到干擾。第6頁(yè)/共42頁(yè)無線電傳輸?shù)膸讉€(gè)問題能量損耗，能量損耗與傳播距離平方成正比；干擾，尤其是ISMISM頻段；多徑效應(yīng)。 障礙物障礙物 障礙物障礙物 發(fā)送端發(fā)送端 接收端接收端 沿著不同傳播路徑的電磁波沿著不同傳播路徑的電磁波 多徑效應(yīng)示意圖多徑效應(yīng)示意圖第7頁(yè)/共42頁(yè)ISM頻段存在問題及應(yīng)對(duì)方法頻段存在問題及應(yīng)對(duì)方法 傳輸速率取決于帶寬和信噪比，用帶寬彌補(bǔ)能量限制； 通過擴(kuò)頻技術(shù)和糾錯(cuò)碼解決干擾，這是用傳輸速率換取可靠性的技術(shù)； 多徑效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量降低，必須根據(jù)信號(hào)質(zhì)量調(diào)整傳輸速率。

4、 第8頁(yè)/共42頁(yè)二、無線電傳輸二、無線電傳輸隱蔽站問題導(dǎo)向媒體與無線導(dǎo)向媒體與無線電傳輸?shù)膮^(qū)別：電傳輸?shù)膮^(qū)別：信號(hào)的方向性。信號(hào)的方向性。第9頁(yè)/共42頁(yè)二、無線電傳輸二、無線電傳輸選擇答案，并簡(jiǎn)要回答為什么？（1 1）以下）以下項(xiàng)不是無線電傳輸導(dǎo)致的問題。項(xiàng)不是無線電傳輸導(dǎo)致的問題。A A接收端信號(hào)能量與接收端和發(fā)送端之間距離平方接收端信號(hào)能量與接收端和發(fā)送端之間距離平方成反比成反比B B不需要任何過程就有可能偵聽到其他終端發(fā)送的不需要任何過程就有可能偵聽到其他終端發(fā)送的MACMAC幀幀C C無法避免沖突發(fā)生無法避免沖突發(fā)生D D多個(gè)終端爭(zhēng)用信道多個(gè)終端爭(zhēng)用信道第10頁(yè)/共42頁(yè)三、無線局

5、域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三、無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) BSS 工作站工作站 BSS 工作站工作站 AP BSS 工作站工作站 AP BSS 工作站工作站 AP DS 獨(dú)立基本服務(wù)集獨(dú)立基本服務(wù)集（IBSSIBSS）擴(kuò)展服務(wù)集（ESSESS）n獨(dú)立基本服務(wù)集由單個(gè)無線局域網(wǎng)組成，獨(dú)立基本服務(wù)集由單個(gè)無線局域網(wǎng)組成，終端間直接通信；終端間直接通信；n擴(kuò)展基本服務(wù)集由分配系統(tǒng)互連的多個(gè)擴(kuò)展基本服務(wù)集由分配系統(tǒng)互連的多個(gè)無線局域網(wǎng)組成，無線局域網(wǎng)通過無線局域網(wǎng)組成，無線局域網(wǎng)通過APAP接入接入分配系統(tǒng)；分配系統(tǒng)；n在設(shè)有在設(shè)有APAP的服務(wù)集，終端必須先和的服務(wù)集，終端必須先和APAP建立關(guān)聯(lián)，終端之間通信經(jīng)過建立關(guān)

6、聯(lián)，終端之間通信經(jīng)過APAP。第11頁(yè)/共42頁(yè)選擇答案，并簡(jiǎn)要回答為什么？三、無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三、無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2 2）基本服務(wù)集是一個(gè)）基本服務(wù)集是一個(gè)。A A沖突域沖突域B B廣播域廣播域C C所有終端都能接收到任何目的地址所有終端都能接收到任何目的地址MACMAC幀的傳幀的傳輸區(qū)域輸區(qū)域D D多個(gè)廣播域構(gòu)成的傳輸區(qū)域多個(gè)廣播域構(gòu)成的傳輸區(qū)域第12頁(yè)/共42頁(yè)三、無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三、無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇答案，并簡(jiǎn)要回答為什么？（3 3）擴(kuò)展服務(wù)集是一個(gè)）擴(kuò)展服務(wù)集是一個(gè)。A A沖突域沖突域B B廣播域廣播域C C所有終端都能接收到任何目的地址所有終端都能接收到任何目的地址MA

7、CMAC幀的傳輸區(qū)域幀的傳輸區(qū)域D D多個(gè)廣播域構(gòu)成的傳輸區(qū)域多個(gè)廣播域構(gòu)成的傳輸區(qū)域第13頁(yè)/共42頁(yè) 不同的只是物理層，MACMAC層相同； 通過無線電通信，數(shù)字信號(hào)必須調(diào)制成模擬信號(hào)； 物理層標(biāo)準(zhǔn)涉及載波頻段，調(diào)制技術(shù)等。四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)各標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)系各標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)系第14頁(yè)/共42頁(yè)四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)物理層標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別 電磁波頻段； 信號(hào)調(diào)制技術(shù)； 容錯(cuò)技術(shù)（抗干擾技術(shù)）。第15頁(yè)/共42頁(yè) 802.11DSSS802.11DSSS將2.4G2.4G頻段（2.4012.4012.4072.407）分成1111個(gè)信道，每個(gè)信道22MHz22MHz帶寬

8、； 顯然，信道之間頻率重疊，為了避免干擾，相鄰?fù)ㄐ艆^(qū)域必須使用沒有頻率重疊的信道； 完全沒有頻率重疊的信道是信道號(hào)間隔5 5的信道，在1111范圍內(nèi)，最多只有3 3個(gè)之間沒有頻率重疊的信道，分別是1 1、6 6和1111，因此，它們是最常用的信道號(hào)； 802.11DSSS802.11DSSS在采用不同的調(diào)制技術(shù)下，傳輸速率分別是1Mbps1Mbps或2Mbps2Mbps； 802.11b802.11b和802.11g802.11g是802.11DSSS802.11DSSS的高速版。四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11DSSS802.11DSSS第16頁(yè)/共42頁(yè)4.2 4.2 無線

9、局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)MACMAC層層本講主要內(nèi)容 MACMAC幀結(jié)構(gòu)； 差錯(cuò)控制和尋址過程； DCFDCF和CSMA/CACSMA/CA。第17頁(yè)/共42頁(yè)一、一、MACMAC幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) 無線局域網(wǎng)MACMAC幀可以和以太網(wǎng)MACMAC幀比較，主要區(qū)別在于控制字段，4 4個(gè)地址字段和順序控制字段； 無線局域網(wǎng)MACMAC幀分為控制。管理和數(shù)據(jù)三種類型，這與無線電通信方式有關(guān)； 由于無線傳輸?shù)牟豢煽啃裕枰贛ACMAC層將由同一MACMAC幀封裝的數(shù)據(jù)分片； 各個(gè)字段的功能在以后的操作過程中詳細(xì)討論。第18頁(yè)/共42頁(yè)二、差錯(cuò)控制和尋址過程二、差錯(cuò)控制和尋址過程 無線電通信由于存在能量損耗、干擾

10、和多徑效應(yīng)的影響，傳輸可靠性不高，另外由于存在隱蔽站問題，導(dǎo)致發(fā)送端無法檢測(cè)到可能發(fā)生的沖突； 無線傳輸媒體兩端采用差錯(cuò)控制中的停止等待算法； 如果無線傳輸媒體兩端和不是MACMAC幀的源和目的端，MACMAC幀需要多于兩個(gè)地址。IBSSIBSS中兩個(gè)終端通信情況中兩個(gè)終端通信情況BSSBSS中兩個(gè)終端通信情況中兩個(gè)終端通信情況第19頁(yè)/共42頁(yè) 以太網(wǎng)互連多個(gè)無線局域網(wǎng)（BSSBSS），APAP作為互連無線局域網(wǎng)和以太網(wǎng)的網(wǎng)橋； 由于以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)具有相同的編址結(jié)構(gòu)（MACMAC地址），這種連接方式是最簡(jiǎn)單的； 由于源和目的地址與某一段無線傳輸媒體的兩端地址不同，MACMAC幀經(jīng)過無線傳

11、輸媒體時(shí)需要三個(gè)MACMAC地址。二、差錯(cuò)控制和尋址過程二、差錯(cuò)控制和尋址過程DSDS為以太網(wǎng)時(shí)為以太網(wǎng)時(shí)ESSESS中兩個(gè)終端之間通信的情況中兩個(gè)終端之間通信的情況 第20頁(yè)/共42頁(yè) 如果分配系統(tǒng)本身是無線傳輸媒體，則MACMAC幀通過這一段無線傳輸媒體時(shí)需要四個(gè)MACMAC地址：源和目的地址，這一段傳輸媒體的發(fā)送和接收端地址； 無線局域網(wǎng)多地址結(jié)構(gòu)的主要原因在于MACMAC幀經(jīng)過每一段無線傳輸媒體時(shí)需要進(jìn)行確認(rèn)應(yīng)答，因此，需要知道這一段無線傳輸媒體兩端的地址，即發(fā)送和接收端地址。二、差錯(cuò)控制和尋址過程二、差錯(cuò)控制和尋址過程DSDS為無線傳輸媒體時(shí)為無線傳輸媒體時(shí)ESSESS中兩個(gè)終端之間

12、通信的情況中兩個(gè)終端之間通信的情況 第21頁(yè)/共42頁(yè) 同一BSSBSS內(nèi)的終端使用相同的信道，這些終端爭(zhēng)用公共信道的過程和總線形以太網(wǎng)中終端爭(zhēng)用總線過程十分相似； 由于存在隱蔽站問題，發(fā)送端無法檢測(cè)出所有可能發(fā)生的沖突，沖突檢測(cè)改為沖突避免； 由于無線電通信的不可靠性，無線傳輸媒體采用停止等待差錯(cuò)控制算法； 為了提高通信效率，無線局域網(wǎng)采用自由競(jìng)爭(zhēng)和信道預(yù)留兩套機(jī)制。三、DCF和CSMA/CA隱蔽站問題隱蔽站問題 第22頁(yè)/共42頁(yè) CSMA/CACSMA/CA算法的特點(diǎn)是爭(zhēng)用總線，即信道持續(xù)空閑DIFSDIFS時(shí)間，認(rèn)為信道空閑； 通過NAVNAV預(yù)約信道，預(yù)留時(shí)間通過MACMAC幀中的持

13、續(xù)時(shí)間字段給出，預(yù)約時(shí)間內(nèi)等同于信道忙； 在可能存在多個(gè)終端同時(shí)爭(zhēng)用信道的情況下，通過隨機(jī)產(chǎn)生退避時(shí)間，使得各個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間不同，以此避免沖突發(fā)生； 終端發(fā)送數(shù)據(jù)的前提是持續(xù)DIFSDIFS時(shí)間退避時(shí)間信道一直空閑。三、DCF和CSMA/CACSMA/CACSMA/CA算法算法第23頁(yè)/共42頁(yè) 進(jìn)入退避時(shí)間的前提是可能發(fā)生多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的問題，即沖突； 如果終端第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道空閑且空閑持續(xù)DIFSDIFS時(shí)間，發(fā)生多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的前提是多個(gè)終端同時(shí)檢測(cè)信道，概率較低，因而無須進(jìn)入退避時(shí)間； 如果終端第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道忙，在等待信道由忙轉(zhuǎn)為空閑的時(shí)間內(nèi)，可

14、能有多個(gè)終端開始檢測(cè)信道，因此，發(fā)生沖突的概率較大，需要進(jìn)入退避時(shí)間。三、DCF和CSMA/CA終端檢測(cè)信道時(shí)信道空閑和忙這兩種情況終端檢測(cè)信道時(shí)信道空閑和忙這兩種情況 第24頁(yè)/共42頁(yè)實(shí)現(xiàn)終端A A至終端C C，終端B B至APAP的數(shù)據(jù)傳輸過程三、DCF和CSMA/CADCFDCF操作過程操作過程第25頁(yè)/共42頁(yè) 終端A A、B B開始檢測(cè)信道時(shí)，信道為忙，因此，隨機(jī)選擇退避時(shí)間； 由于終端A A選擇的退避時(shí)間小于終端B B，終端A A開始發(fā)送數(shù)據(jù)，終端B B停止退避時(shí)間，等待信道再次由忙轉(zhuǎn)為空閑； APAP向終端A A發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答采用預(yù)留信道功能，預(yù)留時(shí)間包含在終端A A向APAP發(fā)

15、送的MACMAC幀中，這段時(shí)間內(nèi)，其他終端視為信道忙； APAP向終端C C發(fā)送數(shù)據(jù)再次和終端B B爭(zhēng)用信道。三、DCF和CSMA/CA第26頁(yè)/共42頁(yè)4.3 4.3 無線局域網(wǎng)工作過程無線局域網(wǎng)工作過程本講主要內(nèi)容 BSSBSS配置信息； 同步過程； 鑒別過程； 建立關(guān)聯(lián)過程。第27頁(yè)/共42頁(yè)一、一、BSSBSS配置信息配置信息同一BSSBSS需要配置三組參數(shù) 服務(wù)集標(biāo)識(shí)符（SSIDSSID）； 使用的信道； 如果采用共享密鑰鑒別機(jī)制，還需配置密鑰。 APAP需配置三組參數(shù)； 終端只需配置SSIDSSID和密鑰（如果需要的話），信道通過同步過程確定。第28頁(yè)/共42頁(yè)二、同步過程二、同步

16、過程同步過程 終端確定和自己SSIDSSID相同，信號(hào)強(qiáng)度最大的APAP； 確定APAP使用的信道； 確定和APAP在物理層標(biāo)準(zhǔn)、傳輸速率存在交集； 確定APAP的MACMAC地址（也稱BSSIDBSSID）。第29頁(yè)/共42頁(yè) 被動(dòng)同步，逐個(gè)信道偵聽信標(biāo)幀； 主動(dòng)同步，逐個(gè)信道發(fā)送探測(cè)請(qǐng)求幀； 無論主動(dòng)，或是被動(dòng)，都是尋找和自己SSIDSSID相同，信號(hào)強(qiáng)度最大的APAP和信道。二、同步過程二、同步過程被動(dòng)同步被動(dòng)同步逐個(gè)信道偵聽信標(biāo)幀逐個(gè)信道偵聽信標(biāo)幀主動(dòng)同步主動(dòng)同步逐個(gè)信道探測(cè)逐個(gè)信道探測(cè)第30頁(yè)/共42頁(yè)三、鑒別過程三、鑒別過程 鑒別過程確定終端是否授權(quán)； 只有授權(quán)終端掌握密鑰； 鑒別

17、過程就是判別終端是否掌握密鑰的過程； 假定APAP擁有密鑰K K，APAP向終端發(fā)送明文P P，并用密鑰加密P(EP(EK K(P)(P)，終端用自己擁有的密鑰K1K1加密P P，Y=EY=EK1K1(P)(P)，如果K1K1等于K K，則Y= EY= EK K(P)(P)。鑒別過程鑒別過程第31頁(yè)/共42頁(yè)四、建立關(guān)聯(lián)過程四、建立關(guān)聯(lián)過程 允許建立關(guān)聯(lián)的前提是完成同步過程和鑒別過程，APAP具有終端接入需要的資源； 一旦成功建立關(guān)聯(lián)，將為終端在關(guān)聯(lián)表中建立一項(xiàng)，其中包含終端MACMAC地址； 以后，APAP確定終端是否屬于它所服務(wù)的BSSBSS的標(biāo)準(zhǔn)就是終端MACMAC地址是否包含在關(guān)聯(lián)表中

18、，APAP只轉(zhuǎn)發(fā)源MACMAC地址包含在關(guān)聯(lián)表中的MACMAC幀。建立關(guān)聯(lián)過程建立關(guān)聯(lián)過程第32頁(yè)/共42頁(yè)舉例選擇答案，并簡(jiǎn)要回答為什么？（4 4）同一基本服務(wù)集的終端可以不同的是）同一基本服務(wù)集的終端可以不同的是。A A基本服務(wù)集標(biāo)識(shí)符基本服務(wù)集標(biāo)識(shí)符B B使用的信道使用的信道C C數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率D D鑒別終端身份用的密鑰鑒別終端身份用的密鑰第33頁(yè)/共42頁(yè)4.4 4.4 無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程本講主要內(nèi)容 同一BSSBSS內(nèi)終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程； 不同BSSBSS終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程； MACMAC層漫游過程。第34頁(yè)/共42頁(yè)一、同一一、同一BSSBS

19、S內(nèi)終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程內(nèi)終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程 終端A A發(fā)送數(shù)據(jù)至終端C C的前提是終端A A和終端C C都已經(jīng)和APAP建立關(guān)聯(lián)； 終端A A和終端C C通過同步過程獲取APAP的MACMAC地址。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第35頁(yè)/共42頁(yè)二、不同二、不同BSSBSS終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)ACK數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)ACK網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)終端終端A A首先獲取終端首先獲取終端I I的的MACMAC地址地址終端終端A A通過通過BSS1BSS1將將MACMAC幀幀發(fā)送給發(fā)送給AP1AP1AP1AP1確定終端確定終端A A是授權(quán)終是授權(quán)終端，終端端，終端I I不在不在BSS1BSS1AP1

20、AP1將將MACMAC幀發(fā)送給以太幀發(fā)送給以太網(wǎng)，以太網(wǎng)完成網(wǎng)，以太網(wǎng)完成MACMAC幀格幀格式轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)換MACMAC幀在以太網(wǎng)內(nèi)廣播，幀在以太網(wǎng)內(nèi)廣播，到達(dá)所有到達(dá)所有APAP，AP3AP3確定終確定終端端I I屬于屬于BSS3BSS3，將，將MACMAC幀幀發(fā)送給發(fā)送給BSS3BSS3第36頁(yè)/共42頁(yè) 傳輸路徑分為三段：BSS1BSS1、以太網(wǎng)和BSS3BSS3； 終端A A通過同步過程獲取AP1AP1的MACMAC地址，并將MACMAC幀發(fā)送給AP1AP1； AP1AP1通過檢索關(guān)聯(lián)表確認(rèn)源終端終端A A是授權(quán)終端，目的終端終端I I不在BSS1BSS1； 以太網(wǎng)以目的終端MACMAC地址MAC IMAC I尋找AP1AP1至AP3AP3的交換路徑，如果不存在，則廣播； AP3AP3通過檢索關(guān)聯(lián)表確定目的終端終端I I在BSS3BSS3。二、不同二、不同BSSBSS終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程第37頁(yè)/共42頁(yè)三、三、MACMAC層漫游過程層漫游過程 無縫漫游是指終端無須中斷正在進(jìn)行的會(huì)話可以從一個(gè)BSSBSS移動(dòng)到另一個(gè)BSSBSS； MAC