第2,3章無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

OSI七層模型1層描述標準和協(xié)議數(shù)據(jù)單元第一層物理層控制在某一特定媒體上的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臉藴剩ň幋a和調(diào)制方法、電壓、信號持續(xù)時間和頻率。Ethernet,Bluetooth,Wi-Fi,WiMAX比特第二層數(shù)據(jù)鏈路層指定設(shè)備訪問和共享傳輸媒體方式[即媒體訪問控制（MediaAccessControl，MAC）]并確保物理連接可靠性[即邏輯鏈路控制（LogicalLinkControl，LLC）]的標準Ethernet:IEEE802.3Wi-Fi:IEEE802.11Bluetooth:802.15.1幀第三層網(wǎng)絡(luò)層定義網(wǎng)絡(luò)連接管理的標準，包括網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的路由、中轉(zhuǎn)及終止連接IPv4，IPv6，ARP報文第四層傳輸層確保數(shù)據(jù)傳輸可靠完成的標準，包括錯誤恢復(fù)、數(shù)據(jù)流控制等，確認所有數(shù)據(jù)包都已到達。TCP，UDPTPDU（傳送協(xié)議數(shù)據(jù)單元）七層結(jié)構(gòu)2層描述標準和協(xié)議數(shù)據(jù)單元第五層會話層管理發(fā)送和接收計算機的表示層間通信的標準，該通信由建立、管理和終止“會話”實現(xiàn)。ASAP，SMBSPDU（會話協(xié)議數(shù)據(jù)單元）第六層表示層控制數(shù)據(jù)從一種表示格式到另一種表示格式轉(zhuǎn)換的標準SSLPPDU（表示協(xié)議數(shù)據(jù)單元）第七層應(yīng)用層定義各種應(yīng)用服務(wù)的標準，例如檢查資源可用性、認證用戶等HTTP，F(xiàn)TP，SNMP，POP3，SMTPAPDU（應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元）3發(fā)送者撰寫電子郵件接收者閱讀電子郵件郵件消息準備好后通過電子郵件應(yīng)用程序發(fā)送第7層應(yīng)用層電子郵件應(yīng)用程序接收郵件消息并被接收者閱讀消息被分解為表示元素和會話元素，并被添加表示層和會話層控制報頭第6層表示層第5層會話層去除會話層和表示層的報頭，將消息整合為接收電子郵件的應(yīng)用程序的特定格式消息被分解為包，并被添加傳輸層控制報頭第4層傳輸層接收數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包重新排序，數(shù)據(jù)整合為第5層的消息數(shù)據(jù)包＋網(wǎng)絡(luò)地址＋第3層報頭形成數(shù)據(jù)幀第3層網(wǎng)絡(luò)層去除幀頭部，將幀的有效載荷部分整合為數(shù)據(jù)包加密數(shù)據(jù)幀，添加幀控制報頭，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換為MAC地址第2層數(shù)據(jù)鏈路層將比特流組成幀、解密并檢查目的地的MAC地址接入獲得物理媒體，對比特流進行編碼并將其調(diào)制為物理層信號然后傳輸?shù)?層物理層接收的信號被不斷地解調(diào)和解碼，然后將比特流傳送到數(shù)據(jù)鏈路層實際的OSI模型：一個電子郵件例子4各種組織制定了很多用于OSI模型的層的標準。事實上，在每一層都開發(fā)了多個標準，這些標準要么互相競爭直到一個被確定為工業(yè)標準，要么共同存在。無線網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)主要是由標準決定的，包括OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的標準。52.2網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)2.2.1IP尋址2.2.2私有IP地址2.2.3IPv62.2.4地址解析協(xié)議2.2.5路由2.2.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換2.2.7端口地址轉(zhuǎn)換6發(fā)送設(shè)備IP地址：子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡(luò)ID：0400011001000.01100100.00110010.0000101011111111.11111111.11111111.11110000＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿11001000.01100100.00110010.00000000本地IP地址IP地址：子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡(luò)ID：4400011001000.01100100.00110010.0000111011111111.11111111.11111111.11110000__________________________________11001000.01100100.00110010.00000000遠端IP地址IP地址：子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡(luò)ID：8401611001000.01100100.00110010.0001001011111111.11111111.11111111.11110000__________________________________11001000.01100100.00110010.00010000表2.2本地和遠端IP地址72.2.2私有IP地址1996年2月，網(wǎng)絡(luò)工作組要求對RFC1918進行行業(yè)說明，提議了三組所謂的私有IP地址用于無須接入Internet的網(wǎng)絡(luò)。這些私有IP地址作為保留的IP地址空間，使一些不同的組織團體可以在他們的私有網(wǎng)絡(luò)中使用這些相同的IP地址。在這種情況下，一臺計算機只要不需要通過Internet進行通信，就不需要擁有一個世界上獨一無二的IP地址。8類別私有IP地址范圍的起點私有IP地址范圍的終點A55B55C55表2.3私有IP地址范圍9隨后，國際因特網(wǎng)地址分配委員會(InternetAssignedNumbersAuthority,IANA)將至55地址段保留為自動專用IP地址(AutomaticPrivateIPAddress,APIPA）。如果一臺計算機將其TCP/IP設(shè)置為自動從DHCP服務(wù)器獲取IP地址，但是卻不能找到DHCP服務(wù)器時，系統(tǒng)就會自動從這個地址段選定一個私有IP地址，從而使計算機可以在私有網(wǎng)絡(luò)中進行通信。2.2.2私有IP地址102.2.3IPv6在32位的情況下，總共有232即42.9億個IP地址是可用的。現(xiàn)在業(yè)界正致力于IPv6(InternetProtocolVersion6)。截止到2020年世界總?cè)丝趯⑦_到100億，平均每人使用遠遠不止一臺計算機，基于上面的預(yù)測，IPv6給出了128位的IP地址。IPv6具有3.41038個可用的IP地址——這意味著100億人口每人可以有3.41027個IP地址，或者說平均地球表面每平方米有6.61023個IP地址，這為未來的發(fā)展提供了足夠的空間。112.2.4地址解析協(xié)議每個物理層的數(shù)據(jù)傳輸都是尋址接收設(shè)備網(wǎng)卡的MAC（第2層）地址，而不是其IP（第3層）地址。為了對數(shù)據(jù)包尋址，發(fā)送設(shè)備首先要找到與目的端的IP地址相對應(yīng)的MAC地址，然后用該MAC地址標記數(shù)據(jù)包。這個工作是由地址解析協(xié)議(AddressResolutionProtocol,ARP)完成的。發(fā)送設(shè)備將請求某個IP地址所對應(yīng)的MAC地址的消息廣播到網(wǎng)絡(luò)上，目的端設(shè)備的TCP/IP軟件回復(fù)所請求的地址信息，則數(shù)據(jù)包可被尋址，接著將其傳送到發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層。在實際中，發(fā)送設(shè)備保留有與其最近通信的設(shè)備的MAC地址，所以不需要每次都廣播請求消息。當需要查找MAC地址時，先在ARP列表或者緩存中查找，如果目的端的IP地址不在其中，才廣播請求消息。122.2.5路由路由是一種使數(shù)據(jù)包能夠找到到達目的地路徑的機制，不管目的地就是隔壁房間里的設(shè)備還是在地球的另一端。路由器將其接收到的每個數(shù)據(jù)包的目的地址與其存儲空間里的地址表即路由表進行比較。如果發(fā)現(xiàn)有相匹配的，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到表中的相應(yīng)欄標識的地址處，該地址可能是另一個網(wǎng)絡(luò)的地址，也可能是“下一跳”的路由地址，數(shù)據(jù)包沿著這個路徑到達最終的目的地。132.2.5路由如果路由器沒有發(fā)現(xiàn)相匹配的地址，將再次遍歷路由表，并只查看地址的網(wǎng)絡(luò)ID部分（用前面提到的子網(wǎng)掩碼進行提?。Ｈ绻l(fā)現(xiàn)有相匹配的，數(shù)據(jù)包就被發(fā)送到相應(yīng)的地址。如果沒有匹配，路由器將尋找一個默認的下一跳的地址，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到那里。作為最后的手段，如果沒有設(shè)置默認的地址，路由器將向發(fā)送IP地址返回“主機不可達”或者“網(wǎng)絡(luò)不可達”的消息。當收到這樣的消息時，通常意味著線路中的某一個路由發(fā)生了故障。142.2.5路由當出現(xiàn)上述故障時，發(fā)送端將生存時間(Time-To-Live,TTL)字段初始化為某一特定值，通常是64，每當數(shù)據(jù)包經(jīng)過一個路由器，該值都會減1。當TTL減至0時，該數(shù)據(jù)包將會被丟棄，同時，通過因特網(wǎng)控制消息協(xié)議(InternetControlMessageProtocol,ICMP)向發(fā)送端報告“超時”消息。152.2.5路由路由器工作的智能部分是建立路由表。簡單的網(wǎng)絡(luò)可以通過一個起始文件設(shè)置靜態(tài)路由表，但是更一般的是，路由器通過發(fā)送和接收廣播消息建立動態(tài)路由表。這些消息可以是ICMP路由請求和路由廣告消息，它們可以使相鄰的路由器詢問“誰在那里？”并回應(yīng)“我在這兒”，或者使用更有效的路由信息協(xié)議(RouterInformationProtocol,RIP)消息，在此消息中，路由器周期性地向網(wǎng)絡(luò)廣播完整的路由表。其他的RIP和ICMP消息允許路由器尋找達到某個地址的最近的路徑，并在其他的路由器發(fā)現(xiàn)無效路由的情況下更新路由表，而且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可用性和流量情況定時更新路由表。162.2.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換當一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)包到一個私有網(wǎng)絡(luò)之外的IP地址時，連接私有網(wǎng)絡(luò)和Internet的網(wǎng)關(guān)會將私有IP源地址（，見表2.4）替換為一個公眾IP地址（例如）。當發(fā)送端的網(wǎng)關(guān)接收到返回的數(shù)據(jù)包時，用發(fā)送端計算機的初始私有IP地址來替換數(shù)據(jù)包的目的地地址。這個在私有網(wǎng)絡(luò)的Internet網(wǎng)關(guān)處完成的將私有IP地址轉(zhuǎn)換為公共IP地址的過程稱為網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。17私有IP地址公眾IP地址表2.4一個簡單的靜態(tài)NAT表182.2.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換實際中，與路由相似，NAT也可以是靜態(tài)的或動態(tài)的。在靜態(tài)NAT中，私有網(wǎng)絡(luò)中的每臺需要訪問Internet的計算機都分配一個在指定NAT表中的公眾IP地址。在動態(tài)NAT中，提供一個公眾IP地址池，根據(jù)需要將其映射給私有地址。192.2.7端口地址轉(zhuǎn)換如果私有網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)只有一個可以分配的公眾IP地址，或者在私有網(wǎng)絡(luò)中需要上網(wǎng)的計算機數(shù)目多于可以分配給網(wǎng)關(guān)的公共IP地址數(shù)，就會出現(xiàn)問題。這種情況通常是一個小團體只有一個連到ISP的Internet連接。這時，似乎私有網(wǎng)絡(luò)中同時只能有一臺計算機可以連到Internet中。端口地址轉(zhuǎn)換(PortAddressTranslation,PAT)可以解決這一局限，PAT可以將私有IP地址映射到單個公眾IP地址的不同端口。20網(wǎng)關(guān)內(nèi)部IP外部IP內(nèi)部IP地址外部IP地址PAT表圖2.2實際中的地址轉(zhuǎn)換21私有IP地址公眾IP地址：端口78:200178:200278:200378:2004表2.5一個簡單的PAT表例子222.3數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)2.3.1邏輯鏈路控制2.3.2媒體訪問控制2.3.3有線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制2.3.4無線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制232.3.1邏輯鏈路控制OSI網(wǎng)絡(luò)層邏輯鏈路控制層（LLC）媒體接入控制層（MAC）圖2.4LLC的邏輯定位和MAC服務(wù)接入點242.3.1邏輯鏈路控制由LLC產(chǎn)生的并傳輸?shù)組AC層的幀稱為LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(LLCProtocolDataUnit,LPDU)，LLC層管理源設(shè)備和目的設(shè)備的鏈路層服務(wù)接入點間的LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳輸。鏈路層服務(wù)接入點(ServiceAccessPoint,SAP)是一個指向網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的端口或者邏輯連接點，如圖2.4所示。在一個支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，每個協(xié)議有特定的源SAP(SourceSAP,SSAP)和目的SAP(DestinationSAP,DSAP)端口。LPDU包括8位的DSAP和SSAP地址以確保LPDU被正確的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議傳送。252.3.1邏輯鏈路控制LLC層定義了無連接的和面向連接的通信服務(wù)。在面向連接的通信服務(wù)中，接收端的LLC層會追蹤接收到的LPDU。如果某個LPDU在傳送中丟失或者未被正確接收，目的地的LLC會請求源從上一次接收到的LPDU開始重新傳輸。LLC將LPDU通過邏輯連接點向下傳輸至MAC層，該邏輯連接點被稱為MAC服務(wù)接入點(MACServiceAccessPoint,MACSAP)，而LPDU被稱為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MACServiceDataUnit,MSDU)并成為MAC層的數(shù)據(jù)載荷。262.3.2媒體接入控制數(shù)據(jù)鏈路層的第二個子層控制設(shè)備允許訪問物理層傳輸數(shù)據(jù)的方式和時間，這就是媒體接入控制或者MAC層。接收設(shè)備需要能夠識別這些在網(wǎng)絡(luò)媒體中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，這是通過MAC地址實現(xiàn)的。每個網(wǎng)絡(luò)適配器，無論是以太網(wǎng)、無線網(wǎng)還是其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的適配器，在制造時都被分配了一個獨一無二的稱為MAC地址的序列號。272.3.2媒體接入控制以太網(wǎng)地址是MAC地址最一般的形式，包含有六個字節(jié)，通常用16進制表示，例如00-D0-59-FE-CD-38。前面三個字節(jié)是制造商的編號（上例中的00-D0-59代表Intel），剩余三個字節(jié)是該適配器獨一無二的序列號。在WindowsNT,2000和XP系統(tǒng)中可以打開一個DOS窗口（點擊“開始”、“程序”、“附件”、“命令提示符”）然后輸入“ipconfig/all”查到MAC地址。IEEE802.11的MAC幀即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的完整結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，MPDU的元素如表2.6所示。28幀控制持續(xù)時間／ＩＤ地址１地址２地址３序列控制地址４數(shù)據(jù)域CRC幀校驗和長度（字節(jié)）２２６６６２６０～２３１２４協(xié)議版本幀類型幀子類型發(fā)往DS來自DS更多分段重傳電源管理更多數(shù)據(jù)ＷＥＰ次序２２４１１１１１１１１長度（字節(jié)）管理，控制，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)請求／響應(yīng)信標RTS，CTS，ACK等圖2.5MAC層的幀結(jié)構(gòu)29MPDU元素描述幀控制表示協(xié)議版本(802.11a/b/g)、幀類型（管理、控制、數(shù)據(jù)）、子幀類型（如探測請求、認證、關(guān)聯(lián)請求等）、分段、重試、加密等的標記序列持續(xù)時間傳輸?shù)钠谕掷m(xù)時間。等待站點用來估計何時媒體會再度空閑地址1到地址4目的地地址、源地址以及在分布式系統(tǒng)中可選擇的發(fā)往地址和來自地址序列標識幀的分段和副本的序號數(shù)據(jù)域作為MSDU向下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效載荷幀校驗序列能夠檢測傳輸錯誤的CRC-32循環(huán)校驗表2.6802.11MPDU的幀結(jié)構(gòu)元素302.3.3有線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制

載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)

其他的有線網(wǎng)絡(luò)MAC方法31

載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)在以太網(wǎng)的MAC層中，用于控制設(shè)備傳輸?shù)淖畛Ｓ梅椒ㄊ禽d波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection,CSMA/CD)，如圖2.6所示。當設(shè)備采用這種控制方法傳輸數(shù)據(jù)幀到網(wǎng)絡(luò)時，首先檢查物理媒體（載波偵聽）以確定是否有其他設(shè)備正在傳輸。如果檢測到其他正在傳輸?shù)脑O(shè)備，就等待直到其傳輸結(jié)束。一旦載波空閑，則開始傳輸數(shù)據(jù)，同時繼續(xù)監(jiān)聽其他傳輸。32設(shè)備A設(shè)備B嘗試發(fā)送設(shè)備C嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)分組媒體忙媒體忙媒體忙數(shù)據(jù)分組數(shù)據(jù)分組媒體空閑媒體空閑媒體空閑沖突沖突時隙圖2.6以太網(wǎng)CSMA/CD時序33

載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)如果設(shè)備監(jiān)聽到有其他設(shè)備同時也在傳輸（沖突檢測），則停止傳輸并發(fā)送一個短的擁塞信號以告訴其他設(shè)備沖突產(chǎn)生。于是每個想要發(fā)送的設(shè)備都計算一個隨機退避時間，該退避時間介于0到tmax之間，當退避時間結(jié)束后再次嘗試傳輸。那個恰巧等待了最短時間的設(shè)備將會被準許訪問媒體，而其余設(shè)備將監(jiān)聽該傳輸并回到載波監(jiān)聽模式。媒體工作繁忙會導(dǎo)致設(shè)備不斷地遭遇沖突。當沖突發(fā)生時，tmax會在每次新的嘗試時加倍，直到10次加倍，如果在16次嘗試后發(fā)送仍然是失敗的，設(shè)備將報告“過多沖突錯誤”。34

其他的有線網(wǎng)絡(luò)MAC方法另外一種由IEEE802.5標準定義的有線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制的常見形式，是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間按照預(yù)先定義好的順序傳遞一個電子“令牌”。這個令牌與接力比賽中的接力棒類似，只有拿到了令牌的設(shè)備才可以進行發(fā)送。當設(shè)備不需要通過媒體發(fā)送數(shù)據(jù)時，立刻將令牌按順序傳給下一個設(shè)備。設(shè)備只能在一段特定的時間內(nèi)擁有令牌并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后必須按順序?qū)⒘钆苽鹘o下一個設(shè)備。352.3.4無線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制只有物理層的收發(fā)機允許設(shè)備在發(fā)送期間同時監(jiān)聽媒體，CSMA/CD的沖突檢測才可實現(xiàn)。這在有線網(wǎng)絡(luò)中是可行的，因為沖突產(chǎn)生的無效電壓可以被檢測到。但是對于無線電收發(fā)機來說是不可行的，因為在相同的時間里發(fā)射的信號會使接收過載。在無線網(wǎng)絡(luò)中，如IEEE802.11，沖突檢測是不實現(xiàn)的，這時要用到CSMA/CD的一種變形即CSMA/CA，其中的CA(CollisionAvoidance)代表沖突避免。362.3.4無線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制除了發(fā)送設(shè)備不能檢測沖突外，CSMA/CA與CSMA/CD有一些相似點。設(shè)備在發(fā)送前監(jiān)聽媒體，如果媒體忙則等待。發(fā)送幀的持續(xù)時間字段（參見表2.6）使等待設(shè)備可以預(yù)測媒體忙的時間。一旦媒體被監(jiān)聽到是空閑的，等待設(shè)備則計算一個稱為競爭周期的隨機時間周期，并在競爭周期結(jié)束后嘗試發(fā)送。這與CSMA/CD中的退避是類似的，不同的是，CSMA/CA中發(fā)送站等待其他站發(fā)送幀的結(jié)束來避免設(shè)備間的沖突，而不是檢測到?jīng)_突后再恢復(fù)。37第3章無線網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.1有線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的回顧3.2無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)3.3WLAN設(shè)備3.4WPAN設(shè)備3.5WMAN設(shè)備3.6第一部分總結(jié)383.1有線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的回顧39圖3.1點到點、總線形和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)總線和環(huán)形拓撲都易于受到單點錯誤的影響，單個連接故障會使總線形網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)隔斷，或者使環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的所有通信中斷。40圖3.2星形和樹形拓撲結(jié)構(gòu)41圖3.3實際星形網(wǎng)絡(luò)中的無源集線器第一臺PC第二臺PC打印機無源集線器掃描儀42圖3.4實際星形網(wǎng)絡(luò)中的交換式集線器交換式集線器第一臺PC第二臺PC打印機掃描儀433.2無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)3.2.1點到點連接3.2.2無線網(wǎng)絡(luò)的星形拓撲結(jié)構(gòu)3.2.3無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)443.2.1點到點連接與有線網(wǎng)絡(luò)相比，圖3.1所示的簡單點到點連接在無線網(wǎng)絡(luò)中更為常見，在很多無線情況都會見到，例如，端到端(P2P,Peer-to-Peer)或者ad-hocWi-Fi連接無線MAN回程裝置LAN無線網(wǎng)橋藍牙IrDA453.2.2無線網(wǎng)絡(luò)的星形拓撲結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)星形拓撲的中心節(jié)點，可以是WiMAX基站、Wi-Fi接入點、藍牙主設(shè)備或者ZigBeePAN協(xié)調(diào)器，如圖3.5所示，其作用類似于有線網(wǎng)絡(luò)中的集線器。圖3.5無線網(wǎng)絡(luò)的星形拓撲結(jié)構(gòu)46無線媒體本質(zhì)上的不同意味著，交換式和非交換式集線器的差別對無線網(wǎng)絡(luò)中的控制節(jié)點來說并沒有太大影響，因為并沒有相應(yīng)的無線媒體能夠替代連接到每個設(shè)備的單獨纜線。無線LAN交換機或控制器是一種有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用來將數(shù)據(jù)交換到接入點(AccessPoint,AP)，接入點負責(zé)為每個數(shù)據(jù)包尋址目的站，如圖3.6所示。接入點交換機圖3.6使用無線接入點交換的樹形拓撲結(jié)構(gòu)47扇區(qū)天線交換式集線器圖3.7可交換星形無線MAN拓撲結(jié)構(gòu)483.2.3無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，也稱為移動adhoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)，是局域網(wǎng)或者城域網(wǎng)的一種，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是移動的，而且可以直接與相鄰節(jié)點通信而不需要中心控制設(shè)備。由于節(jié)點可以進入或離開網(wǎng)絡(luò)，因此無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，如圖3.8所示。數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點到另一個節(jié)點直至目的地的過程稱為“跳”。49Internet存在點接入點網(wǎng)狀路由器網(wǎng)狀設(shè)備有線連接網(wǎng)絡(luò)連接點到點連接設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接圖3.8無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)50除了有效收集和更新路由信息外，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還面臨其他的技術(shù)挑戰(zhàn)：無線鏈路的可靠性——數(shù)據(jù)包的錯誤率在集線器的一跳內(nèi)還可容忍，但星形網(wǎng)絡(luò)配置會將其迅速擴展到多跳上，從而限制了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠擴大和保持有效性的規(guī)模。無縫漫游——大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)都不要求移動節(jié)點的無縫連接和再連接，但是IEEE802.11工作組TGr和TGs卻對此提出了要求。安全性——如何在一個沒有穩(wěn)定的基礎(chǔ)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行用戶認證？513.2.3無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3.3WLAN設(shè)備3.3.1無線網(wǎng)卡3.3.2接入點3.3.3無線LAN交換機或控制器3.3.4WLAN陣列3.3.5其他WLAN硬件3.3.6WLAN天線523.3.1無線網(wǎng)卡裝有無線網(wǎng)絡(luò)接口卡（NetworkInterfaceCard,NIC，簡稱網(wǎng)卡）的PDA、筆記本電腦或臺式電腦可作為無線站點，可以與對等網(wǎng)中的其他站點或者接入點進行通信。圖3.9各種各樣的無線NIC［Belkin公司和D-link（歐洲）公司以及l(fā)inksys（Cisco子公司）提供］533.3.2接入點接入點(AP)是無線局域網(wǎng)(WLAN)的中心設(shè)備，可以是集線器，用來與網(wǎng)絡(luò)中的其他站點進行無線通信。接入點通常也與有線網(wǎng)絡(luò)相連，作為有線和無線設(shè)備之間的網(wǎng)橋。圖3.10第一代無線接入點［Belkin公司和D-link（歐洲）公司以及l(fā)inksys（Cisco子公司）提供］543.3.2接入點第一代接入點被稱為“胖”接入點，在每個單元內(nèi)提供了全范圍的處理和控制功能，包括：安全特性，比如認證和加密支持基于列表或者過濾器的訪問控制簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SimpleNetworkManagementProtocol,SNMP)配置能力55特性描述Internet網(wǎng)關(guān)支持許多功能，如路由、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、為客戶站提供動態(tài)IP地址的動態(tài)主機分配協(xié)議(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP)服務(wù)器、虛擬專用網(wǎng)(VirtualPrivateNetwork,VPN)等交換式集線器可以包含多個有線以太網(wǎng)端口，為一些以太網(wǎng)設(shè)備提供交換式集線器功能無線網(wǎng)橋或中繼器接入點可以作為中繼站來擴展另一個接入點的工作范圍，或者作為兩個網(wǎng)絡(luò)之間的點對點的無線網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)器接有外部存儲器的Internet硬盤驅(qū)動器或端口，為無線站點提供集中的文件存儲或備份表3.1接入點可選功能563.3.3無線LAN交換機或控制器在大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中，例如擁有幾十甚至幾百個接入點的集團環(huán)境中，需要對每個接入點單獨配置，這就使WLAN的管理非常復(fù)雜。WLAN交換機簡化了大型WLAN的配置和管理。WLAN交換機（也稱為WLAN控制器或接入路由器）是一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計用來代表依賴型或者“瘦”接入點執(zhí)行各種功能，圖3.11所示。57接入點交換機接入點圖3.11采用無線交換機的WLAN拓撲結(jié)構(gòu)58優(yōu)點描述低成本“瘦”接入點經(jīng)過優(yōu)化，只高效地完成無線通信功能，降低了最初的硬件成本以及未來的維護和升級成本簡化的接入點管理接入點配置，包括安全功能都采用集中式，簡化了網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)改善漫游性能比傳統(tǒng)接入點的漫游切換速度要快得多，改善了語音服務(wù)性能簡化網(wǎng)絡(luò)升級集中式的命令和控制能力使得為適應(yīng)WLAN標準而對網(wǎng)絡(luò)進行的升級變得更加簡單，因為升級只需在交換層次上進行，而不是在每個接入點上表3.2“瘦”接入點的優(yōu)點59特性描述布局規(guī)劃自動站點測量工具，允許導(dǎo)入組網(wǎng)規(guī)劃和結(jié)構(gòu)特點，用來確定最佳接入點位置RF管理分析收到的來自所有接入點的管理幀，調(diào)整一個或多個接入點的發(fā)射功率或信道設(shè)置來診斷并自動糾正與RF信號相關(guān)的問題自動配置無線交換機通過為每個接入點確定最佳的RF信道和發(fā)射功率設(shè)置實現(xiàn)自動配置負載平衡通過多個接入點的用戶間的自動負載平衡來最大化網(wǎng)絡(luò)容量基于策略的接入控制接入策略可以基于接入點分組和客戶端列表，指定哪些接入點或組或特殊的客戶站點允許接入指令檢測通過連續(xù)掃描或者預(yù)定的站點勘探，檢測和定位惡意接入點、未認證的用戶或adhoc網(wǎng)絡(luò)表3.3無線LAN交換機特性603.3.3無線LAN交換機或控制器IETF規(guī)范描述了LWAPP協(xié)議的如下目標：減少接入點執(zhí)行的協(xié)議代碼數(shù)量從而可以有效地利用接入點的計算能力，是通過將接入點的計算能力用在無線通信而不是橋接、轉(zhuǎn)發(fā)或者其他功能上實現(xiàn)的。采用集中式網(wǎng)絡(luò)計算能力執(zhí)行WLAN的橋接、轉(zhuǎn)發(fā)、認證、加密和策略執(zhí)行功能。提供一個在集線器設(shè)備和接入點之間傳輸幀的通用封裝和傳輸機制，保證多廠商產(chǎn)品的通用性并使得LWAPP可以應(yīng)用于未來的其他訪問協(xié)議中。61LWAPP功能描述接入點設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及信息交換接入點發(fā)送“發(fā)現(xiàn)請求”幀，所有接收到的接入路由器響應(yīng)“發(fā)現(xiàn)應(yīng)答”幀。接入點選擇一個響應(yīng)的接入路由并通過交換“加入請求”和“加入應(yīng)答”幀與其發(fā)生關(guān)聯(lián)接入點驗證、配置、規(guī)定和軟件控制關(guān)聯(lián)后，接入路由為接入點提供一些規(guī)定，包括服務(wù)設(shè)置標識符(ServiceSetIdentifier,SSID)、安全參數(shù)、工作信道和數(shù)據(jù)速率。接入路由器還可以配置MAC操作參數(shù)（例如幀的嘗試發(fā)送次數(shù)）、發(fā)送功率、直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)或OFDM參數(shù)和接入點的天線配置。在規(guī)定和配置后，接入點就可以進行工作了數(shù)據(jù)和管理幀的封裝、分段和格式LWAPP為接入點和接入路由間的傳輸封裝數(shù)據(jù)和管理幀。如果封裝的數(shù)據(jù)或管理幀超過了接入點和接入路由之間支持的最大傳輸單元(MaximumTransmissionUnit,MTU)，將對幀進行分段和重組接入點和關(guān)聯(lián)設(shè)備間的通信控制與管理LWAPP使接入路由向其接入點請求統(tǒng)計報告，包括與接入點和其關(guān)聯(lián)設(shè)備的通信有關(guān)的數(shù)據(jù)（例如重試次數(shù)和RTS/ACK失敗次數(shù)）表3.4LWAPP功能623.3.4WLAN陣列單個接入點陣列包含一個WLAN控制器，同時有4、8或者16個接入點。這些接入點可能同時具有IEEE802.11a及IEEE802.11b/g無線接口。比較典型的例子是使用4個接入點進行IEEE802.11b/g覆蓋，其相鄰天線間隔為90o、扇區(qū)為180o，或者使用12個接入點進行IEEE802.11a覆蓋，其相鄰天線間隔為30o、扇區(qū)為60o，如圖3.12所示。6312扇區(qū)天線組合波束圖譜每個天線波束寬度為60°相鄰天線的偏置為30°4扇區(qū)天線組合波束圖譜每個天線波束寬度為180°相鄰天線的偏置為90°圖3.1216扇區(qū)接入點陣列天線配置643.3.4WLAN陣列這種具有16個接入點、工作在IEEE802.11b/g網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，每個接入點的最高數(shù)據(jù)速率為54Mbps，可提供總的WLAN傳輸能力為864Mbps。扇區(qū)天線提高了增益，也意味著接入點陣列的工作范圍比采用全向天線的單個接入點的工作范圍加倍或者增加很多。為了在更大的工作區(qū)域得到更高的傳輸能力，可以使用由兩級WLAN控制器控制的多接入點陣列，將生成一個樹狀拓撲，如圖3.13所示，該WLAN的總傳輸能力可達幾個Gb。65介入點交換機接入點陣列客戶站接入點陣列覆蓋區(qū)域；12×802.11g+4×802.11a信道圖3.13使用接入點陣列的WLAN樹狀拓撲663.3.5其他WLAN硬件

無線網(wǎng)橋

無線打印服務(wù)器67無線網(wǎng)橋許多制造商生產(chǎn)了能夠提供點到點WLAN或者WMAN連接的無線橋接設(shè)備，這些設(shè)備具有適合戶外使用的保護封裝，如圖3.14所示。圖3.14戶外無線網(wǎng)橋［D-Link（歐洲）公司及Linksys（Cisco子公司）提供］68

無線打印服務(wù)器無線打印服務(wù)器使家庭或者辦公室內(nèi)的一組用戶之間可以靈活地共享打印機，而打印機不必宿主于某臺計算機或連接到有線網(wǎng)絡(luò)。圖3.15無線打印服務(wù)器［Belkin公司、D-Link（歐洲）公司及Linksys（Cisco子公司）提供］693.3.6WLAN天線

傳統(tǒng)的固定增益天線

智能天線703.3.6WLAN天線71天線的概念

把從導(dǎo)線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間…...

收集無線電波并產(chǎn)生電信號天線的分類 ☆按用途分：通信天線、電視天線、雷達天線等。 ☆按工作頻段分：短波天線、超短波天線、微波天線等 ☆按方向性分：全向天線、定向天線等 ☆按外形分：線狀天線、面狀天線等3.3.6WLAN天線72

傳統(tǒng)的固定增益天線工作在2.4GHzISM頻段（IndustrialScientificMedicalBand，工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段）的IEEE802.11b及802.11g網(wǎng)絡(luò)的天線有許多種覆蓋類型。在特定應(yīng)用場合下，選擇天線的關(guān)鍵因素是天線增益（用dBi表示）和波束角（用度表示）。最常見的WLAN天線是全向天線。全向天線是所有的NIC以及大多數(shù)接入點的標準天線，其增益為0～7dBi，波束角垂直于天線軸方向，為全向360o。73圖3.16WLAN天線類型［D-Link（歐洲）公司提供］室外全向天線高增益八木天線室內(nèi)定向平面天線室外全向天線74天線類型子類型波束寬度(o)增益(dBi)全向天線3600～15貼片天線/平面天線15～708～20扇區(qū)天線1808～151209～20909～206010～17定向天線八木天線10～308～20拋物面反射天線5～2514～30

表3.52.4GHz無線LAN典型參數(shù)75

智能天線使用上述傳統(tǒng)天線類型的無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量是有限的，因為在網(wǎng)絡(luò)中同一時間只能有一個節(jié)點利用傳輸媒體傳輸數(shù)據(jù)包（其他的所謂多址接入技術(shù)將在4.3節(jié)中討論）。智能天線允許多個節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，從而克服了這一限制。有兩種類型的智能天線：交換波束與自適應(yīng)陣列。交換波束天線由一組天線元構(gòu)成，天線元預(yù)先定義成含有一個窄的主瓣和一些小旁瓣的波束圖，如圖3.17所示。波束之間的交換意味著在目標節(jié)點方向上選擇了一個提供最佳增益的陣列元，或者是選擇了一個對干擾源具有最小增益的陣列元。76目標站方向發(fā)射機轉(zhuǎn)換到波束6給目標站方向提供最大的增益圖3.17六元交換波束陣列波束圖77

智能天線交換波束天線最簡單的形式是分集接收天線對，通常用在WLAN的接入點來降低室內(nèi)環(huán)境中的多徑效應(yīng)。接收機檢測出兩個天線中哪個天線的信號更強，切換至該天線。自適應(yīng)的波束或者波束成型天線由一個陣列內(nèi)的兩個或者多個天線元組成，由波束成型算法為每個天線元所發(fā)送的或接收的信號分配特定的增益和相位偏移，結(jié)果得到一個可調(diào)整的方向性圖，該圖可以用來將波束的主瓣引導(dǎo)到期望的最大增益方向上。圖3.18給出了產(chǎn)生同相波束的兩天線間的相移。78在期望方向上的相干干涉兩個天線信號之間的相位偏移圖3.18產(chǎn)生同相波束的兩天線間的相移79

智能天線自適應(yīng)波束天線可以將波束圖集中于某個特定的節(jié)點，也可以在干擾源的方向上放置“空”或者零增益點。由于每個陣列元的增益和相位偏移都在實時軟件控制下，天線可以動態(tài)地調(diào)整波束圖來補償多徑、其他干擾源及噪聲的影響，如圖3.19所示。80元線陣列元累加放大器幅度相位控制自適應(yīng)控制算法接收機圖3.19自適應(yīng)波束天線81自適應(yīng)波束陣列MIMO無線通信目標將傳播集中在單個期望的空間方向上，以便能夠允許多址接入，降低干擾或者增加傳輸范圍利用多徑傳播增加數(shù)據(jù)容量，采用通過多個空間信道復(fù)用數(shù)據(jù)流的方式天線配置接收端及/或發(fā)射端有兩個或者多個天線元，接收端和發(fā)射端天線獨立配置一般是2×2或4×4（發(fā)射端×接收端），接收端及發(fā)射端通過數(shù)字信號處理算法連接空間分集接收端和發(fā)射端之間集中使用單個空間信道多個空間信道，利用多徑傳播數(shù)據(jù)復(fù)用對所有發(fā)射天線進行單個比特流編碼數(shù)據(jù)流通過空間信道復(fù)用信號處理為每個天線進行簡單的相位和增益調(diào)整使用復(fù)雜的處理技術(shù)來對通過多個空間信道的信號進行解碼應(yīng)用舉例第三代WLAN接入點，見3.3.4節(jié)IEEE802.11n標準的物理層，見6.6.4節(jié)表3.6自適應(yīng)波束陣列與MIMO無線通信的比較823.4WPAN設(shè)備3.4.1WPAN硬件設(shè)備3.4.2WPAN天線833.4.1WPAN硬件設(shè)備

藍牙設(shè)備ZigBee設(shè)備84

藍牙設(shè)備藍牙設(shè)備主要特性移動電話與藍牙無線耳麥的交互；與PDA或者PC連接用以傳輸或者備份文件；與其他藍牙設(shè)備交換合同（商務(wù)卡）、日歷表、照片等PDA與PC連接用來傳輸或者備份文件；通過藍牙接入點訪問Internet；與其他藍牙設(shè)備交換合同（商務(wù)卡）、日歷表、照片等耳機或耳麥無須手持的移動電話；來自于PC,TV,MP3播放器或高保真(hi-fi)的音頻數(shù)據(jù)流等音頻收發(fā)器從PC或者hi-fi系統(tǒng)傳至藍牙耳機的音頻數(shù)據(jù)流接入點將LAN擴展到包括可以使用藍牙的設(shè)備；為藍牙設(shè)備提供Internet連接藍牙適配器使筆記本電腦或PDA等很多設(shè)備可以使用藍牙；WLANNIC，有很多可用形式，最流行的是USB軟件狗(Dongle)；為任何RS-232串口設(shè)備提供即插即用串口適配器打印機適配器打印來自于藍牙設(shè)備的文件或圖片PC輸入設(shè)備為PC的鍵盤、鼠標提供無線連接GPS接收機為安裝了指定的導(dǎo)航軟件的藍牙設(shè)備提供衛(wèi)星導(dǎo)航能力撥號適配器為PC和撥號調(diào)制解調(diào)器之間提供無線連接表3.7藍牙設(shè)備及其特性85圖3.20各種各樣的藍牙設(shè)備86ZigBee設(shè)備ZigBee設(shè)備主要特性PC輸入設(shè)備為PC鼠標或鍵盤提供無線連接自動化設(shè)備用于家庭以及工業(yè)自動化功能的無線控制設(shè)備，例如加熱、照明、安全無線遙控取代現(xiàn)有用于電視等設(shè)備的紅外遙控器，消除了視距和對準的限制傳感器調(diào)制解調(diào)器為現(xiàn)有的家庭或者工業(yè)自動化環(huán)形傳感器提供無線網(wǎng)絡(luò)接口以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，能夠控制ZigBee終