第4章無線局域網(wǎng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用

（第2版）第四章第4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)MAC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。4.1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)。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MAC子層實(shí)現(xiàn)，但用LLC子層給出數(shù)據(jù)類型；事實(shí)上，IEEE定義的局域網(wǎng)都用LLC子層給出數(shù)據(jù)類型，第3章的以太網(wǎng)幀格式是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不是802.3標(biāo)準(zhǔn)?；跓o線局域網(wǎng)的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)無線局域網(wǎng)表示數(shù)據(jù)類型的方式二、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。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?？梢姽庥兄本€傳播特性。微波段電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。二、無線電傳輸ISM頻段開放公共通信；功率嚴(yán)格限制；容易受到干擾。二、無線電傳輸無線電傳輸?shù)膸讉€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ISM頻段；多徑效應(yīng)。二、無線電傳輸多徑效應(yīng)示意圖ISM頻段存在問題及應(yīng)對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)致信號質(zhì)量降低，必須根據(jù)信號質(zhì)量調(diào)整傳輸速率。二、無線電傳輸三、無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獨(dú)立基本服務(wù)集（IBSS）擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）獨(dú)立基本服務(wù)集由單個無線局域網(wǎng)組成，終端間直接通信；擴(kuò)展基本服務(wù)集由分配系統(tǒng)互連的多個無線局域網(wǎng)組成，無線局域網(wǎng)通過AP接入分配系統(tǒng)；在設(shè)有AP的服務(wù)集，終端必須先和AP建立關(guān)聯(lián)，終端之間通信經(jīng)過AP。不同的只是物理層，MAC層相同；通過無線電通信，數(shù)字信號必須調(diào)制成模擬信號；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)各標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)系四、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；信號調(diào)制技術(shù)；容錯技術(shù)（抗干擾技術(shù)）。802.11DSSS將2.4G頻段（2.401～2.407）分成11個信道，每個信道22MHz帶寬；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間隔5的信道，在11范圍內(nèi)，最多只有3個之間沒有頻率重疊的信道，分別是1、6和11，因此，它們是最常用的信道號；802.11DSSS在采用不同的調(diào)制技術(shù)下，傳輸速率分別是1Mbps或2Mbps；802.11b和802.11g是802.11DSSS的高速版。四、無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11DSSS4.2無線局域網(wǎng)MAC層本講主要內(nèi)容MAC幀結(jié)構(gòu)；差錯控制和尋址過程；DCF和CSMA/CA。一、MAC幀結(jié)構(gòu)無線局域網(wǎng)MAC幀可以和以太網(wǎng)MAC幀比較，主要區(qū)別在于控制字段，4個地址字段和順序控制字段；無線局域網(wǎng)MAC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?，需要在MAC層將由同一MAC幀封裝的數(shù)據(jù)分片；各個字段的功能在以后的操作過程中詳細(xì)討論。二、差錯控制和尋址過程無線電通信由于存在能量損耗、干擾和多徑效應(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)送端無法檢測到可能發(fā)生的沖突；無線傳輸媒體兩端采用差錯控制中的停止等待算法；如果無線傳輸媒體兩端和不是MAC幀的源和目的端，MAC幀需要多于兩個地址。IBSS中兩個終端通信情況BSS中兩個終端通信情況以太網(wǎng)互連多個無線局域網(wǎng)（BSS），AP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)（MAC地址），這種連接方式是最簡單的；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，MAC幀經(jīng)過無線傳輸媒體時需要三個MAC地址。二、差錯控制和尋址過程DS為以太網(wǎng)時ESS中兩個終端之間通信的情況如果分配系統(tǒng)本身是無線傳輸媒體，則MAC幀通過這一段無線傳輸媒體時需要四個MAC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MAC幀經(jīng)過每一段無線傳輸媒體時需要進(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、差錯控制和尋址過程DS為無線傳輸媒體時ESS中兩個終端之間通信的情況

同一BSS內(nèi)的終端使用相同的信道，這些終端爭用公共信道的過程和總線形以太網(wǎng)中終端爭用總線過程十分相似；由于存在隱蔽站問題，發(fā)送端無法檢測出所有可能發(fā)生的沖突，沖突檢測改為沖突避免；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控制算法；為了提高通信效率，無線局域網(wǎng)采用自由競爭和信道預(yù)留兩套機(jī)制。三、DCF和CSMA/CA隱蔽站問題

CSMA/CA算法的特點(diǎn)是爭用總線，即信道持續(xù)空閑DIFS時間，認(rèn)為信道空閑；通過NAV預(yù)約信道，預(yù)留時間通過MAC幀中的持續(xù)時間字段給出，預(yù)約時間內(nèi)等同于信道忙；在可能存在多個終端同時爭用信道的情況下，通過隨機(jī)產(chǎn)生退避時間，使得各個終端發(fā)送數(shù)據(jù)的時間不同，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)DIFS時間＋退避時間信道一直空閑。三、DCF和CSMA/CACSMA/CA算法進(jìn)入退避時間的前提是可能發(fā)生多個終端同時發(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)時檢測到信道空閑且空閑持續(xù)DIFS時間，發(fā)生多個終端同時發(fā)送數(shù)據(jù)的前提是多個終端同時檢測信道，概率較低，因而無須進(jìn)入退避時間；如果終端第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時檢測到信道忙，在等待信道由忙轉(zhuǎn)為空閑的時間內(nèi)，可能有多個終端開始檢測信道，因此，發(fā)生沖突的概率較大，需要進(jìn)入退避時間。三、DCF和CSMA/CA終端檢測信道時信道空閑和忙這兩種情況

實(shí)現(xiàn)終端A至終端C，終端B至AP的數(shù)據(jù)傳輸過程三、DCF和CSMA/CADCF操作過程終端A、B開始檢測信道時，信道為忙，因此，隨機(jī)選擇退避時間；由于終端A選擇的退避時間小于終端B，終端A開始發(fā)送數(shù)據(jù)，終端B停止退避時間，等待信道再次由忙轉(zhuǎn)為空閑；AP向終端A發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答采用預(yù)留信道功能，預(yù)留時間包含在終端A向AP發(fā)送的MAC幀中，這段時間內(nèi)，其他終端視為信道忙；AP向終端C發(fā)送數(shù)據(jù)再次和終端B爭用信道。三、DCF和CSMA/CA4.3無線局域網(wǎng)工作過程本講主要內(nèi)容BSS配置信息；同步過程；鑒別過程；建立關(guān)聯(lián)過程。一、BSS配置信息同一BSS需要配置三組參數(shù)服務(wù)集標(biāo)識符（SSID）；使用的信道；如果采用共享密鑰鑒別機(jī)制，還需配置密鑰。AP需配置三組參數(shù)；終端只需配置SSID和密鑰（如果需要的話），信道通過同步過程確定。二、同步過程同步過程終端確定和自己SSID相同，信號強(qiáng)度最大的AP；確定AP使用的信道；確定和AP在物理層標(biāo)準(zhǔn)、傳輸速率存在交集；確定AP的MAC地址（也稱BSSID）。被動同步，逐個信道偵聽信標(biāo)幀；主動同步，逐個信道發(fā)送探測請求幀；無論主動，或是被動，都是尋找和自己SSID相同，信號強(qiáng)度最大的AP和信道。二、同步過程被動同步逐個信道偵聽信標(biāo)幀主動同步逐個信道探測三、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；鑒別過程就是判別終端是否掌握密鑰的過程；假定AP擁有密鑰K，AP向終端發(fā)送明文P，并用密鑰加密P(EK(P))，終端用自己擁有的密鑰K1加密P，Y=EK1(P)，如果K1等于K，則Y=EK(P)。鑒別過程四、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，AP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MAC地址；以后，AP確定終端是否屬于它所服務(wù)的BSS的標(biāo)準(zhǔn)就是終端MAC地址是否包含在關(guān)聯(lián)表中，AP只轉(zhuǎn)發(fā)源MAC地址包含在關(guān)聯(lián)表中的MAC幀。建立關(guān)聯(lián)過程4.4無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程本講主要內(nèi)容同一BSS內(nèi)終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程；不同BSS終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程；MAC層漫游過程。一、同一BSS內(nèi)終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程終端A發(fā)送數(shù)據(jù)至終端C的前提是終端A和終端C都已經(jīng)和AP建立關(guān)聯(lián)；終端A和終端C通過同步過程獲取AP的MAC地址。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)終端A發(fā)送數(shù)據(jù)給終端C之前，必須先獲取終端C的MAC地址；終端A至終端C數(shù)據(jù)傳輸路徑分為兩段：終端A至AP和AP至終端C；終端A至AP，AP是接收端，AP至終端C，AP是發(fā)送端，每一段無線傳輸路徑都需給出該段無線傳輸路徑兩端地址。一、同一BSS內(nèi)終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程DCF操作過程二、不同BSS終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程數(shù)據(jù)ACK數(shù)據(jù)ACK網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)終端A首先獲取終端I的MAC地址終端A通過BSS1將MAC幀發(fā)送給AP1AP1確定終端A是授權(quán)終端，終端I不在BSS1AP1將MAC幀發(fā)送給以太網(wǎng)，以太網(wǎng)完成MAC幀格式轉(zhuǎn)換MAC幀在以太網(wǎng)內(nèi)廣播，到達(dá)所有AP，AP3確定終端I屬于BSS3，將MAC幀發(fā)送給BSS3傳輸路徑分為三段：BSS1、以太網(wǎng)和BSS3；終端A通過同步過程獲取AP1的MAC地址，并將MAC幀發(fā)送給AP1；AP1通過檢索關(guān)聯(lián)表確認(rèn)源終端－終端A是授權(quán)終端，目的終端－終端I不在BSS1；以太網(wǎng)以目的終端MAC地址－MACI尋找AP1至AP3的交換路徑，如果不存在，則廣播；AP3通過檢索關(guān)聯(lián)表確定目的終端－終端I在BSS3。二、不同BSS終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程三、MAC層漫游過程無縫漫游是指終端無須中斷正在進(jìn)行的會話可以從一個BSS移動到另一個BSS；MAC層漫游指兩個BSS屬于同一個網(wǎng)絡(luò)，即由分配系統(tǒng)連接的多個BSS屬于同一個網(wǎng)絡(luò)。終端AMACA當(dāng)終端A離開BSS1往BSS3移動時，從AP1指定信道接收到的信號的強(qiáng)度越來越弱；終端A通過主動同步過程，選擇AP3，并使用AP3指定的信道，和AP3重新建立關(guān)聯(lián)；終端A或是通過分離過程解除和AP1