物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論4_IEEE 802.11技術(shù)之1.ppt

1、無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò) IEEE 802.11技術(shù) (1),主要內(nèi)容,IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)概述 IEEE 802.11協(xié)議開發(fā) IEEE 802.11物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用,標(biāo)準(zhǔn)概述內(nèi)容,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 IEEE 802.11協(xié)議族 IEEE 802.11的協(xié)議結(jié)構(gòu) IEEE 802.11的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) IEEE 802.11的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織,電信領(lǐng)域有影響的組織 ITU-T 原名CCITT 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 ISO 美國(guó)ANSI IEEE 電器和電子工程師協(xié)會(huì) Internet標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域最有影響的組織 IETF 采用RFC方式,IEEE 802委員會(huì),標(biāo)*的為比較重要的工作組；標(biāo)下箭頭的表示已經(jīng)停頓了

2、；標(biāo)上箭頭的表示已經(jīng)放棄，或者已經(jīng)解散了,WLAN,WLAN （Wireless Local Area Netwok） 100m WPAN （Wireless Personal Area Networking） 10m WMAN （Wireless Metropolitan Area Networking） 幾十km,緊張的頻段,U.S. Frequency Allocation,2008年3月21日 FCC對(duì)700MHz頻段進(jìn)行拍賣（模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)換后空出來(lái)的頻率）， 創(chuàng)下了195.9億美元的記錄新高。,ISM波段,Industrial, Scientific and Medical

3、(ISM) radio bands Unlicensed band 433.05 - 434.79MHz 902 - 928 MHz 2.4 - 2.4835 GHz 5.725 - 5.825 GHz 57 - 64 GHz 更加擁擠 例如2.4GHz 無(wú)繩電話、微波爐等,IEEE 802.11與Wifi,Wi-Fi（ Wireless Fidelity）是由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-Fi Alliance)所持有的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)品牌，目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。 IEEE802.11是IEEE制定的一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決無(wú)線局域網(wǎng)中用戶與

4、用戶終端的無(wú)線接入。IEEE小組相繼推出了一系列802.11標(biāo)準(zhǔn)。 Wi-Fi是企業(yè)之間的聯(lián)盟和品牌，以這些企業(yè)為主，向IEEE提交技術(shù)提案，從而形成各種IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在也經(jīng)常把各種IEEE 802.11技術(shù)統(tǒng)稱為Wi-Fi。,IEEE 802.11協(xié)議歷史,1990年11月，IEEE成立了無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)。 1997年6月，IEEE推出了全球第一代無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。 1999年9月，IEEE對(duì)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改和補(bǔ)充，制定了IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)。,IEEE 802.11協(xié)議族,IEEE 802.11a OFDM over 5

5、GHz IEEE 802.11b HRDSSS over 2.4GHz IEEE 802.11g OFDM over 2.4GHz IEEE 802.11n MIMO+OFDM IEEE 802.11e QoS IEEE 802.11i Security IEEE 802.11d、IEEE 802.11f、 IEEE 802.11k、IEEE802.11p ,802.11主要標(biāo)準(zhǔn)情況（掌握）,OSI參考模型與TCP/IP,IEEE 802.11協(xié)議位置,IEEE 802.11協(xié)議結(jié)構(gòu),802.11b 介紹,運(yùn)行在2.4GHz的ISM頻段上 支持1Mb/s、2Mb/s、5.5Mb/s 11Mb/

6、s四種速率 采用高速率直序擴(kuò)頻技術(shù) HR-DSSS,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),STA AP BSS (Basic Service Set) IBSS（Independent Basic Service Set） ESS （Extended Service Set） 兩種模式 adhoc 和 infrastructure,BSS的實(shí)用組網(wǎng),802.11 網(wǎng)絡(luò)服務(wù),認(rèn)證 解除認(rèn)證 保密 MSDU的傳輸 關(guān)聯(lián) 分離 重新關(guān)聯(lián) 分發(fā) 集成,主要內(nèi)容,IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)概述 IEEE 802.11協(xié)議開發(fā) IEEE 802.11物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用,協(xié)議開發(fā)內(nèi)容,IEEE 802.11接入方式 IEEE 802

7、.11幀結(jié)構(gòu) IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)加入 協(xié)議開發(fā)中需注意的問(wèn)題,802.11 MAC接入方式,DCF：分布式協(xié)調(diào)功能 競(jìng)爭(zhēng)式接入 沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn) PCF：點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 非競(jìng)爭(zhēng)式接入 由AP來(lái)控制單元內(nèi)的所有活動(dòng) 所有802.11實(shí)現(xiàn)必須支持DCF，而PCF則是可選的,介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的目的：避免多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)信道 CSMA：（Carrier Sense Multiple Access）用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，信道占用則不發(fā)送數(shù)據(jù)。 CA：（Collision Avoidence）要求建立數(shù)據(jù)鏈路層確認(rèn)/重傳機(jī)制以避免沖突。 CD：（Collision Detected）檢測(cè)沖突。

8、 802.11采用帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)協(xié)議（CSMA/CA)，而以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的多載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)協(xié)議（CSMA/CD）。,DCF機(jī)制（1）,DCF機(jī)制（2）,為什么802.11采用CSMA/CA？ 沖突偵測(cè)（CD）需要全雙工（發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)也可接受數(shù)據(jù)），硬件代價(jià)過(guò)高，無(wú)線網(wǎng)卡很難同時(shí)接收（沖突探測(cè)幀）和發(fā)送無(wú)線信號(hào)。 無(wú)線信號(hào)的衰減特性和隱藏終端（隱蔽站）問(wèn)題使沖突很難被偵測(cè)。,DCF接入算法,Step1：任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先檢測(cè)信道：如果信道空閑時(shí)間超過(guò) DIFS，則可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙，則延遲等待。 Step2：延遲等待時(shí)一直探測(cè)信道，直到等待到信道空閑時(shí)間等于DIFS

9、為止。此時(shí)并不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是采用指數(shù)回退算法隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙數(shù)作為回退計(jì)數(shù)器進(jìn)行延遲，回退以時(shí)隙為單位，每過(guò)一個(gè)時(shí)隙，計(jì)數(shù)器減1。 Step3：在回退延遲時(shí)間內(nèi)探測(cè)信道，如果信道閑至自己的計(jì)數(shù)器減為0，則可發(fā)送數(shù)據(jù)；如果回退時(shí)間內(nèi)任何時(shí)刻發(fā)現(xiàn)信道忙，表明其他站點(diǎn)搶到了發(fā)送權(quán)，則掛起計(jì)數(shù)器，回到Step2繼續(xù)等待DIFS。DIFS到來(lái)后再次回退，此時(shí)不重新設(shè)定計(jì)數(shù)器，而是恢復(fù)原來(lái)的計(jì)數(shù)器，在其基礎(chǔ)上按時(shí)隙減1。,Backoff時(shí)間計(jì)算,PCF機(jī)制,AP一個(gè)一個(gè)的問(wèn)STA是否要發(fā)送幀 傳播順序完全由AP控制，不會(huì)發(fā)送沖突 AP周期性的廣播Beacon frame，每秒 10-100次，信標(biāo)幀中

10、含有系統(tǒng)參數(shù) 一個(gè)站點(diǎn)若申請(qǐng)到了特定速率的表決服務(wù)，則實(shí)際上獲得了一定的帶寬保障,DCF和PCF的共存,中心控制機(jī)制和分布式控制機(jī)制可以同時(shí)運(yùn)行 采用幀間距IFS區(qū)分（InterFrame Spacing） SIFS短幀間間距 PIFS PCF幀間距 DIFS DCF幀間距 EIFS 擴(kuò)展幀間距 報(bào)告壞幀使用,IFS圖示,Fragment傳輸,利用SIFS實(shí)現(xiàn)分片傳輸時(shí)信道使用的連續(xù)性。,隱蔽站問(wèn)題和暴露站問(wèn)題,RTS/CTS機(jī)制,RTS：Request to Send 發(fā)送方在發(fā)送前先發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求幀。 CTS：Clear to Send 接收方收到請(qǐng)求幀后若同意接收，則回復(fù)此幀。 NAV：N

11、etwork Allocation Vector 網(wǎng)絡(luò)分配向量 當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到其他人之間的RTS或CTS幀時(shí)，當(dāng)時(shí)不再進(jìn)行信道接入，而是延遲一段時(shí)間再活動(dòng)，這段時(shí)間稱為NAV。 虛擬信道監(jiān)聽機(jī)制 ：節(jié)點(diǎn)雖未在信道中檢測(cè)到被占用，但收到RTS/CTS后虛擬的認(rèn)為信道要被占用，不再嘗試進(jìn)行信道接入。,RTS/CTS實(shí)例,A想向B發(fā)數(shù)據(jù)，C位于A的無(wú)線范圍內(nèi)，D在B的無(wú)線范圍內(nèi)，不在A的無(wú)線范圍內(nèi)。 RTS/CTS機(jī)制可基本解決隱蔽站問(wèn)題。,RTS/CTS分析,雖然RTS可能會(huì)沖突，但由于RTS很短，沖突概率較小。但是同時(shí)會(huì)增加傳輸延時(shí)和降低信道利用率。 RTS和CTS機(jī)制適用于沖突發(fā)生概率較高的

12、情境中，如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶每次都需傳輸較長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)。 無(wú)線路由器的配置中一般可設(shè)定采用RTS/CTS機(jī)制的幀長(zhǎng)門限。,802.11 幀類型,數(shù)據(jù)幀 管理幀 控制幀 （RTS CTS ACK PS-Poll等）,幀結(jié)構(gòu),三個(gè)地址域（地址1-3）在無(wú)線基本服務(wù)組和上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中起了至關(guān)重要的作用，用于802.11數(shù)據(jù)幀和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式中地址域的轉(zhuǎn)換。,幀結(jié)構(gòu)的地址域,802.11網(wǎng)絡(luò)加入步驟,掃描 主動(dòng)掃描 被動(dòng)掃描 鑒權(quán)（Open system， WEP） 更安全的機(jī)制：WPA WPA2 WAPI 關(guān)聯(lián),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)中的一些問(wèn)題,深刻理解標(biāo)準(zhǔn) 多讀幾遍標(biāo)準(zhǔn)原文，如有較好的外文書，也可作為參考資

13、料 積累狀態(tài)機(jī)編程經(jīng)驗(yàn) 注意字節(jié)順序 利用調(diào)試、測(cè)試工具 必不可少，例如各種抓包軟件 解決問(wèn)題的能力+百折不撓,主要內(nèi)容,IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)概述 IEEE 802.11協(xié)議開發(fā) IEEE 802.11物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用,開發(fā)802.11物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的考慮,IEEE 802.11協(xié)議的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，一般需要操作系統(tǒng)支持，也需要運(yùn)算能力較強(qiáng)的處理器支持 IEEE 802.11設(shè)備一般需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能支持，簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)無(wú)法滿足 IEEE 802.11設(shè)備開發(fā)屬于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，一般無(wú)法使用單片機(jī)開發(fā) 嵌入式處理器以ARM為例，嵌入式操作系統(tǒng)以嵌入式Linux為例。通信設(shè)備開發(fā)中也常用 PowerPC核心和Vxworks操作系統(tǒng),嵌入式處理器五大體系結(jié)構(gòu),ARM 市場(chǎng)占有率高 MIPS 高性能處理器核 PowerPC 由IBM公司和Motorola共同開發(fā) 68K/Coldfire X86,常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種，商用型和免費(fèi)型。 商用型的實(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價(jià)格昂貴。 免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，目前主要有Linux和C/OS，穩(wěn)定性與服務(wù)性存在挑戰(zhàn)。,802.11b無(wú)線通信卡的開發(fā),三種接口 PCMCIA PCI USB 無(wú)線網(wǎng)卡的組成部分,通信卡軟件組