計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 無線網(wǎng)絡(luò)ppt講解)

1、 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)簡明教程第 9 章 無線網(wǎng)絡(luò) 第 9 章 無線網(wǎng)絡(luò)9.1 無線局域網(wǎng)的組成9.2 802.11 無線局域網(wǎng)的物理層9.3 802.11 無線局域網(wǎng)的 CSMA/CA 協(xié)議9.4 802.11 無線局域網(wǎng)的 MAC 幀 9.1 無線局域網(wǎng)的組成1. IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn) n有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)AP1AP2一個基本服務(wù)集 BSS 包括一個基站和若干個移動站，所有的站在本 BSS 以內(nèi)都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信時 ，都要通過本 BSS 的基站。 AP1AP2基本服務(wù)集內(nèi)的基站叫做接入點(diǎn) AP (Access Point)其作用和網(wǎng)橋相似。AP1AP2AP1

2、AP2一個基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點(diǎn) AP連接到一個主干分配系統(tǒng) DS (Distribution System)，然后再接入到另一個基本服務(wù)集，構(gòu)成擴(kuò)展的服務(wù)集ESS (Extended Service Set)。AP1AP2ESS 還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非 802.11 無線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)）的接入。門戶的作用就相當(dāng)于一個網(wǎng)橋。 AP1AP2移動站 A 從某一個基本服務(wù)集漫游到另一個基本服務(wù)集（到 A 的位置），仍可保持與另一個移動站 B 進(jìn)行通信。 與接入點(diǎn) AP 建立關(guān)聯(lián)(association)n一個移動站若要加入到一個基本服務(wù)集

3、 BSS，就必須先選擇一個接入點(diǎn) AP，并與此接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)。n建立關(guān)聯(lián)就表示這個移動站加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)，并和這個 AP 之間創(chuàng)建了一個虛擬線路。n只有關(guān)聯(lián)的 AP 才向這個移動站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個移動站也只有通過關(guān)聯(lián)的 AP 才能向其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 移動站與 AP 建立關(guān)聯(lián)的方法n被動掃描，即移動站等待接收接入站周期性發(fā)出的信標(biāo)幀(beacon frame)。n信標(biāo)幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務(wù)集標(biāo)識符 SSID 以及支持的速率等）。n主動掃描，即移動站主動發(fā)出探測請求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應(yīng)幀(probe respon

4、se frame)。 熱點(diǎn)(hot spot)n現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機(jī)場、快餐店、旅館、購物中心等都能夠向公眾提供有償或無償接入 Wi-Fi 的服務(wù)。這樣的地點(diǎn)就叫做熱點(diǎn)。n由許多熱點(diǎn)和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點(diǎn)也就是公眾無線入網(wǎng)點(diǎn)。n現(xiàn)在也出現(xiàn)了無線因特網(wǎng)服務(wù)提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到 WISP，然后再經(jīng)過無線信道接入到因特網(wǎng)。 2. 移動自組網(wǎng)絡(luò)又稱自組網(wǎng)絡(luò)(ad hoc network) 自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)n自組網(wǎng)絡(luò)

5、是沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施（即沒有 AP）的無線局域網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網(wǎng)絡(luò)。 移動自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 n在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。n這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機(jī)群。 n當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時，在搶險救災(zāi)時利用移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時的通信往往很有效的， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN (Wireless Sensor Network) n由大量傳感器結(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)構(gòu)成的自組網(wǎng)絡(luò)。n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，一般并不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持

6、低功耗，以節(jié)省電池的消耗。n由于無線傳感結(jié)點(diǎn)的存儲容量受限，因此對協(xié)議棧的大小有嚴(yán)格的限制。n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還對網(wǎng)絡(luò)安全性、結(jié)點(diǎn)自動配置、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重組等方面有一定的要求。 傳感器結(jié)點(diǎn)的形狀(a)和組成(b) 存儲器CPU傳感器硬件電池?zé)o線收發(fā)器(a)(b) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的應(yīng)用領(lǐng)域 n環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)（如洪水預(yù)報、動物棲息的監(jiān)控）；n戰(zhàn)爭中對敵情的偵查和對兵力、裝備、物資等的監(jiān)控；n醫(yī)療中對病房的監(jiān)測和對患者的護(hù)理；n在危險的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測；n城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。 移動自組網(wǎng)絡(luò)和移動 IP 并不相同 n移動 IP 技術(shù)使漫游的主機(jī)可以用多種

7、方式連接到因特網(wǎng)。n移動 IP 的核心網(wǎng)絡(luò)功能仍然是基于在固定互聯(lián)網(wǎng)中一直在使用的各種路由選擇協(xié)議。n移動自組網(wǎng)絡(luò)是將移動性擴(kuò)展到無線領(lǐng)域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和因特網(wǎng)相連。 幾種不同的接入n固定接入(fixed access)在作為網(wǎng)絡(luò)用戶期間，用戶設(shè)置的地理位置保持不變。n移動接入(mobility access)用戶設(shè)置能夠以車輛速度移動時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)發(fā)生切換時，通信仍然是連續(xù)的。n便攜接入(portable access)在受限的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積中，用戶設(shè)備能夠在以步行速度移動時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，提供有限的切換能力。n游牧接入(nomadic access)

8、用戶設(shè)備的地理位置至少在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時保持不變。如用戶設(shè)備移動了位置，則再次進(jìn)行通信時可能還要尋找最佳的基站 9.2 802.11 無線局域網(wǎng)的物理層n802.11 無線局域網(wǎng)可再細(xì)分為不同的類型。n現(xiàn)在最流行的無線局域網(wǎng)是 802.11b，而另外兩種（802.11a 和 802.11g）的產(chǎn)品也廣泛存在。 n802.11 的物理層有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：n直接序列擴(kuò)頻 DSSSn正交頻分復(fù)用 OFDM n跳頻擴(kuò)頻 FHSS （已很少用）n紅外線 IR （已很少用） 幾種常用的 802.11 無線局域網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn)頻段數(shù)據(jù)速率物理層優(yōu)缺點(diǎn)802.11b2.4 GHz最高為11 Mb/sHR-DSSS 最

9、高數(shù)據(jù)率較低，價格最低，信號傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙 802.11a5 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時上網(wǎng)，價格最高，信號傳播距離較短，且易受阻礙802.11g2.4 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時上網(wǎng)，信號傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙，價格比 802.11b貴 9.3 802.11 無線局域網(wǎng)的CSMA/CA 協(xié)議無線局域網(wǎng)不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。n在無線局域網(wǎng)的適配器上，接收信號的強(qiáng)度往往會遠(yuǎn)小于發(fā)送信號的強(qiáng)度。若要實(shí)現(xiàn)碰撞檢測，在硬件上需要的花費(fèi)就會過大 。n在無線局域網(wǎng)中，并非所有的站點(diǎn)都能夠聽見對方

10、，而“所有站點(diǎn)都能夠聽見對方”正是實(shí)現(xiàn)CSMA/CD 協(xié)議必須具備的基礎(chǔ)。 CSMA/CA 協(xié)議的思路n要盡量減少碰撞發(fā)生的概率。 n在無線局域網(wǎng)中，即使在發(fā)送過程中發(fā)生了碰撞，發(fā)送方也要把整個幀發(fā)送完畢（因為發(fā)送方并不知道發(fā)生了碰撞）。因此在無線局域網(wǎng)中一旦出現(xiàn)碰撞，在這個幀的發(fā)送時間內(nèi)信道資源都被浪費(fèi)了。 鏈路層確認(rèn) n802.11 無線局域網(wǎng)在使用 CSMA/CA 的同時，還使用停止等待協(xié)議。n這是因為無線信道的通信質(zhì)量遠(yuǎn)不如有線信道的，因此無線站點(diǎn)每通過無線局域網(wǎng)發(fā)送完一幀后，要等到收到對方的確認(rèn)幀后才能繼續(xù)發(fā)送下一幀。這叫做鏈路層確認(rèn)。 幀間間隔n所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段

11、很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔。n幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)。n若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會。 CSMA/CA 協(xié)議的原理 n源站必須把它將要占用信道的時間通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣就大大減少了碰撞的機(jī)會。n在 MAC 幀首部中有一個持續(xù)期字段，填入在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時間。n當(dāng)信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時，任何站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀，不僅都必須等待一個幀間間隔時

12、間，而且還要計算隨機(jī)退避時間，以便再次重新試圖接入到信道。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。802.11 標(biāo)準(zhǔn)也是使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法，但具體做法和以太網(wǎng)的稍有不同。 802.11 標(biāo)準(zhǔn)允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進(jìn)行預(yù)約n源站 A 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個短的控制幀，叫做請求發(fā)送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應(yīng)的確認(rèn)幀）所需的持續(xù)時間。n若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個響應(yīng)控制幀，叫做允許發(fā)送CTS (Clear To Send)，它也包括這次通信所需的持續(xù)時間。nA 收到 CTS 幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。 使用 RTS 和 CTS 幀會

13、使整個網(wǎng)絡(luò)的效率有所下降。n使用 RTS 和 CTS 幀會使整個網(wǎng)絡(luò)的效率有所下降。但這兩種控制幀都很短，其長度分別為 20 字節(jié)和 14 字節(jié)，與數(shù)據(jù)幀相比開銷不算大。n若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費(fèi)的時間就更多。 9.4 802.11 無線局域網(wǎng)的 MAC 幀n802.11 幀共有三種類型，即控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。n下面是數(shù)據(jù)幀的主要字段。 字節(jié) 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4幀控制持續(xù)期地址 1地址 2地址 3序號控制地址 4幀主體FCS協(xié)議版本類型子類型到DS從DS更多分片重試功率管理更多數(shù)據(jù)WEP 順序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1

14、 1 1MAC 幀首部 802.11 數(shù)據(jù)幀的三大部分 nMAC 幀首部，共 30 字節(jié)。幀的復(fù)雜性都在幀的首部。n幀主體，也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312 字節(jié)。這個數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都是小于 1500 字節(jié)。n幀檢驗序列 FCS 是尾部，共 4 字節(jié) 1. 關(guān)于 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址n802.11 數(shù)據(jù)幀最特殊的地方就是有四個地址字段。地址 4 用于自組網(wǎng)絡(luò)。我們在這里只討論前三種地址。 到 DS從 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址11AP 地址源地址目的地址 2.幀控制字段 n類型字段占 2 位，指明 802.11 幀的類型（控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀）。n子類型字段占 4 位，用來把某種類型幀再劃分為若干個子類型，n有線等效保密字段 WEP (Wired Equivalent Privacy)占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。 3. 序號控制字段n序號控制字段占 16 位，其中序號子字段占 12 位，分片子字段占 4 位（不分片則保持為 0。如分片則幀的序號子字段保持不變，而分片子字段從 0 開始，每個分片加 1，最多到 1