無線通信與網絡14-Wi-Fi和IEEE802.11(實驗)

無線通信與網絡14-Wi-Fi和IEEE802.11(實驗)第一頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數據鏈路層14.2網絡結構14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實驗第二頁，共42頁。14.1無線局域網無線局域網(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)WLAN優(yōu)勢，與有線網相比用戶端可以隨意移動，靈活組網簡單，不用布線，維護成本低易擴展，快速部署WLAN不足速率較慢穩(wěn)定性不好安全性不足第三頁，共42頁。應用廣泛區(qū)域：圖書館，酒店，辦公樓，大學，機場等。2015年熱點數量:法國1300萬，美國980萬，中國491萬。標準協(xié)議國際電機電子工程學會(IEEE)的標準IEEE802.11。其他標準：歐洲HiperLAN，中國WAPI。信息規(guī)則的理論，二者和IEEE802.11什么聯(lián)系？小網絡和大網絡競爭，初期不一致，趨向統(tǒng)一IEEE802.11和Wifi有什么區(qū)別和聯(lián)系？第四頁，共42頁。Wi-Fi商業(yè)聯(lián)盟發(fā)音：/?waifai/，WirelessFidelity，翻譯”無線保真”聯(lián)盟：1999年成立，成員超過200家，對產品嚴格測試，保證兼容性，提供商業(yè)認證。Wi-Fi認證，包含且不限于IEEE802.11標準。不是所有符合IEEE802.11的產品，都申請Wi-Fi認證。缺少Wi-Fi認證的產品，未必不兼容Wi-Fi設備。加入WiFi聯(lián)盟，對產品有什么影響？吸引更多廠商合作，加入門檻低，利潤不高。用戶轉移成本降低，迅速成為大的網絡，引發(fā)正反饋。第五頁，共42頁。14.1.1協(xié)議體系結構數據鏈路層物理層物理層邏輯鏈路層+媒體接入控制層媒體媒體IEEE802.11與OSI體系的關聯(lián)下兩層對應第六頁，共42頁。14.1.1協(xié)議體系結構物理層協(xié)議：功能信號的編碼和解碼(如，PSK，OFDM)添加和除去同步所需的前導位通過天線發(fā)送和接收數據流第七頁，共42頁。14.1.1協(xié)議體系結構物理層協(xié)議：數據報文格式Preamble：前導標識，用于接收設備識別802.11PLCP：物理層的協(xié)議參數MAC：MAC層頭部DATA：幀數據CRC：校驗碼第八頁，共42頁。14.1.2MAC幀的格式數據鏈路層協(xié)議：功能從上層接收（recv）向下層傳遞（send）添加控制信息作為報文頭部第九頁，共42頁。14.1.2MAC幀的格式數據鏈路層協(xié)議（包括2個子層）邏輯鏈路控制層(logicallinkcontrol,LLC)Recv，接收來自網絡層數據。執(zhí)行流控制和差錯控制。媒體接入控制層(mediumaccesscontrol,MAC)Send，將數據幀發(fā)送到物理層。發(fā)送時：打包數據幀，加入MAC地址和檢錯碼。接收時：解析幀，識別MAC地址和檢錯碼。第十頁，共42頁。14.1.2MAC幀的格式MAC幀格式（詳情參考IEEE802.11協(xié)議）控制域報文類型等，如：RTS：類型01子類型1011CTS：類型01子類型1100地址域目的節(jié)點MAC地址源節(jié)點MAC地址AP的MAC地址……控制域地址域第十一頁，共42頁。用wireshark捕獲802.11幀硬件：Atheros品牌網卡，Linux系統(tǒng)網卡平常是managed模式，改為monitor模式普通網卡只能捕獲802.3幀（被驅動轉換）第十二頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數據鏈路層14.2網絡結構14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實驗第十三頁，共42頁。14.2網絡結構站點——STA(Station)移動設備，有無線網卡。接入點——AP(AccessPoint)路由器：同時有無線網卡和有線網卡(以太網)?；痉諉卧狟SS(BasicServiceSet)AP+多個STA，AP的名字是BSSID

。BSSID第十四頁，共42頁。分布式系統(tǒng)DS(DistributionSystem)將各個AP連接起來的骨干網，如Internet網。擴展服務集ESS(ExtendedServiceSet)網絡比較大，用一個AP/BSS不夠覆蓋。各BSS使用統(tǒng)一的ESSID標識整個網絡。DSESSBSSBSS第十五頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數據鏈路層14.2網絡結構14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實驗第十六頁，共42頁。14.3IEEE802.11媒體接入控制無線信道不可靠，噪聲干擾，大量的幀丟失前幾章學過的知識，如何解決差錯？WiFiMAC層——CRC檢錯碼：檢錯，重傳延時較大。衛(wèi)星通訊——糾錯碼：發(fā)現并糾正錯誤，開銷較大。TCP層——可靠性機制：以秒為單位，發(fā)現太慢。此外，無線局域網還有隱藏終端和暴露終端問題。第十七頁，共42頁。1，隱藏終端定義:在接收節(jié)點覆蓋范圍內，發(fā)送節(jié)點范圍外的節(jié)點。如：A向B發(fā)送信息，C未偵測到，也向B發(fā)送，故A和C信號同時發(fā)送至B，在B處信號沖突，導致A和C發(fā)送至B的報文都丟失。接收發(fā)送隱藏終端第十八頁，共42頁。四幀交換：RTS-CTS-DATA-ACK源站點發(fā)送，請求發(fā)送RTS幀。目的站點響應，清除發(fā)送CTS幀。源站點發(fā)送，數據DATA幀。目的站點響應，確認ACK幀。四幀交換的功能RTS功能：告知所有位于源站點接收范圍內的站點，一次傳輸正在進行。CTS功能：告知所有位于目的站點接收范圍內的站點，一次傳輸正在進行。避免沖突：RTS和CTS幀中，都包含交換的時長，其他節(jié)點在這段時間內，不會發(fā)送。源站點目的站點第十九頁，共42頁。四幀交換是否解決隱藏發(fā)送終端？當A要向B發(fā)送數據時，先發(fā)送RTS，B收到RTS后，回應CTS；A收到CTS后，向B發(fā)送DATA，B回復ACK。隱藏發(fā)送終端C：聽到B發(fā)送的CTS，知道A要向B發(fā)送報文，C延遲發(fā)送，避免沖突，問題解決！RTSCTS隱藏發(fā)送終端CCTS第二十頁，共42頁。四幀交換是否解決隱藏接收終端？當C聽到B發(fā)送的CTS報文，延遲發(fā)送；若D向C請求發(fā)送RTS，因C不能發(fā)送任何信息，所以D無法判斷C出現什么情況，C可能有幾種情況？1.RTS報文丟失；2.C關機；3.C是隱藏終端。D無法判斷具體情況，反復向C發(fā)送RTS，帶來浪費。隱藏接收終端發(fā)送RTSCTS第二十一頁，共42頁。2，暴露終端定義：在發(fā)送節(jié)點的覆蓋范圍內，而在接收節(jié)點覆蓋范圍外的節(jié)點。四幀交換是否解決？暴露發(fā)送終端，C被B的RTS通知不會發(fā)送數據，解決。暴露接收終端，D要向C發(fā)送數據，C不回應D的RTS，D和C無法握手成功，帶來延時浪費。發(fā)送接收暴露接收終端發(fā)送接收暴露發(fā)送終端第二十二頁，共42頁。發(fā)送DATA兩幀交換：DATA-ACK網絡環(huán)境較好時，可以不用RTS和CTS，減少延時。源站點發(fā)送DATA幀，目的節(jié)點返回ACK幀。如果源站點沒有收到ACK，重發(fā)DATA幀。初始空有DATA未發(fā)送DATA已發(fā)送DATA到達超時未收到ACK收到ACK發(fā)送節(jié)點的有限狀態(tài)機有限狀態(tài)機：表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉移的數學模型。在游戲、網絡協(xié)議、人機交互等編程中，經常使用。第二十三頁，共42頁。路由器設置：2幀or4幀模式RTS閾值0值：始終4幀模式。2347值：始終2幀模式。其他值(如400)：如數據長度超過400則4幀模式。第二十四頁，共42頁。14.3.2接入控制隱藏終端和暴露終端解決了多個基本服務單元之間，節(jié)點互相沖突的問題在1個基本服務單元內部多個節(jié)點共享1個信道，如何決定發(fā)送優(yōu)先級別？兩種方案DCF：分布協(xié)調競爭，所有節(jié)點獨立，競爭決定發(fā)送次序。PCF：點協(xié)調（了解）無競爭，由AP集中決策，制定所有節(jié)點的發(fā)送規(guī)則。第二十五頁，共42頁。DCF分布協(xié)調DCF競爭機制，簡易步驟如果站點要發(fā)送MAC幀，先監(jiān)聽信道。如果信道空閑，站點可以發(fā)送。如果信道忙，二進制指數退避，等到信道閑才發(fā)送。直至發(fā)送完成，中途不能停止。載波監(jiān)聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)區(qū)別于以太網的沖突檢測

(CSMA/CD)，站點發(fā)送時，如果有其他節(jié)點同時發(fā)送，該站點能夠檢測到沖突。無線信道，無法分辨出微弱的輸入信號和發(fā)送信號。第二十六頁，共42頁。DCF詳細步驟

(I)(2)(3)(4)(5)有限狀態(tài)機沖突第二十七頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數據鏈路層14.2網絡結構14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實驗第二十八頁，共42頁。14.4IEEE802.11的信道分配一般的路由器都選擇1，6，11信道(GHz)第二十九頁，共42頁。IEEE802.11幾種協(xié)議MAC層：基本不變。物理層：頻段、傳輸速度、調制方式不同。協(xié)議標準發(fā)布時間工作頻段標準速度理想速率覆蓋范圍802.11a19995.1-5.8GHz25Mbps54Mbps30米/45米802.11b19992.4-2.5GHz6.5Mbps11Mbps30米/100米802.11g20032.4-2.5GHz25Mbps54Mbps30米/100米802.11n20092.4或5GHz300Mbps600Mbps70米/250米802.11ac20115GHz433Mbps/

867Mbps867Mbps/

1.73Gbps/

3.47Gbps/

6.93Gbps-第三十頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數據鏈路層14.2網絡結構14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實驗第三十一頁，共42頁。自選實驗（不考）1、虛擬無線Wifi路由器Win7模擬”隨身wifi”類似”Wifi共享精靈”/zYyBrSq2、Ad-Hoc連接模式無線聯(lián)機，無需路由器/hBCVUc第三十二頁，共42頁。3、WDS功能(WirelessDistributionSystem)單臺路由器的覆蓋范圍有限，可以將多臺路由器通過無線方式連接，擴展信號覆蓋范圍。802.11標準內容，非Wi-Fi聯(lián)盟的認證項目星型拓撲：多臺無線路由器橋接到一臺主路由器，副路由器的數量取決于主路由器的無線帶機量。直線型拓撲：

A橋接B、B橋接C…，長方形區(qū)域。用戶移動無需切換路由器。http:///GT3T1/bUK5u第三十三頁，共42頁。破解Wifi密碼破解WEP加密——容易收集足夠數量(幾小時)報文，可以算出密碼。破解WPA/WPA2加密——難有WPS功能，2-12個小時，必定可以算出密碼無WPS功能，等待用戶登錄，截獲1次握手報文。暴力破解，不一定能算出密碼/JSIyswps功能：路由器后面有個黑色按鈕，打開手機上wifi-wps，同時按下路由器wps按鈕，直接配對連接第三十四頁，共42頁。wep加密方式運氣好10分鐘可以找到密碼破解WEP加密第三十五頁，共42頁。2-10個小時可以算出WPA破解WPA/WPA2加密帶wps功能第三十六頁，共42頁。破解WPA/WP