計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第4章無線局域網(wǎng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

（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)物理層；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€(gè)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(cuò)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(gè)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(gè)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(cuò)技術(shù)（抗干擾技術(shù)）。4.2無線局域網(wǎng)物理層本講主要內(nèi)容擴(kuò)頻技術(shù)；802.11；802.11b；802.11a；802.11g。一、擴(kuò)頻技術(shù)由于傳輸速率與信噪比和帶寬成正比，在傳輸速率不變的前提下，可以通過增加帶寬來降低信噪比；擴(kuò)頻技術(shù)為維持一定傳輸速率，通過增加帶寬來降低信號能量。擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾原理是將傳輸過程中接收到的高能量窄帶干擾信號變成寬帶的低能量信號，以此和還原出的窄帶高能量傳輸信號區(qū)別。一、擴(kuò)頻技術(shù)二、802.11FHSS若干信道構(gòu)成跳頻集。任何時(shí)間只使用其中一個(gè)信道。用調(diào)頻模式控制信道使用順序。發(fā)送和接收端必須同步。二、802.11FHSS每個(gè)信道的帶寬1MHz。確定最大碼元傳輸速率＝1M波特。傳輸速率＝波特×每碼元二進(jìn)制位數(shù)。調(diào)制技術(shù)確定每碼元二進(jìn)制位數(shù)。2GFSK：每碼元1位二進(jìn)制數(shù)，4GFSK：每碼元2位二進(jìn)制數(shù)4GFSK調(diào)制過程三、802.11DHSS11個(gè)信道，信道帶寬22MHz。相鄰信道中心頻率相差5MHz。頻率不重疊的信道只有3個(gè)。三、802.11DHSS碼元間隔1/11μs，意味著碼元傳輸速率＝11M波特。數(shù)據(jù)傳輸速率＝波特X每碼元二進(jìn)制位數(shù)。DBPSK：每碼元1位二進(jìn)制數(shù)，DQPSK：每碼元2位二進(jìn)制數(shù)。三、802.11DHSS四、802.11b8組信號構(gòu)成一個(gè)碼元，碼元傳輸速率＝11/8波特。數(shù)據(jù)傳輸速率＝波特X每碼元二進(jìn)制位數(shù)。容錯(cuò)技術(shù)體現(xiàn)在信號集中碼元之間的最小距離。五、802.11a子信道帶寬＝312.5KHz，碼元傳輸速率＝250K波特。4.3無線局域網(wǎng)MAC層本講主要內(nèi)容MAC幀結(jié)構(gòu)；差錯(cuò)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(gè)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(gè)字段的功能在以后的操作過程中詳細(xì)討論。二、差錯(cuò)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(cuò)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(gè)地址。IBSS中兩個(gè)終端通信情況BSS中兩個(gè)終端通信情況以太網(wǎng)互連多個(gè)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(shí)需要三個(gè)MAC地址。二、差錯(cuò)控制和尋址過程DS為以太網(wǎng)時(shí)ESS中兩個(gè)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(shí)需要四個(gè)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(shí)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(cuò)控制和尋址過程DS為無線傳輸媒體時(shí)ESS中兩個(gè)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(cuò)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(shí)間，認(rèn)為信道空閑；通過NAV預(yù)約信道，預(yù)留時(shí)間通過MAC幀中的持續(xù)時(shí)間字段給出，預(yù)約時(shí)間內(nèi)等同于信道忙；在可能存在多個(gè)終端同時(shí)爭用信道的情況下，通過隨機(jī)產(chǎn)生退避時(shí)間，使得各個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)間＋退避時(shí)間信道一直空閑。三、DCF和CSMA/CACSMA/CA算法進(jìn)入退避時(shí)間的前提是可能發(fā)生多個(gè)終端同時(shí)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(shí)檢測到信道空閑且空閑持續(xù)DIFS時(shí)間，發(fā)生多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的前提是多個(gè)終端同時(shí)檢測信道，概率較低，因而無須進(jìn)入退避時(shí)間；如果終端第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測到信道忙，在等待信道由忙轉(zhuǎn)為空閑的時(shí)間內(nèi)，可能有多個(gè)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(shí)間。三、DCF和CSMA/CA終端檢測信道時(shí)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(shí)，信道為忙，因此，隨機(jī)選擇退避時(shí)間；由于終端A選擇的退避時(shí)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(shí)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(shí)間包含在終端A向AP發(fā)送的MAC幀中，這段時(shí)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/CA4.4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(shí)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(dòng)同步，逐個(gè)信道偵聽信標(biāo)幀；主動(dòng)同步，逐個(gè)信道發(fā)送探測請求幀；無論主動(dòng)，或是被動(dòng)，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(dòng)同步逐個(gè)信道偵聽信標(biāo)幀主動(dòng)同步逐個(gè)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4.5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(huì)話可以從一個(gè)BSS移動(dòng)到另一個(gè)BSS；MAC層漫游指兩個(gè)BSS屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即由分配系統(tǒng)連接的多個(gè)BSS屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。終端AMACA當(dāng)終端A離開BSS1往BSS3移動(dòng)時(shí)，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(dòng)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)