計算機網(wǎng)絡理論與實踐 課件 第7章 無線網(wǎng)絡

第七章

無線網(wǎng)絡

7.1無線網(wǎng)絡概述7.2無線局域網(wǎng)WLAN7.3其他無線網(wǎng)絡及技術7.4實驗7.5本章小結7.1.1無線網(wǎng)絡的發(fā)展

近年來，無線通信技術得到了飛速發(fā)展，在全世界范圍內使用移動電話的人數(shù)早已經遠遠超過了使用固定電話的人數(shù)，人們喜歡“移動”著打電話。對于計算機網(wǎng)絡，人們也想隨時隨地、不受限制地上網(wǎng)，因此發(fā)展出很多無線傳輸技術，如無線局域網(wǎng)技術、藍牙、ZigBee、蜂窩網(wǎng)絡、移動IP等，無線網(wǎng)絡的應用范圍也隨之擴大。使用電磁波在自由空間進行信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡稱為無線網(wǎng)絡。7.1無線網(wǎng)絡概述7.1.2無線網(wǎng)絡的分類1）無線個域網(wǎng)2）無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）可分為有固定基礎設施和無固定基礎設備兩大類。3）無線城域網(wǎng)4）無線廣域網(wǎng)類似衛(wèi)星通信網(wǎng)絡或蜂窩移動通信網(wǎng)絡等均覆蓋了廣闊的區(qū)域，被稱為無線廣域網(wǎng)。

7.2無線局域網(wǎng)WLAN7.2.1無線局域網(wǎng)的特點及組成

與有線網(wǎng)絡相比，無線局域網(wǎng)具有以下特點：（1）安裝便捷。（2）使用靈活。（3）經濟節(jié)約。（4）易于擴展。無線局域網(wǎng)的組成：（1）站。指主機或終端。（2）無線介質。指無線電磁波的載體，即自由空間。（3）接入點（AccessPoint,AP）。AP用來連接各站，為所連接站的數(shù)據(jù)通信提供轉發(fā)服務。（4）分布式系統(tǒng)（DS）。7.2.2802.11局域網(wǎng)拓撲結構1.分布對等式拓撲對等模式拓撲用于自組織型WLAN中，拓撲中不需要無線集中接入點AP，也不需要預先的固定基礎設施，站點間是對等的、分布式的，可隨時構建。2.基礎結構式拓撲

兩個BSS通過DS連接在一起，形成一個ESS，如圖7-3所示。其中分配系統(tǒng)使用了以太網(wǎng)，也可以是點對點鏈路或其他無線網(wǎng)絡，ESS通過分配系統(tǒng)通往其他網(wǎng)絡，如互聯(lián)網(wǎng)等。7.2.3802.11標準系列1997年制定的IEEE802.11是第一代無線局域網(wǎng)標準之一，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務主要限于數(shù)據(jù)存取。該標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，速率最高只能達到2Mb/s。為了在速率和傳輸距離上有更好的表現(xiàn)，IEEE小組又相繼推出了802.11b和802.11a兩個新標準。802.11b也稱為Wi-Fi，其采用2.4GHz直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mb/s，無須直線傳播。支持動態(tài)速率轉換，當射頻情況變差時，可將數(shù)據(jù)傳輸速率降低為5.5Mb/s、2Mb/s或1Mb/s。支持的范圍在室外可達300米，在辦公環(huán)境中最長為100米。802.11b使用與以太網(wǎng)類似的連接協(xié)議和數(shù)據(jù)包確認，來提供可靠的數(shù)據(jù)傳送和網(wǎng)絡帶寬的有效使用。802.11a標準是802.11b的后續(xù)標準，其工作在5GHz頻段上，物理層速率可達54Mb/s?？商峁?5Mb/s的無線ATM接口和10Mb/s的以太網(wǎng)無線幀接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務，一個扇區(qū)可接入多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。事實上，為了得到更高的性能，IEEE在802.11的基礎上進行了很多的擴展，形成了一系列的標準。802.11g其實是一種混合標準，它既能適應傳統(tǒng)的802.11b標準，在2.4GHz頻率下提供11Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，也符合802.11a標準在5GHz頻率下提供56Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。802.11n標準為雙頻（2.4GHz/5GHz）模式，數(shù)據(jù)傳輸率為100Mb/s，最高可達600Mb/s，擴大了無線信號的傳輸范圍，提高了系統(tǒng)容量。隨后，IEEE802.11ac和IEEE802.11ax的標準使性能更進一步提升。2018年，Wi-Fi聯(lián)盟宣布，將新一代的IEEE802.11ax更名為Wi-Fi6，同時將以前的802.11b更名為Wi-Fi1，將802.11a更名為Wi-Fi2，將802.11g更名為Wi-Fi3，將802.11n更名為Wi-Fi4，將802.11ac更名為Wi-Fi5。7.2.4802.11局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議MAC層通過共享訪問介質來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸服務，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，這是通過兩種訪問機制來實現(xiàn)的，即分布式協(xié)調功能（DistributedCoordinationFunction，DCF）和點協(xié)調功能（PointCoordinationFunction，PCF）。對于無線局域網(wǎng)來說，同樣也屬于在共享介質上進行數(shù)據(jù)傳輸，是否也能采用CSMA/CD協(xié)議呢？（1）信號強度的問題。（2）隱蔽站的問題。CSMA/CA的工作流程如下：（1）發(fā)送站在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先監(jiān)聽信道，若信道空閑，需等待一個IFS，若信道繼續(xù)空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）在（1）中監(jiān)聽信道的過程中，若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽信道，直到信道空閑。（3）當信道轉入空閑時，等待一個IFS，若信道依然空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道轉為忙，則執(zhí)行二進制指數(shù)退避算法，進入爭用窗口，同時繼續(xù)監(jiān)聽信道。在上述算法中，沒有考慮幀的優(yōu)先級。為了降低碰撞的發(fā)生，提高傳輸效率，802.11設計了三種不同的IFS：（1）短幀間間隔（SIFS）。這是最短的幀間間隔，具有最高的優(yōu)先級，用于將幀盡快發(fā)送出去，典型值為10μs。（2）點協(xié)調幀間間隔（PIFS）。在PCF機制中使用，如中央控制器查詢幀。PIFS長度大于SIFS。（3）分布協(xié)調幀間間隔（DIFS）。在DCF機制中使用，異步幀爭用訪問控制權時的幀間間隔，是最長的IFS，典型值為50μs?；窘尤敕椒叭N時隙示意圖2.RTS/CTS針對隱蔽站帶來的碰撞問題，發(fā)送站在送出數(shù)據(jù)前，先發(fā)送一段請求傳送幀RTS到目標站，并等待目標站對該請求的回應幀CTS，握手同意后，發(fā)送站即可發(fā)送數(shù)據(jù)幀，7.3其他無線網(wǎng)絡及技術1.藍牙藍牙作為一種小范圍無線連接技術，能在設備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)通信和語音通信，因此它是實現(xiàn)無線個域網(wǎng)通信的主流技術之一。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦及相關外設等眾多設備之間進行無線信息傳輸。藍牙使用IEEE802.15協(xié)議，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。藍牙傳輸距離較短，藍牙技術的主要工作范圍在10米左右，經過增加射頻功率后的藍牙技術，可以在100米的范圍進行工作。藍牙主要有以下一些應用：1）車載設備間的通信2）工業(yè)生產中的應用3）醫(yī)藥領域中的應用2.ZigBeeZigBee無線通信技術是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)的一項應用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡技術，其基于IEEE的802.15.4無線標準。通常用在無線個域網(wǎng)或機器人間的組網(wǎng)中。ZigBee網(wǎng)絡的理論最大節(jié)點數(shù)為2的16次方，即65536個節(jié)點，網(wǎng)絡中的任意節(jié)點之間都可以進行數(shù)據(jù)通信，并具有自動修復功能。當節(jié)點移動時，節(jié)點間的網(wǎng)絡連接關系也會發(fā)生變化，節(jié)點的網(wǎng)絡通信模塊可以通過重新搜索通信對象，通過確定它們之間的聯(lián)系來重置原始網(wǎng)絡。只要節(jié)點在網(wǎng)絡模塊通信的范圍內自動找到對方，它們就可以快速形成互聯(lián)的網(wǎng)絡。ZigBee技術的先天性優(yōu)勢，使得它在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)逐漸成為一種主流技術，在工業(yè)、農業(yè)、智能家居等領域得到大規(guī)模的應用。3.移動IP移動IP技術就是讓計算機在互聯(lián)網(wǎng)中不受限制地漫游，也被稱為移動計算機技術。解決移動IP問題的基本思路與處理蜂窩移動電話呼叫相似，使用漫游、位置登記、隧道、鑒權等技術，從而使移動節(jié)點使用固定不變的IP地址，一次登錄即可實現(xiàn)在任意位置，包括移動節(jié)點從一個IP網(wǎng)絡漫游到另一個IP網(wǎng)絡時保持與IP主機的單一連接，使通信持續(xù)進行。實驗1：構建WLAN基礎結構網(wǎng)絡（BSS）1.實驗目的（1）理解CSMA/CA協(xié)議的目的和作用。（2）掌握配置BSS網(wǎng)絡。2.實驗原理接入點AP用來連接各站，為所連接站的數(shù)據(jù)通信提供轉發(fā)服務。一個AP覆蓋的范圍稱為一個基本服務組（BSS），一個BSS包括一個接入點和若干站，是802.11標準規(guī)定的無線局域網(wǎng)的最小構件。4.實驗拓撲3.實驗流程實驗2：構建WLAN基礎結構網(wǎng)絡（ESS）1.實驗目的（1）理解CSMA/CA協(xié)議的目的和作用。（2）掌握配置ESS網(wǎng)絡。2.實驗原理分布式系統(tǒng)（DS）。單個BSS無線覆蓋的范圍非常有限，只能提供BSS內部站點間的通信，為了擴大覆蓋范圍，可通過分布式系統(tǒng)DS將多個BSS連接起來，構成一個擴展服務組（ESS）。DS通過入口連接骨干網(wǎng)，入口可以識別有線網(wǎng)絡和WLAN的幀，