物聯(lián)網導論4_IEEE 802.11技術之1.ppt

1、無線寬帶網絡 IEEE 802.11技術 (1),主要內容,IEEE 802.11標準概述 IEEE 802.11協(xié)議開發(fā) IEEE 802.11物聯(lián)網設備開發(fā)與應用,標準概述內容,國際標準組織 IEEE 802.11協(xié)議族 IEEE 802.11的協(xié)議結構 IEEE 802.11的拓撲結構 IEEE 802.11的網絡服務,國際標準組織,電信領域有影響的組織 ITU-T 原名CCITT 國際標準組織 ISO 美國ANSI IEEE 電器和電子工程師協(xié)會 Internet標準領域最有影響的組織 IETF 采用RFC方式,IEEE 802委員會,標*的為比較重要的工作組；標下箭頭的表示已經停頓了

2、；標上箭頭的表示已經放棄，或者已經解散了,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700MHz頻段進行拍賣（模擬電視向數(shù)字電視轉換后空出來的頻率）， 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)所持有的一個無線網絡通信技術品牌，目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網絡產品之間的互通性。 IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網標準，主要用于解決無線局域網中用戶與

4、用戶終端的無線接入。IEEE小組相繼推出了一系列802.11標準。 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提交技術提案，從而形成各種IEEE 802.11標準?，F(xiàn)在也經常把各種IEEE 802.11技術統(tǒng)稱為Wi-Fi。,IEEE 802.11協(xié)議歷史,1990年11月，IEEE成立了無線局域網標準委員會。 1997年6月，IEEE推出了全球第一代無線局域網標準，即IEEE802.11標準。 1999年9月，IEEE對IEEE802.11標準進行了修改和補充，制定了IEEE802.11b標準。,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主要標準情況（掌握）,OSI參考模型與TCP/IP,IEEE 802.11協(xié)議位置,IEEE 802.11協(xié)議結構,802.11b 介紹,運行在2.4GHz的ISM頻段上 支持1Mb/s、2Mb/s、5.5Mb/s 11Mb/

6、s四種速率 采用高速率直序擴頻技術 HR-DSSS,拓撲結構,STA AP BSS (Basic Service Set) IBSS（Independent Basic Service Set） ESS （Extended Service Set） 兩種模式 adhoc 和 infrastructure,BSS的實用組網,802.11 網絡服務,認證 解除認證 保密 MSDU的傳輸 關聯(lián) 分離 重新關聯(lián) 分發(fā) 集成,主要內容,IEEE 802.11標準概述 IEEE 802.11協(xié)議開發(fā) IEEE 802.11物聯(lián)網設備開發(fā)與應用,協(xié)議開發(fā)內容,IEEE 802.11接入方式 IEEE 802

7、.11幀結構 IEEE 802.11網絡加入 協(xié)議開發(fā)中需注意的問題,802.11 MAC接入方式,DCF：分布式協(xié)調功能 競爭式接入 沒有中心控制節(jié)點 PCF：點協(xié)調功能 非競爭式接入 由AP來控制單元內的所有活動 所有802.11實現(xiàn)必須支持DCF，而PCF則是可選的,介質訪問控制協(xié)議的目的：避免多個用戶同時訪問信道 CSMA：（Carrier Sense Multiple Access）用戶在發(fā)送數(shù)據之前先監(jiān)聽信道，信道占用則不發(fā)送數(shù)據。 CA：（Collision Avoidence）要求建立數(shù)據鏈路層確認/重傳機制以避免沖突。 CD：（Collision Detected）檢測沖突。

8、 802.11采用帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CA)，而以太網采用帶沖突檢測的多載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）。,DCF機制（1）,DCF機制（2）,為什么802.11采用CSMA/CA？ 沖突偵測（CD）需要全雙工（發(fā)送數(shù)據同時也可接受數(shù)據），硬件代價過高，無線網卡很難同時接收（沖突探測幀）和發(fā)送無線信號。 無線信號的衰減特性和隱藏終端（隱蔽站）問題使沖突很難被偵測。,DCF接入算法,Step1：任何節(jié)點發(fā)送前先檢測信道：如果信道空閑時間超過 DIFS，則可以立即發(fā)送數(shù)據；如果信道忙，則延遲等待。 Step2：延遲等待時一直探測信道，直到等待到信道空閑時間等于DIFS

9、為止。此時并不立即發(fā)送數(shù)據，而是采用指數(shù)回退算法隨機選擇一個時隙數(shù)作為回退計數(shù)器進行延遲，回退以時隙為單位，每過一個時隙，計數(shù)器減1。 Step3：在回退延遲時間內探測信道，如果信道閑至自己的計數(shù)器減為0，則可發(fā)送數(shù)據；如果回退時間內任何時刻發(fā)現(xiàn)信道忙，表明其他站點搶到了發(fā)送權，則掛起計數(shù)器，回到Step2繼續(xù)等待DIFS。DIFS到來后再次回退，此時不重新設定計數(shù)器，而是恢復原來的計數(shù)器，在其基礎上按時隙減1。,Backoff時間計算,PCF機制,AP一個一個的問STA是否要發(fā)送幀 傳播順序完全由AP控制，不會發(fā)送沖突 AP周期性的廣播Beacon frame，每秒 10-100次，信標幀中

10、含有系統(tǒng)參數(shù) 一個站點若申請到了特定速率的表決服務，則實際上獲得了一定的帶寬保障,DCF和PCF的共存,中心控制機制和分布式控制機制可以同時運行 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 擴展幀間距 報告壞幀使用,IFS圖示,Fragment傳輸,利用SIFS實現(xiàn)分片傳輸時信道使用的連續(xù)性。,隱蔽站問題和暴露站問題,RTS/CTS機制,RTS：Request to Send 發(fā)送方在發(fā)送前先發(fā)送一個請求幀。 CTS：Clear to Send 接收方收到請求幀后若同意接收，則回復此幀。 NAV：N

11、etwork Allocation Vector 網絡分配向量 當某個節(jié)點監(jiān)聽到其他人之間的RTS或CTS幀時，當時不再進行信道接入，而是延遲一段時間再活動，這段時間稱為NAV。 虛擬信道監(jiān)聽機制 ：節(jié)點雖未在信道中檢測到被占用，但收到RTS/CTS后虛擬的認為信道要被占用，不再嘗試進行信道接入。,RTS/CTS實例,A想向B發(fā)數(shù)據，C位于A的無線范圍內，D在B的無線范圍內，不在A的無線范圍內。 RTS/CTS機制可基本解決隱蔽站問題。,RTS/CTS分析,雖然RTS可能會沖突，但由于RTS很短，沖突概率較小。但是同時會增加傳輸延時和降低信道利用率。 RTS和CTS機制適用于沖突發(fā)生概率較高的

12、情境中，如無線網絡用戶每次都需傳輸較長數(shù)據幀時。 無線路由器的配置中一般可設定采用RTS/CTS機制的幀長門限。,802.11 幀類型,數(shù)據幀 管理幀 控制幀 （RTS CTS ACK PS-Poll等）,幀結構,三個地址域（地址1-3）在無線基本服務組和上層網絡數(shù)據交換中起了至關重要的作用，用于802.11數(shù)據幀和以太網數(shù)據幀格式中地址域的轉換。,幀結構的地址域,802.11網絡加入步驟,掃描 主動掃描 被動掃描 鑒權（Open system， WEP） 更安全的機制：WPA WPA2 WAPI 關聯(lián),網絡協(xié)議開發(fā)中的一些問題,深刻理解標準 多讀幾遍標準原文，如有較好的外文書，也可作為參考資

13、料 積累狀態(tài)機編程經驗 注意字節(jié)順序 利用調試、測試工具 必不可少，例如各種抓包軟件 解決問題的能力+百折不撓,主要內容,IEEE 802.11標準概述 IEEE 802.11協(xié)議開發(fā) IEEE 802.11物聯(lián)網設備開發(fā)與應用,開發(fā)802.11物聯(lián)網設備的考慮,IEEE 802.11協(xié)議的實現(xiàn)相對復雜，一般需要操作系統(tǒng)支持，也需要運算能力較強的處理器支持 IEEE 802.11設備一般需要強大的網絡功能支持，簡單的操作系統(tǒng)無法滿足 IEEE 802.11設備開發(fā)屬于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，一般無法使用單片機開發(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構,ARM 市場占有率高 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，商用型和免費型。 商用型的實操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。 免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有Linux和C/OS，穩(wěn)定性與服務性存在挑戰(zhàn)。,802.11b無線通信卡的開發(fā),三種接口 PCMCIA PCI USB 無線網卡的組成部分,通信卡軟件組