IEEE_80211协议与mac层介绍

IEEE802.11WirelessLAN网络1.网络架构及特性简介由于可携式计算机普及率的快速成长，无线局域网络对今日的计算机及通讯工业来讲，将成为一项重要的观念及技术。在无线局域网络的架构中，计算机主机不需要像在传统的有线网络里，必需保持固定在网络架构中的某个节点上，而是可以在任意的时间作任何的移动，也能对网络上的资料作任意的接入。大体说来，无线网络有四项特性与传统的有线网络不同：一、无线网络的目的地址(DestinationAddress)通常不等于目的位置(DestinationLocation)：在有线网络里，一个地址通常就代表一个固定的位置，然而在无线网络里，这件事不一定成立，因为在无线网络中，事先被给定地址的一部计算机，随时都有可能会移动到不同的地方。二、无线网络的传输媒介会影向整体网络的设计：无线网络的实体层和有线网络的实体层基本上有很大的不同，无线网络的实体层有下列特性：点和点之间的连结范围是有限的，因为这牵涉到讯号强弱的关系。使用了一个需要共享的传输媒介。传送的讯号未被保护，易受外来噪声干扰。在资料传送的可靠性来讲，较有线网络来的差。具有动态的网络拓朴结构。因为上述的原因，使得设计整个网络的软硬体架构，就会和传统的有线网络不同。举例而言，由于讯号传送范围的受限，使得无线局域网络硬体架构的设计，就必需考虑到只能在一个有着合理几何距离的区域内。三、无线网络要有能力处理会移动的工作站：对无线网络来讲，一个重要的要求就是，不但能处理可携式的工作站(portablestation)，更要能处理移动式的工作站(mobilestation)，可携式的工作站也会从某一个位置移动到另一个位置，但长时间来看，它通常还是会固定在某一个位置上。而移动式的工作站就有可能在短时间内不断的移动，且会在移动中仍对网络上的资料作存取。四、无线网络和其它IEEE802网络层间的关系不同：为了达到网络的透明化，无线局域网络希望做到在逻辑链接层就能和别的网络相通，这使得无线局域网络必需将处理移动性工作站及保持资料传送可靠性的能力全做在网络媒介接入层(MACLayer)中，这和传统有线网络在媒介接入层所需具有的功能是不同的。无线局域网络正逐渐受到重视，为了使各种竞争产品之间能兼容互通，标准的制定就成了重要的工作，而IEEE802.11无线局域网络(wirelessLAN)的标准就在这样的情况下诞生。IEEE802.11主要目的是要制定一套适合在无线局域网络环境下作业的通讯协议，最重要的工作，就是要制定出MAC层和实体层。因此IEEE802.11的参考模式主要分成两部份，第一部份是制定出适用于所有无线网络系统的MAC规格，设计出和实体层无关的MAC协议。第二部份则是制定出和传输媒介相关的PHY规格。IEEE802.11所支持的每一种传输讯号频宽，都有不同的PHY规格。例如，915MHz频宽、2.4GHz和5.2GHz频宽以及红外线频宽等，都有不同的PHY规格。此外功率的管理和时限性的服务等也包括在IEEE802.11的定义范围内。本章讨论的重点将着重在IEEE802.11所制订出的MAC通讯协议上。IEEE802.11无线局域网络的主要特性如下：（1）多重传输速率：IEEE802.11可以让工作站使用不同的传输速率（单位为100kbps）在网络上通讯。例如0.5Mbps,1Mbps或2Mbps。（2）帧为IEEE802.11帧。（3）传输媒介为无线电。（4）基本通讯协议为CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)。如果同时有二个或二个以上的工作站传送帧将造成冲撞，发生冲撞的帧视为无效并丢弃。IEEE802.11所采用的CSMA/CA通讯协议虽可避免大部分不必要的冲撞，但仍无法完全排除冲撞的现象。因此只适合用来传送非实时性的资料。（5）提供两种传送服务。分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)使用CSMA/CA，适合传输非实时信息。集中式协调功能(PointCoordinationFunction,PCF)由网络协调者(PointCoordinator)掌控并且以轮询(polling)的方式安排工作站传送帧的时机及顺序。由于工作站传送的时间可事先安排，因此可提供保证传送延迟的服务。非实时传输使用之频宽不保证公平分配。在DCF部份，由于工作站利用CSMA/CA通讯协议来互相竞争传送帧的机会，并没有轮流传送的特性，因此每个工作站实际使用的频宽量可能不同。（6）提供认证(Authentication)及资料保密(Privacy)功能。无线电是一种开放性的介质，任何人都可以很容易的干扰或窃听。任证是确任对方的身分，免得在不知情的状况下，因为与陌生人通讯而泄漏重要的信息。保密是利用加密(Encryption)及解密(Decryption)的技术来保护传送的资料，使得窃听者即使窃听到资料也无法得知其内容。（7）较不适合多媒体信息传输。虽然网络提供保证的传送延迟服务，但目前最高的传送速率只有2Mbps。此频宽尚不足以应付具有实时要求的多媒体信息。如果无线网络上同时存在许多工作站，则每一部工作站平均分配到的频宽将更少。2．无线局域网络硬件架构要了解无线局域网络硬件架构之前，要先了解无线局域网络协议的功能需求，因为IEEE802.11就是根据这些需求，拟订了一套无线局域网络系统的基本架构。IEEE802.11将最低的功能频宽订为1Mbps，这对于一般性的操作，像档案传输、程序加载、交易处理等，是绝对必要的。对于需要传输实时数据的应用软件，像数字式声音、影像等，IEEE802.11也提供了时限性(timebounded)的服务。另外，IEEE802.11也定义了包括财务、办公室、学校以及工业大楼等各种环境中的可靠操作需求。此外，还定义了行动式的计算机系统至少必须支持每小时几哩的行人速度。而为了整合这些需求，IEEE802.11就制订出两种不同类型的无线局域网络基本架构：有基础架构的无线局域网络(InfrastructureWirelessLAN)无基础架构的无线局域网络(AdHocWirelessLAN)所谓的基础架构通常指的就是一个现存的有线网络分布式系统(wireddistributionsystem)，在这种网络架构中，会存在一种特别的节点，称作接入点(accesspoints)，这个接入点的功能就是要将一个或多个的无线局域网络和现存的有线网络分散系统相连结，以提供某个无线局域网络中的工作站，能和较远距离的另一个无线局域网络的工作站通讯，另一方面也促使无线局域网络中的工作站，能接入有线分布式系统中的网络资源。这一类型的无线网络通讯范围，通常是以同一栋建筑物出现，例如，商店、医院、或是同一栋楼层。无基础架构的无线局域网络主要是要提供不限量的用户，能实时架设起无线通信网路，在这种架构中，通常任二个用户间都可直接通讯，这一类的无线网络架构在会议室里经常用得上。IEEE802.11所制订的架构允许「无基础架构的无线局域网络」和「有基础架构的无线局域网络」同时使用同一套基本接入协议。然而，一般讨论IEEE802.11无线局域网络硬体架构，还是偏重在「有基础架构的无线网络上」。IEEE802.11所定义的无线网络硬体架构，主要由下列组件所组成（参考图13-1)：图13-1无线网络硬体架构组成组件WirelessMedium(WM)：无线传输媒介，无线局域网络实体层所使用到的传输媒介。Station(STA)：工作站，任何设备只要拥有IEEE802.11的MAC层和PHY层的接口，就可称为一个工作站。StationServices(SS)：工作站服务，提供工作站送收资料的服务。BasicServiceArea(BSA)：在「有基础架构的无线局域网络」中，每一个几何上的建构区块(buildingblock)就称为一个基本服务区域(BasicServiceArea,简称BSA)，每一建构区块的大小依该无线工作站的环境和功率而定。BasicServiceSet(BSS)：基本服务区中所有工作站的集合。DistributeSystem(DS)：分布式系统，通常是由有线网络所构成，可将数个BSAs连结起来。AccessPoint(AP)：接入点，连结BSS和DS的设备，不但具有工作站的功能，还提供工作站具有接入分布式系统的能力，通常在一个BSA内会有一个接入点。ExtendedServiceArea(ESA)：数个BSAs经由DS连结在一起，所形成的区域，就叫作一个扩充服务区。ExtendedServiceSet(ESS)：数个经由分布式系统所连接的BSS中的每一基本工作站集，形成一个扩充服务集。DistributionSystemServices(DSS)：分布式系统所提供的服务，使得资料能在不同的BSSs间传送。IEEE802.11无线网络系统与传统的有线局域网络相连结是经由一个称为「埠接器」（Portal）的连结设备，如图13-2所示。端口接器的主要功能是将资料从有线局域网络送入无线网络系统，或将来自无线局域网络的资料送入有线局域网络中。这之间除了必须考虑通讯协议的不同外也要考虑到传输媒介的差异。图13-2无线局域网络与有线局域网络之相连结3．无线局域网络软件架构IEEE802.11的软体架构主要可分为工作站软体和分布式系统软体二部份。标准中并无规定应如何实作此分布式系统软体，取而代之的是，它描述了这个分布式系统应提供那些服务才能满足整个系统所需。因此，无线网络的软件架构可看成是由下列二大类的服务所组成（参考图13-3)：图13-3无线网络软体服务架构工作站服务(StationServices,简称SS),由工作站所提供。此类服务提供工作站具有正确送收资料的能力，另外也考虑传送资料的安全性。包含下列两种服务：身份确认服务(Authentication)隐密性服务(Privacy)分布式系统服务(DistributionSystemServices,简称DSS)，由分布式系统所提供。此类服务使MAC帧能在同一个ESS中的不同BSS间传送。无论工作站移动到那里，也都要能收到它该收到的资料，这类服务大部份是由一个特别的工作站呼叫使用，此工作站本身也同时提供这些服务，因此也称为接入点(AccessPoint,简称AP)。接入点是唯一同时提供SS和DSS的无线网络组件，它也是工作站与分布式系统间的桥梁。分散系统提供下列五种服务：联结服务(Association)取消联结服务(Disassociation)分送服务(Distribution)整合服务(Integration)重联结服务(Reassociation)IEEE802.11所指定的七种服务中有五种是用来支持使「媒介接入服务资料单元」(MACservicedataunit,简称MSDU)能在不同的BSS间传送。另外二种则是用来控制工作站对IEEE802.11局域网络的接入，及资料的隐私性。其功能分述如下：分送服务(Distribution)：此服务的主要工作就是将分布式系统中的资料送到该送到的地方。以图13-3为例，假设有一笔帧要从工作站1送到工作站4，一开始这笔帧会先被送到工作站2(输入接入点)，接着工作站2会透过「分送服务」将这笔帧送到工作站3(输出接入点)，而工作站3再透过无线媒介将帧送达工作站4。IEEE802.11并没有规定分散系统要如何将帧正确的送达目的位置，但它说明了在「联结」(Association)、「取消联结」(Disassociation)及「重联结」(Reassociation)等服务中该提供那些信息，使得分散系统可以决定该笔帧该送往那个输出接入点，而将帧送达正确的目的地位置。整合服务(Integration)：此服务的主要目的是要使帧能在分散系统和现存的传统局域网络间传送。如果分送服务知道该笔帧的目的地位置是一个现存的IEEE802.x有线局域网络，则该笔帧在分散系统中的输出