第三讲 无线局域网

第三讲无线局域网王伟[e-mail]无线网络技术主要内容无线局域网的体系结构与服务无线局域网的协议体系其他IEEE802.11标准概述IEEE802.11物理层IEEE802.11媒体访问控制层无线局域网安全一、概述无线局域网（WirelessLocalAreaNetworks，WLAN），就是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。几十米到几千米范围内支持较高数据率（如2Mb/s以上）。IEEE802.11系列标准和HiperLAN系列标准。一、概述无线局域网的优点移动性（Mobility）链路层移动又称为越区切换（Handoff）或散步（Walking），网络层移动也称为漫游（Roaming）。灵活性（Flexibility）可伸缩性（Scalability）经济性（Saving）一、概述无线局域网的局限性可靠性（Reliability）带宽与系统容量兼容性与共存性覆盖范围干扰安全性节能管理移动性一、概述相关标准•高速WLAN标准，支持速率54Mb/s，工作在5GHzISM频段，使用OFDM调制。IEEE802.11a•最初的Wi-Fi标准，提供速率11Mb/s，工作在2.4GHzISM频段，使用DSSS和CCK。IEEE802.11b•数据率提高到54Mb/s，工作在2.4GHz频段，使用OFDM调制技术，可与相同网络中的IEEE802.11设备共同工作。IEEE802.11g•采用MIMO无线通信技术、更宽的RF信道及改进的协议栈，提供更高的数据率，从150Mb/s、350~600Mb/s，可兼容IEEE802.11a/b和IEEE802.11g。IEEE802.11n一、概述WLAN有3类应用方式WLAN接入网络无线互联定位二、WLAN的结构与服务WLAN的组成结构二、WLAN的结构与服务站，也称主机（Host）或终端（Terminal），是无线局域网的最基本组成单元。服务区域（ServiceArea，SA）。基本服务区（BasicServiceArea，BSA），也常称为小区（Cell），它是构成无线局域网的最小单元。基本业务组（BasicServiceSet，BSS）。无线介质无线接入点二、WLAN的结构与服务分布式系统（DistributionSystem，DS）二、WLAN的结构与服务WLAN的拓扑结构分布对等式拓扑二、WLAN的结构与服务基础结构集中式拓扑二、WLAN的结构与服务ESS网络拓扑中继（Relay）或桥接（Bridging）型网络拓扑二、WLAN的结构与服务WLAN的服务STA服务（SS）•认证（Authentication）•解除认证（Deauthentication）•保密（Privacy）•MAC服务数据单元传送分布式系统服务（DSS）•联结（Association）•重新联结（Reassociation）•解除联结（Disassociation）二、WLAN的结构与服务•分布（Distribution）•集成（Integration）服务之间的关系三、WLAN的协议体系无线网络逻辑结构三、WLAN的协议体系IEEE802.11x协议体系MAC管理PHY管理LLCMACIEEE802.11FHSSIEEE802.11DSSSIEEE802.11IRIEEE802.11aIEEE802.11bIEEE802.11gPLCPPMD三、WLAN的协议体系三、WLAN的协议体系Wi-Fi联盟无线以太兼容性联盟（WirelessEthernetCompatibilityAlliance，WECA）Wi-Fi（WirelessFidelity）联盟四、IEEE802.11物理层IEEE802.11物理层标准IEEE802.11IEEE802.11aIEEE802.11bIEEE802.11g可获得的带宽83.5MHz300MHz83.5MHz83.5MHz不需要许可证的操作频率2.4~2.4835GHzDSSS,FHSS5.15~5.35GHzOFDM5.725~5.825GHzOFDM2.4~2.4835GHzDSSS2.4~2.4835GHzDSSS,OFDM无重叠的信道数目3（室内/室外）4室内4（室内/室外）4室外3（室内/室外）3（室内/室外）每个信道的数据率1Mb/s,2Mb/s6Mb/s,9Mb/s12Mb/s,18Mb/s24Mb/s,36Mb/s48Mb/s,54Mb/s1Mb/s,2Mb/s5.5Mb/s,11Mb/s1Mb/s,2Mb/s5.5Mb/s,6Mb/s9Mb/s,11Mb/s12Mb/s,18Mb/s24Mb/s,36Mb/s48Mb/s,54Mb/s四、IEEE802.11物理层初始的IEEE802.11物理层工作在2.4GHz的ISM波段上的直接序列扩频（DSSS）其数据率为1Mb/s和2Mb/s。工作在2.4GHz的ISM波段上的跳频扩频（FHSS），其数据率为1Mb/s和2Mb/s。工作在波长介于850~950nm的红外波段（Infrared）上，其数据率为1Mb/s和2Mb/s。四、IEEE802.11物理层IEEE802.11aRF频带频率范围(GHz)信道号中心频率(GHz)最大发射功率(mW)U-NII下频带5.15~5.250365.1850405.200445.220485.240U-NII中频带5.250～5.350525.260250565.280605.300645.320U-NII高频带5.725～5.8251495.74510001535.7651575.7851625.805四、IEEE802.11物理层IEEE802.11bIEEE802.11b标准规定2.4GHzISM频带分成许多22MHz的相互重叠的信道。动态速率转换(DynamicRateShifting,DRS)或自适应速率选择(AdaptiveRateSelection,ARS)。四、IEEE802.11物理层IEEE802.11gIEEE802.11g使用OFDM将数据率上升到54Mb/s，兼容IEEE802.11b，支持两种标准的硬件可以工作在相同的2.4GHzWLAN。数据率/Mb/s调制模式数据率/Mb/s调制模式1DSSS18ERP-OFDM2DSSS22ERP-PBCC5.5CCK或PBCC24ERP-OFDM6ERP-OFDM33ERP-PBCC9ERP-OFDM36ERP-OFDM11CCK或PBCC48ERP-OFDM12ERP-OFDM54ERP-OFDM四、IEEE802.11物理层IEEE802.11n=100Mb/sMIMO无线通信MIMO无线通信利用空间分离的发射和接收天线，解决了信息通过多个信号路径传输的问题，多个天线的使用增加了额外的增益，提高了接收机对数据流解码的能力。扩展信道带宽的OFDM通过在2.4GHz或5GHz频带合并两个20MHz的信道扩展信道带宽，信道容量提升，原因是可用的OFDM数据载频数量加倍。五、IEEE802.11MAC层IEEE802.11MAC层覆盖了3个功能区：可靠的数据传送、接入控制以及安全。可靠的数据传送帧交换协议，ACK。四帧交换（可选）源站点首先向目的站点发送一个请求发送（RequestToSend，RTS）帧。目的站点用一个清除发送（ClearToSend，CTS）帧响应。在收到CTS之后，源站点发送数据帧，而目的站点以一个ACK响应。RTS警告所有位于源站点接收范围内的站点：一个交换正在进行。五、IEEE802.11MAC层接入控制五、IEEE802.11MAC层分布协调功能帧间间隔IFS(InterFrameSpace)SIFS，即短帧间间隔。用来分隔开属于一次对话的各帧。PIFS，即点协调功能帧间间隔(比SIFS长)。是为了在开始使用PCF方式时优先获得接入到媒体中。DIFS，即分布协调功能帧间间隔(最长的IFS)。在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。五、IEEE802.11MAC层网络分配向量NAV(NetworkAllocationVector)，指出了信道处于忙状态的持续时间。五、IEEE802.11MAC层简单情况的CSMA/CA协议：1)先检测信道（进行载波监听）。若检测到信道空闲，则等待一段时间DIFS后（如果这段时间内信道一直是空闲的）就发送整个数据帧，并等待确认。2)目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发送ACK。3)所有其他站都设置NAV，表明这段时间内信道忙，不能发送数据。4)当ACK结束时，NAV也就结束了。在经历帧间间隔后，接着会出现一段空闲时间，叫争用窗口，表示在这段时间内有可能出现各站点争用信道的情况。五、IEEE802.11MAC层802.11的退避机制五、IEEE802.11MAC层二进制指数退避算法：第i次退避就在22+i个时隙中随机地选择一个，即：第i次退避是在时隙{0,1,…,22+i–1}中随机地选择一个。第1次退避是在8个时隙（而不是2个）中随机选择一个。第2次退避是在16个时隙（而不是4个）中随机选择一个。五、IEEE802.11MAC层比较完整的CSMA/CA算法：1)若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧。2)否则站点执行CSMA/CA协议退避算法。一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。3)当退避计时器减少到零时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。4)发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了。这时若要发送第二个帧，就要从步骤2)开始，执行CSMA/CA协议的退避算法，随机选定一段退避时间。五、IEEE802.11MAC层若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧（再次使用CSMA/CA协议争用接入信道），直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。五、IEEE802.11MAC层退避算法的使用情况：仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：1)在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。2)在每一次的重传后。3)在每一次的成功发送后。五、IEEE802.11MAC层MAC帧802.11帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。数据帧的主要字段MAC首部，共30字节。帧的复杂性都在帧的首部。帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312字节。帧检验序列FCS是尾部，共4字节五、IEEE802.11MAC层802.11数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址4用于自组网络。我们在这里只讨论前三种地址。去往DS来自DS地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址——10AP地址源地址目的地址——五、IEEE802.11MAC层序号控制字段占16位，其中序号子字段占12位，分片子字段占4位。持续期字段占16位。帧控制字段共分为11个子字段。协议版本字段现在是0。类型字段和子类型字段用来区分帧的功能。更多分片字段置为1时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。有线等效保密字段WEP占1位。若WEP=1，就表明采用了WEP加密算法。六、其他IEEE802.11标准IEEE802.11e对MAC层做了一些修正以改进服务质量并解决了一些安全问题。当在没有其他的数据被发送的空的周期内，它采用时间调度和轮询的通信方式。IEEE802.11i定义了MAC层的安全和认证机制。IEEE802.11r使得站点和接入点能够快速地在BSS之间转换。六、其他IEEE802.11标准IEEE802.11s工作组将IEEE802.11MAC扩展成协议的基本组