7无线网络技术 第3章 无线局域网

第3章无线局域网第3章无线局域网3.1概述3.2无线局域网的体系结构与服务3.3无线局域网的协议体系3.4IEEE802.11物理层3.5IEEE802.11媒体访问控制层3.6其他IEEE802.11标准3.7Wi-Fi保护接入3.1概述3.1.1无线局域网的覆盖范围3.1.2无线局域网的特点3.1.3无线局域网的发展历程与相关标准化活动3.1.4无线局域网的分类与应用3.1.1无线局域网的覆盖范围无线局域网是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区别主要在于数据传输的范围不同(但覆盖范围界限的区别并不十分明显)，从而引起网络设计和实现方面的一些区别。介于广域网WAN和局域网LAN之间还有一种局部网络，称为城域网比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区)域网。广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。3.1.2无线局域网的特点优点:(1)移动性(Mobility)支持固定、半移动和慢速移动支持越区切换或散步、及漫游(2)灵活性(Flexibility)组网方式灵活(3)可伸缩性(Scalability)通过添加AP及EP扩展(4)经济性(Saving)降低布线及人员费用无线局域网的局限性(1)可靠性(Reliability)(2)带宽与系统容量(3)兼容性(Compatibility)与共存性(Coexistence)(4)覆盖范围（需引入蜂窝结构及采取桥接、中继等措施）(5)干扰（外界干扰、自干扰、网间干扰）(6)安全性（信息安全及人员安全）(7)节能管理(8)多业务与多媒体(9)移动性(10)小型化、低价格3.1.3无线局域网的发展历程与相关标准化活动起源于夏威夷大学1971年基于封包式技术AlohaNet无线局域网的发展经历了四代:(1)第一代:1985年，FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路，分配专用频段及ISM频段。(2)第二代：基于IEEE802.11标准的无线局域网(3)第三、四代：符合IEEE802.11b标准的产品已经较为普及，归为第三代无线局域网产品；而将符合IEEE802.11a、HiperLAN2和IEEE802.11g标准的产品称为第四代无线局域网产品。任务组：研究范围和目标状态MAC组为WLAN开发MAC机制已完成，作为IEEE802.11的一部分；被ISO/IEC接纳为8802-11：1999标准PHY组为WLAN开发三种PHY层机制：Infrared，DSSS和FHSS已完成，作为IEEE802.11的一部分，并被ISO/IEC接纳为8802-11：1999标准TGa开发适用于UNII频段的PHY规范已完成，成为IEEE802.1la标准，并被ISO/IEC接纳为8802-11：1999(E)标准TGb开发2.4GHz频段的高速PHY规范已完成，成为IEEE802.11b标准b-corl纠正802.11b的MIB的不足和缺陷进行中TGc向IEEE802.1d标准提供所需要的信息，实现网桥和802.11MAC互操作已完成，并作为IEEE802.1d标准的一部分TGd为MIB定义新的PHY参数，并扩展802.11以适应一些国家的要求进行中TGe增强MAC机制，改进QoS和CoS，增强认证和安全机制(已移至TGi)进行中TGf制定IAPP协议进行中TGg开发新的PHY规范，通过提高速率增强802.11b的性能和可用性已完成，成为IEEE802.11g标准TGh提高802.11MAC和802.11aPHY的网络管理和控制功能，提供动态信道选择和功率控制进行中TGi增强MAC机制，提高安全和认证机制进行中TGn利用智能天线技术提高传输速率、覆盖范围和系统容量进行中5GSG和ETSI-BRAN合作，研究5GHz频段的全球化和协调AdHocPublicity通过研究应用和操作来推广802.11AdHoeRegulatory跟踪各个国家的要求，确保802.11符合他们的要求IEEE802.11下的任务组3.1.4无线局域网的分类与应用无线局域网可根据不同的层次、业务、技术和标准以及应用等进行分类。第3章无线局域网3.1概述3.2无线局域网的体系结构与服务3.3无线局域网的协议体系3.4IEEE802.11物理层3.5IEEE802.11媒体访问控制层3.6其他IEEE802.11标准3.7Wi-Fi保护接入3.2无线局域网的体系结构与服务3.2.1无线局域网的组成结构1.站STA(Station)站(点)也称主机(Host)或终端(Terminal)，是无线局域网的昀基本组成单元,包括：(1)终端用户设备(2)无线网络接口（无线网卡或调制解调器）(3)网络软件移动站的分类固定站半移动站移动站开机使用的移动站固定固定固定/移动关机时的移动站固定固定/移动固定/移动举例台式机便携机掌上机、车载台2．无线介质无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。空气是无线电波和红外线传播的良好介质。无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义。3.无线接入点无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。是一种特殊的站，通常处于BSA（基本服务企区）的中心，固定不动。基本功能：(1)作为接入点，完成其他非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站间的通信联结。(2)作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。(3)作为BSS的控制中心完成对其他非AP的站的控制和管理。包括与分布式系统的接口、无线网络接口及相关软件4．分布式系统DS为了覆盖更大的区域，把多个BSA通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区ESA，通过DS互相连接起来的属于同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组ESS。分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连Portal必须能识别无线局域网的帧、DS上的帧、骨干网的帧，并能相互转换Portal是一个逻辑上的接入点，既可以是单一设备，也可以和AP共存于同一设备中骨干网3.2.2无线局域网的拓扑结构从物理拓扑分类看:单区网SCN和多区网MCN从逻辑上看:对等式、基础结构式和线型、星型、环型从控制方式方面来看:无中心分布式、有中心集中控制式从与外网的连接性来看：独立WLAN和非独立WLAN1．分布对等式拓扑分布对等式网络是一种独立的(Independent)BSS(IBSS)，它至少有两个站。是一种典型的、以自发方式构成的单区网，该工作模式被称作特别网络或自组织网络(AdHocNetwork)2．基础结构集中式拓扑基础结构集中式式网络通过AP控制各站间的通信，抗毁性较差，AP复杂度较大。但具有站点布局限制小、路由复杂性低、便于管理、易伸缩等优点。3．ESS网络拓扑BSA之间的移动称为散步或越区切换，是一种链路层的移动。ESA之间的移动称为漫游，是一种网络层的移动。4.中继或桥接型网络拓扑两个或多个网络(LAN或WLAN)或网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来。采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。3.2.3无线局域网的服务与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服务主要有两种类型:STA服务（SS）和分布式系统服务(DSS)，这两种服务均由MAC层使用。IEEE802.11标准中定义了九种服务，三种用来移动数据，其余六种是管理操作。1.STA服务(SS)由STA提供的服务被称为STA服务，它存在于每个STA和AP中。SS包括：2.分布式系统服务(DSS)由DS提供的服务被称为分布式系统服务。在WLAN中，DSS通常由AP提供。包括：3．服务之间的关系对于通过WM进行直接通信的STA均有认证状态(值为未被认证和已认证)和联结状态(值为未联结和已联结)两个状态变量。这两个变量为每个远端STA建立了三种本地状态：状态1：初始启动状态，未认证，未联结；状态2：已认证，未联结；状态3：已认证，已联结。状态变量与业务之间的关系第3章无线局域网3.1概述3.2无线局域网的体系结构与服务3.3无线局域网的协议体系3.4IEEE802.11物理层3.5IEEE802.11媒体访问控制层3.6其他IEEE802.11标准3.7Wi-Fi保护接入3.3无线局域网的协议体系1．无线网络逻辑结构2.IEEE802.11x无线局域网协议体系逻辑链路控制子层介质访问控制子层IEEE802.11x标准较为完整的协议体系3.HiperLAN协议体系欧洲WLAN产业标准的代表是以HiperLAN为典型的宽带无线接入网(BRAN)，它是以无线ATM(WATM)为基础的面向连接业务的标准。无线资源控制联结控制功能DLC连接控制差错控制协议无线链路控制协议MAC协议4．Wi-Fi联盟的作用在无线局域网标准的采纳和市场化推进中，Wi-Fi联盟(论坛)起到了主导作用。无线以太兼容性联盟WECA1999年成立,后更名Wi-Fi联盟，建立了用于验证802.11b产品互操作能力的一套测试程序。2004年起，验证的802.11b产品使用名称是Wi-Fi。Wi-Fi认证已扩展到802.11gWi-Fi针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5第3章无线局域网3.1概述3.2无线局域网的体系结构与服务3.3无线局域网的协议体系3.4IEEE802.11物理层3.5IEEE802.11媒体访问控制层3.6其他IEEE802.11标准3.7Wi-Fi保护接入3.4IEEE802.11物理层3.4.1初始的IEEE802.11物理层(1)工作在2.4GHz的ISM波段上的直接序列扩频,数据速率为1Mb/s和2Mb/s。(2)工作在2.4GHz的ISM波段上的跳频扩频，数据速率为1Mb/s和2Mb/s。(3)工作在波长介于850nm~950nm的红外波段上，其数据速率为1Mb/s和2Mb/s。3.4.2IEEE802.11a3.4.2IEEE802.11a信道结构IEEE802.11a使用通用网络信息基础结构UNII的频带。UNII-1频段(5.15~5.25GHz)用于室内；UNII-2频段(5.25~5.35GHz)用于室内或者室内；UNII-3频段(5.725~5.825GHz)用于室外。3.4.2IEEE802.11a编码和调制IEEE802.11a使用正交频分多路复用OFDM。OFDM也称多载波调制，在不同频率上使用多个载波信号，在每个信道上发送若干位，类似于FDM。然而，在OFDM中，所有的子信道被指定给单个的数据源。3.4.2IEEE802.11a帧结构3.4.3IEEE802.11bIEEE802.11DSSS模式的一个扩充使用补码键控(complementarycodekeying，CCK)的调制模式，以获得更高的数据速率IEEE802.11b物理层协议数据单元3.4.4IEEE802.11g兼容802.11b，两者共存时采取较低的802.11b传输速率IEEE802.11g的物理层选项数据率(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-OFDM802.11MAC管理第3章无线局域网3.1概述3.2无线局域网的体系结构与服务3.3无线局域网的协议体系3.4IEEE802.11物理层3.5IEEE802.11媒体访问控制层3.6其他IEEE802.11标准3.7Wi-Fi保护接入802.11MAC设计目标及功能3.5.1可靠的数据传送IEEE802.11使用帧交换协议。当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认(ACK)帧。此交换被作为一个原