無線通信與網(wǎng)絡(luò)14-Wi-Fi和IEEE802.11(實(shí)驗(yàn))

無線通信與網(wǎng)絡(luò)14-Wi-Fi和IEEE802.11(實(shí)驗(yàn))第一頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數(shù)據(jù)鏈路層14.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實(shí)驗(yàn)第二頁，共42頁。14.1無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)WLAN優(yōu)勢，與有線網(wǎng)相比用戶端可以隨意移動(dòng)，靈活組網(wǎng)簡單，不用布線，維護(hù)成本低易擴(kuò)展，快速部署WLAN不足速率較慢穩(wěn)定性不好安全性不足第三頁，共42頁。應(yīng)用廣泛區(qū)域：圖書館，酒店，辦公樓，大學(xué)，機(jī)場等。2015年熱點(diǎn)數(shù)量:法國1300萬，美國980萬，中國491萬。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議國際電機(jī)電子工程學(xué)會(huì)(IEEE)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11。其他標(biāo)準(zhǔn)：歐洲HiperLAN，中國WAPI。信息規(guī)則的理論，二者和IEEE802.11什么聯(lián)系？小網(wǎng)絡(luò)和大網(wǎng)絡(luò)競爭，初期不一致，趨向統(tǒng)一IEEE802.11和Wifi有什么區(qū)別和聯(lián)系？第四頁，共42頁。Wi-Fi商業(yè)聯(lián)盟發(fā)音：/?waifai/，WirelessFidelity，翻譯”無線保真”聯(lián)盟：1999年成立，成員超過200家，對(duì)產(chǎn)品嚴(yán)格測試，保證兼容性，提供商業(yè)認(rèn)證。Wi-Fi認(rèn)證，包含且不限于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。不是所有符合IEEE802.11的產(chǎn)品，都申請(qǐng)Wi-Fi認(rèn)證。缺少Wi-Fi認(rèn)證的產(chǎn)品，未必不兼容Wi-Fi設(shè)備。加入WiFi聯(lián)盟，對(duì)產(chǎn)品有什么影響？吸引更多廠商合作，加入門檻低，利潤不高。用戶轉(zhuǎn)移成本降低，迅速成為大的網(wǎng)絡(luò)，引發(fā)正反饋。第五頁，共42頁。14.1.1協(xié)議體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層邏輯鏈路層+媒體接入控制層媒體媒體IEEE802.11與OSI體系的關(guān)聯(lián)下兩層對(duì)應(yīng)第六頁，共42頁。14.1.1協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物理層協(xié)議：功能信號(hào)的編碼和解碼(如，PSK，OFDM)添加和除去同步所需的前導(dǎo)位通過天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流第七頁，共42頁。14.1.1協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物理層協(xié)議：數(shù)據(jù)報(bào)文格式Preamble：前導(dǎo)標(biāo)識(shí)，用于接收設(shè)備識(shí)別802.11PLCP：物理層的協(xié)議參數(shù)MAC：MAC層頭部DATA：幀數(shù)據(jù)CRC：校驗(yàn)碼第八頁，共42頁。14.1.2MAC幀的格式數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：功能從上層接收（recv）向下層傳遞（send）添加控制信息作為報(bào)文頭部第九頁，共42頁。14.1.2MAC幀的格式數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（包括2個(gè)子層）邏輯鏈路控制層(logicallinkcontrol,LLC)Recv，接收來自網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)。執(zhí)行流控制和差錯(cuò)控制。媒體接入控制層(mediumaccesscontrol,MAC)Send，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到物理層。發(fā)送時(shí)：打包數(shù)據(jù)幀，加入MAC地址和檢錯(cuò)碼。接收時(shí)：解析幀，識(shí)別MAC地址和檢錯(cuò)碼。第十頁，共42頁。14.1.2MAC幀的格式MAC幀格式（詳情參考IEEE802.11協(xié)議）控制域報(bào)文類型等，如：RTS：類型01子類型1011CTS：類型01子類型1100地址域目的節(jié)點(diǎn)MAC地址源節(jié)點(diǎn)MAC地址AP的MAC地址……控制域地址域第十一頁，共42頁。用wireshark捕獲802.11幀硬件：Atheros品牌網(wǎng)卡，Linux系統(tǒng)網(wǎng)卡平常是managed模式，改為monitor模式普通網(wǎng)卡只能捕獲802.3幀（被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換）第十二頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數(shù)據(jù)鏈路層14.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實(shí)驗(yàn)第十三頁，共42頁。14.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)站點(diǎn)——STA(Station)移動(dòng)設(shè)備，有無線網(wǎng)卡。接入點(diǎn)——AP(AccessPoint)路由器：同時(shí)有無線網(wǎng)卡和有線網(wǎng)卡(以太網(wǎng))?；痉?wù)單元——BSS(BasicServiceSet)AP+多個(gè)STA，AP的名字是BSSID

。BSSID第十四頁，共42頁。分布式系統(tǒng)DS(DistributionSystem)將各個(gè)AP連接起來的骨干網(wǎng)，如Internet網(wǎng)。擴(kuò)展服務(wù)集ESS(ExtendedServiceSet)網(wǎng)絡(luò)比較大，用一個(gè)AP/BSS不夠覆蓋。各BSS使用統(tǒng)一的ESSID標(biāo)識(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。DSESSBSSBSS第十五頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數(shù)據(jù)鏈路層14.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實(shí)驗(yàn)第十六頁，共42頁。14.3IEEE802.11媒體接入控制無線信道不可靠，噪聲干擾，大量的幀丟失前幾章學(xué)過的知識(shí)，如何解決差錯(cuò)？WiFiMAC層——CRC檢錯(cuò)碼：檢錯(cuò)，重傳延時(shí)較大。衛(wèi)星通訊——糾錯(cuò)碼：發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，開銷較大。TCP層——可靠性機(jī)制：以秒為單位，發(fā)現(xiàn)太慢。此外，無線局域網(wǎng)還有隱藏終端和暴露終端問題。第十七頁，共42頁。1，隱藏終端定義:在接收節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)范圍外的節(jié)點(diǎn)。如：A向B發(fā)送信息，C未偵測到，也向B發(fā)送，故A和C信號(hào)同時(shí)發(fā)送至B，在B處信號(hào)沖突，導(dǎo)致A和C發(fā)送至B的報(bào)文都丟失。接收發(fā)送隱藏終端第十八頁，共42頁。四幀交換：RTS-CTS-DATA-ACK源站點(diǎn)發(fā)送，請(qǐng)求發(fā)送RTS幀。目的站點(diǎn)響應(yīng)，清除發(fā)送CTS幀。源站點(diǎn)發(fā)送，數(shù)據(jù)DATA幀。目的站點(diǎn)響應(yīng)，確認(rèn)ACK幀。四幀交換的功能RTS功能：告知所有位于源站點(diǎn)接收范圍內(nèi)的站點(diǎn)，一次傳輸正在進(jìn)行。CTS功能：告知所有位于目的站點(diǎn)接收范圍內(nèi)的站點(diǎn)，一次傳輸正在進(jìn)行。避免沖突：RTS和CTS幀中，都包含交換的時(shí)長，其他節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)，不會(huì)發(fā)送。源站點(diǎn)目的站點(diǎn)第十九頁，共42頁。四幀交換是否解決隱藏發(fā)送終端？當(dāng)A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送RTS，B收到RTS后，回應(yīng)CTS；A收到CTS后，向B發(fā)送DATA，B回復(fù)ACK。隱藏發(fā)送終端C：聽到B發(fā)送的CTS，知道A要向B發(fā)送報(bào)文，C延遲發(fā)送，避免沖突，問題解決！RTSCTS隱藏發(fā)送終端CCTS第二十頁，共42頁。四幀交換是否解決隱藏接收終端？當(dāng)C聽到B發(fā)送的CTS報(bào)文，延遲發(fā)送；若D向C請(qǐng)求發(fā)送RTS，因C不能發(fā)送任何信息，所以D無法判斷C出現(xiàn)什么情況，C可能有幾種情況？1.RTS報(bào)文丟失；2.C關(guān)機(jī)；3.C是隱藏終端。D無法判斷具體情況，反復(fù)向C發(fā)送RTS，帶來浪費(fèi)。隱藏接收終端發(fā)送RTSCTS第二十一頁，共42頁。2，暴露終端定義：在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，而在接收節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。四幀交換是否解決？暴露發(fā)送終端，C被B的RTS通知不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，解決。暴露接收終端，D要向C發(fā)送數(shù)據(jù)，C不回應(yīng)D的RTS，D和C無法握手成功，帶來延時(shí)浪費(fèi)。發(fā)送接收暴露接收終端發(fā)送接收暴露發(fā)送終端第二十二頁，共42頁。發(fā)送DATA兩幀交換：DATA-ACK網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好時(shí)，可以不用RTS和CTS，減少延時(shí)。源站點(diǎn)發(fā)送DATA幀，目的節(jié)點(diǎn)返回ACK幀。如果源站點(diǎn)沒有收到ACK，重發(fā)DATA幀。初始空有DATA未發(fā)送DATA已發(fā)送DATA到達(dá)超時(shí)未收到ACK收到ACK發(fā)送節(jié)點(diǎn)的有限狀態(tài)機(jī)有限狀態(tài)機(jī)：表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)模型。在游戲、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、人機(jī)交互等編程中，經(jīng)常使用。第二十三頁，共42頁。路由器設(shè)置：2幀or4幀模式RTS閾值0值：始終4幀模式。2347值：始終2幀模式。其他值(如400)：如數(shù)據(jù)長度超過400則4幀模式。第二十四頁，共42頁。14.3.2接入控制隱藏終端和暴露終端解決了多個(gè)基本服務(wù)單元之間，節(jié)點(diǎn)互相沖突的問題在1個(gè)基本服務(wù)單元內(nèi)部多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享1個(gè)信道，如何決定發(fā)送優(yōu)先級(jí)別？兩種方案DCF：分布協(xié)調(diào)競爭，所有節(jié)點(diǎn)獨(dú)立，競爭決定發(fā)送次序。PCF：點(diǎn)協(xié)調(diào)（了解）無競爭，由AP集中決策，制定所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送規(guī)則。第二十五頁，共42頁。DCF分布協(xié)調(diào)DCF競爭機(jī)制，簡易步驟如果站點(diǎn)要發(fā)送MAC幀，先監(jiān)聽信道。如果信道空閑，站點(diǎn)可以發(fā)送。如果信道忙，二進(jìn)制指數(shù)退避，等到信道閑才發(fā)送。直至發(fā)送完成，中途不能停止。載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)區(qū)別于以太網(wǎng)的沖突檢測

(CSMA/CD)，站點(diǎn)發(fā)送時(shí)，如果有其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，該站點(diǎn)能夠檢測到?jīng)_突。無線信道，無法分辨出微弱的輸入信號(hào)和發(fā)送信號(hào)。第二十六頁，共42頁。DCF詳細(xì)步驟

(I)(2)(3)(4)(5)有限狀態(tài)機(jī)沖突第二十七頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數(shù)據(jù)鏈路層14.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實(shí)驗(yàn)第二十八頁，共42頁。14.4IEEE802.11的信道分配一般的路由器都選擇1，6，11信道(GHz)第二十九頁，共42頁。IEEE802.11幾種協(xié)議MAC層：基本不變。物理層：頻段、傳輸速度、調(diào)制方式不同。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間工作頻段標(biāo)準(zhǔn)速度理想速率覆蓋范圍802.11a19995.1-5.8GHz25Mbps54Mbps30米/45米802.11b19992.4-2.5GHz6.5Mbps11Mbps30米/100米802.11g20032.4-2.5GHz25Mbps54Mbps30米/100米802.11n20092.4或5GHz300Mbps600Mbps70米/250米802.11ac20115GHz433Mbps/

867Mbps867Mbps/

1.73Gbps/

3.47Gbps/

6.93Gbps-第三十頁，共42頁。目錄14.1IEEE802.11和Wi-Fi物理層數(shù)據(jù)鏈路層14.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)14.3隱藏終端和暴露終端14.4信道分配WiFi自選實(shí)驗(yàn)第三十一頁，共42頁。自選實(shí)驗(yàn)（不考）1、虛擬無線Wifi路由器Win7模擬”隨身wifi”類似”Wifi共享精靈”/zYyBrSq2、Ad-Hoc連接模式無線聯(lián)機(jī)，無需路由器/hBCVUc第三十二頁，共42頁。3、WDS功能(WirelessDistributionSystem)單臺(tái)路由器的覆蓋范圍有限，可以將多臺(tái)路由器通過無線方式連接，擴(kuò)展信號(hào)覆蓋范圍。802.11標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，非Wi-Fi聯(lián)盟的認(rèn)證項(xiàng)目星型拓?fù)洌憾嗯_(tái)無線路由器橋接到一臺(tái)主路由器，副路由器的數(shù)量取決于主路由器的無線帶機(jī)量。直線型拓?fù)洌?/p>

A橋接B、B橋接C…，長方形區(qū)域。用戶移動(dòng)無需切換路由器。http:///GT3T1/bUK5u第三十三頁，共42頁。破解Wifi密碼破解WEP加密——容易收集足夠數(shù)量(幾小時(shí))報(bào)文，可以算出密碼。破解WPA/WPA2加密——難有WPS功能，2-12個(gè)小時(shí)，必定可以算出密碼無WPS功能，等待用戶登錄，截獲1次握手報(bào)文。暴力破解，不一定能算出密碼/JSIyswps功能：路由器后面有個(gè)黑色按鈕，打開手機(jī)上wifi-wps，同時(shí)按下路由器wps按鈕，直接配對(duì)連接第三十四頁，共42頁。wep加密方式運(yùn)氣好10分鐘可以找到密碼破解WEP加密第三十五頁，共42頁。2-10個(gè)小時(shí)可以算出WPA破解WPA/WPA2加密帶wps功能第三十六頁，共42頁。破解WPA/WP