第5章：無線局域網(wǎng)技術(shù)教材

第5章、無線局域網(wǎng)WLAN5.2802.11標(biāo)準(zhǔn)和體系結(jié)構(gòu)

5.3WLAN幾種標(biāo)準(zhǔn)比較

5.1WLAN概述

5.4WLAN組網(wǎng)及應(yīng)用5.5無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展第5章：重點與難點重點理解和掌握：1、802.11標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

2、CSMA/CA和退避算法3、無線局域網(wǎng)主要功能和性能

4、無線局域網(wǎng)典型應(yīng)用

主要了解：1、WLAN發(fā)展背景和目前標(biāo)準(zhǔn)2、802.11標(biāo)準(zhǔn)三種物理層規(guī)范5.1無線網(wǎng)絡(luò)和WLAN概述

人是動物！移動、輕便、靈活和可靠的通信和計算環(huán)境是人類網(wǎng)絡(luò)追求高境界！無線和移動性網(wǎng)絡(luò)。概念：無線鏈路、無線設(shè)備、基站、覆蓋范圍、移動網(wǎng)絡(luò)、移動性BD基站/AP無線鏈路有限移動性移動性覆蓋區(qū)移動網(wǎng)絡(luò)通常大量無線基站（或AP，通常固定的）進行的無線覆蓋，移動用戶在覆蓋區(qū)通過無線方式接入網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)邊緣、接入網(wǎng)，非核心網(wǎng)）。無線通信技術(shù)經(jīng)歷：無線電報、點對點對講、衛(wèi)星通信、GSM\2G、藍牙、WLAN、3G/4G……WIFI(WirelessFidelity)隨處看見.WLAN以及其它無線接入方式和有線LAN（光纖LAN、雙絞線LAN），共同組成以太網(wǎng)互補覆蓋網(wǎng)絡(luò)新形式。WLAN、3G、4G移動通信網(wǎng)，構(gòu)成快速發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。WIFI和WLAN差別？無基站無線網(wǎng)絡(luò)：自組織網(wǎng)絡(luò)adhocnetwork。200Mbps54Mbps5-11Mbps4Mbps384kbps56kbps801.11n801.11ag801.11bUMTS/WCDMA-HSDPA,CDMA2000-1xEVDO1Mbps801.15.1增強3GUMTS/WCDMA,CDMA20003GIS-95WCDMA,GSM2G速率傳輸距離室外0.2-4km801.11a、g點對點WiFiWIMAX藍牙室內(nèi)10-30m室外50-200m支持移動中通信1990年（早期無線LAN），900M頻點，1-2M帶寬。WLAN主流廠商組成無線以太網(wǎng)兼容聯(lián)盟（WECA）推動802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的兼容和互操作性（WIFI商標(biāo)）。目前11M（802.11b)、54M（802.11a,802.11g)速率產(chǎn)品WLAN已成為成熟產(chǎn)品，，108M(5-UP標(biāo)準(zhǔn))等更高速率的產(chǎn)品進入實驗。1997年IEEE開始制訂802.11標(biāo)準(zhǔn)，1999產(chǎn)品面世。1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司推出藍牙技術(shù)，IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)。2、實現(xiàn)移動、流動場合的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境。1、實現(xiàn)無處不在的網(wǎng)絡(luò)（LAN）接入服務(wù)3、實現(xiàn)布線困難、高成本、臨時需要的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境4、簡化安裝和配置問題，成本較低5、WLAN是快速發(fā)展的LAN重要技術(shù)，2000年以后得到快速發(fā)展，目前（迅弛）WLAN的接入成為筆記本電腦標(biāo)準(zhǔn)配置。WLAN發(fā)展的優(yōu)勢和目前問題：6、WLAN主要問題：帶寬（傳輸速率）無法和光纖環(huán)境相比，存在安全性問題，傳輸覆蓋范圍也較為有限。WLAN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：1、美國IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)序列（1997開始制定WLAN系列標(biāo)準(zhǔn)2、歐洲ETSIBRNA的HiperLAN標(biāo)準(zhǔn)序列（歐洲市場）3、日本ARIB的多媒體移動接入通信MMAC標(biāo)準(zhǔn)序列4、美國HomeRF組織的共享無線接入?yún)f(xié)議SWAP標(biāo)準(zhǔn)序列5、中國2003制定WLAN國家標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11為基礎(chǔ)，考慮自身安全和工作頻率。2004.6起執(zhí)行目前IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)序列的WLAN產(chǎn)品，由于和以太網(wǎng)的技術(shù)繼承性，成為無線以太網(wǎng)的廠商和市場認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)。但安全性/敏感問題許多國家推出補充的國家安全標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。無線局域網(wǎng)包括：無線以太網(wǎng)、藍牙、HomeRF,但標(biāo)準(zhǔn)不同。5.2802.11標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

目前WLAN的802.11標(biāo)準(zhǔn)包括：802.11,802.11b,802.11a,802.11g等802.11標(biāo)準(zhǔn)層次結(jié)構(gòu)：5.2.1802.11標(biāo)準(zhǔn)層次結(jié)構(gòu)：物理層物理層媒體訪問控制子層（MAC）媒體訪問控制子層（MAC）邏輯鏈路控制子層（LLC）其它高層邏輯鏈路控制子層（LLC）其它高層WLAN802.11標(biāo)準(zhǔn)三種物理規(guī)范：紅外線（IR，Infared）擴頻（SS,SpreadSpectrum）包括直接序列擴頻DSSS和跳頻擴頻FHSS，窄帶（NB,NarrowBand）直接射頻調(diào)制RF.1、物理層規(guī)范紅外線LAN，基本傳輸速率1M，包括散射和直射，較少用。直接序列擴頻DSSS局域網(wǎng)，速率2-20M，范圍30-250M，HR（高速率）-DSSS是目前IEEE802.11b采用技術(shù)。跳頻擴頻FHSS局域網(wǎng)，速率1-3M，范圍30-250M，

HomeRF產(chǎn)品采用技術(shù)。（快速跳頻技術(shù)，藍牙）使用頻段：建議自由頻段ISM，900M，2.4G,5.7G,我國也在開放自由頻段2.4G~2.4835G使用。窄帶RF局域網(wǎng)，直接射頻調(diào)制技術(shù)，速率/范圍取決調(diào)制方式，如OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)），速率達到54M。OFDM可工作在18~19G頻段上。2、MAC層規(guī)范支持兩種媒體訪問控制功能。MAC層媒體訪問控制功能分為兩個功能子層：分布協(xié)調(diào)功能（DCF）子層，點協(xié)調(diào)功能（PCF）子層。DCF適用平等和突發(fā)的WLAN，即支持CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/碰撞避免）無線媒體爭用，是目前一般使用的方式。PCF支持無競爭業(yè)務(wù)，是一種協(xié)調(diào)各站訪問的媒體訪問機制。IRDCF（CSMA/CA）競爭業(yè)務(wù)SSRFPHYMACPCF無競爭業(yè)務(wù)OFDM802.11aOFDM802.11gFHSS802.11HR/DSSSM802.11bDSSSM802.11多路訪問機制和協(xié)議？5.2.2CSMA/CA和退避算法CSMA/CA和CSMA/CD差別，在空間中對碰撞檢測是困難的，采用幀間隔（IFS，InterframeSpace）延時算法進行避免碰撞。CSMA/CA基本工作原理：1、待發(fā)送站點監(jiān)測信道狀況，如監(jiān)測信道忙，繼續(xù)監(jiān)聽信道狀況，直至空閑；2、如空閑，繼續(xù)監(jiān)聽一個IFS，仍空閑進入待發(fā)送狀態(tài)；802.11規(guī)定，無線源站在發(fā)送完一幀以后，要停頓一個IFS，才能再發(fā)送。停頓IFS間隔取決于不同類型（高優(yōu)先的短，低優(yōu)先長）3、一旦檢測信道空閑，繼續(xù)檢測一個IFS時間，如仍空閑，站點按照二進制指數(shù)退避算法計算并延時（IFS整數(shù)倍），繼續(xù)監(jiān)測還是空，可發(fā)送幀。退避算法是避免幾個站點同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞。但數(shù)據(jù)發(fā)送前，先發(fā)請求RTS和得到確認(rèn)CTS。發(fā)第1幀源站A目的站B其他站C信道空閑IFSACKIFSIFS幀待發(fā)遇媒體忙（推遲）爭用窗口N*IFS等待發(fā)送發(fā)1幀4、為了驗證發(fā)送是否正確接收，在正確接收到發(fā)送幀后，接收站必須回復(fù)一個專門的應(yīng)答幀ACK，以確認(rèn)。檢測檢測幀待發(fā)檢測

CSMA/CA是同區(qū)域多站點競爭發(fā)送機制，雖然退避算法大大減少碰撞概率，但還是可能存在同時發(fā)送，出現(xiàn)碰撞的可能，即碰撞仍不可避免。在WLAN空間媒體環(huán)境中如一邊在發(fā)射信號，一邊不間斷檢測有否有其它信號（碰撞）發(fā)生，實現(xiàn)的代價高而不現(xiàn)實；即出現(xiàn)碰撞后，由于無線域的碰撞形式遠(yuǎn)比有線復(fù)雜，所以WLAN不采用CD方法。WLAN同區(qū)域中，允許在不碰撞（不干擾）情況下，多站同時工作（不同總線網(wǎng)）。幀控制持續(xù)期地址1地址2地址3序號控制地址4有效載荷CRC2B2B6B6B6B2B6B0-2312B4B協(xié)議版本類型子類到AP從AP重試功率管理Rsvd2b2b4b1b1b1b1b1b1b1b更多標(biāo)識更多數(shù)據(jù)WEP1b5.2.3802.11幀結(jié)構(gòu)和特點最大特點4個地址，除了地址1-2是傳統(tǒng)源/目的地址（但和AP有關(guān)），地址3是AP接入路由器的MAC地址，完成BSS有線/無線轉(zhuǎn)換；地址4是AP自組織模式中相互轉(zhuǎn)發(fā)時使用（一般不常用）。序號控制：類似TCP序號，丟失重傳時辨認(rèn)。持續(xù)期：持續(xù)時間長度（包括：數(shù)據(jù)、請求RTS、確認(rèn)CTS幀）。類型\子類：區(qū)分關(guān)聯(lián)、RTS、CTS、ACK和數(shù)據(jù)幀；WEP：是否加密；重試：是否重傳幀；漫游功能發(fā)送站進入多AP訪問接入點的覆蓋區(qū)域，發(fā)送站自動選擇信號條件最好的AP訪問接入點；并在移動中，脫離當(dāng)前訪問點，重新連接切換到其它訪問點。基本類同GSM的越區(qū)切換思想，但不能實現(xiàn)GSM大漫游功能2.信道和關(guān)聯(lián)服務(wù)標(biāo)識符SSID：區(qū)分各個不同AP，某區(qū)域AP覆蓋存在時，顯示和識別不同AP，并分配信道（共11個）。FBB:什么是訪問點？5.2.4802.11標(biāo)準(zhǔn)其他問題：關(guān)聯(lián)：無線站點在WiFi叢林中，確定加入那個AP。一般AP通過周期發(fā)送信標(biāo)幀（含SSID和MAC)，無線站點掃描后進行關(guān)聯(lián)創(chuàng)建（認(rèn)證接入方式）；也可以通過無線站點主動廣播發(fā)送請求幀完成。鏈路加密：連線等價保密WEP（WiredEquivalentPrivacy)，提供RC4對稱加密技術(shù)。IEEE802.11b采用40位長密鑰。訪問點接入認(rèn)證SSID：每個訪問點配置SSID，端站不知道SSID能否接入。也可采用IEEE802.1x接入認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。MAC地址過濾：訪問點保存合法用戶基于MAC地址訪問控制表。4.安全機制3.信息幀重整在干擾情況下，幀錯誤接收（無ACK）導(dǎo)致重發(fā)，為了提高發(fā)送可靠性，自適應(yīng)重發(fā)機制把不斷把長幀變成短幀發(fā)送，減少干擾概率。目前產(chǎn)品比較：802.11b是2000年產(chǎn)品,DSSS技術(shù)，簡單實用，目前最常用的技術(shù)；802.11a2002年推出,54M速率，但傳輸范圍小；802.11g2003年推出，主要改善802.11a問題。HiperLAN2采用802.11a同類技術(shù)，但性能更好，在歐洲更受推崇，在美國也有一定市場，并面向下一代移動通信寬帶互聯(lián)。5.3無線局域網(wǎng)的性能比較

802.11b802.11a802.11gHomeRFHiperLAN2傳輸速率

11Mbps54Mbps54Mbps10Mbps54Mbps傳輸距離Max100M80M150M50M80M應(yīng)用范圍

數(shù)據(jù)圖象數(shù)據(jù)圖象視頻數(shù)據(jù)圖象視頻

家庭辦公連網(wǎng)

LAN4G

實際傳輸速率：由于媒體訪問和物理層開銷，有效信息傳輸率只有40%，如考慮干擾重傳，實際效率更低；如802.11b實際有效信息傳輸率2M左右；802.11b有：1/2/5.5/11M4檔，根據(jù)條件自動降低速率；802.11a；6/9/12/18/24/36/48/54M8檔。實際傳輸距離和安全：

802.11a54Mbps實際只能在10M范圍內(nèi)；80M時，只有10Mbps。但802.11g相對較好。實際最大距離只是保持連接、和最小速率的范圍，而且受實際環(huán)境影響，有相當(dāng)大變化。傳輸距離實際和發(fā)射功率/安全性平衡（不大于100毫瓦，實際發(fā)射功率約60~70毫瓦）目前802.11標(biāo)準(zhǔn)使用2.4G/5G兩個頻段，2.4G干擾大，頻點少（3個頻道），但傳輸距離稍大；5G干擾小，頻點多（10多個頻道），傳輸距離略小。傳輸距離一般最大100M左右，除頻點外也取決調(diào)制方式，OFDM稍大（最大150M）。頻點和兼容性不同頻段、不同標(biāo)準(zhǔn)WLAN產(chǎn)品存在兼容性問題：如802.11b（2.4G)和802.11a(5G)不兼容，不同頻段，不同調(diào)制解調(diào)方式為克服兼容性/距離問題推出的：802.11g（OFDM/DSSS2.4G)和802.11b（2.4G)有較好兼容性。5.4無線局域網(wǎng)組網(wǎng)和應(yīng)用對等方式：具有無線網(wǎng)卡的筆跡本或臺式機所構(gòu)成主機對等的局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)不設(shè)置訪問點，但可以相互定位并承諾是網(wǎng)絡(luò)一部分。適用臨時小范圍、幾臺機組網(wǎng)。5.4.1室內(nèi)WLAN組網(wǎng)結(jié)構(gòu)BACDBSS覆蓋范圍訪問方式：基于局域網(wǎng)和設(shè)置AP（AccessPoint訪問接入點）的無線局域網(wǎng)環(huán)境，AP是無線中央基站。此時范圍內(nèi)站點間連接可以直連（不通過AP），但非范圍內(nèi)站點通過AP連接。通常AP與有線局域網(wǎng)連接，是LAN接入延伸，是目前室內(nèi)WLAN最常用的基本模式。BACDAP覆蓋范圍基本服務(wù)集BSS（BasicServiceSet)：802.11定義對一個對等網(wǎng)絡(luò)或設(shè)置一個AP的無線局域網(wǎng)為BSS，BSS是WLAN的基本積木塊。BSS覆蓋的地理區(qū)域為基本服務(wù)區(qū)BSA（BasicServiceArea)BSS直接連接擴展服務(wù)集ESS（ExtendedServiceSet)：802.11定義由2或多個AP的BSS構(gòu)成的WLAN系統(tǒng)。WLAN中的站點可以是移動的，在一個ESS中移動站點可以從一個BSS漫游到另一BSS；一個ESS的移動站點可以漫游到另一ESS。當(dāng)一個BSS中固定站點和另一個BSS的站點通信時通過AP，就是ESS系統(tǒng)。點對點方式：早期局域網(wǎng)的連接，選用DSSS直擴產(chǎn)品，11M帶寬。解決受地理原理無法連接骨干或LAN。圓區(qū)網(wǎng)方式：主干以太網(wǎng)和室外多個AP（500M、1000M）組網(wǎng)，覆蓋圓區(qū)方式，此時BSS通常連接到有線LAN上。5.4.2室外WLAN組網(wǎng)APAPAP分布式WLANAPAP點對多點區(qū)域覆蓋方式：較大型區(qū)域多個站點與中心站點的連接方式，中心站需要多路復(fù)用的無線鏈路設(shè)備，形成覆蓋較大區(qū)域的小型無線接入網(wǎng)（如無線城市某區(qū)域、鄉(xiāng)村）。APAP光纖主干網(wǎng)5.4.3WLAN產(chǎn)品選用無線網(wǎng)卡，無線網(wǎng)橋，無線路由器產(chǎn)品的兼容型Wi-Fi（WECA）認(rèn)證產(chǎn)品傳輸速率，指標(biāo)規(guī)范802.11b、802.11g覆蓋距離和范圍（實際空間大?。a(chǎn)品最大距離各有不同AP支持的最大用戶數(shù)有線網(wǎng)絡(luò)的接口產(chǎn)品升級和管理安全性（加密標(biāo)準(zhǔn)、接入認(rèn)證、VPN、Firewall）5.5無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展關(guān)注的問題1、更高速、更遠(yuǎn)距離WLANIEEE802.11n、802.15、802.16和802.20標(biāo)準(zhǔn)。2、無線城市WIMAX技術(shù)WiMAX是WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess（全球微波接入互操作性）的簡稱，它基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，其初衷是提供在城域網(wǎng)多廠商環(huán)境下，點對多點的寬帶無線接入，到目前為止，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)系列包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f、802.16g、802.16h、802.16i、802.16k十個標(biāo)準(zhǔn)。因此WiMAX亦常被稱為IEEEWirelessMAN（MetropolitanAreaNetwork）。WiMAX涉及IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會802.16工作組和WiMAX論壇。WIMAX：固定WiMAX(802.16d)已經(jīng)可以使用3.5GHz進行無線城市建設(shè)，802.16e是802.16/802.16a的增補方案，它在2～6GHz的特許頻段內(nèi)支持低速的移動終端，填補了高速率的無線局域網(wǎng)和高移動性的蜂窩通信系統(tǒng)之間的空白，為企業(yè)和用戶提供了對固定和移動業(yè)務(wù)的雙重支持。IEEE802.20—MBWA（MobileBroadbandWirelessAccess）方案，為運動速度高達每小時250公里的移動用戶提供基于IP的高速、高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)工作組標(biāo)準(zhǔn)制定分為3個階段。階段1定義了游牧、便攜和簡單移動、全移動4種使用場景和演進，以及4個場景下系統(tǒng)功能和性能需求；階段2定義4種模式下參考模型和參考點、網(wǎng)絡(luò)功能，并選擇流程和協(xié)議；階段3制定詳細(xì)的流程圖、協(xié)議棧、消息定義以及互操作下的必選和可選要求。3、無線adhoc自組織網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)常指無線adhocnetwork，也稱多跳無線網(wǎng)（Multi-hopWirelessNetwork），它是由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成一個多跳的臨時性無中心網(wǎng)絡(luò)。幾個單獨節(jié)點可以在任何時刻、任何地點快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡(luò)