無線局域網(wǎng)概述

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////華中科技大學(xué)研究生課程考試答題本考生姓名吳佳考生學(xué)號系、年級計算機學(xué)院碩2006級類別碩士考試科目移動網(wǎng)絡(luò)與普適計算考試日期2007

評分題號得分題號得分總分:評卷人:注:1、無評卷人簽名試卷無效。2、必須用鋼筆或圓珠筆，使用紅色。用鉛筆閱卷無效。無線局域網(wǎng)概述外存儲國家專業(yè)實驗室，馮丹摘要:無線局域網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用射頻〔RF〕技術(shù)，取代舊式的雙絞銅線構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能，網(wǎng)絡(luò)所需的根底設(shè)施不需再埋在地下或隱藏在墻里，也能夠隨需移動或變化。使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡單的存取構(gòu)架讓用戶透過它，到達(dá)"信息隨身化、便利走天下"的理想境界。WLAN是20世紀(jì)90年代計算機與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使用無線信道來接入網(wǎng)絡(luò)，為通信的移動化，個人化和多媒體應(yīng)用提供了潛在的手段，并成為寬帶接入的有效手段之一。關(guān)鍵詞:無線局域網(wǎng)；WLAN；無線網(wǎng)絡(luò)介紹在研究基于無線傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)存儲之前，我們首先了解無線傳輸?shù)南嚓P(guān)概念、理論和當(dāng)前開展?fàn)顩r及趨勢，特別對802.11協(xié)議做了深入學(xué)習(xí)，希望得出無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別到底在哪里，有什么特性是真正制約無線傳輸應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)存儲的。1．無線網(wǎng)絡(luò)整個無線網(wǎng)絡(luò)我們可以劃分為如圖1所示的四個范疇：無線廣域網(wǎng)〔WWAN〕、無線城域網(wǎng)〔WMAN〕、無線局域網(wǎng)〔WLAN〕和無線個域網(wǎng)〔WPAN〕。圖1：無線網(wǎng)絡(luò)劃分在整個無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)開展中，IEEE的802.11工作組起了主導(dǎo)作用，他們推出的標(biāo)準(zhǔn)目前占領(lǐng)了主流市場，而類似Bluetooth和紅外等無線傳輸技術(shù)那么在一陣喧囂之后恢復(fù)了寂靜。從范疇上來看，無線網(wǎng)絡(luò)目前只是在WLAN領(lǐng)域開展比擬成熟；而WPAN由于傳輸帶寬較小應(yīng)用前景不大，開展緩慢；WMAN〔WiMAX〕提出不久，還有很多問題尚未解決。所以如果要把網(wǎng)絡(luò)存儲和無線相結(jié)合，比擬理想的結(jié)合點就是WLAN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議802.11〔Wi-Fi〕。目前無線傳輸技術(shù)開展脈絡(luò)日益清晰，應(yīng)該是研究網(wǎng)絡(luò)存儲可否應(yīng)用于其上的最正確時機。這里有必要提一下Wi-Fi，Wi-Fi是802.11b/g子集的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，802工作組只是負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)，具體什么設(shè)備滿足這個標(biāo)準(zhǔn)由Wi-Fi聯(lián)盟負(fù)責(zé)認(rèn)證。自Intel倡導(dǎo)Wi-Fi以來，現(xiàn)在已經(jīng)有很多廠商，包括索尼、諾基亞、思科、微軟、菲利普、摩托羅拉、惠普等大公司參加其中，Wi-Fi認(rèn)證的產(chǎn)品也已經(jīng)隨處可見。2．無線局域網(wǎng)〔1〕所謂無線局域網(wǎng)，是指以無線電波作為傳輸媒介來代替有線局域網(wǎng)中的局部或全部傳輸媒介而構(gòu)成的局域網(wǎng)?，F(xiàn)有的無線局域網(wǎng)中，大都采用擴展頻譜技術(shù)〔簡稱擴頻技術(shù)〕，來充分利用頻譜資源。〔2〕無線局域網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：一是可移動性，它提供了不受線纜限制的應(yīng)用，用戶可以隨時隨地上網(wǎng)；二是容易安裝、無須布線，大大節(jié)約了建網(wǎng)時間；三是組網(wǎng)靈活，可以迅速將其參加到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，并在某種環(huán)境下運行；四是本錢低，尤其是考慮到需要租用電信專線的高昂費用和煩瑣復(fù)雜的布線本錢。〔3〕從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來看，無線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示可以分為有固定根底設(shè)施的〔AP接入〕和無固定根底設(shè)施的〔Ad-hoc〕兩類：圖2：有固定根底設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在第一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中(見圖2)，無線網(wǎng)絡(luò)至少有一個和有線網(wǎng)絡(luò)連接的無線接入點，還包括一系列無線的終端站。這種配置成為一個BSS(BasicServiceSet根本效勞集合)。一個擴展效勞集合(ESSExtendedServiceSet)是由兩個或者多個BSS構(gòu)成的一個單一子網(wǎng)，分配系統(tǒng)DS的作用就是使擴展效勞集對上層透明，就像一個根本效勞集一樣。由于很多無線的使用者需要訪問有線網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備或效勞(文件效勞器、打印機、互聯(lián)網(wǎng)鏈接)，這種網(wǎng)絡(luò)模式得到了廣泛的應(yīng)用。圖3：無固定根底設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Adhoc是拉丁語，本來的意思是“僅此目的〔forthispurposeonly〕”，并且同時還有“臨時的”含義。譯成中文就是“特定的”，直譯adhocnetwork就是“特定網(wǎng)絡(luò)”。由于這種網(wǎng)絡(luò)不需要固定根底設(shè)施，因此可譯為“自組網(wǎng)絡(luò)”。需要指出的是:一是由于自組網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)設(shè)好的固定基站，因此它一般不和外界其他網(wǎng)絡(luò)相連接，效勞范圍通常受限制。二是由于由移動站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆锌赡茈S時間變化的很快，因此在固定網(wǎng)絡(luò)中行之有效的路由選擇協(xié)議對移動自組網(wǎng)已不適用，所以路由選擇協(xié)議在移動自組網(wǎng)中備受關(guān)注。三是相比AP網(wǎng)絡(luò)，移動自組網(wǎng)對多播〔信息向多個移動站傳送〕依賴更大，而且這種多播要復(fù)雜的多,時效性是一大問題。四是每個移動站都有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，雖然Ad-hoc生存性好，有特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，但是開銷也大，大數(shù)據(jù)量傳輸受限。五是單跳的限制。由于自組網(wǎng)設(shè)備始終工作在一個信道，而802.11又采用的是“沖撞防止”機制，造成“建立關(guān)聯(lián)”和“別離”次數(shù)增多。因此有如下結(jié)論：如果無線和存儲結(jié)合，AP組網(wǎng)方式更適合存儲特點。二、802.11協(xié)議及其與以太網(wǎng)的比擬1．802.11協(xié)議介紹作為全球公認(rèn)的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE802工作組建立的標(biāo)準(zhǔn)在過去二十年內(nèi)在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)獨領(lǐng)風(fēng)騷。這些協(xié)議包括了802.3Ethernet協(xié)議、802.5TokenRing協(xié)議、802.3z100BASE－T快速以太網(wǎng)協(xié)議。在1997年，經(jīng)過了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的第一個國際上被認(rèn)可的協(xié)議。802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，并在物理層上進(jìn)行了一些改動，參加了高速數(shù)字傳輸?shù)奶匦院瓦B接的穩(wěn)定性?！?〕802.11子集：●802.11，1997年，原始標(biāo)準(zhǔn)(2Mbit/s工作在2.4GHz)?！?02.11a，1999年，物理層補充(54Mbit/s工作在5GHz)?！?02.11b，1999年，物理層補充(11Mbit/s工作在2.4GHz)。●802.11c，符合802.1D的媒體接入控制層(MAC)橋接(MACLayerBridging)?！?02.11d，根據(jù)各國無線電規(guī)定做的調(diào)整?！?02.11e，對效勞等級(QualityofService,QS)的支持。●802.11f，基站的互連性(Interoperability)?！?02.11g，物理層補充(54Mbit/s工作在2.4GHz)?！?02.11h，無線覆蓋半徑的調(diào)整，室內(nèi)(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz頻段)?！?02.11i，平安和鑒權(quán)(Authentification)方面的補充?！?02.11n，導(dǎo)入多重輸入輸出(MIMO)技術(shù)，根本上是802.11a的延伸版。除了上面的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，另外有一個被稱為IEEE802.11b+的技術(shù)，通過PBCC技術(shù)(PacketBinaryConvolutionalCode)在IEEE802.11b(2.4GHz頻段)根底上提供22Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。也有一些被稱為802.11g+的技術(shù),在IEEE802.11g的根底上提供108Mbit/s的傳輸速率,跟802.11b+一樣,同樣是非標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

〔2〕802.11物理層1997年的802.11標(biāo)準(zhǔn)最初定義了三個物理層包括了兩個擴散頻譜技術(shù)和一個紅外傳播標(biāo)準(zhǔn)。三種物理層實現(xiàn)方法分別為：跳頻擴頻FHSS〔FrequencyHoppingSpreadSpectrum〕;直接序列擴頻DSSS〔DirectSequenceSpreadSpectrum〕;紅外線IR(InfraRed)?！?〕802.11數(shù)據(jù)鏈路層如圖4所示，802.11數(shù)據(jù)鏈路層可以通過PCF和DCF分別支持無爭用的效勞和爭用效勞，以提高對于時間敏感的業(yè)務(wù)效勞質(zhì)量。圖4：數(shù)據(jù)鏈路層的層次結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)鏈路層802.11有明顯區(qū)別于有線傳輸?shù)碾[蔽點和暴露點問題。在圖5的a中，當(dāng)站點B對A發(fā)送數(shù)據(jù)時，假設(shè)C站想和D站通信，但是C探測到B站的信號而認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不空閑，因此只有放棄連接到D站。而實際上，AB間和CD間的通信是互相不影響的，這就是所謂的“暴露點”問題。在圖5的b中，當(dāng)站點A向站點B發(fā)送數(shù)據(jù)時，站點C檢測不到AB間的信號，于是認(rèn)為B空閑，當(dāng)C也同時向B發(fā)送數(shù)據(jù)時就會產(chǎn)生碰撞，這就是所謂的“隱蔽點”問題。圖5：隱蔽點和暴露點問題在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層采用的是CSMA/CD〔碰撞檢測〕機制，而在802.11那么采用CSMA/CA(碰撞防止)機制，因為CD機制要求一個站點在發(fā)送數(shù)據(jù)同時必須不斷檢測信道忙閑，這對于WLAN來說，開銷太大；另外，由于“隱蔽站”和“暴露站”問題，使得即使發(fā)送端檢測到信道是空閑的，接收端仍然可能發(fā)生碰撞。所以，CD機制不適合WLAN。因此，802.11采用CSMA/CA機制。圖6：CSMA/CA工作原理如圖6，CSMA/CA協(xié)議的工作流程是：當(dāng)一個站點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，假設(shè)檢測到媒體空閑，它不是立即發(fā)送數(shù)據(jù)〔這是以太網(wǎng)CD機制的做法〕，而是等待一個時隙后再發(fā)送。時隙的大小依據(jù)所發(fā)送數(shù)據(jù)的性質(zhì)而定，而這段媒體空閑時間就是各站點的爭用期。然后如果媒體依然空閑那么將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接受端的工作站如果收到發(fā)送端送出的完整的數(shù)據(jù)那么回送一個ACK幀，只有當(dāng)這個ACK幀被發(fā)送端收到，發(fā)送過程才算完成，否那么發(fā)送端在等待一段時間后會重傳數(shù)據(jù)。2．802.11與以太網(wǎng)的比擬在物理層上:〔1〕802.11傳輸距離短，速率相對較低，傳播時延大，可靠性較低；〔2〕平安保密性相對較差，容易被監(jiān)聽和攻擊。在數(shù)據(jù)鏈路層上:〔1〕如前所述，以太網(wǎng)使用CSMA/CD機制，而802.11使用CSMA/CA機制?！?〕由于隱蔽點問題，相比以太網(wǎng)，802.11引入了預(yù)約機制〔RTS/CTS〕來改變以往以太網(wǎng)只是無連接的工作方式，而可選擇性的采用先建立連接的方式。〔3〕802.11MAC子層提供了包分片。包分片的功能允許大的數(shù)據(jù)報在傳送的時候被分成較小的局部分批傳送。這在網(wǎng)絡(luò)十分擁擠或者存在干擾的情況下(大數(shù)據(jù)報在這種環(huán)境下傳送非常容易遭到破壞)是一個非常有用的特性。這項技術(shù)大大減少了許多情況下數(shù)據(jù)報被重傳的概率，從而提高了無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。MAC子層負(fù)責(zé)將收到的被分片的大數(shù)據(jù)報進(jìn)行重新組裝，對于上層協(xié)議這個分片的過程是透明的。結(jié)論：雖然以太網(wǎng)和802.11在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上有些差異，但是兩種協(xié)議都力圖在各自的職責(zé)內(nèi)解決這些問題，只對上層提供透明的傳輸效勞，而上層感覺到的只是無線傳輸帶寬較窄和連接不穩(wěn)定。但并不是說基于無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)存儲就沒有可研究的價值。如果我們要針對無線網(wǎng)絡(luò)做工作，我目前想到至少有兩點是可做的：一是可以采用一些機制〔可以是具體算法等〕來改良現(xiàn)有的傳輸協(xié)議，克服帶寬和穩(wěn)定性的影響〔下面將要介紹的WATA就是關(guān)于這個方面〕；二是編寫一個協(xié)議直接在無線網(wǎng)絡(luò)上為SCSI數(shù)據(jù)傳輸提供傳輸控制等功能。參考文獻(xiàn)：1.WilsonYongHongWang,TowChongChong,“AnEthernetBasedDataStorageProtocolforHomeNetwork”,IEEETransactionsonConsumerElectronics,v50,n2,May,2004,p543-5512.PatrickB.,H.N.YEO,“Ethernet-basedNetworkStorage–RealityorPipeDream?”,Ne