43局域网工作原理

4.7无线局域网工作原理无线局域网的分类红外局域网定向光束全方位漫反射扩频无线局域网跳频通信直接序列扩频窄带微波无线局域网无线局域网的典型结构有固定基础设施的无线局域网无固定基础设施的无线局域网无线个人区域网蓝牙系统高速WPAN低速WPAN无线局域网标准802.11基本结构模型802.11服务物理介质规范协议体系结构无线局域网特殊问题隐蔽站暴露站无线局域网介质访问控制无线局域网的应用4.7.1无线局域网的分类红外局域网扩频无线局域网窄带微波无线局域网无线局域网√1、红外无线局域网定向光束全方位漫射点对点基站漫反射区SRSRSR红外无线局域网的优点•比微波更安全•频谱宽，速率高•每个房间独立•简单、便宜（强度调制）•将信号扩展至更高的频率以预防拥塞和干扰跳频通信直接序列扩频2、扩频无线局域网Frequencyhoppingspreadspectrum,FHSS√f1f2f3f4f5f6f7f8频率时间T跳频通信FT频谱变化以固定间隔随机变化，从一个频谱跳到另一个频谱IEEE802.11跳频通信标准2.4GHz通用ISM频谱速率:1Mb/s或2Mb/s固定间隔:300ms伪随机码用于决定频率变化的顺序两个节点以同样的顺序（同步）发送或接收信号FSK或PSK(2P)ISM:工业,科学，医学伪随机码：结构可以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机序列随机特性的序列码X0=345Xn=(Xn-1*A+B)/C直接序列扩频Directsequencespreadspectrum,DSSS2.4GHz通用ISM频谱速率:1Mb/s或2Mb/s系统实际发送的信号d(t)是发送数据a(t)与伪随机码c(t)模二加的结果;a(t)c(t)d(t)1001101010011001010010011010原始数据原始数据编码后待发送数据PN码模二加去除PN码扩频解扩PSK速率增加，安全性增加SR3、窄带微波无线局域网窄带微波：使用微波无线电频带进行数据传输，其带宽刚好能够容纳信号需要执照(FCC:每个执照覆盖两个频率，28KM内5个执照)不需要执照(RadioLAN,1995,点对点网络)(FederalCommunicationsCommission)(美国联邦通信委员会(认证),FCC)4.7.2无线局域网的典型结构1、有固定基础设施的无线局域网AP1AP2预先建立起来，能够覆盖一定地理范围的一批固定基站一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时，都要通过本BSS的基站。AP1AP2基本服务集内的基站叫做接入点AP(AccessPoint)AP1AP2当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID和一个信道。AP1AP2一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个主干分配系统DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(ExtendedServiceSet)。AP1AP2ESS还可通过门户(portal)为无线用户提供到非802.11无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。AP1AP2移动站A从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（到A的位置），仍可保持与另一个移动站B进行通信。自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点2、无固定基础设施的WLAN或称特殊无线网络结构(adhoc)处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时性无线网络,没有中央服务器军事用途会议应急处置连接个人电子设备（无线个人区域网：WPAN）无线个人区域网WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)•在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点AP。•整个网络的范围大约在10m左右。•低功率、小范围（10M）、低速率和低价格的电缆替代技术。•WPAN都工作在2.4GHz的ISM频段。蓝牙系统(Bluetooth)•最早使用的WPAN，1994年爱立信公司•标准是IEEE802.15.1。•数据率为720kb/s，通信范围在10米左右。•使用TDM方式和扩频跳频FHSS技术组成不用基站的皮可网(piconet)。•直译：“微微网”。•每一个皮可网有一个主设备(Master)和最多7个工作的从设备(Slave)。•通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网(scatternet)。皮可网(piconet)MMSSPSSSSSP皮可网2扩散网皮可网1M——主设备S——从设备P——搁置的设备高速WPAN•便携式多媒体装置之间传送数据，支持11--55Mb/s的数据率，标准是802.15.3，。•IEEE802.15.3a工作组：更高数据率的物理层标准的超高速WPAN，使用超宽带UWB技术。•UWB技术工作在3.1--10.6GHz微波频段，有非常高的信道带宽。超宽带信号的绝对带宽超过500MHz。•超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持100--400Mb/s的数据率，可用于小范围内高速传送图像或DVD质量的多媒体视频文件。低速WPAN•主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是2--250kb/s。•标准是IEEE802.15.4，新修订的标准是IEEE802.15.4-2006。•低速WPAN中最重要的就是ZigBee。ZigBee的特点•IEEE802.15.4标准•主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信•特点：通信距离短（10--80m），传输数据速率低，功耗非常低，网络容量大，成本低廉。FFDFFDFFDFFDFFDRFD端设备路由器FFDFFD协调器一个ZigBee的网络最多包括有255个结点，其中一个是主设备，其余则是从设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过64000个结点。ZigBee的协议栈物理层MAC层网络层应用层IEEE802.15.4定义ZigBee联盟定义ZigBee协议栈1987IEEE802.4工作组:旨在开发无线令牌总线MAC协议1990IEEE802.11工作组:开发MAC子层协议和物理介质标准有固定基础设施的无线局域网标准凡使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi(Wireless,Fidelity,无线保真度)4.7.3无线局域网标准•另：Wi-Fi是非营利性国际组织Wi-Fi联盟（Wi-FiAlliance）的一个标志，对通过其互操作性测试的产品给予Wi-Fi认证的注册商标•Wi-Fi经常做为无线局域网的代称1.IEEE802.11基本结构模型MAC协议IEEE802.11无线LANBSS:•无线主机•基站当安装基站时，网络管理员需要为其分配服务集标识(≤32B)和一条信道扩展服务集由多个BSS组成，并使用门桥与主干局域网相联移动结点无跳变结点•固定或只在一个BSS的直接通信范围内移动BSS跳变•在同一扩展服务集的不同BSS中移动•结点间传输数据时，需要寻址来辨识结点ESS跳变•从一个ESS的某个BSS移动到另一个ESS的某个BSS2.IEEE802.11服务•联系:在结点和访问点间建立初始联系•重新联系:将已建立的结点从一个访问点转移到另一个访问点，从而使结点能够从一个BSS转移到另一个BSS•终止联系:结点离开一个ESS或关机以前，首先需要通知访问点终止联系•认证:用于在互相通信的结点之间建立彼此识别身份的标志•隐私权:加密选项用于防止信息被窃听，以保证隐私移动站与AP建立关联的方法•被动扫描，即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧。其中包含有若干系统参数（如服务集标识符SSID以及支持的速率等）。•主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧，然后等待从AP发回的探测响应帧。•热点：向公众提供有偿或无偿接入无线网的服务的地点•热区：由许多热点和AP连接起来的区域•无线因特网服务提供者：WirelessInternetServiceProvider，WISP这一名词。用户可以通过无线信道接入到WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。WISP互联网几种不同的接入固定接入•在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变移动接入•用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的便携接入•在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力游牧接入•用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站3.物理介质规范•数据传输率为1Mbps和2Mbps，波长在850nm和950nm之间的红外线•运行在2.4GHz的ISM频带上的直接序列扩展频谱，可使用7条信道，每条信道的数据传输率为1Mbps或2Mbps•运行在2.4GHz的ISM频带上的跳频通信，数据传输率为1Mbps或2Mbps逻辑链路控制分布式协调功能(DCF)点协调功能(PCF)2.4GHz直接序列扩频1Mbps2Mbps红外线1Mbps2Mbps……2.4GHz跳频通信1Mbps2Mbps无冲突服务有冲突服务MAC层CSMA轮询主4.IEEE802.11协议体系结构几种常用的802.11无线局域网标准频段数据速率优缺点802.11b2.4GHz最高为11Mb/s最高数据率较低，价格最低，信号传播距离最远，且不易受阻碍802.11a5GHz最高为54Mb/s最高数据率较高，支持更多用户同时上网，价格最高，信号传播距离较短，且易受阻碍802.11g2.4GHz最高为54Mb/s最高数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远，且不易受阻碍，价格比802.11b贵无线局域网中的隐蔽站问题隐蔽站:A站点和C站点不能互相听见–障碍物,信号衰减–在B站点发生冲突无线局域网的特殊问题B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据暴露站问题ADCB？B的作用范围C的作用范围有信号，可能冲突–CSMA–CSMA/CA:信道预留–访问点轮询802.11MAC设计目标：避免冲突802.11CSMA:发送方-监听介质,如果空闲时间达到最长帧间间隔（DIFS）,迅速传输数据帧，不做冲突检测如果介质忙，二进制避退接收方:接收成功，等待最小帧间间隔时间（SIFS）后返回确认帧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1次退避是在8个时隙中随机选择一个。•第2次退避是在16个时隙中随机选择一个。•第3次退避是在32个时隙中随机选择一个。•…退避计时器•站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。–若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。–若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。计时器：8计时器：8计时器：7计时器：6计时器：0发送数据计时器：7闲闲闲闲忙闲忙退避算法的使用情况•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，不使用退避算法。•除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：–在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。–在每一次的重传后。–在每一次的成功发送后。免冲突:RTS-CTS交换CSMA/CA:–发送方:发送短的RTS:requesttosend–接收方:发送短的CTS:cleartosend,为发送方预留信道,并通知其它站点（可能是隐蔽站点）避免隐蔽站点的冲突虚拟载波监听无线城域网WMAN(WirelessMetropolitanAreaNetwork)•2002年4月，802.16无线城域网标准•欧洲:ETSI也制订类似的无线城域网标准HiperMAN。•ETSI：EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute•常用来表示无线城域网WMAN•两个正式标准–