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1、第3章 无线局域网,内容提要,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3.4 IEEE802.11物理层3.5 IEEE802.11媒体访问控制层3.6 其他IEEE802.11标准3.7 Wi-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,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)
2、，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)(2)灵活性(Flexibility)(3)可伸缩性(Scalability)(4)经济性(Saving),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
3、)(4)覆盖范围(5)干扰(6)安全性(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,无线局域网的发展经历了四代:(1)第一代无线局域网:1985年，FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路。(2)第二代无线局域网：基于IEEE 802.11标准的无线局域网(3)第三、四代无线局域网：符合IEEE 802.11b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IEEE 802.11a、HiperLAN2和IEEE 802.11g标准的产品称为第四代无线局域网产品。,IEEE802.11下的任务组,3.1.
4、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、不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的应用等进行分类。,无线局域网的分类方法1,无线局域网的分类方法2,3.2 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)，是无线局域网的最基本组成单元,包括以下几部分：(1)终端用户设备(2)无线网络接口(3)网络软件,无线局域网中移动站的分类,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
5、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的中心，固定不动。基本功能有：(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。,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
6、网相连,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WLAN,1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(Ad Hoc Network),2基础结构集中式拓扑,3ESS网络拓扑,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
7、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服务和分布式系统服务(DSS)，这两种服务均由MAC层使用。IEEE 802.11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：(1)认证(Authentication)(2)解除认证(Deauthentication)(3)保密(Privacy),2.分布式系统服务(DSS),由DS提供的服务被称为分布
8、式系统服务。在WLAN中，DSS通常由AP提供。包括：(1)联结(Association)(2)重新联结(Reassociation)(3)解除联结(Disassociation)(4)分布(Distribution)(5)集成(Integration),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,3.3 无线局域网的协议体系,1无线网络逻辑结构,2
9、.IEEE 802.11x无线局域网协议体系,IEEE 802.11x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。,HiperLAN2的协议体系,4Wi-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8
10、02.11gWi-Fi针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5,3.4 IEEE802.11物理层,3.4.1 初始的IEEE 802.11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850nrn950nm的红外波段上，其数据速率为1Mb/s和2Mb/s。,3.4.2 IEEE 802.11a,1.信道结构 IEEE 802.11a使用通用网络信息基础结构UNII的频带。UNII-1频段(5.155.25GHz)用于室内；
11、UNII-2频段(5.255.35GHz)用于室内或者室外；UNII-3频段(5.7255.825GHz)用于室外。,2编码和调制 IEEE 802.11a使用正交频分多路复用OFDM。OFDM也称为多载波调制，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.物理层的帧结构,3.4.3 IEEE 802.11b,IEEE 802.11b是IEEE 802.11 DSSS模式的一个扩充，提供了在ISM频段上5.5 Mb/s和11 Mb/s的数据速率。为在相同的分片速度、相同带宽下获得更高的数据速率，使用了一种名为补码
12、键控(complementary code keying，CCK)的调制模式。,IEEE 802.11b物理层协议数据单元,3.4.4 IEEE 802.11g,IEEE 802.11g将802.11b的数据率扩展到20Mb/s以上，达到54Mb/s。与802.11b相同，802.11g操作在2.4GHz范围内，因而二者是兼容的。该标准的设计使得802.11b的设备在连接到一个802.11g的AP上时仍能工作，802.11g的设备连接到一个802.11b的AP上时也仍能工作。这两种情况下都使用较低的802.11b的数据率。,IEEE802.11g的物理层选项,3.5 IEEE 802.11 媒
13、体访问控制层,三个功能：可靠的数据传送接入控制以及安全,3.5.1 可靠的数据传送,IEEE 802.11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子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。如果因为数据帧被损坏或因为返回的ACK被损坏，源站点在一个短的时间周期中没有收到ACK，它会重发该帧。为了更进一步地增强可量性，可以使用四帧交换。（RTS/CTS）,3.5.2 接入控制,分布接入协议集中接入协议,IEEE 802.11的协议体系结构,1.分布协调功能,DCF子层利用一个简单的载波监听多点接入CSMA算法：如果一个站点有
14、一个MAC帧要发送，它监听媒体。如果媒体空闲，站点可以发送，否则，该站点必须等到当前发送已完成才能发送。为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔IFS实现。,IEEE 802.11媒体接入的控制逻辑,三种IFS,(1)SIFS(short IFS，短IFS)：最短的IFS。被用于所有的立即响应动作中，这将在接下来的讨论中作解释。(2)PIFS(point coordination function IFS，点协调功能IFS)：一个中间长度的IFS。在发布轮询时，被中央控制器用于PCF模式。(3)DIFS(distributed coordination
15、 function IFS，分布协调功能IFS)：最长的IFS。作为一个最小的时延，用于非同步帧的接入竞争。,基本的接入方法,2.点协调功能,PCF是一个在DFC之上实现的替代接入方式。该操作由中央轮询主机(点协调者)的轮询组成。点协调者在发布轮询时使用PIFS。由于PIFS小于DIFS，点协调者能获得媒体，并在发布轮询及接收响应期间，锁住所有的非同步通信。,3.5.3 MAC帧,MAC帧,帧控制域,不同的MAC帧类型,1.控制帧：6种子类型2.数据帧：8种子类型3.管理帧：11种子类型,控制帧,数据帧,管理帧,3.6 其他IEEE802.11标准,IEEE 802.11c关注的是桥操作。IE
16、EE 802.11d是作为管理范畴(regulatory domain)更新被提及。IEEE 802.11e对MAC层作了一些修正以改进服务质量并解决了一些安全问题。IEEE 802.11f致力于解决在来自多个厂商的接入点(AP)之间的互操作能力问题。IEEE 802.11h处理频谱和功率管理问题。,其他IEEE802.11标准(续),IEEE 802.11i定义了MAC层的安全和认证机制。IEEE 802.11k定义了无线资源测量(Radio Resource Measurement)，增强了其功能，为较高层提供了无线和网络测量的机制。IEEE 802.11m是一个纠正标准中编辑的和技术问题的工作组正在进行着的活动。IEEE 802.11n正研究对物理层和MAC层的增强范围，以改进信息流通量。,3.7 Wi-Fi保护接入,IEEE 802.11i着重三个主要的安全性领域：认证、密钥管理和数据传递的保密性。802.11i要求使用认证服务器AS并定义了一个更为健壮的认证协议。,802.11i的各操作阶段,
