第9章無線網(wǎng)絡(luò)

1、 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第6 6版）版）謝希仁 編著電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社主講主講 劉彥保劉彥保 教授教授 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院第第 9 9 章章 無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)主要內(nèi)容n無線局域網(wǎng) WLANn無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPANn無線城域網(wǎng) WMAN 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院9.1 9.1 無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)9.1.1 無線局域網(wǎng)的組成n無線網(wǎng)絡(luò)：n無線局域網(wǎng)：n無線局域網(wǎng)的分類：有基站模式（集中控制方式，有固定基礎(chǔ)設(shè)施的）無基站模式（分布對(duì)等式，無固定基礎(chǔ)設(shè)施的）n固定基礎(chǔ)設(shè)施：預(yù)先建立起來的、能覆蓋一定地理范圍的一批固定基站 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院AP1AP2nIEEE

2、802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)星形拓?fù)鋀I-FI 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n基本服務(wù)集 BSS： 包括一個(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)站。n通信：所有的站在本 BSS 以內(nèi)都可以直接通信；在與本 BSS 以外的站通信時(shí) ，都要通過本 BSS 的基站。 AP1AP2 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n接入點(diǎn) AP (Access Point)：基本服務(wù)集內(nèi)的基站nAP的作用：同網(wǎng)橋相似AP1AP2n服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 SSID：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員安裝 AP 時(shí)，必須為該 AP 分配一個(gè)不超過 32 字節(jié)的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 SSID 和一個(gè)信道 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院AP1AP2n分配系統(tǒng) DS (Distribution System)：一個(gè)基

3、本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點(diǎn) AP連接到一個(gè)主干分配系統(tǒng) DS (Distribution System)，然后再接入到另一個(gè)基本服務(wù)集n擴(kuò)展的服務(wù)集ESS (Extended Service Set)： 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院AP1AP2n門戶(portal) ：ESS 還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非 802.11 無線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)）的接入。n門戶的作用就相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)橋。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院AP1AP2n漫游：移動(dòng)站 A 從某一個(gè)基本服務(wù)集漫游到另一個(gè)基本服務(wù)集（到 A 的位置），仍可保持與另一個(gè)移動(dòng)站 B 進(jìn)行通信。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n移

4、動(dòng)站點(diǎn)加入基本服務(wù)集建立關(guān)聯(lián)(association)：一個(gè)移動(dòng)站若要加入到一個(gè)基本服務(wù)集 BSS，就必須先選擇一個(gè)接入點(diǎn) AP，并與此接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)。建立關(guān)聯(lián)：表示這個(gè)移動(dòng)站加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)，并和這個(gè) AP 之間創(chuàng)建了一個(gè)虛擬線路。只有關(guān)聯(lián)的 AP 才向這個(gè)移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個(gè)移動(dòng)站也只有通過關(guān)聯(lián)的 AP 才能向其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n移動(dòng)站與 AP 建立關(guān)聯(lián)的方法被動(dòng)掃描：即移動(dòng)站等待接收接入站周期性發(fā)出的信標(biāo)幀(beacon frame)；信標(biāo)幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 SSID 以及支持的速率等）。主動(dòng)掃描：即移動(dòng)站主動(dòng)發(fā)出探測(cè)請(qǐng)求幀(

5、probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測(cè)響應(yīng)幀(probe response frame)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n熱點(diǎn)(hot spot)：能夠向公眾提供有償或無償接入 Wi-Fi 的服務(wù)的地點(diǎn)（如辦公室、機(jī)場、快餐店、旅館、購物中心等），這樣的地點(diǎn)就叫做熱點(diǎn)。n熱區(qū)(hot zone)：由許多熱點(diǎn)和 AP 連接起來的區(qū)域n無線因特網(wǎng)服務(wù)提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)：用戶可以通過無線信道接入到 WISP，然后再經(jīng)過無線信道接入到因特網(wǎng)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院2. 2. 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)絡(luò)

6、AEDCBF源結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)n移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)（自組網(wǎng)絡(luò)，ad hoc network) n自組網(wǎng)絡(luò)：沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施（即沒有 AP）的無線局域網(wǎng)n這種網(wǎng)絡(luò)由一些處于平等狀態(tài)的移動(dòng)站之間相互通信組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。n通信： 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用：軍事領(lǐng)域、民用n無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN (Wireless Sensor Network)概念：大量傳感器結(jié)點(diǎn)；無線通信技術(shù)；自組網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用：進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸；低帶寬；大部分時(shí)間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。無線傳感結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量受限，對(duì)協(xié)議棧的大小有嚴(yán)格的限制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性、結(jié)點(diǎn)自動(dòng)

7、配置、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組等方面有一定的要求。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院傳感器結(jié)點(diǎn)的形狀傳感器結(jié)點(diǎn)的形狀(a)(a)和組成和組成(b) (b) 存儲(chǔ)器CPU傳感器硬件電池?zé)o線收發(fā)器(a)(b) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的應(yīng)用領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)（如洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)物棲息的監(jiān)控）；戰(zhàn)爭中對(duì)敵情的偵查和對(duì)兵力、裝備、物資等的監(jiān)控；醫(yī)療中對(duì)病房的監(jiān)測(cè)和對(duì)患者的護(hù)理；在危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測(cè)；城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng) IP 并不相同移動(dòng) IP 技術(shù)使漫游的主機(jī)可以用多種方式連接到因特網(wǎng)。移動(dòng) IP 的核心網(wǎng)絡(luò)功能仍然

8、是基于在固定互聯(lián)網(wǎng)中一直在使用的各種路由選擇協(xié)議。移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)是將移動(dòng)性擴(kuò)展到無線領(lǐng)域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和因特網(wǎng)相連。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n幾種不同的接入固定接入(fixed access)：在作為網(wǎng)絡(luò)用戶期間，用戶設(shè)置的地理位置保持不變。移動(dòng)接入(mobility access)：用戶設(shè)置能夠以車輛速度移動(dòng)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，通信仍然是連續(xù)的。便攜接入(portable access)：在受限的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積中，用戶設(shè)備能夠在以步行速度移動(dòng)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，提供有限的切換能力。游牧接入(nomadic access)：用戶設(shè)備的地理位置至少在進(jìn)行網(wǎng)

9、絡(luò)通信時(shí)保持不變。如用戶設(shè)備移動(dòng)了位置，則再次進(jìn)行通信時(shí)可能還要尋找最佳的基站 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院9.1.2 802.11 9.1.2 802.11 局域網(wǎng)的物理層局域網(wǎng)的物理層n802.11 無線局域網(wǎng)可再細(xì)分為不同的類型：n現(xiàn)在最流行的無線局域網(wǎng)是 802.11b、802.11a、802.11g n802.11 的物理層有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：直接序列擴(kuò)頻 DSSS正交頻分復(fù)用 OFDM 跳頻擴(kuò)頻 FHSS （已很少用）紅外線 IR （已很少用） 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n幾種常用的幾種常用的 802.11 802.11 無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)頻段頻段數(shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)速率物理層物理層優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)

10、缺點(diǎn)802.11b802.11b2.4 GHz2.4 GHz最高為最高為11 Mb/s11 Mb/sHR-DSSSHR-DSSS最高數(shù)據(jù)率較低，價(jià)格最低，信最高數(shù)據(jù)率較低，價(jià)格最低，信號(hào)傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙號(hào)傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙 802.11a802.11a5 GHz5 GHz最高為最高為54 Mb/s54 Mb/sOFDMOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時(shí)上網(wǎng)，價(jià)格最高，信號(hào)傳播同時(shí)上網(wǎng)，價(jià)格最高，信號(hào)傳播距離較短，且易受阻礙距離較短，且易受阻礙802.11g802.11g2.4 GHz2.4 GHz最高為最高為54 Mb/s54 Mb/sOFD

11、MOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時(shí)上網(wǎng)，信號(hào)傳播距離最遠(yuǎn)，同時(shí)上網(wǎng)，信號(hào)傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙，價(jià)格比且不易受阻礙，價(jià)格比 802.11b802.11b貴貴 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院9.1.3 802.11 9.1.3 802.11 局域網(wǎng)的局域網(wǎng)的 MAC MAC 層協(xié)議層協(xié)議1. CSMA/CA 協(xié)議 n無線局域網(wǎng)不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。這里主要有兩個(gè)原因。CSMA/CD 協(xié)議要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)，還必須不間斷地檢測(cè)信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能（信號(hào)很弱）就花費(fèi)過大。并非所有的站點(diǎn)都能聽見對(duì)方，即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞

12、檢測(cè)的功能，并且當(dāng)我們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院課件制作人：謝希仁無線局域網(wǎng)的特殊問題無線局域網(wǎng)的特殊問題 n當(dāng) A 和 C 檢測(cè)不到無線信號(hào)時(shí)，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。n隱蔽站問題(hidden station problem )：不能檢測(cè)出媒體上已存在的信號(hào)的問題A 的作用范圍C 的作用范圍ABCD 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院無線局域網(wǎng)的特殊問題無線局域網(wǎng)的特殊問題 nB 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，而 C 又想和 D 通信。C 檢測(cè)到媒體上有信號(hào)，于是就不敢向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。 n暴露站問題(exposed sta

13、tion problem)： B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響 C 向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院nCSMA/CA CSMA/CA 協(xié)議協(xié)議 兩個(gè)特點(diǎn)：增加一個(gè)碰撞避免(Collision Avoidance)功能增加使用停止等待協(xié)議。下面先介紹 802.11 的 MAC 層。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院802.11 802.11 的的 MAC MAC 層層 MAC 層無爭用服務(wù)（選用）爭用服務(wù)（必須實(shí)現(xiàn)）分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordin

14、ation Function)物理層nMAC 層：通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集 BSS 中的移動(dòng)站在什么時(shí)間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院MAC 層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層nDCF DCF 子層：在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用子層：在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用CSMACSMA機(jī)制的分布式接入算法，機(jī)制的分布式接入算法，讓各個(gè)站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此讓各個(gè)站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此 DCF DCF 向上提供爭向

15、上提供爭用服務(wù)。用服務(wù)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院MAC 層無爭用服務(wù)（選用）爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層nPCF PCF 子層：使用集中控制的接入算法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各子層：使用集中控制的接入算法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站從而避免了碰撞的產(chǎn)生（自組網(wǎng)絡(luò)沒有）個(gè)站從而避免了碰撞的產(chǎn)生（自組網(wǎng)絡(luò)沒有） 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n幀間間隔幀間間隔 IFS IFS 幀間間隔 IFS (InterFrame Space)：所有的站在完成發(fā)

16、送后，必須再等待一段很短的時(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀（避免碰撞），這段時(shí)間的通稱是幀間間隔 IFS。幀間間隔長度：取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。n高優(yōu)先級(jí)幀：需要等待的時(shí)間較短，優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)。n低優(yōu)先級(jí)幀：還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級(jí)幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)，低優(yōu)先級(jí)幀就只能再推遲發(fā)送三種幀間間隔 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院三種幀間間隔三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送SIFS：即短(Short)幀間間隔，是最短的幀

17、間間隔，用來分隔開屬于一次對(duì)話的各幀。一個(gè)站應(yīng)當(dāng)能夠在這段時(shí)間內(nèi)從發(fā)送方式切換到接收方式。使用 SIFS 的幀類型有：ACK 幀、CTS （允許發(fā)送）幀、過長的 MAC 幀分片后的數(shù)據(jù)幀、回答 AP 探詢的幀、 PCF（點(diǎn)協(xié)調(diào)功能） 方式中接入點(diǎn) AP 發(fā)送出的任何幀。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院三種幀間間隔三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送PIFS：即點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔，它比 SIFS 長，是為了在開始使用 PCF 方式時(shí)（在

18、PCF 方式下使用，沒有爭用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS 的長度是 SIFS 加一個(gè)時(shí)隙(slot)長度。 時(shí)隙的長度的確定：在一個(gè)基本服務(wù)集 BSS 內(nèi)，當(dāng)某個(gè)站在一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)接入到媒體時(shí)，在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，其他站就都能檢測(cè)出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院三種幀間間隔三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送DIFS：即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長的 IFS），在 DCF 方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS 的

19、長度比 PIFS 再增加一個(gè)時(shí)隙長度。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院nCSMA/CA CSMA/CA 協(xié)議的原理協(xié)議的原理 (1)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)檢測(cè)信道。若信道空閑，等待一段時(shí)間DIFS后，發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀。(2)否則（信道不空閑），站點(diǎn)執(zhí)行CSMA/CA的退避算法；凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器；等到信道空閑時(shí)，退避計(jì)時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。(3)當(dāng)退避計(jì)時(shí)器時(shí)間減少到零時(shí)（這時(shí)信道只可能是空閑的），站點(diǎn)發(fā)送整個(gè)幀，等待確認(rèn)。(4)發(fā)送站若收到確認(rèn)，就知道已發(fā)送的幀正確接收。這時(shí)如果要發(fā)送第二個(gè)幀，就從（2）開始。 若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)ACK，就必須重傳（再次使用CSMA/CA 爭用信道），直到收到正確確認(rèn)ACK

20、為止，或者經(jīng)過若干次重傳后放棄。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院說明：說明：n為什么信道空閑還要再等待？這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級(jí)的幀要發(fā)送。如有，就要讓高優(yōu)先級(jí)幀先發(fā)送。如沒有，源站發(fā)送自己的數(shù)據(jù)幀 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n爭用信道（信道忙）二進(jìn)制指數(shù)退避算法第 i 次退避就在 22 + i 個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)地選擇一個(gè)，即：第 i 次退避是在時(shí)隙 0, 1, , 22 + i 1 中隨機(jī)地選擇一個(gè)。第 1 次退避是在 8 個(gè)時(shí)隙（而不是 2 個(gè)，2 i ）中隨機(jī)選擇一個(gè)。第 2 次退避是在 16 個(gè)時(shí)隙（而不是 4 個(gè)，2 i ）中隨機(jī)選擇一個(gè)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院退避計(jì)時(shí)器退避計(jì)時(shí)器(backo

21、ff timer)(backoff timer)n站點(diǎn)每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間就檢測(cè)一次信道?？赡馨l(fā)生兩種情況：n若檢測(cè)到信道空閑，退避計(jì)時(shí)器就繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。n若檢測(cè)到信道忙，就凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器的剩余時(shí)間，重新等待信道變?yōu)榭臻e并再經(jīng)過時(shí)間DIFS 后，從剩余時(shí)間開始繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。如果退避計(jì)時(shí)器的時(shí)間減小到零時(shí)，就開始發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院退避算法的使用情況退避算法的使用情況 n不使用退避算法：檢測(cè)到信道是空閑的，并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是要發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀。n其他情況都必須使用退避算法：n在發(fā)送第一個(gè)幀之前檢測(cè)到信道處于忙態(tài)。n在每一次的重傳后。n在每一次的成功發(fā)送后。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n確

22、認(rèn)幀 ACK：目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時(shí)間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀 ACKn重傳與放棄：若源站在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀 ACK（由重傳計(jì)時(shí)器控制這段時(shí)間），就必須重傳此幀，直到收到確認(rèn)為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)機(jī)制：讓源站將它要占用信道的時(shí)間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需的時(shí)間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時(shí)間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。n這樣就大大減少了碰撞的機(jī)會(huì)。 n“虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)

23、院虛擬載波監(jiān)聽的效果虛擬載波監(jiān)聽的效果 n這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。n“源站的通知”：就是源站在其 MAC （網(wǎng)絡(luò)分配向量 ）幀首部中的第二個(gè)字段“持續(xù)時(shí)間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時(shí)間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認(rèn)幀所需的時(shí)間。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n網(wǎng)絡(luò)分配向量 NAV (Network Allocation Vector)：當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時(shí)間”字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。nNAV 指出了必須經(jīng)過多少時(shí)間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。

24、 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院n爭用窗口：信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時(shí)，任何一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，不僅都必須等待一個(gè) DIFS 的間隔，而且還要進(jìn)入爭用窗口，并計(jì)算隨機(jī)退避時(shí)間以便再次重新試圖接入到信道。n在信道從忙態(tài)轉(zhuǎn)為空閑時(shí)，各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院圖例 凍結(jié)剩余的退避時(shí)間幀幀幀幀幀DIFSDIFSDIFSDIFS爭用窗口爭用窗口爭用窗口爭用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)802.11 802.11 的退避機(jī)制的退避機(jī)制 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院A 的作用范圍B 的作用范圍2. 2. 對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 n802.11 允

25、許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。 ACBDERTSRTS源站 A 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個(gè)短的控制幀，叫做請(qǐng)求發(fā)送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應(yīng)的確認(rèn)幀）所需的持續(xù)時(shí)間。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院A 的作用范圍B 的作用范圍2. 2. 對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 n802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。 CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個(gè)響應(yīng)控制幀，叫做允許發(fā)送 CTS (Clear To Send)，它包括這次通信所需的持續(xù)時(shí)間（從 RTS 幀中將此持續(xù)時(shí)間復(fù)制到 CTS 幀中）。 A 收到 CTS

26、幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院RTS RTS 和和 CTS CTS 幀以及數(shù)據(jù)幀和幀以及數(shù)據(jù)幀和ACK ACK 幀的幀的傳輸時(shí)間關(guān)系傳輸時(shí)間關(guān)系 時(shí)間DIFSRTSSIFS時(shí)間NAV（RTS）DIFS爭用窗口推遲接入源站時(shí)間目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS數(shù)據(jù)NAV（CTS）NAV（數(shù)據(jù)） 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院9.1.4 802.11 9.1.4 802.11 局域網(wǎng)的局域網(wǎng)的 MAC MAC 幀幀n802.11 幀共有三種類型，即控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。n下面是數(shù)據(jù)幀的主要字段。 字節(jié) 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4幀控制持續(xù)期地址 1地址 2地址 3序

27、號(hào)控制地址 4幀主體FCS協(xié)議版本類型子類型到DS從DS更多分片重試功率管理更多數(shù)據(jù)WEP 順序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院802.11 802.11 數(shù)據(jù)幀的三大部分?jǐn)?shù)據(jù)幀的三大部分 nMAC 首部：共 30 字節(jié)。幀的復(fù)雜性都在幀的首部。n幀主體：幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312 字節(jié)。這個(gè)數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都是小于 1500 字節(jié)。n幀檢驗(yàn)序列 FCS ：尾部，共 4 字節(jié) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院1. 1. 關(guān)于關(guān)于 802.11 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址數(shù)據(jù)幀的地址n802.11 數(shù)據(jù)幀最特殊的

28、地方就是有四個(gè)地址字段。地址 4 用于自組網(wǎng)絡(luò)。我們?cè)谶@里只討論前三種地址。 到 DS從 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址11AP 地址源地址目的地址 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院2.2.序號(hào)控制字段、持續(xù)期字段和幀控制字段序號(hào)控制字段、持續(xù)期字段和幀控制字段 n序號(hào)控制字段占 16 位，其中序號(hào)子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。n持續(xù)期字段占 16 位。n幀控制字段共分為 11 個(gè)子字段。n協(xié)議版本字段現(xiàn)在是 0。n類型字段和子類型字段用來區(qū)分幀的功能。n更多分片字段置為 1 時(shí)表明這個(gè)幀屬于一個(gè)幀的多個(gè)分片之一。n有線等效保密字段 WE

29、P 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院分片的發(fā)送舉例分片的發(fā)送舉例 ttt源站目的站 其他站RTSCTS分片 1ACK分片 2ACK分片 3ACKSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)長的幀劃分為許多分片 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院9.2 9.2 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPANWPAN1、概念n無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPAN (Wireless Personal Area Network)n在個(gè)人工作地方把屬于個(gè)人使用的電子設(shè)備用無線技術(shù)連接起來自組網(wǎng)絡(luò)n不需要使用接入點(diǎn) AP。n整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍大約在 10 m 左右。n無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WP

30、AN 和個(gè)人區(qū)域網(wǎng) PAN (Personal Area Network)并不完全等同，因?yàn)?PAN 不一定都是使用無線連接的。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院nWPAN 是以個(gè)人為中心來使用的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，它實(shí)際上就是一個(gè)低功率、小范圍、低速率和低價(jià)格的電纜替代技術(shù)；WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 頻段。 nWLAN 卻是同時(shí)為許多用戶服務(wù)的無線局域網(wǎng)，它是一個(gè)大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。nIEEE 802.15 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院2. 2. 藍(lán)牙系統(tǒng)藍(lán)牙系統(tǒng)(Bluetooth)(Bluetooth)n最早使用的 WPAN 是 1994 年愛立信公司推出的藍(lán)牙系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)是

31、 IEEE 802.15.1 。n藍(lán)牙的數(shù)據(jù)率為 720 kb/s，通信范圍在 10 米左右。n藍(lán)牙使用 TDM 方式和擴(kuò)頻跳頻 FHSS 技術(shù)組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院皮可網(wǎng)皮可網(wǎng)(piconet)(piconet)nPiconet 直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積非常小。n每一個(gè)皮可網(wǎng)有一個(gè)主設(shè)備(Master)和最多7個(gè)工作的從設(shè)備(Slave)。n通過共享主設(shè)備或從設(shè)備，可以把多個(gè)皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個(gè)范圍更大的擴(kuò)散網(wǎng)(scatternet)。n這種主從工作方式的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)起來價(jià)格就會(huì)比較便宜。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院藍(lán)牙系統(tǒng)中的皮

32、可網(wǎng)和擴(kuò)散網(wǎng)藍(lán)牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴(kuò)散網(wǎng) MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng) 2擴(kuò)散網(wǎng)皮可網(wǎng) 1M 主設(shè)備S 從設(shè)備P 擱置的設(shè)備 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院3. 3. 低速低速 WPAN WPAN n低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動(dòng)化與控制等領(lǐng)域，其速率是 2 250 kb/s。n標(biāo)準(zhǔn)： IEEE 802.15.4，最近新修訂的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.4-2006。n低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。nZigBee 技術(shù)主要用于各種電子設(shè)備（固定的、便攜的或移動(dòng)的）之間的無線通信，其主要特點(diǎn)是通信距離短（10 80 m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)

33、院ZigBee ZigBee 的特點(diǎn)的特點(diǎn)n功耗非常低。在工作時(shí)，信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短；而在非工作時(shí)，ZigBee 結(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，非常省電。對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間之比小于 1% 的情況，電池的壽命甚至可以超過10 年。n網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè) ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255 個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主設(shè)備，其余則是從設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過 64000 個(gè)結(jié)點(diǎn)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院ZigBee ZigBee 的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)n在 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。n所有 ZigBee 產(chǎn)品也是 802.15.4 產(chǎn)品。nIEEE 802.15.4 只是定義

34、了 ZigBee 協(xié)議棧的最低的兩層（物理層和 MAC 層），而上面的兩層（網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）則是由 ZigBee 聯(lián)盟定義的。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院ZigBee ZigBee 的協(xié)議棧的協(xié)議棧 物理層MAC 層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層IEEE 802.15.4 定義ZigBee 聯(lián)盟定義ZigBee協(xié)議棧 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院ZigBee ZigBee 的組網(wǎng)方式可采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)?，的組網(wǎng)方式可采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)?，或兩者的組合或兩者的組合 FFDFFDFFDFFDFFDRFD端設(shè)備路由器FFDFFD協(xié)調(diào)器有一個(gè)全功能設(shè)備 FFD 充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的端設(shè)備是精簡功能設(shè)備 RFD 結(jié)點(diǎn)。 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院3. 3. 高速高速 WPANWPANn應(yīng)用：高速WPAN 用于在便攜式多媒體裝置之間無線數(shù)據(jù)傳送，如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼設(shè)備等n數(shù)據(jù)率：支持11 55 Mb/s的n標(biāo)準(zhǔn)： 802.15.3nIEEE 802