第6章WLAN技術(shù)

1、第第6章章WLAN技術(shù)技術(shù) 無線局域網(wǎng)（無線局域網(wǎng)（WLAN）是使用無線信道）是使用無線信道作為傳輸媒介的計算機(jī)局域網(wǎng)，是有線聯(lián)作為傳輸媒介的計算機(jī)局域網(wǎng)，是有線聯(lián)網(wǎng)方式的重要補充和延伸，并逐漸成為計網(wǎng)方式的重要補充和延伸，并逐漸成為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一個至關(guān)重要的組成部分。算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一個至關(guān)重要的組成部分。 它使用無線電波作為數(shù)據(jù)傳送的媒介，它使用無線電波作為數(shù)據(jù)傳送的媒介，傳送距離一般為幾十米，廣泛應(yīng)用于需要傳送距離一般為幾十米，廣泛應(yīng)用于需要移動數(shù)據(jù)處理或無法進(jìn)行物理傳輸介質(zhì)布移動數(shù)據(jù)處理或無法進(jìn)行物理傳輸介質(zhì)布線的領(lǐng)域。線的領(lǐng)域。 隨著隨著IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定與無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)

2、準(zhǔn)的制定與發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟與完善。發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟與完善。 廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，如金融證券、教廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，如金融證券、教育、大型企業(yè)、工礦港口、政府機(jī)關(guān)、酒育、大型企業(yè)、工礦港口、政府機(jī)關(guān)、酒店、機(jī)場等。店、機(jī)場等。 產(chǎn)品主要包括：無線接入點、無線網(wǎng)卡、產(chǎn)品主要包括：無線接入點、無線網(wǎng)卡、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)橋等。無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)橋等。 WLAN WLAN概述概述6.16.1IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC層層6.26.2IEEE 802.11IEEE 802.11的物理層的物理層6.36.3 WLAN WLAN技術(shù)發(fā)

3、展技術(shù)發(fā)展6.46.4本章小結(jié)本章小結(jié)6.56.5 無線局域網(wǎng)的主要應(yīng)用于以下場合。無線局域網(wǎng)的主要應(yīng)用于以下場合。 辦公樓和家庭住宅的無線接入點，提供辦公樓和家庭住宅的無線接入點，提供可移動的無線網(wǎng)絡(luò)接入。可移動的無線網(wǎng)絡(luò)接入。 “熱點熱點”服務(wù)，允許公眾接入服務(wù)，允許公眾接入Internet的的無線接入點。無線接入點。 無線局域網(wǎng)在物理層制定了眾多的傳輸無線局域網(wǎng)在物理層制定了眾多的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都共享相同的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都共享相同的MAC子層，子層，而而MAC子層也可以同時支持基于子層也可以同時支持基于AP和和Ad hoc方式的兩種無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。方式的兩種無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4、IEEE 802.11定義的定義的MAC子層主要包括接子層主要包括接入控制機(jī)制、入控制機(jī)制、MAC幀格式以及幀格式以及MAC管理管理子層功能。子層功能。 其中，接入控制機(jī)制包括基于競爭接入其中，接入控制機(jī)制包括基于競爭接入的具有沖突避免功能的載波偵聽多址接入的具有沖突避免功能的載波偵聽多址接入（CSMA/CA）協(xié)議、無競爭方式的請求）協(xié)議、無競爭方式的請求發(fā)送發(fā)送/清除發(fā)送（清除發(fā)送（RTS/CTS）機(jī)制和具有時）機(jī)制和具有時間限制管理功能的點協(xié)調(diào)功能（間限制管理功能的點協(xié)調(diào)功能（PCF）機(jī)）機(jī)制。制。 MAC幀格式定義了功能不同的多種類別幀格式定義了功能不同的多種類別幀，如數(shù)據(jù)幀、控制幀和管

5、理幀等；幀，如數(shù)據(jù)幀、控制幀和管理幀等；MAC管理子層的功能主要是定義擴(kuò)展業(yè)務(wù)集管理子層的功能主要是定義擴(kuò)展業(yè)務(wù)集（ESS）中實現(xiàn)漫游的支持方式、電源管）中實現(xiàn)漫游的支持方式、電源管理和安全等。理和安全等。圖圖6-1 幀間間隔（幀間間隔（IFS）示意圖）示意圖圖圖6-2 利用利用NAV進(jìn)行虛擬載波偵聽進(jìn)行虛擬載波偵聽圖圖6-3 CSMA/CA物理載波偵聽示意圖物理載波偵聽示意圖圖圖6-4 帶有確認(rèn)幀帶有確認(rèn)幀ACK的的CSMA/CA圖圖6-5 AP控制下控制下PCF機(jī)制的競爭和無競爭切換機(jī)制的競爭和無競爭切換1幀格式的一般形式幀格式的一般形式圖圖6-6 IEEE 802.11的的MAC幀的格式

6、幀的格式 幀控制字段（幀控制字段（Frame Control）：所有幀）：所有幀的開頭都是的開頭都是2字節(jié)長度的幀控制字段，該字字節(jié)長度的幀控制字段，該字段載有關(guān)于該幀特征的指令，能夠表征傳段載有關(guān)于該幀特征的指令，能夠表征傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是來自控制幀還是管理幀，并指輸?shù)臄?shù)據(jù)是來自控制幀還是管理幀，并指定該幀所要實施的控制和管理信令類別。定該幀所要實施的控制和管理信令類別。 持續(xù)時間持續(xù)時間/ID字段（字段（Duration/ID）：）：2字字節(jié)長度，用來標(biāo)識被分段后的分組要遵循節(jié)長度，用來標(biāo)識被分段后的分組要遵循的持續(xù)時間的長度；的持續(xù)時間的長度；地址字段（地址字段（Address）：）：IEEE

7、 802.11 MAC幀中有幀中有4個地址字段，這個地址字段，這4個地址字段分別個地址字段分別用來表示源地址、目的地地址和所連接的用來表示源地址、目的地地址和所連接的那些接入點，這些地址采用類似以太網(wǎng)地那些接入點，這些地址采用類似以太網(wǎng)地址的址的6個字節(jié)（個字節(jié)（48比特）長度方式來表示。比特）長度方式來表示。 序列控制（序列控制（Sequence Control）字段：）字段：2個字節(jié)長度，用于標(biāo)識幀片斷的序號以便個字節(jié)長度，用于標(biāo)識幀片斷的序號以便進(jìn)行重組。進(jìn)行重組。 序列控制字段和持續(xù)時間序列控制字段和持續(xù)時間/ID字段只在字段只在IEEE 802.11中中MAC協(xié)議支持拆分和重組協(xié)議支

8、持拆分和重組時才有用處。時才有用處。 幀體（幀體（Frame Body）字段：也稱數(shù)據(jù)字）字段：也稱數(shù)據(jù)字段，負(fù)責(zé)在終端間傳送承載的上層數(shù)據(jù)，段，負(fù)責(zé)在終端間傳送承載的上層數(shù)據(jù)，幀體可包含幀體可包含02312個字節(jié)；個字節(jié)； 幀校驗（幀校驗（FCS）字段：）字段：IEEE 802.11采用采用了了4個字節(jié)個字節(jié)CRC字段來保護(hù)字段來保護(hù)MAC層承載的層承載的上層數(shù)據(jù)。上層數(shù)據(jù)。 需要注意，在需要注意，在IEEE 802.11的的PLCP中還中還采用了更短的采用了更短的CRC碼來保護(hù)碼來保護(hù)PLCP幀頭。幀頭。圖圖6-7 幀控制字段格式幀控制字段格式協(xié)議版本（協(xié)議版本（Protocol）字段：表

9、示所使用）字段：表示所使用的的MAC版本，目前只有一個，用版本，目前只有一個，用“00”表表示。示。 如果將來定義了新版本，則會出現(xiàn)其他如果將來定義了新版本，則會出現(xiàn)其他編號。編號。 類型（類型（Type）和子類型（）和子類型（Subtype）字段：）字段：表示使用的幀類型，包括管理幀、控制幀表示使用的幀類型，包括管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀的具體類型。和數(shù)據(jù)幀的具體類型。 到到DS/來自來自DS（To DS/From DS）：指示）：指示幀的目的地是否為分布式系統(tǒng)（幀的目的地是否為分布式系統(tǒng)（DS）。）。 更多分段（更多分段（More Fragments）位：若上）位：若上層的封包經(jīng)過層的封包經(jīng)過

10、MAC分段處理，除了最后一分段處理，除了最后一個片段，其他片段均會將此位設(shè)定為個片段，其他片段均會將此位設(shè)定為“1”。 大型的數(shù)據(jù)幀以及某些管理幀可能需要大型的數(shù)據(jù)幀以及某些管理幀可能需要加以分段，除此之外的其他幀則會將此位加以分段，除此之外的其他幀則會將此位設(shè)定為設(shè)定為“0”。 重發(fā)（重發(fā)（Retry）位：重傳幀則該字段置）位：重傳幀則該字段置“1”，以協(xié)助接收端刪除重復(fù)的幀。，以協(xié)助接收端刪除重復(fù)的幀。 電源管理（電源管理（Power Management）位：指）位：指示發(fā)送端完成傳輸后是否進(jìn)行省電模式，示發(fā)送端完成傳輸后是否進(jìn)行省電模式，“1”表示進(jìn)行省電模式，表示進(jìn)行省電模式，“0”

11、表示不進(jìn)入表示不進(jìn)入省電模式。省電模式。 更多數(shù)據(jù)（更多數(shù)據(jù)（More Data）位：為了給處于）位：為了給處于省電模式的終端提供服務(wù)，接入點會緩存省電模式的終端提供服務(wù)，接入點會緩存接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，“1”表示至少有一個幀等待傳表示至少有一個幀等待傳送給休眠中的終端。送給休眠中的終端。 受保護(hù)幀（受保護(hù)幀（Protected Frame）位：）位：“1”表表示此幀受到鏈路層安全協(xié)議的保護(hù)，即加密。示此幀受到鏈路層安全協(xié)議的保護(hù)，即加密。 也被稱為也被稱為WEP位。位。 次序（次序（Order）位：）位：“1”表示數(shù)據(jù)分段必表示數(shù)據(jù)分段必須嚴(yán)格依次傳送。須嚴(yán)格依次傳送。圖圖6-8 IEEE

12、802.11中中RTS幀的詳細(xì)格式幀的詳細(xì)格式圖圖6-9 RTS幀中的持續(xù)時間字段幀中的持續(xù)時間字段圖圖6-10 MAC層、物理層協(xié)議數(shù)據(jù)關(guān)系層、物理層協(xié)議數(shù)據(jù)關(guān)系 上層送來的上層送來的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU），），又稱為物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（又稱為物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU），經(jīng)過），經(jīng)過白化（與偽隨機(jī)序列模白化（與偽隨機(jī)序列模2加），即成為加），即成為PLCP的的凈荷。凈荷。 圖圖6-11 IEEE 802.11中中FHSS方式的方式的PLCP成幀格式成幀格式 前導(dǎo)碼（前導(dǎo)碼（Preamble）：用來同步發(fā)射器）：用來同步發(fā)射器和接收器。和接收器。 由同步和起始幀定界符

13、兩個字段組成。由同步和起始幀定界符兩個字段組成。 同步（同步（Sync）：由一系列交替出現(xiàn)的）：由一系列交替出現(xiàn)的“0”和和“1”組成，共有組成，共有80比特。比特。 其主要作用是用于提取接收信號的載波其主要作用是用于提取接收信號的載波和時鐘頻率，進(jìn)行比特同步。和時鐘頻率，進(jìn)行比特同步。 起始幀定界符（起始幀定界符（SFD）：是一個特定模）：是一個特定模式的式的16比特碼字，用于指示前導(dǎo)碼的結(jié)束比特碼字，用于指示前導(dǎo)碼的結(jié)束以及幀的開始。以及幀的開始。 該碼字為：該碼字為：“0000110010111101”。 幀頭（幀頭（Header）：緊跟前導(dǎo)碼之后，包）：緊跟前導(dǎo)碼之后，包含含PLCP所

14、使用的物理層專屬參數(shù)，由幀所使用的物理層專屬參數(shù)，由幀長度字段、速度字段和幀校驗碼長度字段、速度字段和幀校驗碼3個字段組個字段組成。成。 幀長度字（幀長度字（PLW）：用來表示凈荷的長）：用來表示凈荷的長度字節(jié)數(shù)，字段有度字節(jié)數(shù)，字段有12比特，可表示的最大比特，可表示的最大長度為長度為4095字節(jié)。字節(jié)。 信號（信號（PSF）：速率字段，共）：速率字段，共4比特，其比特，其中第中第24比特用來標(biāo)識傳輸所使用的數(shù)據(jù)比特用來標(biāo)識傳輸所使用的數(shù)據(jù)速率，速率的表示方式從速率，速率的表示方式從1Mbit/s開始，逐開始，逐步提高，步長是步提高，步長是0.5Mbit/s，由于總共可表，由于總共可表示示8

15、個速率，所以表示的最大傳輸速率為個速率，所以表示的最大傳輸速率為4.5Mbit/s。 頭差錯校驗（頭差錯校驗（HEC）：用來保護(hù)）：用來保護(hù)PLCP幀幀頭，用長度為頭，用長度為16比特的比特的CRC來校驗整個幀來校驗整個幀頭的內(nèi)容并置于此字段。頭的內(nèi)容并置于此字段。 但并未防范幀的其他部分錯誤。但并未防范幀的其他部分錯誤。圖圖6-12 IEEE 802.11中用于中用于FHSS的的3個頻率組個頻率組圖圖6-13 IEEE 802.11中用于中用于DSSS的信道重疊的信道重疊圖圖6-14 IEEE 802.11中中DSSS方式的方式的PLCP成幀格式成幀格式 擴(kuò)散紅外（擴(kuò)散紅外（DFIR）的）的

16、PMD是基于是基于250ns寬度脈沖的脈位調(diào)制（寬度脈沖的脈位調(diào)制（PPM）實現(xiàn)的，脈）實現(xiàn)的，脈沖信號通過發(fā)射器上發(fā)光二極管的開關(guān)閉沖信號通過發(fā)射器上發(fā)光二極管的開關(guān)閉合而產(chǎn)生。合而產(chǎn)生。 圖圖6-15 IEEE 802.11中中DFIR方式采用方式采用250ns脈沖的脈沖的PPM調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)圖圖6-16 IEEE 802.11中中DFIR方式的方式的PLCP成幀格式成幀格式 在在IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)中定義了稱為高速率標(biāo)準(zhǔn)中定義了稱為高速率直接序列（直接序列（HR/DSSS）擴(kuò)頻物理層的擴(kuò)展）擴(kuò)頻物理層的擴(kuò)展規(guī)范，該物理層采用互補編碼鍵控（規(guī)范，該物理層采用互補編碼鍵控（CCK）

17、作為調(diào)制技術(shù)，使用與作為調(diào)制技術(shù)，使用與IEEE 802.11相同的相同的MAC層，但提供了更快的數(shù)據(jù)速率，可以層，但提供了更快的數(shù)據(jù)速率，可以支持支持5.5Mbit/s和和11Mbit/s兩種數(shù)據(jù)速率。兩種數(shù)據(jù)速率。圖圖6-17 802.11b中中CCK的調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制結(jié)構(gòu)圖圖6-18 IEEE 802.11b中中PLCP短幀格式短幀格式 IEEE 802.11a采用了更高速的物理層傳輸采用了更高速的物理層傳輸技術(shù)正交頻分復(fù)用（技術(shù)正交頻分復(fù)用（OFDM），可以支持），可以支持的最高速率達(dá)的最高速率達(dá)54Mbit/s。 圖圖6-19 IEEE 802.11a信道分配信道分配圖圖6-20 IE

18、EE 802.11a中中PLCP幀格式幀格式圖圖6-21 IEEE 802.11g中中PLCP幀格式幀格式 本本 章介紹了無線局域網(wǎng)（章介紹了無線局域網(wǎng)（WLAN）的基本）的基本概念、應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。概念、應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)主要對系列標(biāo)準(zhǔn)主要對MAC層和物層和物理層進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，理層進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，IEEE 802.11/b/a/g的不同物理層標(biāo)準(zhǔn)制定了眾多的傳輸方式，的不同物理層標(biāo)準(zhǔn)制定了眾多的傳輸方式，這些方式都基于共同的這些方式都基于共同的MAC層。層。 IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中采用了標(biāo)準(zhǔn)中采用了3種接入控制機(jī)種接入控制機(jī)制，分別是分布式協(xié)調(diào)功能（制，分別是分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）中的）中的CSMA/CA協(xié)議、協(xié)議、RTS/CTS機(jī)制和點協(xié)調(diào)機(jī)制和點協(xié)調(diào)功能（功能（PCF）機(jī)制，這）機(jī)制，這3種機(jī)制能夠同時支種機(jī)制能夠同時支持競爭和無競爭的信道接入。持競爭和無競爭的信道接入。 為了使這些不同的機(jī)制能夠相互配合，為了使這些不同的機(jī)制能夠相互配合，IEEE 802.11推薦了推薦了3種用來決定媒介訪問種用來決定媒介訪問的幀內(nèi)間隔（的幀內(nèi)間隔（IFS）。）。 為了判斷媒介是否處于可用狀態(tài)，為了判斷媒介是否處于可用狀態(tài)，IEEE 802.11定義了兩種載波偵聽方式：物理載定義了兩種載波偵聽方式：物理載波偵聽方式和虛擬載波偵聽方式。波偵聽方