無線與移動網(wǎng)技術(shù)：四、無線局域網(wǎng)

第4部分無線局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)IEEE802.11協(xié)議簇IEEE802.11物理層IEEE802.11MAC層無線局域網(wǎng)組網(wǎng)無線局域網(wǎng)的規(guī)劃與部署

問題回顧1、無線網(wǎng)絡(luò)有哪兩種組網(wǎng)模式？2、CSMA的基本原理？3、IBSS?4.1

IEEE802.11WLAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4.1

IEEE802.11WLAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1、站點(Station，簡稱STA)站（點）也稱主機(Host)或終端(Terminal)，是無線局域網(wǎng)的最基本組成單元，包括以下幾部分：終端用戶設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)軟件2、無線接入點(AccessPoint，簡稱AP)AP的基本功能有：（1）作為接入點，完成與其關(guān)聯(lián)的STA對分布式系統(tǒng)的接入訪問和同一BSS中的不同站間的通信聯(lián)結(jié)。（2）作為無線網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的橋接點，完成無線局域網(wǎng)與分布式系統(tǒng)間的橋接功能。（3）作為BSS的控制中心完成對其他非AP的站的控制和管理。4.1

IEEE802.11WLAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3、基本服務(wù)集基本服務(wù)集（BasicServiceSet，簡稱BSS）用于描述在一個802.11WLAN中的一組相互通信的移動設(shè)備。一個BSS可以包含AP（接入點），也可以不包含AP基本服務(wù)集有兩種類型：一種是基礎(chǔ)設(shè)施模式的BSS，包含一個AP和若干個STAs，所有STAs關(guān)聯(lián)到該AP上另一種是獨立模式的BSS，簡稱IBSS，由若干個對等的STAs臺組成每個基本服務(wù)集都一個唯一的標(biāo)識，稱為BSSIDBSS的覆蓋范圍稱為基本服務(wù)區(qū)(BSA)4.1

IEEE802.11WLAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4、展服務(wù)集為了覆蓋更大的區(qū)域，把多個BSA通過分布式系統(tǒng)（DistributionSystem，簡稱DS）連接起來，形成一個擴展服務(wù)區(qū)(ESA)，通過DS互相連接起來的屬于同一個ESA的所有主機組成一個擴展服務(wù)集ESS4.2IEEE802.11協(xié)議簇1、IEEE802.11體系結(jié)構(gòu)4.2IEEE802.11協(xié)議簇2、IEEE802.11物理層4.2IEEE802.11協(xié)議簇2、IEEE802.11物理層4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)站點可通過兩種方式確定媒介是否被占用：物理載波監(jiān)聽與虛擬載波監(jiān)聽基于射頻的媒介中實現(xiàn)物理載波監(jiān)聽硬件非常昂貴并且由于隱藏節(jié)點隨處都是，物理載波監(jiān)聽無法提供所有必要信息4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)因此802.11主要采用虛擬載波監(jiān)聽，虛擬載波監(jiān)聽由網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)提供NAV是一個計時器，用來指定媒體還要被占用多少時間站點將NAV設(shè)為預(yù)計使用媒介的時間，其他工作站倒數(shù)NAV的值直到零，NAV不為零，代表媒介處于忙碌狀態(tài)可以被無線媒介上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀更新（802.11幀的Duration字段）4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-幀間間隔(IFS)與優(yōu)先級4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-幀間間隔(IFS)與優(yōu)先級4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-DCF的工作原理4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-DCF的隨機退避與競爭窗口不同的幀間間隔確定了幀的優(yōu)先級，而隨機退避時間則減少了同一時間點上的多個工作站之間的競爭碰撞概率各個無線工作站通過載波監(jiān)聽來確定媒介的忙閑狀態(tài)，在媒體空閑一段時間后(DIFS或EIFS)，各個工作站還要在發(fā)送幀前產(chǎn)生額外的隨機時延進(jìn)行退避，除非退避定時器已包含非0值（此時無需選取隨機數(shù)）4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-PCF點協(xié)調(diào)功能是一個在DFC之上實現(xiàn)的替代接入方式，由中央輪詢主機（點協(xié)調(diào)者）的輪詢組成。PCF通過集中式控制，由AP中的點協(xié)調(diào)器輪詢所有結(jié)點來決定應(yīng)當(dāng)哪一個站有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)提供了無競爭的幀傳輸方式點協(xié)調(diào)者在發(fā)布輪詢時使用PIFS。由于PIFS小于DIFS，所以點協(xié)調(diào)者能夠優(yōu)先獲得媒體訪問權(quán)IEEE802.11允許PCF和DCF機制共存而實現(xiàn)兩種協(xié)議共存的方法則是通過引入超幀(SuperFrame)的概念超幀是一個邏輯概念而非實際的幀。它代表一段時間內(nèi)媒體上的業(yè)務(wù)量4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-PCF超幀中包含兩部分：無競爭期（CFP)和競爭期（CP)CFP采用PCF機制控制BSS內(nèi)幀的傳輸CP使用DCF控制BSS內(nèi)幀的傳輸兩者交替控制媒體，從而達(dá)到DCF和PCF共存的目的4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-PCF超幀中的CFP是以信標(biāo)(Beacon)開始，信標(biāo)結(jié)束后為PCF機制開始。CFP的時間長度由PC決定。所有BSS中的主機（除PC外）在CFP的開始時刻設(shè)置NAV。在NAV期間（即CFP期間）阻止未被輪詢的主機占有媒質(zhì)，有效地防止碰撞。CFP開始時，PC檢測媒質(zhì)，若媒體空閑時間達(dá)到PIFS，則發(fā)送一個信標(biāo)幀，等待一個SIFS后，傳輸下列幀之一：DATA，CF-POLL，DATA+CF-POLL，CF-END幀。在CFP輕負(fù)載的情況下，PC可以縮短CFP，并通過CF-End或CF-End+Ack控制幀把剩余的帶寬提供給基于競爭的交通。CP-POLL用于輪詢；CP-END用于宣告CFP的結(jié)束4.2IEEE802.11協(xié)議簇3、IEEE802.11的MAC技術(shù)-PCF4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-數(shù)據(jù)幀F(xiàn)rameControl（幀控制）：指出幀的類型，并提供控制信息4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-數(shù)據(jù)幀4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-數(shù)據(jù)幀Duration/ID（持續(xù)時間／標(biāo)識）表示該幀和它的確認(rèn)幀將會占用信道多長時間。如果幀的控制子類型為“Powersave-Poll”，則用以表示站點(STA)的連接標(biāo)識，即AID（AssociationIdentification）4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-數(shù)據(jù)幀Address：地址字段。共有4個地址字段，分別為源地址、目標(biāo)地址、發(fā)送端地址和接收端地址。其中，源地址與目的地址必不可少，但傳輸工作站地址與接收工作站地址只在跨BSS的通信中有用。目的地址可以為單播、組播或廣播地址。4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-數(shù)據(jù)幀Address：4個Address的填法是不固定的，需要和FrameControl字段的ToDS、FromDS結(jié)合來確定。4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-數(shù)據(jù)幀SequenceControl：由分段號和序列號組成。用于表示同一幀中不同分段的順序，并用來過濾掉重復(fù)幀。Data：發(fā)送或接收的信息。FCS：幀校驗序列。采用32位的循環(huán)冗余校驗(CRC)4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-管理幀根據(jù)管理幀的功能，可以將其劃分為連接請求幀、連接響應(yīng)幀、再次連接請求幀、再次連接響應(yīng)幀、探測請求幀、探詢響應(yīng)幀、信標(biāo)幀、業(yè)務(wù)聲明指示信息幀、分離幀、認(rèn)證幀和解除認(rèn)證幀等子類型。4.2IEEE802.11協(xié)議簇4、IEEE802.11的MAC幀-控制幀控制幀的主要目的在于完成部分介質(zhì)訪問控制功能，具體包括有ACK、RTS/CTS、PS-Poll等。4.2IEEE802.11協(xié)議簇5、無線客戶端接入過程無線客戶端要接入到無線局域網(wǎng)，需要經(jīng)過掃描發(fā)現(xiàn)無線服務(wù)、認(rèn)證和關(guān)聯(lián)三個階段4.2IEEE802.11協(xié)議簇5、無線客戶端接入過程-掃描發(fā)現(xiàn)AP無線客戶端在連接到合適的AP或無線站點之前，首先會檢測周圍是否有AP或其他無線站點可供加入STA可以通過偵聽周邊區(qū)域內(nèi)的AP所定期發(fā)送的信標(biāo)幀獲取相關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)信息，無線客戶端的這種掃描方式即為被動掃描。在主動掃描中，STA主動的定期發(fā)送探測請求(proberequest)幀掃描無線網(wǎng)絡(luò)，并通過接收探查響應(yīng)(proberesponse)幀來獲取可接入的無線網(wǎng)絡(luò)信號。攜帶SSID未攜帶SSID4.2IEEE802.11協(xié)議簇5、無線客戶端接入過程-認(rèn)證IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)提供兩種認(rèn)證服務(wù)開放系統(tǒng)認(rèn)證(Open-systemAuthentication)服務(wù)，也是默認(rèn)的認(rèn)證服務(wù)相當(dāng)于不需要進(jìn)行認(rèn)證沒有任何安全防護(hù)能力第二種為共享密鑰認(rèn)證4.2IEEE802.11協(xié)議簇5、無線客戶端接入過程-關(guān)聯(lián)無線客戶端在經(jīng)過認(rèn)證后，需要通過關(guān)聯(lián)過程和AP建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。只有當(dāng)無線客戶端和AP建立了關(guān)聯(lián)后，才可以和建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的AP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。當(dāng)無線客戶端從一個AP移動到另一個AP時，需要通過重新關(guān)聯(lián)(Reassociation)過程和新的AP建立關(guān)聯(lián)在重新關(guān)聯(lián)前與新AP之間必須經(jīng)歷重新認(rèn)證的過程。4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)1、無線局域網(wǎng)設(shè)備-無線網(wǎng)卡無線網(wǎng)卡是無線網(wǎng)絡(luò)客戶端的主要連接設(shè)備，它在無線局域網(wǎng)中的作用相當(dāng)于有線網(wǎng)卡在有線局域網(wǎng)中的作用。從無線網(wǎng)卡的外觀來看，其硬件主要有三個部分：天線。天線可以是內(nèi)置或外置的無線網(wǎng)卡的總線接口，如PCI接口、PCMCIA、USB接口狀態(tài)指示燈4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)1、無線局域網(wǎng)設(shè)備-無線接入點根據(jù)是否承載了安全管理等功能，AP可以分為胖AP與瘦AP胖AP也叫FATAP，除了作為一個接入點所應(yīng)具備物理層功能之外，它還集成眾多的WLAN管理功能以及其它應(yīng)用層功能，如用戶數(shù)據(jù)加密、用戶認(rèn)證、二層漫游、QOS、網(wǎng)絡(luò)管理等。采用胖AP進(jìn)行無線局域網(wǎng)部署存在五個方面的不足：組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時，需要對每臺FatAP進(jìn)行逐一的配置；胖AP所有的配置都只保存在AP本地，如果AP設(shè)備丟失或被竊，不僅會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)運行故障，還會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置的泄露；胖AP一般只支持二層而不支持三層漫游；胖AP難以完成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中各個AP的協(xié)同工作；大規(guī)模部署WLAN時，使用胖AP的成本較高。4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)1、無線局域網(wǎng)設(shè)備-無線接入點瘦AP也叫FitAP或輕量級AP。使用瘦AP的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案中通常還包括了無線控制器設(shè)備。瘦AP只簡單的提供802.11報文的加解密、802.11的PHY功能，并接受無線控制器的管理。一個無線控制器可以控制與管理多個瘦AP無線控制器不僅承擔(dān)了無線網(wǎng)絡(luò)的接入控制、轉(zhuǎn)發(fā)和統(tǒng)計、漫游管理、安全控制等多種網(wǎng)絡(luò)管理功能，還提供了對AP的配置與監(jiān)控功能瘦AP加無線控制器的架構(gòu)，增加了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，同時大大降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)的復(fù)雜度與成本，可以很好的支持園區(qū)級無線局域網(wǎng)的部署與運行。4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)1、無線局域網(wǎng)設(shè)備-無線接入點4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)1、無線局域網(wǎng)設(shè)備-無線路由器無線路由器是AP與寬帶路由器結(jié)合的一種產(chǎn)品。具有單純無線AP功能，如DHCP服務(wù)、WEP加密等還具有網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)功能，可支持局域網(wǎng)用戶的網(wǎng)絡(luò)連接共享，實現(xiàn)家庭無線網(wǎng)絡(luò)中主機對Internet連接的共享，實現(xiàn)ADSL和小區(qū)寬帶的無線共享接入。無線路由器內(nèi)置有簡單的虛擬撥號軟件，可以存儲寬帶接入的配置信息，從而實現(xiàn)ADSL、Cablemode等自動撥號接入Internet的功能4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)2、基本無線局域網(wǎng)拓?fù)?對等拓?fù)湟话銇碚f，無線局域網(wǎng)常見有物理拓?fù)溆袑Φ?Ad-Hoc)拓?fù)?、基本Infrastructure拓?fù)浜蛿U展Infrastructure拓?fù)涞葘Φ?Ad-Hoc)拓?fù)涫亲詈唵蔚臒o線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)對等結(jié)構(gòu)的無線局域網(wǎng)由一組有無線網(wǎng)絡(luò)接口的站點組成，各站點之間的地位平等，不存在集中控制或管理的節(jié)點在對等網(wǎng)絡(luò)中，由于沒有包括任何AP，因此屬于IBSS對等網(wǎng)絡(luò)配置簡單，可以在Windows等操作系統(tǒng)上完成有關(guān)的配置對等網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，站點的位置分布受到限制許多安全認(rèn)證機制都不能使用，當(dāng)用戶數(shù)增大時帶來較大的安全隱患同時，它不能連接或訪問到外部網(wǎng)絡(luò)4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)2、基本無線局域網(wǎng)拓?fù)?對等拓?fù)?.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)2、基本無線局域網(wǎng)拓?fù)?對等拓?fù)鋀indows7環(huán)境下對等網(wǎng)的配置第一步：打開“網(wǎng)絡(luò)和共享中心”第二步：“設(shè)置新的連接或網(wǎng)絡(luò)”第三步：“設(shè)置無線臨時網(wǎng)絡(luò)”第四步：點下一步，設(shè)置BSSID和無線安全選項，并完成設(shè)置另一臺電腦直接搜索無線網(wǎng)絡(luò)，搜索到剛剛設(shè)置的BSSID，然后點連接使可連接起來。4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)2、基本無線局域網(wǎng)拓?fù)?基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，需要配置有一個無線接入點，所有站點對網(wǎng)絡(luò)的訪問均由其控制網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置分布或地點布局受環(huán)境限制較小可以把無線局域網(wǎng)與Internet連接起來采用多AP結(jié)構(gòu)，能夠擴大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，實現(xiàn)漫游功能抗毀性差，中心站點的故障將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)3、無線局域網(wǎng)的應(yīng)用部署使用FATAP進(jìn)行無線局域網(wǎng)組網(wǎng)FATAP是傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)方案．適合于規(guī)模較小的家庭或辦公網(wǎng)絡(luò)，或者是一些局部需要采用WLAN進(jìn)行熱點覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)3、無線局域網(wǎng)的應(yīng)用部署使用FITAP進(jìn)行無線局域網(wǎng)組網(wǎng)-直連模式在直連模式中，F(xiàn)ITAP和無線控制器直接相連，中間不經(jīng)過其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。由于無線控制器的端口數(shù)以及可管理的AP有限，因此該模式較適合于小型的FITAP網(wǎng)絡(luò)。4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)3、無線局域網(wǎng)的應(yīng)用部署使用FITAP進(jìn)行無線局域網(wǎng)組網(wǎng)-二層網(wǎng)絡(luò)連接模式AP與無線控制器之間通過二層交換機相連，處在同一個廣播域大大的擴大了所連的AP的個數(shù)以及地域范圍二層網(wǎng)絡(luò)連接FITAP適合于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、AP點數(shù)多而較分散的WLAN4.3無線局域網(wǎng)組網(wǎng)3