業(yè)務支撐網(wǎng)網(wǎng)絡技術-無線局域網(wǎng)(WLAN)

第十章無線局域網(wǎng)(WLAN)10.1無線局域網(wǎng)的概述10.2無線網(wǎng)絡的邏輯結(jié)構(gòu)10.3無線局域網(wǎng)的標準10.4WLAN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)10.5無線安全協(xié)議的特性及性能10.6影響WLAN信號的因素10.1無線局域網(wǎng)的概述

無線局域網(wǎng)WirelessLAN(WLAN)以無線電波radiofrequencies(RFs)、紅外線為傳輸媒介無線數(shù)據(jù)通信不僅可以作為有線數(shù)據(jù)通信的補充及延伸，而且還可以與有線網(wǎng)絡環(huán)境互為備份，或者替代有線網(wǎng)絡WLAN看起來就像一個基于HUB連接的以太網(wǎng)絡.它們都通過兩次握手完成,用相同的頻率發(fā)送和接收數(shù)據(jù).10.1.1無線局域網(wǎng)的特點移動性：

不受時間、空間的限制，用戶可在網(wǎng)絡中漫游靈活性：

不受線纜的限制，可以隨意增加和配置工作站低成本：

不需要大量的工程布線，同時節(jié)省了線路維護的費用易安裝：

組建、配置和維護更為容易10.1.2標準化組織ISO國際標準化組織FCC美國聯(lián)邦通信委員會IEEE電器和電子工程師協(xié)會WECA無線以太網(wǎng)兼容聯(lián)盟ETSI歐洲通信標準協(xié)會10.1.3無線頻譜因為WLAN局域網(wǎng)通過無線電波進行傳輸,所以它們被一些相關的法規(guī)管制。FCC負責管制對無線產(chǎn)品的使用。IEEE在從FCC為公共使用開放的頻段上制定標準。FCC開放了三個無須許可的頻段為公共使用：900MHz(工業(yè)),2.4GHz(科學),and5.7(醫(yī)學)GHz在使用除以上三個無須許可的公共頻段時，需要從FCC得到一個特定的License無線頻譜AM廣播FM廣播紅外線可見光X光ISM頻段U-NII頻段90292824002483.557255850MHzI頻段S頻段M頻段5.155.255.355.7255.825GHz低頻段高頻段中頻段10.2無線網(wǎng)絡的邏輯結(jié)構(gòu)物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層無線網(wǎng)絡WirelessWANWirelessLAN終端用戶B物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層終端用戶A10.2.1WLAN物理層選擇方案

在目前的眾多協(xié)議中，WLAN物理層的選擇方案概括起來有5種。這五種物理層選擇方案是分別基于紅外線（IR）傳輸和基于微波傳輸?shù)??；贗R的物理層具有更好的安全性和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是，目前存在的基于IR的產(chǎn)品并不多?；谖⒉▊鬏?shù)倪x擇方案包括跳頻擴頻調(diào)制、直接序列擴頻調(diào)制、窄帶調(diào)制和正交頻分復用（OFDM）。擴頻和OFDM技術在克服衰落（衰落是無線傳輸中占主導地位的傳播特性）方面提供了出眾的性能。擴頻技術的這種優(yōu)越性是以犧牲帶寬為代價的，它只能提供中等的數(shù)據(jù)傳輸速率。而另一方面，窄帶調(diào)制則能夠提供比擴頻調(diào)制更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是它會受到衰落的影響，而引起性能惡化。

1、紅外（IR）傳輸紅外無線局域網(wǎng)由于采用低于可見光的部分頻譜作為傳輸介質(zhì)，它的使用不受無線電管理部門的限制。如今使用IR傳輸技術的WLAN產(chǎn)品運行在波長為850nm的附近。IR信號可以由半導體激光器二極管產(chǎn)生，也可以由LED產(chǎn)生。

物理層采用紅外傳輸方案的優(yōu)勢在于：可以提供比其它的物理實現(xiàn)方案更高的數(shù)據(jù)傳輸能力；在這一波段發(fā)送機和接收機的硬件實現(xiàn)更便宜，大氣所帶來的信號衰減更少；紅外信號要求視距傳輸，檢測和竊聽困難，對鄰近區(qū)域的類似系統(tǒng)也不會產(chǎn)生干擾。

2、微波傳輸電磁頻譜的微波無線部分跨越了107～1011MHz的范圍。如今大部分WLAN產(chǎn)品運行在ISM（Industrial，Scientific，andMedical，工業(yè)、科學和醫(yī)藥設備）波段（902～928MHz，2400～2483.6MHz以及5725～5850MHz）。這些波段的特性大不相同。最明顯的特點在于波段的頻率越高，范圍越寬，則通常能夠提供更多的帶寬，因此具有更高潛力提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但是，波段的頻率越高，用于通信的設備的實現(xiàn)越具有挑戰(zhàn)性，價格也越昂貴。在傳輸所能達到的范圍方面，波段的頻率越低，它所能到達的范圍越廣。3、擴頻技術目前很流行的WLAN使用RF擴頻技術。擴頻技術最初是為軍事應用開發(fā)的。它的基本思想是將發(fā)送的信息擴展在更廣的帶寬上，這會使信息的攔截和人為干擾更加困難。擴頻技術在克服衰落的影響方面非常成功。由于衰落具有頻率選擇性，擴頻信號的頻率范圍很廣，因此，衰落僅會對一小部分的信號造成影響。跳頻擴頻技術（FHSS，F(xiàn)requencyHoppingSpreadSpectrum）使用這項技術時，信號在看似隨機的一套頻率信道上廣播，并且在連續(xù)的時間間隔內(nèi)不斷地從一個頻率跳到另一個頻率。接收機處理相同的調(diào)頻序列，同時保持著與發(fā)送機的同步，這樣就可以接收到發(fā)送的數(shù)據(jù)了。由于FHSSWLAN所采用的信道方式，它們對窄帶具有很好的抗干擾能力。直接序列擴頻技術（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）在使用直接序列擴頻調(diào)制的情況下，原始信號中每一個比特由擴頻信號中的多個比特來表示。這項技術將信號在頻段上擴展，擴展的寬度與擴頻因子（碼片速率和數(shù)據(jù)速率之間的比值被稱作擴頻因子，在現(xiàn)代的商用系統(tǒng)中，擴頻因子通常的取值位于10-100之間）是成比例的。盡管DSSS技術看起來有點浪費帶寬，但是它具有極其強大的能力將信號從窄帶干擾和噪聲中抽取出來，這就可減少重傳，從而提高了吞吐量。窄帶微波技術擴展頻譜的另一種方案是窄帶調(diào)制。直到最近，所有的窄帶WLAN產(chǎn)品只能使用無線頻譜中授予許可的部分。但是，如今的產(chǎn)品既可以使用頻譜新釋放的部分，也可以使用ISM波段而不需要執(zhí)行頻譜的擴展。窄帶WLAN更容易受到衰落的影響。但是，在授予了許可的波段中運行WLAN的情況下，干擾并不是很常見。正交頻分復用(OFDM)OFDM是多載波傳輸?shù)囊环N形式，它將可用頻譜分成了許多載波，每個載波都使用PSK調(diào)制技術以較低速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制。OFDM與FDMA相比，OFDM的信道間隔更近，獲得了更高的頻譜利用率。這是通過將所有的載波與其它的載波相互正交（載波正交是為了避免緊密相鄰的兩個載波之間的干擾）實現(xiàn)的。因此OFDM可以有效地克服符號間干擾。10.2.2WLANMAC層的選擇方案

MAC協(xié)議大致可以分成三種：固定分配協(xié)議（例如TDMA、FDMA），隨機接入?yún)f(xié)議（例如ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA）和需求分配協(xié)議（例如輪詢、令牌環(huán)、PRMA）。在WLAN的兩種主要標準—IEEE802.11和HIPERLAN中均采用了CSMA/CA機制，這會減少發(fā)生沖突的概率。

10.3無線局域網(wǎng)的標準Wi-Fi(WirelessFidelity，無線保真技術)聯(lián)盟致力于解決無線局域網(wǎng)互操作性。廠家的產(chǎn)品只有完全滿足Wi-Fi標準，并通過Wi-Fi認證，才可以在其產(chǎn)品上打Wi-Fi標簽。Wi-Fi標簽是WECA（無線以太網(wǎng)兼容性聯(lián)盟）注冊的商標，只有通過WECA的授權，廠家才可以使用該商標。因此，用戶只需認準Wi-Fi標簽，便可保證他們所購買的無線基站、PC卡、手持設備、Internet電話以及其他任何無線局域網(wǎng)產(chǎn)品都能很好地協(xié)同工作。Wi-Fi聯(lián)盟通過了不同廠商的IEEE802.11產(chǎn)品互操作性的認證。10.3.1IEEE802.11標準族IEEE802.11IEEE802.11bIEEE802.11aIEEE802.11gIEEE802.16a(wiMAX)IEEE802.20IEEE802.11dIEEE802.11eIEEE802.11fIEEE802.11hIEEE802.11i1IEEE802.11標準使用2.4~2.4835GHz頻帶速率最高為2Mbps定義有FHSS和DSSS兩種擴頻方式

802.11是IEEE最早制訂的WLAN標準，在1997年提出，它使用2.4~2.4835GHz頻帶，提供1Mbps和2Mbps兩個速率，它定義了有FHSS和DSSS兩種擴頻方式，但大部分使用FHSS擴頻方式，使用FSK（FrequencyShiftKeying頻移鍵控）做為調(diào)制方式。2IEEE802.11b標準使用2.4GHz的頻帶采用DSSS(直接序列擴頻技術)擴頻方式傳輸速率可以在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之間自動的調(diào)整3IEEE802.11b+標準使用2.4GHz的頻帶兼容IEEE802.11b標準采用PBCC調(diào)制技術傳輸速率可以在22Mbps、11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之間自動的調(diào)整

IEEE802.11b+標準由TI（TexasInstruments）公司提出，采用2.4~2.4835GHz頻帶和DSSS擴頻技術。該標準使用了PBCC（PacketBinaryConvolutionalCode分組二進制卷積碼）調(diào)制技術，因此可提供22Mbps的數(shù)據(jù)速率，同時增加了3dB編碼增益，擴大了其覆蓋范圍。

4IEEE802.11a標準規(guī)定該層使用5GHz的頻帶采用正交頻分復用（OFDM）調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為6Mbps～54Mbps

802.11a標準擴充了標準的物理層，工作在5GHzU-NII(unlicensednationalinformationinfrastructure)頻帶，采用正交頻分復用（OFDM）的調(diào)制技術，傳輸速率為6Mbps-54Mbps，物理層速率可達54Mb/s，傳輸層可達25Mbps，支持速率為6、9、12、18、24、36、48、54Mbps。傳輸距離較802.11b短，與802.11b、802.11不兼容。

2.4GHz頻帶是較早開放的一個頻帶，除了802.11b無線局域網(wǎng)設備外，有些家用電器，如無繩電話、微波爐都使用這個頻帶，因此在這個頻帶上比較容易產(chǎn)生干擾，802.11a標準解決了這個問題。但是802.11a標準與現(xiàn)有的802.11b標準的設備不兼容，因此并沒有得到比較廣泛的應用。5IEEE802.11g標準使用頻帶為2.4~2.4835GHz使用OFDM調(diào)制技術提供54Mbps的傳輸速率兼容802.11b802.11g標準使用了與802.11a標準相同的調(diào)制技術OFDM，因此能達到54Mbps的傳輸速率。802.11g標準也使用2.4GHz頻帶，可以兼容現(xiàn)有的802.11b標準。6IEEE802.16a標準中文名稱：定點寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口研發(fā)初衷：工作于10GHz到66GHz頻段的最后一英里無線寬帶接入技術2003年1月，IEEE通過了工作于2GHz至11GHz頻段下的802.16a標準最遠傳輸距離：48公里最大傳輸速率：75Mbps（傳輸距離3－5公里）兼容802.11b7IEEE802.20標準中文名稱：移動寬帶無線接入（MBWA）研發(fā)初衷：2002年11月成立相關工作組，致力于為移動用戶開發(fā)一個標準為以250km/h速度移動的移動用戶提供高達1Mbit/s的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸最大傳輸速率：3Mbps兼容802.11b無線技術比較802.11b802.11a802.11gBand(GHz)2.4~2.48355.15~5.352.4~2.4835DataRateMbps1,2,5.5,116,12,18,24,36,48,541,2,5.5,11,22,36,54Range100M50M100MModulationDSSSOFDMOFDMModulationBPSK,QPSK,CCKBPSK,QPSK,16QAMBPSK,QPSK,CCK,PBCCSecurityWEPWEPWEPMACCSMA/CACSMA/CACSMA/CAErrorCorrectionCRC32FECCRC32,FEC10.3.2其他無線標準HomeRF

是專門為家庭用戶設計的。HomeRF利用跳頻擴譜方式，通過家庭中的一臺主機在移動數(shù)據(jù)和語音設備之間實現(xiàn)通信，既可以通過時分復用支持語音通信，又能通過載波監(jiān)聽多重訪問/沖突避免協(xié)議提供數(shù)據(jù)通信服務。同時，HomeRF提供了與TCP/IP良好的集成，支持廣播、多播和48位IP地址。BlueTooth(藍牙技術)

具有一整套全新的協(xié)議，可以應用于更多的場合。藍牙技術中的跳頻更快，因而更加穩(wěn)定，同時它還具有低功耗、低代價和比較靈活等特點?？偟膩碇v，802.11比較適于辦公室中的企業(yè)無線網(wǎng)絡，HomeRF可應用于家庭中的移動數(shù)據(jù)和語音設備與主機之間的通信，而藍牙技術則可以應用于任何可以用無線方式替代線纜的場合。目前這些技術還處于并存狀態(tài)，但是有可能引起干擾等問題，從長遠看，隨著產(chǎn)品與市場的不斷發(fā)展，它們將走向融合，而其中最有競爭力的就是藍牙技術。10.4WLAN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)無中心網(wǎng)絡有中心網(wǎng)絡10.4.1無中心網(wǎng)絡無中心網(wǎng)絡(無AP網(wǎng)絡)也稱對等網(wǎng)絡或Ad-hoc網(wǎng)絡，它覆蓋的服務區(qū)稱IBSS。對等網(wǎng)絡用于一臺無線工作站（STA,Station）和另一臺或多臺其他無線工作站的直接通訊，該網(wǎng)絡無法接入有線網(wǎng)絡中，只能獨立使用。這是最簡單的無線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。一個對等網(wǎng)絡由一組有無線接口的計算機組成。這些計算機要有相同的工作組名、ESSID和密碼。對等網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活，任何時間，只要兩個或更多的無線接口互相都在彼此的范圍之內(nèi)，它們就可以建立一個獨立的網(wǎng)絡。這些根據(jù)要求建立起來的典型網(wǎng)絡在管理和預先調(diào)協(xié)方面沒有任何要求。對等網(wǎng)絡中的一個節(jié)點必需能同時"看"到網(wǎng)絡中的其他節(jié)點，否則就認為網(wǎng)絡中斷，因此對等網(wǎng)絡只能用于少數(shù)用戶的組網(wǎng)環(huán)境，比如4至8個用戶，并且他們離得足夠近。無中心網(wǎng)絡10.4.2有中心網(wǎng)絡有中心網(wǎng)絡也稱Infrastructure網(wǎng)絡。它由無線AP、無線工作站（STA）以及DSS構(gòu)成，覆蓋的區(qū)域分BSS和ESS。無線訪問點也稱無線AP或無線Hub，用于在無線STA和有線網(wǎng)絡之間接收、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。無線AP通常能夠覆蓋幾十至幾百用戶，覆蓋半徑達上百米BSS(基本服務區(qū))BSS由一個無線訪問點以及與其關聯(lián)（associate）的無線工作站構(gòu)成，在任何時候，任何無線工作站都與該無線訪問點關聯(lián)。換句話說，一個無線訪問點所覆蓋的微蜂窩區(qū)域就是基本服務區(qū)。無線工作站與無線訪問點關聯(lián)采用AP的BSSID，在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。ESS(擴展服務區(qū))擴展服務區(qū)ESS是指由多個AP以及連接它們的分布式系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡，所有AP必需共享同一個ESSID，也可以說擴展服務區(qū)ESS中包含多個BSS。分布式系統(tǒng)在IEEE802.11標準中并沒有定義，但是目前大都是指以太網(wǎng)。擴展服務區(qū)只包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不包含網(wǎng)絡層及其以上各層。因此，對于高層協(xié)議比如IP來說，一個ESS就是一個IP子網(wǎng)。有中心網(wǎng)絡無線接入點（AccessPoint）無線接入點負責樓層無線客戶端的無線接入，將其所關聯(lián)的無線客戶端的流量匯聚到樓層中心交換機。就目前來看，工作在2.4GHz的支持IEEE802.11g的企業(yè)級無線接入點是目前企業(yè)級無線局域網(wǎng)的主要選擇。當然從整體網(wǎng)絡性能出發(fā)，最好選用同時也支持SuperG108Mbps的無線局域網(wǎng)產(chǎn)品。SSID（ServiceSetIdentifier）SSID（ServiceSetIdentifier）也可以寫為ESSID，用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡，最多可以有32個字符，無線網(wǎng)卡設置了不同的SSID就可以進入不同網(wǎng)絡，SSID通常由AP廣播出來，通過系統(tǒng)自帶的掃描功能可以相看當前區(qū)域內(nèi)的SSID。出于安全考慮可以不廣播SSID，此時用戶就要手工設置SSID才能進入相應的網(wǎng)絡。簡單說，SSID就是一個局域網(wǎng)的名稱，只有設置為名稱相同SSID的值的電腦才能互相通信10.5無線安全默認情況下，無線在AP和客戶端上是沒有安全可言的10.5.1OpenAccess所有的WiFi認證的WLAN產(chǎn)品都是工作在OpenAccess模式下。OpenAccess模式可以工作在一些公共場所中。在企業(yè)環(huán)境中部署WLAN時，Security(安全)需要被打開。10.5.2SSID認證SSID是一個在WLAN中設備的公共網(wǎng)絡名稱。SSID將阻止一個沒有相同SSID的客戶端進入WLAN。默認時，SSID通常由AP廣播出來，通過系統(tǒng)自帶的掃描功能可以相看當前區(qū)域內(nèi)的SSID。即使關閉SSID的廣播，但還是可能當一個客戶端發(fā)起請求回應時被發(fā)現(xiàn)10.5.3WEPWEP是WiredEquivalentPrivacy的簡稱，802.11b標準里定義的一個用于無線局域網(wǎng)(WLAN)的安全性協(xié)議。WEP的安全性和SSID認證差不多，但是WEP就應用得更廣泛。采用共享密鑰認證。所有AP和無線客戶端都用相同的密鑰。入侵者仍然可以偵聽到一個明文傳輸?shù)拿荑€。WEP的KEY由40或128位組成。由管理員靜態(tài)地在WLAN設備中指定，工作量大。10.5.4客戶端MACAddress認證將客戶端的MAC地址靜態(tài)的增加到AP中，任何在地址過濾表中不存在的MAC地址都將被拒絕訪問。但是MAC地址欺騙(spoof)可能導致無法過濾10.5.5WPA(Wi-FiProtectedAc