08 无线网络.pptx

第1页：第9章无线网络章节封面

第9章无线网络9.1无线局域网WLAN9.1.1无线局域网的组成9.1.2 802.11标准中的物理层9.1.3 802.11标准中的MAC层9.1.4 802.11标准中的MAC帧9.2无线个人区域网WPAN9.3无线城域网WMAN

第2页：9.1无线局域网

• 无线局域网是无线网络的主要应用形式，在无线网络中占据很大比例；
• 提供无线接入功能；
• 具有节省投资，建网方便等优点。

第3页：无线局域网的组成

• 无线局域网遵守802.11标准
• 是一个无线以太网
• 采用星型拓扑结构
• 中心设备是基站，具有一个32字节的服务集标识符，又称为接入点AP
• MAC层使用CSMA/CA协议（不同于以太网CSMA/CD协议）
• 又称为WiFi（无线保真度）

第4页：9.1无线局域网的组成

9.1.1无线局域网的组成AP1AP2

第5页：无线局域网的组成

• 基本组成单元是：基本服务集BSS
• 基本服务集：一个基站和与该基站连接的所有移动站
• 若干个基站通过分配系统DS（通常是有线连接方式）构成一个扩展服务集ESS
• 一个ESS相当于一个局域网
• 无线连接只存在于移动站和基站之间

第6页：无线局域网的组成

• 一个ESS（局域网）可以通过Portal（门户）与其它局域网相连，构成扩展局域网（在整个互联网中具有相同网络号），然后通过路由器与互联网相连
• Portal功能相当于网桥，但与网桥不同
• 网桥一般连接同类型网络（如都是802.3标准的以太网），Portal主要将无线以太网与（有线）以太网相连
• 与以太网中的工作站不同，无线局域网中的移动站能够移动，不同基站之间必须实现自动切换功能

第7页：与有线网比较

有线网

局域网->扩展局域网，构成一个具有相同网络号的网络（两级）

无线网

BSS->ESS->扩展局域网，构成一个具有相同网络号的网络（三级）。但对于网络建设者而言，BSS部分只是一个基站（即AP）

• 电信系统GIS一种常见、重要的工作就是在GIS的辅助、支持下，寻求基站的合理布局

第8页：与接入点AP建立关联

• 一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与此接入点建立关联(association)。
• 建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网，并和这个AP之间创建了一个虚拟线路。
• 只有关联的AP才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的AP才能向其他站点发送数据帧。

第9页：移动站与AP建立关联的方法

• 被动扫描，即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。
• 信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符SSID以及支持的速率等）。
• 主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧(proberequest frame)，然后等待从AP发回的探测响应帧(probe response frame)。

第10页：热点

• 现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都能够向公众提供有偿或无偿接入Wi-Fi的服务。这样的地点就叫做热点。
• 由许多热点和AP连接起来的区域叫做热区(hot zone)。热点也就是公众无线入网点。
• 现在也出现了无线因特网服务提供者WISP(Wireless Internet Service Provider)这一名词。用户可以通过无线信道接入到WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。

第11页：移动自组网络又称自组网络

• 移动自组网络又称自组网络(ad hoc network)自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点
• 自组网络是没有固定基础设施（即没有AP）的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。

第12页：一种移动自组网络：无线传感器网络

• 由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。
• 无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集、处理和传输，一般并不需要很高的带宽，但是在大部分时间必须保持低功耗，以节省电池的消耗。
• 由于无线传感结点的存储容量受限，因此对协议栈的大小有严格的限制。
• 无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。

第13页：无线传感器网络主要的应用领域

• 环境监测与保护（如洪水预报、动物栖息的监控）；
• 战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控；
• 医疗中对病房的监测和对患者的护理；
• 在危险的工业环境（如矿井、核电站等）中的安全监测；
• 城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。

第14页：移动自组网络和移动IP并不相同

• 移动IP技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。
• 移动IP的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。
• 移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。

第15页：几种不同的接入

• 固定接入(fixed access)——在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。
• 移动接入(mobility access)——用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的。
• 便携接入(portable access)——在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力。
• 游牧接入(nomadic access)——用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站

第16页：9.1.2 802.11局域网的物理层

• 802.11无线局域网可再细分为不同的类型。
• 现在最流行的无线局域网是802.11b，而另外两种（802.11a和802.11g）的产品也广泛存在。
• 802.11的物理层有以下几种实现方法：–直接序列扩频D –正交频分复用OFDM–跳频扩频FHSS（已很少用）–红外线IR（已很少用）

第17页：几种常用802.11无线局域网对比

几种常用802.11无线局域网对比：下表列出相关数据。

第18页：9.1.3 802.11局域网的MAC层

• 9.1.3 802.11局域网的MAC层协议1. CSMA/CA协议无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议。这里主要有两个原因。
• 无线局域网适配器上，接收信号强度远小于发送信号强度，实现不间断地检测信道，设备花费过大。
• 无线局域网中，并非所有站点能听到对方。近的站点能监听，远的站点听不到。

第19页：课件制作人：谢希仁如果采用CSMA

课件制作人：谢希仁如果采用CSMA/CD…当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题A的作用范围C的作用范围ABCD

第20页：如果采用CSMA/CD…B向A发送数据

如果采用CSMA/CD…B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题ADCB？B的作用范围C的作用范围

第21页：CSMA/CA协议

• 无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA/CA协议。
• 改进的办法是把CSMA增加一个碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。简单地理解，就是为移动设备分配互不重叠的时间片，每个移动设备在自己的时间片中收发数据；用错开的方式来避免碰撞。
• 802.11就使用CSMA/CA协议。而在使用CSMA/CA的同时，还增加使用停止等待协议。
• 下面先介绍802.11的MAC层。

第22页：802.11的MAC层无争用服务

802.11的MAC层MAC层无争用服务（选用）争用服务（必须实现）分布协调功能DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能PCF(Point Coordination Function)物理层MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。

第23页：CSMA/CA协议

• 分布协调功能DCF：
• 让各站点通过竞争方式获取发送权
• 是一种必备方式
• 点协调功能PCF：
• 接入点AP集中控制，把发送数据权轮流交给各站点
• 是一种选用方式

第24页：概念：帧间间隔

所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS (InterFrameSpace)。

第25页：帧间间隔IFS作用

• 减小碰撞概率。
• 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。
• 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

第26页：帧间间隔IFS种类

• 根据数据帧的重要性的差异，确定帧的不同等级；根据帧的不同等级确定帧间间隔。
• IFS分为以下几种类型：
• 短帧间间隔SIFS（间隔时间短）
• 点协调功能帧间间隔PIFS（适中）
• 分布协调功能帧间间隔DIFS（长）

第27页：短帧间间隔

• SIFS，即短(Short)帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。优先级高的帧。
• 使用SIFS的帧类型有：ACK帧、CTS帧、由过长的MAC帧分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧和在PCF方式中接入点AP发送出的任何帧。

第28页：点协调功能帧间间隔

• PIFS，比SIFS长
• 是为了在开始使用PCF方式时（在PCF方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中
• PIFS的长度是SIFS加一个时隙(slot)长度。

第29页：三种帧间间隔

三种帧间间隔DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的IFS），在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS的长度比PIFS再增加一个时隙长度。时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲发送第1帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一帧虚拟载波监听等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS其他站有帧要发送

第30页：分布协调功能帧间间隔

• DIFS，在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。
• DIFS的长度比PIFS再增加一个时隙长度。

第31页：CSMA/CA协议的原理

• 欲发送数据的站先检测信道。在802.11标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。
• 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。
• 当源站发送它的第一个MAC帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间DIFS后就可发送。

第32页：为什么信道空闲还要再等待

• 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。
• 如有，就要让高优先级帧先发送。

第33页：假定没有高优先级帧要发送

• 源站发送了自己的数据帧。
• 目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK。
• 若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

第34页：虚拟载波监听

• 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。
• 这样就大大减少了碰撞的机会。
• “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

第35页：虚拟载波监听的效果

• 这种效果好像是其他站都监听了信道。
• 所谓“源站的通知”就是源站在其MAC帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。

第36页：网络分配向量

• 当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV (NetworkAllocation Vector)。
• NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。

第37页：争用窗口

• 信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。
• 在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。

第38页：对信道进行预约

• 802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。
• 源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS (Request To Send)
• 它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间

第39页：对信道进行预约

• 若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS (Clear ToSend)
• 它包括这次通信所需的持续时间
• A收到CTS帧后就可发送其数据帧。

第40页：对信道进行预约

• A站点附近的站点能够收到RTS，可以等待一段时间，再发送自己的数据
• B站点附近的站点能够收到CTS，可以等待一段时间，再发送自己的数据

第41页：9.1.4 802.11局域网的MAC帧

• 802.11帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。
• 下面是数据帧的主要字段。字节2 2 6 6 6 2 6 0 ~ 2312 4帧控制持续期地址1地址2地址3序号控制地址4帧主体FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC首部

第42页：802.11数据帧的三大部分

• MAC首部，共30字节。帧的复杂性都在帧的首部。
• 帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过802.11帧的长度通常都是小于1500字节。
• 帧检验序列FCS是尾部，共4字节

第43页：关于802.11数据帧的地址802.

1.关于802.11数据帧的地址802.11数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。这四个地址包括移动站地址和基站地址。四个地址的意义不是固定的，它随着数据帧的流向变换而编号。数据帧的流向又由“到DS/去DS”字段取值来说明。

第44页：表显示了这两个字段如何说明数据帧的流向

表显示了这两个字段如何说明数据帧的流向。具体含义去DS到DS同一个BSS中，一台移动站发往另一台移动站00发往DS的帧10从DS发来的帧01从一个AP到另一个AP11

第45页：数据帧流向确定以后

数据帧流向确定以后，四个地址字段的意义就确定了。表显示了地址字段的意义。地址4地址3地址2地址1去DS到DS未使用BSSID源地址目的地址00未使用源地址BSSID目的地址10未使用目的地址源地址BSSID01源地址目的地址源AP地址目的AP地址11

第46页：序号控制字段、持续期字段和帧控制字段

• 序号控制字段占16位，其中序号子字段占12位，分片子字段占4位。
• 持续期字段占16位。
• 帧控制字段共分为11个子字段。–协议版本字段现在是0。–类型字段和子类型字段用来区分帧的功能。–更多分片字段置为1时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。–有线等效保密字段WEP占1位。若WEP= 1，就表明采用了WEP加密算法。

第47页：9.2无线个人区域网

• 9.2无线个人区域网WPAN(Wireless Personal Area Network)
• 在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点AP。
• 整个网络的范围大约在10 m左右。
• 无线个人区域网WPAN和个人区域网PAN (Personal Area Network)并不完全等同，因为PAN不一定都是使用无线连接的。

第48页：WPAN和WLAN并不一样。

• WPAN是以个人为中心来使用的无线个人区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。WPAN都工作在2.4 GHz的ISM频段。
• 但WLAN却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。

第49页：蓝牙系统

• 最早使用的WPAN是1994年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是IEEE802.15.1。
• 蓝牙的数据率为720 kb/s，通信范围在10米左右。
• 蓝牙使用TDM方式和扩频跳频FHSS技术组成不用基站的皮可网(piconet)。

第50页：皮可网

• Piconet直译就是“微微网”，表示这种无线网络的覆盖面积非常小。
• 每一个皮可网有一个主设备(Master)和最多7个工作的从设备(Slave)。
• 通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网(scatternet)。
• 这种主从工作方式的个人区域网实现起来价格就会比较便宜。

第51页：蓝牙系统中的皮可网和扩散网

蓝牙系统中的皮可网和扩散网MMSSP P皮可网2扩散网皮可网1M——主设备S——从设备P——搁置的设备

第52页：低速

• 低速WPAN主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是2 ~ 250 kb/s。
• 低速WPAN的标准是IEEE 802.15.4。最近新修订的标准是IEEE 802.15.4-2006。
• 低速WPAN中最重要的就是ZigBee。
• ZigBee技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10 ~ 80 m），传输数据速率低，并且成本低廉。

第53页：ZigBee的特点

• 功耗非常低。在工作时，信号的收发时间很短；而在非工作时，ZigBee结点处于休眠状态，非常省电。对于某些工作时间和总时间之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。
• 网络容量大。一个ZigBee的网络最多包括有255个结点，其中一个是主设备，其余则是从设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过64000个结点。

第54页：ZigBee的标准

• 在IEEE 802.15.4标准基础上发展而来的。
• 所有ZigBee产品也是802.15.4产品。
• IEEE 802.15.4只是定义了ZigBee协议栈的最低的两层（物理层和MAC层），而上面的两层（网络层和应用层）则是由ZigBee联盟定义的。

第55页：ZigBee的协议栈物理层MAC层网络层

ZigBee的协议栈物理层MAC层网络层应用层IEEE 802.15.4定义ZigBee联盟定义ZigBee协议栈

第56页：ZigBee的组网方式可采用星形和网状拓

ZigBee的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合FFDFFDFFDFFDFFDRFD端设备路由器FFDFFD协调器有一个全功能设备FFD充当网络的协调器。ZigBee网络中数量最多的端设备是精简功能设备RFD结点。

第57页：高速

• 高速WPAN用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持11 ~ 55 Mb/s的数据率，标准是802.15.3，。
• IEEE 802.15.3a工作组还提出了更高数据率的物理层标准的超高速WPAN，它使用超宽带UWB技术。
• UWB技术工作在3.1 ~ 10.6 GHz微波频段，有非常高的信道带宽。超宽带信号的带宽应超过信号中心频率的25%以上，或信号的绝对带宽超过500 MHz。
• 超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持100 ~ 400Mb/s的数据率，可用于小范围内高速传送图像或DVD质量的多媒体视频文件。

第58页：9.3无线城域网

• 9.3无线城域网WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)
• 2002年4月通过了802.16无线城域网的标准。欧洲的ETSI也制订类似的无线城域网标准HiperMAN。
• WMAN可提供“最后一英里”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的）。
• 在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为无线本地环路。

第59页：WiMAXWorldwide

• WiMAXWorldwide Interoperability for Microwave Access
• WiMAX常用来表示无线城域网WMAN，这与Wi-Fi常用来表示无线局域网WLAN相似。
• IEEE的802.16工作组是无线城域网标准的制订者，而WiMAX论坛则是802.16技术的推动者。
• 两个正式标准–802.16d（它的正式名字是802.16-2004），是固定宽带无线接入空中接口标准（2 ~ 66 GHz频段）。–802.16的增强版本，即802.16e，是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准（2 ~ 6 GHz频段），它向下兼容802.16-2004。

第60页：802.16无线城域网服务范围的示意图

802.16无线城域网服务范围的示意图ISP802.11 WLAN802.11热点802.11 WLAN802.16802.16802.16基站802.16因特网802.16基站802.16802.16电信网

第61页：覆盖范围几种无线网络的比较

覆盖范围几种无线网络的比较1 Gb/s100 Mb/s10 Mb/s1 Mb/s100 kb/s10 kb/s用户数据率PAN LAN MAN WAN802.15.4ZigBee802.15.1蓝牙802.15.3超宽带802.11g, a802.11b802.162G移动通信3G移动通信4G移动通信Wi-FiWiMAX