WLAN技术 薛建彬 兰州理工大学计算机与通信学院 College of Computer and Communication Lanzhou Univ. of Tech.
无线局域网(WLAN) 什么是无线局域网? 无线局域网是固定局域网的一种延伸。 没有线缆限制的网络连接。 对用户来说是完全透明的,与有线局域网一样。 Access Point Air interface WLAN Card
WLAN标准 目前国际上有三大标准家族 美国IEEE 802.11家族 欧洲ETSI 高性能局域网HIPERLAN系列 日本ARIB 移动多媒体接入通信MMAC 2003年5月,两项 WLAN 中国标准(WAPI)颁布。这两项国家标准在原则采用IEEE 802.11/802.11b系列标准前提下,在充分考虑和兼顾WLAN产品互连互通的基础上,针对WLAN的安全问题,给出了技术解决方案和规范要求。 IEEE 802.11系列标准是WLAN的主流标准!
WLAN标准(续) 标准 内 容 状态 802.11IR 红外线传输 1997年标准化 802.11FHSS 2.4GHz频段跳频扩频 内 容 状态 802.11IR 红外线传输 1997年标准化 802.11FHSS 2.4GHz频段跳频扩频 802.11DSSS 2.4GHz频段直接序列扩频(Barker码) 802.11b高速率扩展 2.4GHz频段直接序列扩频(Barker码,CCK),PBCC(可选) 1999年标准化 802.11a高速率扩展 5GHz频段OFDM 802.11g 进一步高速率扩展 2.4GHz频段OFDM, PBCC(可选) 2003年标准化 802.11d 管制域更新。定义物理层需求(信道化、跳频模式等)和其它需求,以便802.11WLAN能在当前标准不支持的新管理区域(国家)工作 2001年标准化 802.11h 802.11a频谱和发射功率管理(主要用于欧洲) 802.11i MAC 增强 2004年标准化 802.11j 4.9 GHz–5 GHz Operation in Japan 802.11e MAC Quality of Service Enhancements 2005年标准化 802.11 MAC and PHY Specifications 2007年标准化
WIFI和无线局域网有啥区别? 一、wifi包含于无线局域网中,发射信号的功率不同,覆盖范围不同 事实上WIFI就是WLANA(无线局域网联盟)的一个商标,该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作,与标准本身实际上没有关系,但因为WIFI主要采用802.11b协议,因此人们逐渐习惯用WIFI来称呼802.11b协议。从包含关系上来说,WIFI是WLAN的一个标准,WIFI包含于WLAN中,属于采用WLAN协议中的一项新技术。WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右(约合90米),WLAN最大(加天线)可以到5KM。
WIFI和无线局域网有啥区别? 二、覆盖的无线信号范围不同 WIFI(WirelessFidelity),又称802.11b标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mbps,另外它的有效距离也很长,同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。无线上网已经成为现实。无线电波的覆盖范围广,基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小,半径大约只有50英尺左右约合15米,而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合90米。不过随着wifi技术的发展,wifi信号未来覆盖的范围将更宽。
无线局域网硬件设备 1.无线网卡。无线网卡的作用和以太网中的网卡的作用基本相同,它作为无线局域网的接口,能够实现无线局域网各客户机间的连接与通信。 2.无线AP。AP是Access Point的简称,无线AP就是无线局域网的接入点、无线网关,它的作用类似于有线网络中的集线器。 3.无线天线。当无线网络中各网络设备相距较远时,随着信号的减弱,传输速率会明显下降以致无法实现无线网络的正常通信,此时就要借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增强
无线局域网802.11 802.11协议栈和体系结构 802.11物理层 802.11MAC子层协议 802.11帧结构 802.11的服务
802.11协议栈和体系结构 802.11协议栈 己推出及正在制定的8个标准 IEEE802.11 体系结构 802.11的组网模式
802.11协议栈 Upper Layer Logical Link Control MAC Sublayer 802.11 Infrared FHSS DSSS 802.11a OFDM 802.11b HR-DSSS DATA Link Layer Physical Layer 红外线 高速
802.11协议栈和体系结构 802.11协议栈 己推出及正在制定的8个标准 IEEE802.11 体系结构 802.11的组网模式
己推出及正在制定的8个标准-1 802.11a 5GHz(ISM(Industrial Scientific and Medial),5.735 ~ 5.860GHz,共125M)频段上的物理层标准 802.11b 2.4GHz(ISM,2.4 ~ 2.4835GHz,共83.5M)频段上的物理层标准 802.11d 当前802.11规定的操作只在几个国家是合法的,该标准扩充了802.11在其它国家的应用 802.11e 改进和管理WLAN的服务质量,保证多媒体业务的传输
己推出及正在制定的8个标准-2 实现不同厂商WLAN之间的互操作,保证网内访问点之间信息的互操作 802.11f 实现不同厂商WLAN之间的互操作,保证网内访问点之间信息的互操作 802.11g 是802.11b的扩充,通过提高传输率来增强802.11b的性能和应用 802.11h 增强5GHz频段的802.11MAC规范及802.11a物理层规范 802.11i 增强WLAN的安全和鉴别机制
IEEE802.11 体系结构
802.11协议栈和体系结构 802.11协议栈 己推出及正在制定的8个标准 IEEE802.11 体系结构 802.11的组网模式
802.11的组网模式 802.11定义了两种组网模式 Ad-Hoc模式 Infrastructure模式 基本服务集合BSS 扩展服务集合ESS
Ad-Hoc模式 早期的Ad-Hoc模式用于多个移动主机(无线站点)之间的直接通信,毋需接到有线网络,每个站点必须“看”到其它所有站点
802.11的组网模式 802.11定义了两种组网模式 Ad-Hoc模式 Infrastructure模式 基本服务集合BSS 扩展服务集合ESS
基本服务集合BSS BSS:Basic Service Set,相当于一个蜂窝(Cell),BSS由一组执行相同MAC协议、争用同一共享媒体的接入站点组成,并由一个BSS-ID来标识,通常为网络中无线接入点AP(Access Point)的MAC地址 BSS内的移动主机都可以相互通信,也可通过接入点AP接入有线网络,与有线网络中的站点通信 接入点AP通常由一个有线网络接口(如802.3)和一个无线网络接口组成,无线网络接口将多个无线站点汇聚到有线网络中
基本服务集合BSS 基本服务集合BSS由一个AP和一组无线站点组成,通常AP包括两个接口,无线接口用于管理一组无线站点,另一个接口将作为有线网络的接入 INTERNET AP
802.11的组网模式 802.11定义了两种组网模式 Ad-Hoc模式 Infrastructure模式 基本服务集合BSS 扩展服务集合ESS
扩展服务集合ESS ESS:Extended Service Set 扩展服务集合 由多个BSS通过一个分布式系统DS(Distribution System)互联而成,就像一个逻辑上的局域网 一般来说,DS是一个有线主干局域网,通常表现为以太网 BSS之间的通信将通过DS实现,BSS在LLC子层上相统一,至此,一个移动主机可以漫游在不同的BSS之间
扩展服务集合ESS (图示) 扩展服务集合ESS将跨越BSS的通信,同时也允许一台移动主机在不同的BSS之间漫游 DS(Ethernet) INTERNET DS(Ethernet) AP AP
无线局域网802.11 802.11协议簇和体系结构 802.11物理层 802.11MAC子层协议 802.11帧结构 802.11的服务
802.11物理层 扩频技术(Spread Spectrum) FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频
扩频技术SS 802.11协议的物理层除使用红外线外,主要采用扩频(Spread Spectrum)技术进行通信 扩频技术最初是为军事及情报部门的需求而开发的,早期的通信使用固定的频率,很容易被敌方侦测到并加以窃听或干扰,扩频技术的基本思想是将携带信息的信号扩散到较宽的频谱带宽上,接收端必须知道所传播的扩频信号相关参数才能正确地恢复发送信号,否则它收到的扩频信号将是一片噪声
802.11物理层 扩频技术(Spread Spectrum) FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频
跳频扩频FHSS FHSS:Frequency Hopping Spread Spectrum 该标准于1997年提出,工作在2.4 ~ 2.4835GHz(ISM频段)共83.5M,整个频段被分成79个1 MHz的信道,采用调频调制,传输速率为1M bps 由一个伪随机数发生器生成一个随机序列,所有站点都按此随机序列同时跳到相同的频率并作一停顿(<400ms) 由于入侵者不知道随机序列和停顿时间,所以具有一定的安全性 常用于楼与楼之间的连接,但传输带宽较低
802.11物理层 扩频技术(Spread Spectrum) FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频
直接序列扩频DSSS DSSS:Direct Sequence Spread Spectrum 该标准于1997年提出,工作在2.4 ~ 2.4835GHz(ISM频段),传输速率为1M或2M bps,采用调相调制 使用直接序列方式扩频,原始信号中的一个比特在传输信号中采用Chipping code(切片编码)被转换成多个比特(在802.11中为11个),称为Barker sequence,这种切片编码将信号扩展到较宽的频带范围,而这个频带范围与使用的比特数成正比 DSSS的波特率为1M,当一个波特携带2个bit时,其传输速率为2M bps
802.11物理层 扩频技术(Spread Spectrum) FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频
正交频分复用OFDM OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing 该标准于1999年提出,工作在5.735 ~ 5.860GHz(ISM频段)共125M,用于第一个高速WLAN 802.11a,传输速率最高为54Mbps 不同的信道采用频分多路复用(FDM)方式,但不同的信道在相位上是正交的, 802.11a使用了52个频率,其中48个用于传送数据,4个用于同步 2001年提出的802.11g采用相同的OFDM,但工作在ISM的2.4GHz频段,速率为11Mbps ~ 54Mbps
802.11物理层 扩频技术(Spread Spectrum) FHSS 跳频扩频 DSSS 直接序列扩频 OFDM 正交频分复用 HR-DSSS 高速直接序列扩频
高速直接序列扩频HR-DSSS HR-DSSS:High Rate Direct Sequence Spread Spectrum 1999年提出的802.11b,工作在ISM的2.4GHz频段,传输速率最高为11Mbps 波特率为1M,如一波特携带1 bit,传输速率为1M bps,携带2 bit,为2M bps,如采用调相调制,则波特率将为1.375M,并携带4 bit和8 bit,传输速率将为5.5M bps和11M bps 实际传输速率将根据负载和噪声情况动态调整适应
无线局域网802.11 802.11协议簇和体系结构 802.11物理层 802.11MAC子层协议 802.11帧结构 802.11的服务
802.11MAC子层协议 信号发送半径----隐藏站点和暴露站点 802.11 MAC层结构 PCF的电源管理 802.11的帧间间隔
信号发送半径 每个移动主机的发射功率有限,其发出的信号只能使一定半径范围内的机器能够检测到,从而存在两种错误的判断 由于信号发送半径引起的 错误判断1-隐藏终端 错误判断2
隐藏终端 A和C互为隐藏站点 当节点A向节点B发送数据时,由于阻挡等原因,节点C无法监听到A发出的数据信号,因此节点C认为信道空闲并向节点B发出数据,来自A和C的数据信号在节点B处冲突,造成接收失败。
信号发送半径 每个移动主机的发射功率有限,其发出的信号只能使一定半径范围内的机器能够检测到,从而存在两种错误的判断 由于信号发送半径引起的 错误判断1 错误判断2-暴露终端
暴露终端 对于C而言B为暴露站点 当节点C向节点D发送数据时,节点B同时可以监听到C发出的数据,从而认为信道忙、处于“避让”状态,进而B无法向A发出数据,造成信道浪费。
802.11MAC子层协议 信号发送半径----隐藏站点和暴露站点 802.11 MAC层结构 PCF的电源管理 802.11的帧间间隔
IEEE802.11 MAC层结构 由于发射装置是半双工的,不可能在发射的同时侦听信道,所以不能采用CSMA/CD CSMA/CA-载波侦听多址接入/碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance)协议,是IEEE802.11 DCF的工作模式,采用RTS/CTS机制解决了隐藏终端问题。
信道竞争冲突 time SIFS DIFS ACK 延迟接入 其它站 假设 发送 data 随机竞争窗 RTS CTS NAV (RTS) NAV (CTS) 当节点监听到信道处于空闲状态时,首先保持静默DIFS时间(系统设定的固定值),同时生成一个随机竞争窗时间(Contention Window--CW),在这个竞争窗时间内继续监听信道。 只有当在DIFS+CW时间内信道持续保持空闲状态,节点才发出RTS要求接入信道。 每次竞争中某个节点的CW值是根据一定的规则在一定的范围内随机生成的,以降低信道竞争冲突概率。同时,CW的生成算法还在网络拥塞控制、接入公平性等方面进行了优化。
IEEE802.11 的工作模式 DCF:Distributed Coordination Function分布式协调功能,用类似CSMA的算法解决竞争问题 PCF:Point Coordination Function点协调功能,由点协调器采用轮询的方法,所以没有竞争问题(属可选功能)
分布式协调功能DCF DCF模型中每个站点都是相互独立的,没有主从关系,如同在Ethernet中一样,必须通过竞争获得信道DCF采用CSMA/CA,即带冲突避让的载波多路侦听CSMA/CA:CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA采用两种方法侦听信道: 物理信道侦听 虚拟信道侦听
物理信道侦听 站点在发送前,先侦听信道,如信道忙,则等待,直至信道空闲时再发送 如侦听到信道空闲,则发送报文,并不管发送过程中是否发生冲突,发送站点都将把报文发送完毕 如果发生冲突,则各冲突站点都将等待一个随机时间后再次尝试发送(使用以太网的二进制指数后退算法)
分布式协调功能DCF DCF模型中每个站点都是相互独立的,没有主从关系,如同在Ethernet中一样,必须通过竞争获得信道DCF采用CSMA/CA,即带冲突避让的载波多路侦听CSMA/CA:CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA采用两种方法侦听信道: 物理信道侦听 虚拟信道侦听
虚拟信道侦听 虚拟信道侦听基于MACAW :Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless ,即带无线冲突避让的多路访问 在正式发送报文前有一个预处理过程,即发送站与接收站之间先交换两个短帧(30字节)RTS和CTS,并且两个短帧中都包含了发送报文的长度
MACAW协议 CSMAW的工作原理 CSMAW对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW的载波侦听
CSMAW的工作原理 任何移动主机(A)在发送报文前先发送一个RTS(Request To Send)帧,接收主机(B)如果同意接收,则返回一个CTS(Clear To Send)帧 A收到CTS后就可发送数据帧,同时启动一个定时器,B正确地收到数据帧后发一个确认帧ACK,A收到ACK,则此次发送即告结束;如果A在定时器时间内没有收到确认,则重新开始前面的过程
MACAW协议 CSMAW的工作原理 CSMAW对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW的载波侦听
CSMAW对其它站点的约定 其实CSMAW方法是告诫在A(发送站点)和B(接收站点)的信号发射范围内的其它站点,希望其它站点在整个收发期间,不要干扰,即所有检测到RTS帧的站点(除B)均向A关闭,并且保持足够长的时间不发帧,以保证A无冲突地发送数据帧;所有检测到CTS帧的站点(除A)均向B关闭,并在后继数据到来期间保持沉默,以保证B无冲突地收到数据帧
MACAW协议 CSMAW的工作原理 CSMAW对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW的载波侦听
暴露站点问题的解决 RTS A B C D B收到A发出的RTS,知道A将向B发数据,C则对自己发出一个NAV (Network Allocation Vector) 信号以阻止本站向A发数据帧,同时C只要不对A的接收产生干扰,就可以随意地在A发送数据帧时向除A以外的其它站点发送自己的数据帧
MACAW协议 CSMAW的工作原理 CSMAW对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW的载波侦听
隐藏终端问题解决 发送节点A发出RTS (Request-to-Send),A的所有邻居节点监听到RTS后认为“信道忙”。 C A B D RTS CTS 发送节点A发出RTS (Request-to-Send),A的所有邻居节点监听到RTS后认为“信道忙”。 接收节点B发出CTS (Clear-to-Send),B的所有邻居节点监听到CTS后认为“信道忙”。 RTS/CTS中包含本次数据传输所需要的信道占用时间NAV,在这段时间内,与A和B相邻的所有节点均保持静默,以避免对A和B之间的数据传输的干扰。
MACAW协议 CSMAW的工作原理 CSMAW对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW的载波侦听
CSMAW的载波侦听 在无线网中如果产生冲突,要等到传输层发现已经太迟,在MACAW方案中,由数据链路层发ACK,另外又加入载波侦听,当有其它站点发RTS时,自己就不发RTS 802.11采用简单的仃—等协议,发送站只有收到对前一帧的确认后才发下一帧
MACAW协议 CSMAW的工作原理 CSMAW对其它站点的约定 暴露站点问题的解决 隐藏站点问题的解决 CSMAW的载波侦听
CSMAW的数据帧分段 无线网络存在的一个严重问题是它的噪声干扰远大于有线网络,因而通信不可靠,出错率较高 设1位的出错概率为p,每帧有n位,则正确接收1帧的概率为(1 – p)n,随着帧长度的增加,其正确接收的概率将减小,对于一个标准最大长度的以太帧(1518Bytes = 12144bits)而言,当p = 10-6 时,传输一帧出错的概率约为0.012
CSMAW的数据帧分段(续) 在802.11协议中将较长帧分段,采用发短帧的方法来解决一旦出错需重发长帧的问题,将长帧分为一串短帧的发送,称为fragment burst
IEEE802.11 的工作模式 DCF:Distributed Coordination Function分布式协调功能,用类似CSMA的算法解决竞争问题 PCF:Point Coordination Function点协调功能,由点协调器采用轮询的方法,所以没有竞争问题(属可选功能)
点协调功能PCF 由基站(Base Station)来轮询其它站点,是否有帧需要发送,发送的顺序是受控的,所以没有冲突发生 基站周期性地广播(10-100次/s)Beacon(标志)帧,Beacon帧中包含跳频序列、停顿时间(FHSS)和同步时钟等,以便让其它站点加入轮询服务中 一旦有站点注册(sign up)到轮询服务中,它将得到带宽中的一个片断,即能够得到服务质量的保证
802.11MAC子层协议 信号发送半径-隐藏站点和暴露站点 802.11 MAC层结构 PCF的电源管理 802.11的帧间间隔
PCF的电源管理 基站可以指定某一台移动站点进入睡眠状态,以延长移动站点的电源使用时间 某个移动站点进入睡眠状态,意味着基站将为所有发送给它的帧进行暂存,待唤醒后转交 移动站点的睡眠状态由基站或使用者将其唤醒
802.11MAC子层协议 信号发送半径-隐藏站点和暴露站点 802.11 MAC层结构 PCF的电源管理 802.11的帧间间隔
802.11的帧间间隔 PCF与DCF模式可共存于同一个蜂窝(cell)中,为了保证工作的平稳和公平,802.11规定了它们的工作顺序,其实这是一组等价于优先级策略的时延,它们是: SIFS - Short InterFrame Spacing PIFS - PCF InterFrame Spacing DIFS - DCF InterFrame Spacing EIFS - Extended InterFrame Spacing
802.11的帧间间隔 Control frame or next fragment may be sent here PCF frames may be sent here SIFS DCF frames may be sent here PIFS DIFS Bad frames recovery done here EIFS ACK TIME
短帧间间隔SIFS Short InterFrame Spacing 接收站在收到RTS后,须经过一个SIFS,然后发回CTS 接收站在收到数据帧或者收到一个Fragment后,也须经过一个SIFS,然后发送ACK 在Fragment bust传输时,发送站每收到1个ACK后,都须经一个SIFS,然后再发下一个Fragment SIFS取值与物理层有关,DSSS为10μs,FHSS为28μs
PCF帧间间隔PIFS PCF InterFrame Spacing 一般说来,在SIFS时刻总有一个站点会作出响应,但如果没有,而经过了PIFS时间间隔,则可以进入PCF模式 在此时刻基站可发送Beacon 帧(该帧包含系统的相关参数如跳频序列、停顿时间、时钟同步等)或发送轮询帧 这种机制保证了当某个站点在发送完一个数据帧或发送完一系列的Fragment以后,基站毋需竞争就可以得到信道 PIFS取值与物理层有关
DCF帧间间隔DIFS DCF InterFrame Spacing 随着时间的流逝,经过了PIFS时间间隔,但基站没有动作,又经过了DIFS时间间隔,在此时刻任何一个站点都可试图获得信道以发送新帧,即进入DCF模式 此时通常使用竞争规则,如果发生冲突,则采用二进制指数后退算法实现冲突避让
扩展的帧间间隔EIFS Extended InterFrame Spacing 仅在某个站点收到一个错误的或无法识别的帧后,作出报告时才使用 EIFS的优先级最低,是为了避免影响两个站点之间的正在进行的对话,即必须让双方完成对话(SIFS),此后基站没有动作(PIFS),甚至也没有任何站点希望获得信道(DIFS),然后才给出报告
无线局域网802.11 802.11协议簇和体系结构 802.11物理层 802.11MAC子层协议 802.11帧结构 802.11的服务
802.11帧结构 802.11定义了三种类型的MAC帧:数据帧、控制帧、管理帧,各类帧格式有所不同,其基本格式相同 Frame control Duration Address1 Address 2 Address 3 Seq. Address 4 Data Check sum
Frame control 帧控制域-1 Version 协议版本允许在同一个蜂窝内同时运行两个不同版本的协议,对于当前版本的802.11,该字段值为00 Type 帧的类型,00:管理、01:控制、10:数据 Subtype 上述三种类型中的一些特定要求,例如在控制类型帧中就包含了RTS、CTS和ACK等子类型
Frame control 帧控制域-2 ToDS 如为1,表示当前帧发往DS,DS是指连接不同蜂窝的主干网,如Ethernet FromDS 如为1,则表示当前帧来自DS Retry 如为1,表示该帧是一个重传帧,接收站点可根据此标志识别删除重复帧
Frame control 帧控制域-3 PWR (Power Management) 电源管理,表示当前帧交换序列完成后,基站将把接收站置成睡眠状态或将其从睡眠状态唤醒,以节约电池消耗 WEP (Wired Equivalent Privacy) 如为1,表示该帧已采用WEP算法,WEP采用RC4算法,这是一种流加密方式,将一个短密钥扩展成一个无穷伪随机密钥流,发送端将密钥流和明文进行异或运算,生成加密后的密文
Frame control 帧控制域-4 More Fragment 如为1,表示当前传输的MSDU(MAC Service Data Unit)还有后续分段 More Data 如为1,发送站有附加的帧发给接收站 Order 如为1,通知接收站严格地按顺序处理所收到的连续的帧
Address 地址域 地址字段的取值 To DS DA SA BSS-ID N/A 1 RA TA From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 DA SA BSS-ID N/A 1 RA TA 地址字段的取值 每个地址段都符合IEEE 802-1990标准规定的48bit的MAC地址 DA:当前传输帧的最终目的工作站的MAC地址 SA:当前传输帧的起始发送工作站的MAC地址 RA:接收当前传输帧的无线接入点AP的MAC地址 TA:发送当前传输帧的无线接入点AP的MAC地址
其它域 Duration 持续时间 数据帧、确认帧和NAV占用信道的时间 Seq. 序列 帧和段的顺序号,其中12位用于帧序号,4位用于帧内的分段号 Data 数据域 长度可变,最长可达2312字节 Checksum 校验域,32位
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