新1章、无线局域网WLAN 1.1 WLAN概述 1.2 802.11标准和体系结构 1.3 WLAN几种标准比较 1.4 WLAN组网及应用 1.1 无线网络的发展

第1章：重点与难点 重点理解和掌握： 1、802.11标准体系结构 2、CSMA/CA和退避算法 3、无线局域网主要功能和性能 4、无线局域网典型应用 主要了解： 1、WLAN发展背景和目前标准 2、802.11标准三种物理层规范

1.1 无线网络和WLAN概述 移动、轻便、灵活和可靠的通信和计算环境是人类网络追求高境界！无线和移动性网络。 概念：无线链路、无线设备、基站、覆盖范围、移动网络、移动性 无线链路 有限移动性 移动性 基站/AP B D 覆盖区

WIFI和WLAN差别？ 无线通信技术经历：无线电报、点对点对讲、卫星通信、GSM \ 2G、蓝牙、WLAN 、3G/4G…… 移动网络通常建设大量无线蜂窝基站（或AP，通常固定的）进行的无线覆盖，移动用户在覆盖区通过无线方式接入网络（网络边缘、接入网，非核心网）。 无固定基站无线网络：自组织网络ad hoc network。 WIFI (Wireless Fidelity)随处看见. WLAN以及其它无线接入方式和有线LAN（光纤LAN、双绞线LAN），共同组成互补覆盖的以太网络新形式。 WLAN、3G、4G移动通信网，构成快速发展的移动互联网的基础。

WIFI就是一种无线联网的技术，又称WIFI/wifi/Wi-Fi无线保真，是改善基于IEEE 802 WIFI就是一种无线联网的技术，又称WIFI/wifi/Wi-Fi无线保真，是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)持有（早期是无线局域网标准化组织WECA，2002年10月，改名为Wi-Fi Alliance） 无线网络是IEEE定义的无线网技术，在1999年IEEE官方定义802.11标准的时候，2010年选择并认定了CSIRO发明作为无线网技术标准。 无线网络技术由澳洲政府的研究机构CSIRO在90年代发明并于1996年在美国成功申请了无线网技术专利。（US Patent Number 5,487,069）发明人是悉尼大学工程系毕业生Dr John O'Sullivan领导的研究小组 。 选择并认定了CSIRO发明的无线网技术是世界上最好的无线网技术，因此CSIRO的无线网技术标准，就成为了2010年Wi-Fi的核心技术标准。 IEEE曾请求澳洲政府放弃其无线网络专利，让世界免费使用Wi-Fi技术，但遭到拒绝。无线网络被澳洲媒体誉为澳洲有史以来最重要的科技发明，其发明人John O'Sullivan被澳洲媒体称为”Wi-Fi之父“并获得了澳洲的国家最高科学奖和全世界的众多赞誉，其中包括欧盟机构，欧洲专利局，European Patent Office（EPO）颁发的European Inventor Award 2012，即2012年欧洲发明者大奖。 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。 WiFi的覆盖范围约合90米，WLAN最大（加天线）可以到5KM。 事实上WIFI就是WLANA（无线局域网联盟）的一个商标，仅保障使用该商标商品间合作，表示产品通过Wi-Fi联盟互操作性测试的认证标志，现在逐渐成为WLAN代名词。

1990年（早期无线LAN），900M频点，1-2M带宽。 1997年IEEE开始制订802.11标准，1999产品面世。 1998年1月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司推出蓝牙技术，IEEE802.11标准。 WLAN主流厂商组成无线以太网兼容联盟（WECA）推动802.11标准的产品的兼容和互操作性（WIFI商标）。 目前技术有11M（802.11b) 、14M（802.11a ,802.11g)速率成熟产品WLAN，还有108M (1-UP标准)等更高速率技术产品阶。

UMTS/WCDMA-HSDPA,CDMA2000-1xEVDO 目前WLAN所包含的协议标准有：IEEE802.11b协议、IEEE802.11a协议、IEEE802.11g协议、IEEE802.11E 协议、IEEE802.11i协议、无线应用协议（WAP）。 速率 200Mbps 801.11n 支持移动中通信 WiFi 14Mbps 801.11a g 801.11a、g点对点 1-11Mbps 801.11b WIMAX 4Mbps UMTS/WCDMA-HSDPA,CDMA2000-1xEVDO 增强3G 1Mbps 801.11.1 蓝牙 384kbps UMTS/WCDMA,CDMA2000 3G 16kbps IS-91WCDMA, GSM 2G 传输距离 室内10-30m 室外10-200m 室外0.2-4km

WLAN发展的优势和目前问题： 1、实现无处不在的网络（LAN）接入服务 2、实现移动、流动场合的网络服务环境。 3、实现布线困难、高成本、临时需要的网络环境 4、简化安装和配置问题，成本较低 5、WLAN是快速发展的LAN重要技术，2000年以后得到快速发展，（迅弛）WLAN的接入成为笔记本电脑标准配置。 6、WLAN主要问题：带宽（传输速率）无法和光纤环境相比， 存在安全性问题，传输覆盖范围也较为有限。

WLAN的相关标准： 1、美国IEEE802.11标准序列（1997开始制定WLAN 系列标准 2、欧洲ETSI BRNA的HiperLAN标准序列（欧洲市场） 3、日本ARIB的多媒体移动接入通信MMAC标准序列 4、美国HomeRF组织的共享无线接入协议SWAP标准序列 5、中国2003制定WLAN国家标准， IEEE802.11为基础，考虑自身安全和工作频率。2004.6起执行 目前IEEE802.11标准序列的WLAN产品，由于和以太网的技术继承性，成为无线以太网的厂商和市场认可的国际标准。但安全性/敏感问题许多国家推出补充的国家安全标准技术。 无线局域网包括：无线以太网、蓝牙、HomeRF,但标准不同。

1.2 802.11标准体系结构 目前WLAN的802.11标准包括：802.11, 802.11b, 802.11a, 802.11g 等 1.2.1 802.11标准层次结构： 802.11标准层次结构： 逻辑链路 控制子层（LLC） 其它高层 WLAN 媒体访问 控制子层（MAC） 物理层

1、物理层规范 802.11标准三种物理规范：红外线（IR，Infared） ，扩频（SS,Spread Spectrum）包括直接序列扩频DSSS和跳频扩频FHSS，窄带（NB,NarrowBand）直接射频调制RF. 红外线LAN，基本传输速率1M，包括散射和直射，较少用。 使用频段：建议自由频段ISM，900M，2.4G, 1.7G,我国也在开放自由频段2.4G~2.4831G使用。 2、MAC层规范 支持两种媒体访问控制功能。 MAC层媒体访问控制功能分为两个功能子层：分布协调功能（DCF）子层，点协调功能（PCF）子层。

PCF 无竞争业务 竞争业务 MAC DCF（CSMA/CA） PHY RF SS IR OFDM 802.11a 802.11g FHSS 802.11 HR/DSSSM 802.11b DSSSM DCF适用平等和突发的WLAN，即支持CSMA/CA（载波侦听多路访问/碰撞避免）无线媒体争用，是目前一般使用的方式。PCF支持无竞争业务，是一种协调各站访问的媒体访问机制。 多路访问机制和协议？

多路访问协议：多个信号通过或访问媒介（铜线、光纤、磁盘或空气等）的协调方法和协议，宽泛讲有：信道划分（如TDM、CDMA、频分多址），轮流访问和随机访问（以太网）。

CSMA/CA和CSMA/CD差别，在空间中对碰撞检测是困难的，采用帧间隔（IFS，Interframe Space）延时算法进行避免碰撞。 802.11规定，无线源站在发送完一帧以后，要停顿一个IFS，才能再发送。停顿 IFS间隔取决于不同类型（高优先的短，低优先长） CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection载波侦听多路访问／冲突检测)协议解决了在Ethernet上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance载波侦听多路访问／冲突避免)：带有冲突避免的载波监听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”

1、待发送站点监测信道状况，如监测信道忙，继续监听信道状况，直至空闲； 源站A 信道空闲 IFS 发第1帧 IFS 帧待发 ACK 目的站B N*IFS等待发送 遇媒体忙（推迟） IFS 争用窗口 发1帧 其他站C 检测 检测 检测 帧待发 CSMA/CA基本工作原理： 1、待发送站点监测信道状况，如监测信道忙，继续监听信道状况，直至空闲； 2、如空闲，继续监听一个IFS ，仍空闲进入待发送状态； 3、一旦检测信道空闲，继续检测一个IFS时间，如仍空闲，站点按照二进制指数退避算法计算并延时（ IFS整数倍），继续监测还是空，可发送帧。退避算法是避免几个站点同时发送数据产生碰撞。但数据发送前，先发请求RTS和得到确认CTS。 4、为了验证发送是否正确接收，在正确接收到发送帧后，接收站必须回复一个专门的应答帧ACK，以确认。

无线网络中存在隐蔽站与暴露站的问题 CSMA/CA是同区域多站点竞争发送机制，虽然退避算法大大减少碰撞概率，但还是可能存在同时发送，出现碰撞的可能，即碰撞仍不可避免。 在WLAN空间媒体环境中如一边在发射信号，一边不间断检测有否有其它信号（碰撞）发生，实现的代价高而不现实；即出现碰撞后，由于无线域的碰撞形式远比有线复杂，所以WLAN 不采用CD方法。 WLAN同区域中，允许在不碰撞（不干扰）情况下，多站同时工作（不同总线网）。

序号控制：类似TCP序号，丢失重传时辨认。持续期：持续时间长度（包括：数据、请求RTS、确认CTS帧）。 1.2.3 802.11帧结构和特点 帧控制 持续期 地址1 地址2 地址3 序号控制 地址4 有效载荷 CRC 2B 6B 0-2312B 4B 协议版本 类型 子类 到AP 从AP 重试 功率管理 Rsvd 2b 4b 1b 更多标识 更多数据 WEP 最大特点4个地址，除了地址1-2是传统源/目的地址（但和AP有关），地址3是AP接入路由器的MAC地址，完成BSS有线/无线转换；地址4是AP自组织模式中相互转发时使用（一般不常用）。 序号控制：类似TCP序号，丢失重传时辨认。持续期：持续时间长度（包括：数据、请求RTS、确认CTS帧）。 类型\子类：区分关联、RTS、CTS、ACK和数据帧；WEP：是否加密；重试：是否重传帧；（3种帧类型）

1.2.4 802.11标准其他问题： 漫游功能 什么是访问点？ 发送站进入多AP访问接入点的覆盖区域，发送站自动选择信号条件最好的AP访问接入点；并在移动中，脱离当前访问点，重新连接切换到其它访问点。基本类同GSM的越区切换思想，但不能实现GSM大漫游功能 2. 信道和关联 服务标识符SSID(Service Set IDentifier服务集标识符)：区分各个不同AP，某区域AP覆盖存在时，显示和识别不同AP，并分配信道（共11个）。 关联：无线站点在WiFi丛林中，确定加入那个AP。一般AP通过周期发送信标帧（含SSID和MAC)，无线站点扫描后进行关联创建（认证接入方式）；也可以通过无线站点主动广播发送请求帧完成。

3. 信息帧重整 在干扰情况下，帧错误接收（无 ACK）导致重发，为了提高发送可靠性，自适应重发机制把不断把长帧变成短帧发送，减少干扰概率。 4. 安全机制 链路加密：连线等价保密WEP（Wired Equivalent Privacy)，提供RC4对称加密技术。IEEE802.11b采用40位长密钥。 访问点接入认证SSID：每个访问点配置SSID，端站不知道SSID能否接入。也可采用IEEE802.1x接入认证标准。 MAC地址过滤：访问点保存合法用户基于MAC地址访问控制表。

1.3 无线局域网的性能比较 产品比较： 802.11b是2000年产品, DSSS技术，简单实用，目前最常用的技术； 802.11b 802.11a 802.11g HomeRF HiperLAN2 传输速率 11Mbps 14Mbps 14Mbps 10Mbps 14Mbps 传输距离Max 100M 80M 110M 10M 80M 应用范围 数据图象 数据图象视频 数据图象视频 家庭办公连网 LAN 4G 产品比较： 802.11b是2000年产品, DSSS技术，简单实用，目前最常用的技术； 802.11a 2002年推出, 14M速率，但传输范围小； 802.11g 2003年推出，主要改善802.11a问题。HiperLAN2采用802.11a同类技术，但性能更好，在欧洲更受推崇，在美国也有一定市场，并面向下一代移动通信宽带互联。

实际传输速率： 由于媒体访问和物理层开销，有效信息传输率只有40%，如考虑干扰重传，实际效率更低；如802.11b实际有效信息传输率2M左右； 802.11b有：1/2/1.1/11M 4档，根据条件自动降低速率； 802.11a； 6/9/12/18/24/36/48/14M 8档。 实际传输距离和安全： 802.11a 14Mbps 实际只能在10M范围内；80M时，只有10Mbps。但802.11g相对较好。 实际最大距离只是保持连接、和最小速率的范围，而且受实际环境影响，有相当大变化。传输距离实际和发射功率/安全性平衡（不大于100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦 ）

频点和兼容性 目前802.11标准使用2.4G/1G两个频段， 2.4G干扰大，频点少（3个频道），但传输距离稍大； 1G干扰小，频点多（10多个频道），传输距离略小。传输距离一般最大100M左右，除频点外也取决调制方式，OFDM稍大（最大110M）。 不同频段、不同标准WLAN产品存在兼容性问题：如802.11b（2.4G)和802.11a(1G)不兼容，不同频段，不同调制解调方式 为克服兼容性/距离问题推出的：802.11g（OFDM/DSSS 2.4G)和802.11b（2.4G)有较好兼容性。

1.4 无线局域网组网和应用 1.4.1室内WLAN组网结构 对等方式：具有无线网卡的笔迹本或台式机所构成主机对等的局域网，网络不设置访问点，但可以相互定位并承诺是网络一部分。适用临时小范围、几台机组网。 覆盖范围 B A C D BSS

访问方式(Infrastructure mode)：基于局域网和设置AP（Access Point 访问接入点）的无线局域网环境， AP是无线中央基站。此时范围内站点间连接可以直连（不通过AP），但非范围内站点通过AP连接。通常AP与有线局域网连接，是LAN接入延伸，是目前室内WLAN最常用的基本模式。 BSS B A C D AP 覆盖范围 直接连接 基本服务集BSS（Basic Service Set)： 802.11定义对一个对等网络或设置一个AP的无线局域网为BSS，BSS是WLAN的基本积木块。BSS覆盖的地理区域为基本服务区BSA（Basic Service Area)

扩展服务集ESS（Extended Service Set)： 802.11定义由2或多个AP的BSS构成的WLAN系统。 当一个BSS中固定站点和另一个BSS的站点通信时通过AP，就是ESS系统。 WLAN中的站点可以是移动的，在一个ESS中移动站点可以从一个BSS漫游到另一BSS；一个ESS的移动站点可以漫游到另一ESS。

1.4.2 室外WLAN组网 点对点方式：早期局域网的连接，选用DSSS直扩产品，11M带宽。解决受地理原理无法连接骨干或LAN。 圆区网方式：主干以太网和室外多个AP（100M、1000M）组网，覆盖圆区方式，此时BSS通常连接到有线LAN上。 AP AP AP 分布式WLAN

点对多点区域覆盖方式： 较大型区域多个站点与中心站点的连接方式，中心站需要多路复用的无线链路设备，形成覆盖较大区域的小型无线接入网（如无线城市某区域、乡村）。 AP AP AP 光纤主干网 AP

无线局域网安全 1.使用各种先进的身份认证措施，防止未经授权用 户的接入 2.利用MAC阻止未经授权的接入 3.使用先进的加密技术，使得非法用户即使截取无 线链路中的数据也无法破译基本的WEP加密。 4.利用对AP的合法性验证以及定期进行站点审查， 防止非法AP的接入 5.利用ESSID、MAC限制防止未经授权的跨部门使 用

1.4.3 WLAN产品选用 无线网卡，无线网桥，无线路由器 产品的兼容型Wi-Fi（WECA）认证 产品传输速率，指标规范802.11b 、 802.11g 覆盖距离和范围（实际空间大小），产品最大距离各有不同 AP支持的最大用户数 有线网络的接口 安全性（加密标准、接入认证、VPN、Firewall） 产品升级和管理

1.1 无线网络发展关注的问题 1、更高速、更远距离WLAN IEEE802.11n、802.11、802.16和802.20标准。 1.1 无线网络发展关注的问题 1、更高速、更远距离WLAN IEEE802.11n、802.11、802.16和802.20标准。 2、无线城市WIMAX技术 WiMAX是World Interoperability for Microwave Access（全球微波接入互操作性）的简称，它基于IEEE 802.16标准，其初衷是提供在城域网多厂商环境下，点对多点的宽带无线接入，到目前为止，IEEE802.16标准系列包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f、802.16g、802.16h、802.16i、802.16k十个标准。 因此WiMAX亦常被称为IEEE Wireless MAN（Metropolitan Area Network）。WiMAX涉及IEEE802标准委员会802.16工作组和WiMAX论坛。

3、无线ad hoc自组织网络 自组织网络常指无线ad hoc network，也称多跳无线网（Multi-hop Wireless Network），它是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成一个多跳的临时性无中心网络。几个单独节点可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础网络设施的支持，网中的每个节点可以自由移动，地位平等。

4、WLAN和移动通信2G、3G的融合 5、安全性（加密标准、接入认证） 6、WLAN的新应用与开发 7、WLAN的运营模式、计费

思考题： 1、无线局域网使用的访问方法是什么，CSMA/CA和 CSMA/CD异同 。 2、由于802.11中WLAN的物理层标准构造。 3、BSS与ESS的基本区别？ 4、无线网络思考的基本要素，怎样理解移动性。 5、讨论WLAN中三种类型的移动。 6、什么是WLAN接入的关联？ 7、为什么无线以太网802.11帧结构的地址和有线不同。 8、什么是多路访问机制，常见方式有哪些？