第3章无线局域网剖析

1第3章无线局域网主讲陈燕华侨大学信息学院2第3章无线局域网3.1概述3.2无线局域网的体系结构与服务3.3无线局域网的协议体系3.4IEEE802.11物理层3.5IEEE802.11媒体访问控制层3.6其他IEEE802.11标准3.7Wi-Fi保护接入33.1.1无线局域网的覆盖范围无线局域网是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区别主要在于数据传输的范围不同(但覆盖范围界限的区别并不十分明显)，而引起网络设计和实现方面的一些区别。介于广域网WAN和局域网LAN之间还有一种局部网络，称为城域网(MAN)。比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区)域网。广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。43.1.2无线局域网的特点1.无线局域网的优点(1)移动性(Mobility)：无线局域网中两个站点间的距离目前可达到50km以上；移动性分为用户移动和用户设备移动；无线局域网设备的移动性又可分为不移动或固定、半移动或便携式移动和全移动：半移动是指设备可在网内移动，但只能在静止状态下与网络进行通信；全移动是指设备可在移动状态下保持与网络的通信；无线局域网一般只支持固定、半移动和慢速移动。5(2)灵活性(Flexibility)：无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连接的地方，并可方便地增减、移动和修改设备；可以通过基础结构接入骨干网，也可以自组网，可以组成单区网和多区网，还可以在不同网间进行移动。(3)可伸缩性(Scalability)：适当位置放置或添加接入点或扩展点，即可满足扩展组网的需要(4)经济性(Saving)：节省布线费用、人工费用、快速投入使用1.无线局域网的优点62.无线局域网的局限性(1)可靠性(Reliability)：无线信道是一个不可靠信道，存在着各种各样的干扰和噪声，从而引起信号的衰落和误码，导致网络吞吐性能的下降和不稳定。由于无线传输的特殊性，还可能产生“隐藏终端”和“暴露终端”和“插入终端”等现象，影响系统的可靠性。72.无线局域网的局限性(2)带宽与系统容量：比有线小(3)兼容性(Compatibility)与共存性(Coexistence)兼容现有的无线局域网；兼容现有的网络操作系统和网络软件；多种无线局域网标准的兼容；不同厂家无线局域网产品间的兼容；同一频段的不同制式或标准的无线网的共存；不同频段、不同制式或标准的无线网的共存，如2.4GHz频段WLAN和5.8GHz频段WLAN的共存，无线局域网与GPRS的共存等。82.无线局域网的局限性(4)覆盖范围：低功率和高频率限制了无线局域网的覆盖范围。可采用蜂窝或微蜂窝网络结构、中继与桥接结构来扩大覆盖范围。(5)干扰：外干扰、自干扰(6)安全性：信息安全（保证信息传输的可靠性、保密性、合法性和不可篡改性）、人员安全（电磁波的辐射对人体健康的损害）。92.无线局域网的局限性(7)节能管理电源管理很重要：当某站不处于数据收发状态时，使机内收发处于休眠状态；当要收发数据时，再激活收发信机；(8)多业务与多媒体：发展方向；(9)移动性：目前还不能支持高速移动，即使在小范围的低速移动过程中，性能还要受到影响；(10)小型化、低价格103.1.3无线局域网的发展历程与相关标准化活动无线局域网的发展经历了四代:(1)第一代无线局域网：1985年，FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路。(2)第二代无线局域网：基于IEEE802.11标准的无线局域网，设备大都工作在2.4~2.4835GHz频段，传输速率为1~2Mb/s。113.1.3无线局域网的发展历程与相关标准化活动(3)第三、四代无线局域网IEEE802.11任务组的研究进展比计划的要慢，欧洲也成立了关于高速无线局域网（HiperLAN）的标准化组织；IEEE802.11b（2.4G频段）标准，传输速率分别可达11Mb/s，归为第三代无线局域网产品；IEEE802.11a（5G频段）、HiperLAN2（5G频段）和IEEE802.11g（2.4G频段）标准，传输速率可达54Mb/s，IEEE802.11n最大速率可达600Mb/s，称为第四代无线局域网产品。123.1.4无线局域网的分类与应用无线局域网可根据不同的层次、不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的应用等进行分类。根据不同的频段分类专用频段：需要执照自由频段：不需要执照红外线2.4GHz5GHz根据采用的传输技术可以细分，如图3-1所示。13无线局域网的分类方法1——按频段分类专用频段自由频段图3-1143.1.4无线局域网的分类与应用根据业务类型分类（如图3-2）面向连接的业务主要用于传输语音等实时性较强的业务一般采用基于TDMA和ATM技术主要标准有HiperLAN2和BlueTooth(蓝牙)等面向非连接的业务主要用于高速数据传输一般采用基于分组和IP的技术主要标准有IEEE802.11x等有些标准两种业务均适用，采用综合语音和数据技术15无线局域网的分类方法2——业务类型分类图3-2163.1.4无线局域网的分类与应用根据网络拓扑和应用要求分类PeertoPeer（对等式）Infrastructure（基础结构式）接入式中继式173.1.4无线局域网的分类与应用无线局域网的应用室外应用园区网：如校园网、社区网等较远距离的无线网络连接：无线网桥、无线路由器更远距离的网络中继室内应用家庭或小型办公室应用大型办公室、企事业单位工业（如车间）或商业（如商场、仓库等）临时组网或难以布线的场所如灾难恢复、临时商用系统和大型会议、军事临时组网等183.1.5无线局域网的需求（1）吞吐量(throughput)为了使容量最大化，媒体接入控制协议应尽可能高效地利用无线媒体。节点数(numberofnodes)可能需要在多个蜂窝区中支持上百个节点。与骨干LAN的连接(connectiontobackboneLAN)对于无线LAN的基础设施，可以使用控制模块相连。对于移动用户和自组无线网络，也需提供相应的功能。服务区域(servicearea)无线LAN一般的覆盖范围为直径100m~300m。193.1.5无线局域网的需求（2）电池功率的消耗(batterypowerconsumption)当使用无线网卡时，要求移动节点不间断地监视接入点或不停地与基站频繁握手的MAC协议是不适当的。因此，在不使用网络时，无线LAN应具有减少功率消耗的功能，如进入睡眠模式等。传输的安全性(transmissionsecurity)无线LAN在传输中可能很容易被干扰和被窃听。要求无线LAN的设计必须达到即使在噪音环境下仍有可靠的传输及应提供一些安全级别以避免被窃听。203.1.5无线局域网的需求（3）越区切换/漫游(handoff/roaming)无线LAN中所用的MAC协议应使移动站点能由一个蜂窝区移到另一个蜂窝区。无许可操作(license-freeoperation)用户更愿意购买和操作不需要对该LAN所用频段给予安全许可的无线LAN产品。动态配置(dynamicconfiguration)LAN的MAC寻址和网管方面应允许动态的和自动的添加、删除，以及在不影响其他用户的情况下重定位终端系统。213.2无线局域网的体系结构与服务3.2.1无线局域网的组成结构无线局域网的物理组成如图3-3所示。图3-3站station（STA）WirelessMedium无线介质（WM）接入点AccessPoint（AP）基站BaseStation（BS）分布式系统distributionSystem（DS）BS/AP分布式系统221.站(STA，Station)站(点)也称主机(Host)或终端(Terminal)，是无线局域网的最基本组成单元，在无线局域网中通常用作客户端，包括以下几部分：(1)终端用户设备终端用户设备是站与用户的交互设备，可以是台式计算机、便携式计算机和掌上计算机等，也可以是其他智能终端设备，如PDA等。(2)无线网络接口负责处理从终端用户设备到无线介质间的数字通信，一般采用调制技术和通信协议的无线网络适配器（无线网卡）或调制解制器（modem）。(3)网络软件网络操作系统、网络通信协议。23无线局域网中关于站的相关概念站之间可直接相互通信，也可通过基站或接入点进行通信。站之间的通信距离受天线的辐射能力和应用环境限制。服务区域(servicearea,SA)：无线局域网所能覆盖的区域基本服务区域(basicservicearea,BSA)：由无线局域网中移动站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域（服务区域），又称小区(cell)，它是构成无线局域网的最小单元。一般距离不超过100m。基本业务组(basicserviceset,BSS)：在一个BSA内彼此相互联系、相互通信的一组主机。242．无线介质无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。空气是无线电波和红外线传播的良好介质。无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义。253．无线接入点无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。它是一种特殊的站，通常处于BSA的中心，固定不动。无线接入点是具有无线网络接口的网络设备，其至少应包括：与分布式系统的接口（至少一个）无线网络接口（至少一个）和相关软件桥接软件、接入控制软件、管理软件等AP软件和网络软件无线接入点也可以作为普通站使用，称为APClient263．无线接入点——基本功能无线接入点的基本功能(1)作为接入点，完成其他非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站间的通信联结。(2)作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。(3)作为BSS的控制中心完成对其他非AP的站的控制和管理。274．分布式系统DS一个BSA(基本服务区)所能覆盖的区域受到环境和主机收发信机特性的限制。为了覆盖更大的区域，把多个BSA通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区(extendedservicearea,ESA)，通过DS互相连接起来的属于同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组(extendedserviceset,ESS)。分布式系统是用来连接不同BSA的通信信道，称为分布式系统信道(distributionsystemmedium,DSM)。284．分布式系统DSDSM可以是有线信道，也可以是频段多变的无线信道。一般：有线DS系统与骨干网都采用有线局域网无线分布式系统(wirelessdistributionsystem,WDS)可通过AP间的无线通信（无线网桥）实现不同BSS的连接。图3-429分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连分布式系统通过Portal(入口)与骨干网相连，通过Portal把无线局域网和骨干网连接起来了；Portal是一个逻辑的接入点，既可以是一个单一的设备，也可以和AP共存于同一设备中，在目前的设计中，Portal和AP大都集成在一起。303.2.2无线局域网的拓扑结构从物理拓扑分类单区网(singlecellnetwork,SCN)多区网(multiplecellnetwork,MCN)从逻辑上分类对等式、基础结构式和线型、星型、环型等从控制方式方面分类无中心分布式、有中心集中控制式从与外网的连接性分类独立WLAN和非独立WLAN311．分布对等式拓扑（1）分布对等式网络是一种独立的(Independent)BSS(IBSS)，它至少有两个站。它是一种典型的、以自发方式构成的单区网。在可以直接通信的范围内，IBSS中任意站之间可直接通