第2講

數據鏈路層與局域網----無線網絡1無線網絡主要應用場合在移動工作環境下，面向移動計算機用戶，訪問網絡的信息資源，為移動辦公提供便利；臨時組網，如災后復蘇、短時商用系統及大型會議；有線網絡的無線延伸。2有線(固定)網絡與無線(移動)網絡固定網絡基礎設施用戶終端通常不移動網絡無處不在用戶終端無線上網用戶如魚得水自由移動NOWFUTURE3幾種不同的無線接入固定接入(fixedaccess)——在作為網絡用戶期間，用戶設置的地理位置保持不變。移動接入(mobilityaccess)——用戶設置能夠以車輛速度移動時進行網絡通信。當發生切換時，通信仍然是連續的。便攜接入(portableaccess)——在受限的網絡覆蓋面積中，用戶設備能夠在以步行速度移動時進行網絡通信，提供有限的切換能力。游牧接入(nomadicaccess)——用戶設備的地理位置至少在進行網絡通信時保持不變。如用戶設備移動了位置，則再次進行通信時可能還要尋找最佳的基站4本章內容9.1無線局域網WLAN9.2無線個人區域網WPAN9.3無線城域網WMAN59.1無線局域網WLANcommonslangnameforitisWiFi.1997年發布IEEE802.11標準工作頻帶2.4GHz，最大傳輸速率2Mb/s1999年9月，發布802.11a和802.11b802.11a：工作頻帶5.8GHz，最大傳輸速率54Mb/s802.11b：工作頻帶2.4GHz，最大傳輸速率11Mb/s2003年6月，發布802.11g工作頻帶2.4GHz，最大傳輸速率54Mb/s2009年10月，發布802.11n工作頻帶2.4GHz/5GHz，最大傳輸速率約為600Mb/s6無線局域網分類：有固定基礎設施的WLAN固定基礎設施：預先建立起來的、能覆蓋一定地理范圍的一批固定基站。無固定基礎設施的WLAN（Adhoc）沒有固定基礎設施，71.有固定基礎設施的無線局域網AP1AP28一個基本服務集BSS包括一個基站和若干個移動站;所有的站在本BSS以內都可以直接通信;但在和本BSS以外的站通信時，都要通過本BSS的基站。AP1AP29基本服務集內的基站叫做接入點AP(AccessPoint)AP的作用和網橋相似。當網絡管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID和一個信道。AP1AP210AP1AP2一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點AP連接到一個主干分配系統

DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一個基本服務集，構成擴展的服務集ESS(ExtendedServiceSet)。11AP1AP2ESS還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非802.11無線局域網的接入。門戶的作用就相當于一個網橋。12AP1AP2漫游：移動站A從某一個基本服務集漫游到另一個基本服務集（到A的位置），仍可保持與另一個移動站B進行通信。13與AP建立關聯(association)一個移動站若要加入到一個基本服務集BSS，就必須先選擇一個接入點AP，并與此接入點建立關聯。建立關聯就表示這個移動站加入了選定的AP所屬的子網，并和這個AP之間創建了一個虛擬線路。只有關聯的AP才向這個移動站發送數據幀，而這個移動站也只有通過關聯的AP才能向其他站點發送數據幀。14移動站與AP建立關聯的方法被動掃描移動站等待接收接入站周期性發出的信標幀(beaconframe)。信標幀中包含有若干系統參數（如服務集標識符SSID以及支持的速率等）。主動掃描移動站主動發出探測請求幀(proberequestframe)，然后等待從AP發回的探測響應幀(proberesponseframe)。15熱點(hotspot)熱點也就是公眾無線入網點如辦公室、機場、快餐店、旅館、購物中心等都能夠向公眾提供有償或無償接入Wi-Fi的服務。這樣的地點就叫做熱點。由許多熱點和AP連接起來的區域叫做熱區(hotzone)。現在也出現了無線因特網服務提供者WISP(WirelessInternetServiceProvider)這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到WISP，然后再經過無線信道接入到因特網。162.移動自組網絡又稱自組網絡(adhocnetwork)由一些處于平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡。自組網絡AEDCBF源結點目的結點轉發結點轉發結點轉發結點17移動自組網絡的應用前景攜帶了移動站的戰士可利用臨時建立的移動自組網絡進行通信。能夠應用到作戰的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群。當出現自然災害時，在搶險救災時利用移動自組網絡進行及時的通信往往很有效的，18無線傳感器網絡WSN(WirelessSensorNetwork)由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡。應用:進行各種數據的采集、處理和傳輸19傳感器結點存儲器CPU傳感器硬件電池無線收發器形狀組成20無線傳感器網絡的特點一般不需要很高的帶寬在大部分時間必須保持低功耗，以節省電池的消耗無線傳感結點的存儲容量受限，對協議棧的大小有嚴格的限制對網絡安全性、結點自動配置、網絡動態重組等方面有一定的要求。21無線傳感器網絡主要的應用領域環境監測與保護（如洪水預報、動物棲息的監控）；戰爭中對敵情的偵查和對兵力、裝備、物資等的監控；醫療中對病房的監測和對患者的護理；在危險的工業環境（如礦井、核電站等）中的安全監測；城市交通管理、建筑內的溫度/照明/安全控制等。22WLAN層次模型ApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalMediumDataLinkPhysicalApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalDataLinkPhysicalNetworkNetworkRadio239.1.2802.11標準的物理層249.1.2802.11標準的物理層802.11標準的物理層的特點：使用短距離無線電，通常在2.4GHz和5GHzWhy?速率自適應根據當前的條件選擇不同的速率如果無限信號較弱，選擇較低的速率，否則，選擇高速率。不同的物理層可采用不同的通信技術802.11無線局域網可再細分為不同的類型802.11，工作頻帶2.4GHz，最大傳輸速率2Mb/s802.11a，工作頻帶5GHz，最大傳輸速率54Mb/s802.11b，工作頻帶2.4GHz，最大傳輸速率11Mb/s802.11g，工作頻帶2.4GHz,最大傳輸速率54Mb/s802.11n，工作頻帶2.4GHz/5GHz，最大傳輸速率600Mb/s252.4GHz還是5GHz?2.4GHz的ISM頻段，即用于工業、科學、醫療領域的免費頻段；優勢是不需付費，在室內環境中抗衰減能力強劣勢是許多設備用的都是2.4GHz，所以干擾很多，不能保障足夠的穩定性。5GHz，包含了UNII的三個頻段，從5.1～5.8GHz都有覆蓋；這個頻段最大的優勢是目前應用較少，很多國家都是需要申請許可的，所以干擾非常小，能保障傳輸的質量；缺點也很明顯，室內的抗衰減能力弱，隔個幾堵墻也許就歇菜了。26802.11標準的物理層802.11的物理層有以下幾種實現方法：直接序列擴頻DSSS正交頻分復用OFDMMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)跳頻擴頻FHSS（已很少用）紅外線IR（已很少用）27HedyLamarr

----科技史上最美麗的女人

海德.拉馬爾（跳頻技術的發明人）1941年6月10日申請專利直到1997年，美國電子前沿基金會授予了這項專利第一申請人海蒂·拉瑪（HedyLamarr）榮譽技術獎章福布斯旗下的《美國發明與科技遺產》雜志曾經以海蒂為封面28WLAN的物理介質跳頻擴展頻譜（FHSS）FHSS將工作頻帶分成83個1MHz帶寬的信道。FHSS使用其中的79個信道，數據載波頻率可在這79個頻率之間隨機跳動。29802.11n無線局域網新一代WLAN標準達600Mbit/s的傳輸速率采用SpatialMultiplexingMIMO（空間多路復用多入多出）技術MIMO是一種智能天線技術，它通過多組獨立天線組成的天線陣列系統，通過創建多個并行空間信道，將要傳輸的數據分割成多個部分進行并行獨立傳輸。MIMO帶來的優點數據傳輸率高、傳輸信號穩定、噪音干擾小、傳輸距離遠。

30不同標準的WLAN比較802.11a802.11b802.11g802.11n最大傳輸速率54Mb/s11Mb/s54Mb/s600Mb/s兼容性與b不兼容-與b兼容與b/g兼容安全性好較好好好穿越障礙能力一般強強很強抗干擾能力強較強較強很強傳輸距離（室外）300m300m300m500m價格高低低高支持業務數據/語音/圖像同左同左同左，視頻319.1.3802.11的MAC層競爭or無競爭？有競爭和無競爭相結合802.11提供了兩種操作模式DCF(DistributedCoordinationFunction，分布協調功能)，競爭PCF(PointCoordinationFunction，點協調功能)，無競爭MAC層通過協調功能來確定在基本服務集BSS中的移動站在什么時間能發送數據或接收數據。32802.11的MAC層MAC層無爭用服務（選用）爭用服務（必須實現）分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層MAC層通過協調功能來確定在基本服務集BSS中的移動站在什么時間能發送數據或接收數據。33MAC層無爭用服務爭用服務分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層DCF子層在每一個結點使用CSMA機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發送權。因此DCF向上提供爭用服務。34MAC層無爭用服務爭用服務分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層PCF子層使用集中控制的接入算法把發送數據權

輪流交給各個站從而避免了碰撞的產生35分布協調和點協調的MAC層AccessmethodsDCFCSMA/CA(強制的)DCF/RTS/CTS(可選的)在現實中很少使用，WHY?PCF(可選的)36討論:如何使PCF和DCF協同工作？37幀間間隔IFS38802.11的MAC協議其它問題：可靠性接收方正確收到幀發回確認使用計時器，序號電源管理設置幀中的電源管理位服務質量讓某些應用具有較高的優先級—如何實現？安全39802.11使用確認機制ACK1timeABframe1frame2ACK2DIFS退避SIFSDIFS問題：幀丟失怎么辦？40數據幀丟失timeout重傳ABframe1frame1ACK1lostTimer退避DIFS退避DIFS41確認幀丟失給幀編號：每個幀有一個序號timeoutABframeframeACK1lostACK1丟棄

重發

ACK重復接收?退避DIFS42電源管理客戶端在發給AP的幀中通告自己進入省電模式設置幀中的電源管理位=1AP緩存所有發給該客戶的流量何時蘇醒？AP喚醒客戶，在收到AP信標幀時蘇醒前提：AP定期廣播信標幀（beaconframe）客戶檢查信標幀中的流量圖，看是否有為它緩存的流量，如果有，給AP發送poll消息，讓AP發送自己醒：客戶有數據發送43WLAN的安全防護無線局域網安全標準802.11iWAPI身份認證及信息加密基于SSID的認證WEP（WiredEquivalentPrivacy）,以RC4為基礎WPA(Wi-FiProtectedAccess)和WPA2，WPA基于AES加密算法WEP易被破解，推薦WPA2449.1.4802.11的MAC幀討論：你認為WLAN幀應該有哪些字段？

459.1.4802.11的MAC幀802.11幀共有三種類型，即控制幀、數據幀和管理幀。下面是數據幀的主要字段。字節22666260~23124幀控制持續期地址1地址2地址3序號控制地址4幀主體FCS協議版本類型子類型到DS從DS更多分片重試功率管理更多數據WEP順序位22411111111MAC首部469.2無線個人區域網WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網絡，不需要使用接入點AP。整個網絡的范圍大約在10m左右標準由IEEE802.15工作組制定無線個人區域網WPAN和個人區域網PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因為PAN不一定都是使用無線連接的。47WPAN和WLAN并不一樣WPAN是以個人為中心來使用的無線個人區域網，它實際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術。WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段。但WLAN卻是同時為許多用戶服務的無線局域網，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網。481.藍牙系統(Bluetooth)最早使用的WPAN是1994年愛立信公司推出的藍牙系統，其標準是IEEE802.15.1藍牙的數據率為720kb/s，通信范圍在10米左右藍牙使用TDM方式和擴頻跳頻FHSS技術組成不用基站的皮可網(piconet)。49皮可網(piconet)Piconet直譯就是“微微網”，表示這種無線網絡的覆蓋面積非常小每一個皮可網有一個主設備(Master)和最多7個工作的從設備(Slave)通過共享主設備或從設備，可以把多個皮可網鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(scatternet)這種主從工作方式的個人區域網實現起來價格就會比較便宜50藍牙系統中的皮可網和擴散網MMSSPSSSSSP皮可網2擴散網皮可網1M——主設備S——從設備P——擱置的設備512.低速WPAN主要用于工業監控組網、辦公自動化與控制等領域，其速率是2～250kb/s。標準是IEEE802.15.4。最近新修訂的標準是IEEE802.15.4-2006。低速WPAN中最重要的就是ZigBee。ZigBee技術主要用于各種電子設備（固定的、便攜的或移動的）之間的無線通信其主要特點是通信距離短（10～80m），傳輸數據速率低，并且成本低廉。52ZigBee的特點功耗非常低在工作時，信號的收發時間很短；而在非工作時，ZigBee結點處于休眠狀態，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。網絡容量大一個ZigBee的網絡最多包括有255個結點，其中一個是主設備，其余則是從設備。若是通過網絡協調器，整個網絡最多可以支持超過64000個結點。53ZigBee的標準在IEEE802.15.4標準基礎上發展而來的。所有ZigBee產品也是802.15.4產品。IEEE802.15.4只是定義了ZigBee協議棧的最低的兩層（物理層和MAC層），而上面的兩層（網絡層和應用層）則是由ZigBee聯盟定義的。54ZigBee的協議棧物理層MAC層網絡層應用層IEEE802.15.4定義ZigBee聯盟定義ZigBee協議棧55ZigBee的組網方式可采用星形和網狀拓撲，或兩者的組合FFDFFDFFDFFDFFDRFD端設備路由器FFDFFD協調器有一個全功能設備(FFD)充當網絡的協調器。數量最多的端設備是精簡功能設備(RFD)結點。563.高速WPAN高速WPAN用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數據，支持11--55Mb/s的數據率，標準是802.15.3IEEE802.15.3a工作組還提出了更高數據率的物理層標準的超高速WPAN，它使用超寬帶(UWB)技術UWB技術工作在3.1--10.6GHz微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶技術使用了瞬間高速脈沖，可支持100--400Mb/s的數據率，可用于小范圍內高速傳送圖像或DVD質量的多媒體視頻文件。579.3無線城域網WMAN(WirelessMetropolitanAreaNetwork)2002年4月通過了IEEE802.16無線城域網的標準。歐洲的ETSI也制訂類似的無線城域網標準HiperMAN。WMAN可提供“最后一英里”的寬帶無線接入（固定的、移動的和便攜的）。在許多情況下，無線城域網可用來代替現有的有線寬帶接入，因此它有時又稱為無線本地環路。58802.11和802.16為什么不能直接用802.11？802.16針對建筑提供無線服務建筑不需要移動802.16更關注通信質量例如，802.16可以使用全雙工通信802.16每個單元的用戶數量較多59WiMAXWorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessWiMAX常用來表示無線城域網WMAN，這與Wi-Fi常用來表示無線局域網WLAN相似IEEE的802.16工作組是無線城域網標準的制訂者，而WiMAX論壇則是802.16技術的推動者兩個正式標準802.16d（它的正式名字是802.16-2004），是固定寬帶無線接入空中接口標準（2~66GHz頻段）。802.16e，是802.16的增強版本，是支持移動性的寬帶無線接入空中接口標準（2~6GHz頻段），它向下兼容802.16

60802.16無線城域網服務范圍ISP802.11WLAN802.11熱點802.11WLAN802.16802.16802.16基站802.16因特網802.16基站802.16802.16電信網61覆蓋范圍幾種無線網絡的比較1Gb/s100Mb/s10Mb/s1Mb/s100kb/s10kb/s用戶數據率PANLANMANWAN802.15.4ZigBee802.15.1藍牙802.15.3超寬帶802.11g,a802.11b802.162G移動通信3G移動通信4G移動通信Wi-FiWiMAX62WLAN組網從WLAN的組網方式可以看到，WLAN的組成除了包括主機系統之外，還需要以下基本設備，即：無線網卡接入點AP無線傳輸介質。63無線網卡WLAN網卡的作用與有線網卡一樣，WLAN主機通過WLAN網卡發送和接收無線信號。無線網卡主要包括NIC單元、擴頻通信機和天線3個功能模塊。NIC單元完成數據鏈路層功能，如建立主機與物理層之間的連接、載波偵聽。擴頻通信機實現無線電信號的接收與發射，同時負責無線信號的差錯判斷與處理。64無線接入點（AP）AP是位于無線局域網拓撲中心位置的無線基站設備。AP的功能是實現無線客戶端之間以及無線局域網和有線局域網之間的互聯AP有兩類通信端口：符合IEEE802.3標準的有線以太網端口符合IEEE802.11標準的WLAN端口802.11b：無線傳輸速率最高為11Mb/s802.11g：無線傳輸速率最高為54Mb/s802.11n：無線傳輸速率最高約為300Mb/s65AP的基本配置天線：802.11b/g標準的AP往往只有1根天線，而802.11n標準的AP則具有2根以上的天線。有線網絡接口：包括局域網端口和廣域網端口局域網接口類型一般都是以太網接口廣域網接口類型根據所連網絡不同而有所不同Phone/ISDN接口：用于通過電話線連網以太網接口：用于通過園區局域網或ADSL