計算機網絡技術及應用

（第2版）第四章第4章無線局域網本章主要內容無線局域網概述；無線局域網MAC層；無線局域網工作過程；無線局域網數據傳輸過程。4.1無線局域網概述本講主要內容無線局域網體系結構；無線電傳輸；無線局域網拓撲結構；無線局域網標準。一、無線局域網體系結構無線局域網的數據傳輸實際上由MAC子層實現，但用LLC子層給出數據類型；事實上，IEEE定義的局域網都用LLC子層給出數據類型，第3章的以太網幀格式是以太網標準，不是802.3標準。基于無線局域網的TCP/IP體系結構無線局域網表示數據類型的方式二、無線電傳輸通過電磁波在自由空間的傳播實現無線電通信。相同頻率的電磁波產生干擾。電磁波頻段和發射功率嚴格控制。電磁波頻譜帶寬決定傳輸速率。高頻段高帶寬。紫外線以上的有傷害性。可見光有直線傳播特性。微波段電磁波進行數據傳輸。二、無線電傳輸ISM頻段開放公共通信；功率嚴格限制；容易受到干擾。二、無線電傳輸無線電傳輸的幾個問題能量損耗，能量損耗與傳播距離平方成正比；干擾，尤其是ISM頻段；多徑效應。二、無線電傳輸多徑效應示意圖ISM頻段存在問題及應對方法傳輸速率取決于帶寬和信噪比，用帶寬彌補能量限制；通過擴頻技術和糾錯碼解決干擾，這是用傳輸速率換取可靠性的技術；多徑效應導致信號質量降低，必須根據信號質量調整傳輸速率。二、無線電傳輸三、無線局域網拓撲結構獨立基本服務集（IBSS）擴展服務集（ESS）獨立基本服務集由單個無線局域網組成，終端間直接通信；擴展基本服務集由分配系統互連的多個無線局域網組成，無線局域網通過AP接入分配系統；在設有AP的服務集，終端必須先和AP建立關聯，終端之間通信經過AP。不同的只是物理層，MAC層相同；通過無線電通信，數字信號必須調制成模擬信號；物理層標準涉及載波頻段，調制技術等。四、無線局域網標準各標準之間關系四、無線局域網標準物理層標準的主要區別電磁波頻段；信號調制技術；容錯技術（抗干擾技術）。802.11DSSS將2.4G頻段（2.401～2.407）分成11個信道，每個信道22MHz帶寬；顯然，信道之間頻率重疊，為了避免干擾，相鄰通信區域必須使用沒有頻率重疊的信道；完全沒有頻率重疊的信道是信道號間隔5的信道，在11范圍內，最多只有3個之間沒有頻率重疊的信道，分別是1、6和11，因此，它們是最常用的信道號；802.11DSSS在采用不同的調制技術下，傳輸速率分別是1Mbps或2Mbps；802.11b和802.11g是802.11DSSS的高速版。四、無線局域網標準802.11DSSS4.2無線局域網MAC層本講主要內容MAC幀結構；差錯控制和尋址過程；DCF和CSMA/CA。一、MAC幀結構無線局域網MAC幀可以和以太網MAC幀比較，主要區別在于控制字段，4個地址字段和順序控制字段；無線局域網MAC幀分為控制。管理和數據三種類型，這與無線電通信方式有關；由于無線傳輸的不可靠性，需要在MAC層將由同一MAC幀封裝的數據分片；各個字段的功能在以后的操作過程中詳細討論。二、差錯控制和尋址過程無線電通信由于存在能量損耗、干擾和多徑效應的影響，傳輸可靠性不高，另外由于存在隱蔽站問題，導致發送端無法檢測到可能發生的沖突；無線傳輸媒體兩端采用差錯控制中的停止等待算法；如果無線傳輸媒體兩端和不是MAC幀的源和目的端，MAC幀需要多于兩個地址。IBSS中兩個終端通信情況BSS中兩個終端通信情況以太網互連多個無線局域網（BSS），AP作為互連無線局域網和以太網的網橋；由于以太網和無線局域網具有相同的編址結構（MAC地址），這種連接方式是最簡單的；由于源和目的地址與某一段無線傳輸媒體的兩端地址不同，MAC幀經過無線傳輸媒體時需要三個MAC地址。二、差錯控制和尋址過程DS為以太網時ESS中兩個終端之間通信的情況如果分配系統本身是無線傳輸媒體，則MAC幀通過這一段無線傳輸媒體時需要四個MAC地址：源和目的地址，這一段傳輸媒體的發送和接收端地址；無線局域網多地址結構的主要原因在于MAC幀經過每一段無線傳輸媒體時需要進行確認應答，因此，需要知道這一段無線傳輸媒體兩端的地址，即發送和接收端地址。二、差錯控制和尋址過程DS為無線傳輸媒體時ESS中兩個終端之間通信的情況

同一BSS內的終端使用相同的信道，這些終端爭用公共信道的過程和總線形以太網中終端爭用總線過程十分相似；由于存在隱蔽站問題，發送端無法檢測出所有可能發生的沖突，沖突檢測改為沖突避免；由于無線電通信的不可靠性，無線傳輸媒體采用停止等待差錯控制算法；為了提高通信效率，無線局域網采用自由競爭和信道預留兩套機制。三、DCF和CSMA/CA隱蔽站問題

CSMA/CA算法的特點是爭用總線，即信道持續空閑DIFS時間，認為信道空閑；通過NAV預約信道，預留時間通過MAC幀中的持續時間字段給出，預約時間內等同于信道忙；在可能存在多個終端同時爭用信道的情況下，通過隨機產生退避時間，使得各個終端發送數據的時間不同，以此避免沖突發生；終端發送數據的前提是持續DIFS時間＋退避時間信道一直空閑。三、DCF和CSMA/CACSMA/CA算法進入退避時間的前提是可能發生多個終端同時發送數據的問題，即沖突；如果終端第一次發送數據時檢測到信道空閑且空閑持續DIFS時間，發生多個終端同時發送數據的前提是多個終端同時檢測信道，概率較低，因而無須進入退避時間；如果終端第一次發送數據時檢測到信道忙，在等待信道由忙轉為空閑的時間內，可能有多個終端開始檢測信道，因此，發生沖突的概率較大，需要進入退避時間。三、DCF和CSMA/CA終端檢測信道時信道空閑和忙這兩種情況

實現終端A至終端C，終端B至AP的數據傳輸過程三、DCF和CSMA/CADCF操作過程終端A、B開始檢測信道時，信道為忙，因此，隨機選擇退避時間；由于終端A選擇的退避時間小于終端B，終端A開始發送數據，終端B停止退避時間，等待信道再次由忙轉為空閑；AP向終端A發送確認應答采用預留信道功能，預留時間包含在終端A向AP發送的MAC幀中，這段時間內，其他終端視為信道忙；AP向終端C發送數據再次和終端B爭用信道。三、DCF和CSMA/CA4.3無線局域網工作過程本講主要內容BSS配置信息；同步過程；鑒別過程；建立關聯過程。一、BSS配置信息同一BSS需要配置三組參數服務集標識符（SSID）；使用的信道；如果采用共享密鑰鑒別機制，還需配置密鑰。AP需配置三組參數；終端只需配置SSID和密鑰（如果需要的話），信道通過同步過程確定。二、同步過程同步過程終端確定和自己SSID相同，信號強度最大的AP；確定AP使用的信道；確定和AP在物理層標準、傳輸速率存在交集；確定AP的MAC地址（也稱BSSID）。被動同步，逐個信道偵聽信標幀；主動同步，逐個信道發送探測請求幀；無論主動，或是被動，都是尋找和自己SSID相同，信號強度最大的AP和信道。二、同步過程被動同步逐個信道偵聽信標幀主動同步逐個信道探測三、鑒別過程鑒別過程確定終端是否授權；只有授權終端掌握密鑰；鑒別過程就是判別終端是否掌握密鑰的過程；假定AP擁有密鑰K，AP向終端發送明文P，并用密鑰加密P(EK(P))，終端用自己擁有的密鑰K1加密P，Y=EK1(P)，如果K1等于K，則Y=EK(P)。鑒別過程四、建立關聯過程允許建立關聯的前提是完成同步過程和鑒別過程，AP具有終端接入需要的資源；一旦成功建立關聯，將為終端在關聯表中建立一項，其中包含終端MAC地址；以后，AP確定終端是否屬于它所服務的BSS的標準就是終端MAC地址是否包含在關聯表中，AP只轉發源MAC地址包含在關聯表中的MAC幀。建立關聯過程4.4無線局域網數據傳輸過程本講主要內容同一BSS內終端之間數據傳輸過程；不同BSS終端之間數據傳輸過程；MAC層漫游過程。一、同一BSS內終端之間數據傳輸過程終端A發送數據至終端C的前提是終端A和終端C都已經和AP建立關聯；終端A和終端C通過同步過程獲取AP的MAC地址。網絡結構終端A發送數據給終端C之前，必須先獲取終端C的MAC地址；終端A至終端C數據傳輸路徑分為兩段：終端A至AP和AP至終端C；終端A至AP，AP是接收端，AP至終端C，AP是發送端，每一段無線傳輸路徑都需給出該段無線傳輸路徑兩端地址。一、同一BSS內終端之間數據傳輸過程DCF操作過程二、不同BSS終端之間數據傳輸過程數據ACK數據ACK網絡結構終端A首先獲取終端I的MAC地址終端A通過BSS1將MAC幀發送給AP1AP1確定終端A是授權終端，終端I不在BSS1AP1將MAC幀發送給以太網，以太網完成MAC幀格式轉換MAC幀在以太網內廣播，到達所有AP，AP3確定終端I屬于BSS3，將MAC幀發送給BSS3傳輸路徑分為三段：BSS1、以太網和BSS3；終端A通過同步過程獲取AP1的MAC地址，并將MAC幀發送給AP1；AP1通過檢索關聯表確認源終端－終端A是授權終端，目的終端－終端I不在BSS1；以太網以目的終端MAC地址－MACI尋找AP1至AP3的交換路徑，如果不存在，則廣播；AP3通過檢索關聯表確定目的終端－終端I在BSS3。二、不同BSS終端之間數據傳輸過程三、MAC層漫游過程無縫漫游是指終端無須中斷正在進行的會話可以從一個BSS移動到另一個BSS；MAC層漫游指兩個BSS屬于同一個網絡，即由分配系統連接的多個BSS屬于同一個網絡。終端AMACA當終端A離開BSS1往BSS3移動時，從AP1指定信道接收到的信號的強度越來越弱；終端A通過主動同步過程，選擇AP3，并使用AP3指定的信道，和AP3重新建立關聯；終端A或是通過分離過程解除和AP1