數據與計算機通信課件17wireles無線網絡

1、課件制作人：謝希仁計算機網絡（第 5 版）第 9 章 無線網絡課件制作人：謝希仁第 9 章 無線網絡9.1 無線局域網 WLAN 9.1.1 無線局域網的組成 9.1.2 802.11 標準中的物理層 9.1.3 802.11 標準中的 MAC 層 9.1.4 802.11 標準中的 MAC 幀9.2 無線個人區(qū)域網 WPAN9.3 無線城域網 WMAN 課件制作人：謝希仁9.1 無線局域網9.1.1 無線局域網的組成n有固定基礎設施的無線局域網AP1AP2一個基本服務集 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

2、本 BSS 的基站。 AP1AP2基本服務集內的基站叫做接入點 AP (Access Point)其作用和網橋相似。AP1AP2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(jié)的服務集標識符 SSID 和一個信道。 AP1AP2一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(tǒng) DS (Distribution System)，然后再接入到另一個基本服務集，構成擴展的服務集ESS (Extended Service Set)。AP1AP2ESS 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（例如，到有線連接的因特網）的接

3、入。門戶的作用就相當于一個網橋。 AP1AP2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。 課件制作人：謝希仁與接入點 AP 建立關聯(association)n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。n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(chuàng)建了一個虛擬線路。n只有關聯的 AP 才向這個移動站發(fā)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(fā)送數據幀。課件制作人：謝希仁移動站與 AP 建立關聯的方法n被動掃描，即移動站等

4、待接收接入站周期性發(fā)出的信標幀(beacon frame)。n信標幀中包含有若干系統(tǒng)參數（如服務集標識符 SSID 以及支持的速率等）。n主動掃描，即移動站主動發(fā)出探測請求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應幀(probe response frame)。課件制作人：謝希仁熱點(hot spot)n現在許多地方，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。n由許多熱點和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點也就是公眾無線入網點。n現在也出現了無線因特網服務提供者 W

5、ISP (Wireless Internet Service Provider)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。課件制作人：謝希仁2. 移動自組網絡又稱自組網絡(ad hoc network) 自組網絡AEDCBF源結點目的結點轉發(fā)結點轉發(fā)結點轉發(fā)結點n自組網絡是沒有固定基礎設施（即沒有 AP）的無線局域網。這種網絡由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網絡。課件制作人：謝希仁移動自組網絡的應用前景 n在軍事領域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網絡進行通信。n這種組網方式也能夠應用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇

6、群、空中的機群。 n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， 課件制作人：謝希仁無線傳感器網絡 WSN (Wireless Sensor Network) n由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡。n無線傳感器網絡的應用是進行各種數據的采集、處理和傳輸，一般并不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。n由于無線傳感結點的存儲容量受限，因此對協議棧的大小有嚴格的限制。n無線傳感器網絡還對網絡安全性、結點自動配置、網絡動態(tài)重組等方面有一定的要求。 課件制作人：謝希仁傳感器結點的形狀(a)和組成(b) 存儲器CPU傳感器硬件電池無線

7、收發(fā)器(a)(b)課件制作人：謝希仁無線傳感器網絡主要的應用領域 n環(huán)境監(jiān)測與保護（如洪水預報、動物棲息的監(jiān)控）；n戰(zhàn)爭中對敵情的偵查和對兵力、裝備、物資等的監(jiān)控；n醫(yī)療中對病房的監(jiān)測和對患者的護理；n在危險的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測；n城市交通管理、建筑內的溫度/照明/安全控制等。 課件制作人：謝希仁移動自組網絡和移動 IP 并不相同 n移動 IP 技術使漫游的主機可以用多種方式連接到因特網。n移動 IP 的核心網絡功能仍然是基于在固定互聯網中一直在使用的各種路由選擇協議。n移動自組網絡是將移動性擴展到無線領域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協議，并且可以不和因特網相連

8、。 課件制作人：謝希仁幾種不同的接入n固定接入(fixed access)在作為網絡用戶期間，用戶設置的地理位置保持不變。n移動接入(mobility access)用戶設置能夠以車輛速度移動時進行網絡通信。當發(fā)生切換時，通信仍然是連續(xù)的。n便攜接入(portable access)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。n游牧接入(nomadic access)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 課件制作人：謝希仁9.1.2 802.11 局域網的物理層n802.11 無

9、線局域網可再細分為不同的類型。n現在最流行的無線局域網是 802.11b，而另外兩種（802.11a 和 802.11g）的產品也廣泛存在。 n802.11 的物理層有以下幾種實現方法：n直接序列擴頻 DSSSn正交頻分復用 OFDM n跳頻擴頻 FHSS （已很少用）n紅外線 IR （已很少用） 課件制作人：謝希仁幾種常用的 802.11 無線局域網 標準頻段數據速率物理層優(yōu)缺點802.11b2.4 GHz最高為11 Mb/sHR-DSSS 最高數據率較低，價格最低，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙 802.11a5 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數據率較高，支持更多用戶同時上網，價格

10、最高，信號傳播距離較短，且易受阻礙802.11g2.4 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數據率較高，支持更多用戶同時上網，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙，價格比 802.11b貴課件制作人：謝希仁9.1.3 802.11 局域網的 MAC 層協議1. CSMA/CA 協議 無線局域網卻不能簡單地搬用 CSMA/CD 協議。這里主要有兩個原因。nCSMA/CD 協議要求一個站點在發(fā)送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大。n即使我們能夠實現碰撞檢測的功能，并且當我們在發(fā)送數據時檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。 課件制作人：謝希

11、仁無線局域網的特殊問題 當 A 和 C 檢測不到無線信號時，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數據，結果發(fā)生碰撞。這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hidden station problem) A 的作用范圍C 的作用范圍ABCD課件制作人：謝希仁無線局域網的特殊問題 B 向 A 發(fā)送數據，而 C 又想和 D 通信。C 檢測到媒體上有信號，于是就不敢向 D 發(fā)送數據。 其實 B 向 A 發(fā)送數據并不影響 C 向 D 發(fā)送數據這就是暴露站問題(exposed station problem) ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍課件制作人：謝希仁CSMA/CA 協議

12、 n無線局域網不能使用 CSMA/CD，而只能使用改進的 CSMA 協議。n改進的辦法是把 CSMA 增加一個碰撞避免(Collision Avoidance)功能。n802.11 就使用 CSMA/CA 協議。而在使用 CSMA/CA 的同時，還增加使用停止等待協議。n下面先介紹 802.11 的 MAC 層。 802.11 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(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點協調功能 PCF(Point Coordination Function)物理層MAC 層通過協

13、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(fā)送數據或接收數據。 MAC 層無爭用服務爭用服務分布協調功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點協調功能 PCF(Point Coordination Function)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(fā)送權。因此 DCF 向上提供爭用服務。 MAC 層無爭用服務爭用服務分布協調功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點協調功能 PCF(Point Coo

14、rdination Function)物理層PCF 子層使用集中控制的接入算法把發(fā)送數據權輪流交給各個站從而避免了碰撞的產生 課件制作人：謝希仁幀間間隔 IFS n所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔 IFS (InterFrame Space)。n幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權。n若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會。 三種幀間間隔 時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送

15、第 1 幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時間有幀要發(fā)送源站時間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送SIFS，即短(Short)幀間間隔，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個站應當能夠在這段時間內從發(fā)送方式切換到接收方式。使用 SIFS 的幀類型有：ACK 幀、CTS 幀、由過長的 MAC 幀分片后的數據幀，以及所有回答 AP 探詢的幀和在 PCF 方式中接入點 AP 發(fā)送出的任何幀。三種幀間間隔 時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試

16、時間有幀要發(fā)送源站時間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送PIFS，即點協調功能幀間間隔，它比 SIFS 長，是為了在開始使用 PCF 方式時（在 PCF 方式下使用，沒有爭用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS 的長度是 SIFS 加一個時隙(slot)長度。 時隙的長度是這樣確定的：在一個基本服務集 BSS 內當某個站在一個時隙開始時接入到媒體時，那么在下一個時隙開始時，其他站就都能檢測出信道已轉變?yōu)槊B(tài)。 三種幀間間隔 時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時間有幀要發(fā)送源站時間目的站ACKSIF

17、S 其他站有幀要發(fā)送DIFS，即分布協調功能幀間間隔（最長的 IFS），在 DCF 方式中用來發(fā)送數據幀和管理幀。DIFS 的長度比 PIFS 再增加一個時隙長度。 課件制作人：謝希仁CSMA/CA 協議的原理 n欲發(fā)送數據的站先檢測信道。在 802.11 標準中規(guī)定了在物理層的空中接口進行物理層的載波監(jiān)聽。n通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數值就可判定是否有其他的移動站在信道上發(fā)送數據。n當源站發(fā)送它的第一個 MAC 幀時，若檢測到信道空閑，則在等待一段時間 DIFS 后就可發(fā)送。 課件制作人：謝希仁為什么信道空閑還要再等待 n這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。n如有，就

18、要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。 課件制作人：謝希仁假定沒有高優(yōu)先級幀要發(fā)送 n源站發(fā)送了自己的數據幀。n目的站若正確收到此幀，則經過時間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認幀 ACK。n若源站在規(guī)定時間內沒有收到確認幀 ACK（由重傳計時器控制這段時間），就必須重傳此幀，直到收到確認為止，或者經過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。 課件制作人：謝希仁虛擬載波監(jiān)聽 n虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)的機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發(fā)送數據。n這樣就大大減少了碰撞的機會。 n“虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他

19、站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數據。課件制作人：謝希仁虛擬載波監(jiān)聽的效果 n這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。n所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個字段“持續(xù)時間”中填入了在本幀結束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認幀所需的時間。 課件制作人：謝希仁網絡分配向量 n當一個站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時間”字段時，就調整自己的網絡分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。nNAV 指出了必須經過多少時間才能完成數據幀的這次傳輸，才能使信道轉入到空閑狀態(tài)。 課件制作人：謝希

20、仁爭用窗口 n信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時，任何一個站要發(fā)送數據幀時，不僅都必須等待一個 DIFS 的間隔，而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道。n在信道從忙態(tài)轉為空閑時，各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。n802.11 使用二進制指數退避算法。 圖例 凍結剩余的退避時間幀幀幀幀幀DIFSDIFSDIFSDIFS爭用窗口爭用窗口爭用窗口爭用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt凍結凍結凍結凍結凍結802.11 的退避機制課件制作人：謝希仁二進制指數退避算法 n第 i 次退避就在 22 + i 個時隙中隨機地選擇一個，即： 第 I 次退避是在時隙 0,

21、1, , 22 + i 1 中隨機地選擇一個。 。n第 1 次退避是在 8 個時隙（而不是 2 個）中隨機選擇一個。n第 2 次退避是在 16 個時隙（而不是 4 個）中隨機選擇一個。 課件制作人：謝希仁退避計時器(backoff timer)n站點每經歷一個時隙的時間就檢測一次信道。這可能發(fā)生兩種情況。n若檢測到信道空閑，退避計時器就繼續(xù)倒計時。n若檢測到信道忙，就凍結退避計時器的剩余時間，重新等待信道變?yōu)榭臻e并再經過時間DIFS 后，從剩余時間開始繼續(xù)倒計時。如果退避計時器的時間減小到零時，就開始發(fā)送整個數據幀。 課件制作人：謝希仁退避算法的使用情況 n僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢

22、測到信道是空閑的，并且這個數據幀是要發(fā)送的第一個數據幀。n除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。即：n在發(fā)送第一個幀之前檢測到信道處于忙態(tài)。n在每一次的重傳后。n在每一次的成功發(fā)送后。 課件制作人：謝希仁A 的作用范圍B 的作用范圍2. 對信道進行預約 n802.11 允許要發(fā)送數據的站對信道進行預約。 ACBDERTSRTS源站 A 在發(fā)送數據幀之前先發(fā)送一個短的控制幀，叫做請求發(fā)送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應的確認幀）所需的持續(xù)時間。 課件制作人：謝希仁A 的作用范圍B 的作用范圍2. 對信道進行預約 n802.11 允許要發(fā)送

23、數據的站對信道進行預約。 CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個響應控制幀，叫做允許發(fā)送 CTS (Clear To Send)，它包括這次通信所需的持續(xù)時間（從 RTS 幀中將此持續(xù)時間復制到 CTS 幀中）。 A 收到 CTS 幀后就可發(fā)送其數據幀。 課件制作人：謝希仁RTS 和 CTS 幀以及數據幀和ACK 幀的傳輸時間關系 時間DIFSRTSSIFS時間NAV（RTS）DIFS爭用窗口推遲接入源站時間目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS數據NAV（CTS）NAV（數據）課件制作人：謝希仁9.1.4 802.11 局域網的 MAC 幀n802.11 幀共有三種類

24、型，即控制幀、數據幀和管理幀。n下面是數據幀的主要字段。 字節(jié) 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4幀控制持續(xù)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 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部課件制作人：謝希仁802.11 數據幀的三大部分 nMAC 首部，共 30 字節(jié)。幀的復雜性都在幀的首部。n幀主體，也就是幀的數據部分，不超過2312 字節(jié)。這個數值比以太網的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都是小于 1500 字節(jié)。n幀檢驗序列 FCS 是尾部，共 4 字節(jié) 課件制

25、作人：謝希仁1. 關于 802.11 數據幀的地址n802.11 數據幀最特殊的地方就是有四個地址字段。地址 4 用于自組網絡。我們在這里只討論前三種地址。 到 DS從 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址11AP 地址源地址目的地址課件制作人：謝希仁2.序號控制字段、持續(xù)期字段和幀控制字段 n序號控制字段占 16 位，其中序號子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。n持續(xù)期字段占 16 位。n幀控制字段共分為 11 個子字段。n協議版本字段現在是 0。n類型字段和子類型字段用來區(qū)分幀的功能。n更多分片字段置為 1 時表明這個幀屬于一個幀的多個分片之一。n有線等效

26、保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。 課件制作人：謝希仁分片的發(fā)送舉例 ttt源站目的站 其他站RTSCTS分片 1ACK分片 2ACK分片 3ACKSIFSNAV (RTS)NAV (CTS)長的幀劃分為許多分片課件制作人：謝希仁9.2 無線個人區(qū)域網 WPAN (Wireless Personal Area Network) n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。n整個網絡的范圍大約在 10 m 左右。n無線個人區(qū)域網 WPAN 和個人區(qū)域網 PAN (Personal Area Netwo

27、rk)并不完全等同，因為 PAN 不一定都是使用無線連接的。 課件制作人：謝希仁WPAN 和 WLAN 并不一樣。 nWPAN 是以個人為中心來使用的無線人個區(qū)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 2.4 GHz 的 ISM 頻段。 n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。 課件制作人：謝希仁1. 藍牙系統(tǒng)(Bluetooth)n最早使用的 WPAN 是 1994 年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標準是 IEEE 802.15.1 。n藍牙的數據率為 720 kb/s，通信范圍在 10 米左右

28、。n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)。課件制作人：謝希仁皮可網(piconet)nPiconet 直譯就是“微微網”，表示這種無線網絡的覆蓋面積非常小。n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)。n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)。n這種主從工作方式的個人區(qū)域網實現起來價格就會比較便宜。 課件制作人：謝希仁藍牙系統(tǒng)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 擱置的設備課件制作人：謝希仁2. 低

29、速 WPAN n低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網、辦公自動化與控制等領域，其速率是 2 250 kb/s。n低速 WPAN 的標準是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標準是 IEEE 802.15.4-2006。n低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。nZigBee 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 80 m），傳輸數據速率低，并且成本低廉。 課件制作人：謝希仁ZigBee 的特點n功耗非常低。在工作時，信號的收發(fā)時間很短；而在非工作時，ZigBee 結點處于休眠狀態(tài)，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于

30、1% 的情況，電池的壽命甚至可以超過10 年。n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。 課件制作人：謝希仁ZigBee 的標準n在 IEEE 802.15.4 標準基礎上發(fā)展而來的。n所有 ZigBee 產品也是 802.15.4 產品。nIEEE 802.15.4 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。課件制作人：謝希仁ZigBee 的協議棧 物理層MAC 層網絡層應用層IEEE 802.15.4 定義ZigBee 聯盟定義ZigBee協議棧課件制作人：謝希仁ZigBee 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。ZigBee 網絡中數量最多的端設備是精簡功能設備 RFD 結點。 課件制作人：謝希仁3. 高速 WPANn高速 WPAN 用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數據，支持11 55 Mb/s的數據率，標準是 802.15.3， 。nIEEE 802.15.3a 工作組還提出