第3章无线局域网

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Jun 23, 2023

一、无线局域网的组成结构

分布式系统

无线接入点

无线介质

💡

几个概念

SA:服务区

BSA:基本服务区 ESA:扩展业务区

BSS:基本业务组 ESS:扩展业务组

1️⃣站STA

站也称为主机或终端，是无线局域网最基本组成单元。包括：

终端用户设备

无线网络接口

网络软件

2️⃣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。

由物理层标准定义

3️⃣无线接入点

无线接入点是一种特殊的站，通常处于BSA（基本服务区）的中心，固定不动

具有无线网络接口,包括与分布式系统的接口、无线网络接口及相关软件。

⭐无线接入点功能：

接入点（完成非AP站对分布式系统接入访问，BSS不同站通信连接）

桥接点（完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。）

控制中心（BSS控制中心，对其他非AP的站的控制和管理）

4️⃣分布式系统DS

分布式系统是用来连接多个BSA的通信信道，连接之后形成一个扩展业务区ESA,从而使得网络覆盖更大的区域。DS信道可以是有线或无线。同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组ESS。

分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连，Portal可以是单一设备，也可以和AP共存于同一设备中。Portal能识别无线局域网的帧、DS上的帧、骨干网的帧，并能相互转换。

二、拓扑结构

两种基本拓扑结构/组网方式⭐⭐⭐

拓扑类型	特点	优点	缺点
分布对等式拓扑 (IBSS)	一种独立的BSS，它至少有两个站，是一种典型的、以自发方式构成的单区网。称为特别网络或自组织网络，对等、分布式、无中心。不能接入DS。	结构简单、组网迅速、使用方便、抗毁性强(多用于临时组网和军事通信)	站点竞争公用信道，限制网络性能。
基础结构集中式拓扑	通过AP控制各站之间的通信。AP提供到有线网络连接和中继功能。	站点布局限制小、路由复杂性低、便于管理、易伸缩等优点	抗毁性较差，AP复杂度较大

ESS网络拓扑⭐

属于同一个ESA的所有站组成ESS,是由多个BSS组成的多区网，其中每个BSS有BSSID,若网络由多个ESS组成也会有ESSID。

散步或越区切换：一个站从一个BSA移动到另一个BSA。(链路层移动)

漫游：一个站从一个ESA移动到另一个ESA(网络层移动/IP移动)

中继或桥接型网络拓扑：

两个或多个网络(LAN或WLAN)或网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来，拓展WLAN覆盖范围。

三、无线局域网的服务

STA服务

分布式系统服务

(二者均由MAC层使用)

802.11九种服务，3种移动数据，6种管理操作。

服务间关系：

STA认证状态和联结状态两个状态变量，共三种本地状态：

四、IEEE 802.11x无线局域网协议体系

LLC和其他802局域网一并共用，MAC子层为多种物理标准共用。802.11物理层有如下几种：

IEEE 802.11 跳频	2.4GHz,1-2Mb/s
IEEE 802.11 直接序列扩频	2.4GHz,1-2Mb/s
IEEE 802.11 红外线	1-2Mb/s
IEEE 802.11a	5GHz,6-54Mb/s
IEEE 802.11b	2.4GHz,1-11Mb/s
IEEE 802.11g	2.4GHz,54Mb/s
IEEE 802.11n	108-340Mb/s

物理层分成：

PMD(物理介质依赖子层) 调制解调编码解码发送

PLCP(物理层汇聚协议) 向上提供独立于传输技术的物理层访问点(SAP)

物理层管理子层信道选择协调

MAC层分成

MAC子层控制介质访问，用户数据分段，加密

MAC管理子层站与AP关联、漫游

站管理子层作用

协同两个管理层

高层功能

💡

欧洲WLAN产业标准的代表是以HiperLAN为典型的宽带无线接入网(BRAN)，是以无线ATM(WATM)为基础的面向连接业务的标准。

💡

Wi-Fi联盟的作用:

在无线局域网标准的采纳和市场化推进中，Wi-Fi联盟(论坛)起到了主导作用

无线以太兼容性联盟WECA1999年成立,后更名WiFi联盟，建立了用于验证802.11b产品互操作能力的一套测试程序。

2004年起，验证的802.11b产品使用名称是Wi-Fi。

Wi-Fi针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5。

Wi-Fi认证已扩展到802.11n

五、IEEE802.11物理层

1️⃣初始化的IEEE 802.11物理层

定义了三个媒体

跳频扩频	2.4GHz,1-2Mb/s
直接序列扩频	2.4GHz,1-2Mb/s
红外线(850nm-950nm)	1-2Mb/s

跳频扩频和直接序列扩频都在2.4GHz 的ISM波段上。

2️⃣IEEE 802.11 a/g/b/n 物理层

ㅤ	ㅤ	ㅤ
IEEE 802.11a	5GHz的ISM,54Mb/s	使用正交频分多路复用技术(OFDM)(多载波调制)采用了54个频率(48个用于数据，4个用于同步控制)使用非授权国家信息架构频段UNII。设计动机部分源于欧洲的HiperLAN/A兼容
IEEE 802.11b	2.4GHz, 1、2、5.5-11Mb/s 。覆盖范围是11a七倍。	采用高速率直接序列扩频技术(HR-DSSS)。使用补码键控CCK以获得可调整的数据速率。已发展到4，5代，1-6Mbps.吞吐量。
IEEE 802.11g	2.4GHz,54Mb/s	使用正交频分多路复用技术，兼备11a和11b的特点。比11a功耗小，传输距离长，穿透力强。支持多模式。
IEEE 802.11n	2.4GHz,5GHz。200Mb/s	MIMO无线通信,扩展带宽的OFDM

六、IEEE802.11 MAC层

MAC层三大功能：⭐⭐⭐

可靠数据传送

访问控制(或者接入控制)

安全

💡

设计目标：一个MAC支持多个PHY,抗干扰能力，处理隐藏节点，限时服务，QOS,节能，私密性和访问控制，重载下可扩展且稳定。

1️⃣可靠的数据传送——帧交换协议

双帧交换：

当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认(ACK)帧。此交换被作为一个原子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。没有收到ACK，它会重发帧。

四帧交换：(进一步提高可靠性且解决隐藏终端暴露终端问题)

源站点先向目的站点发送一个RTS帧(请求发送)，收到后，源站点用CTS帧响应，收到CTS后源站点发送数据帧，收到数据帧目的站点以ACK响应。

RTS会让源节点接收范围内的站点不发送，CTS会让目的节点接收范围内不发送。

2️⃣接入控制

基于竞争的CSMA/CA 的DCF方法

支持时限服务的免竞争PCF轮询方法0

DCF分布式协调功能

CSMA/CA算法：⭐⭐⭐

载波帧听多点接入(CSMA)冲突避免(CA)协议

载波帧听实现：

介质空，传输帧

介质忙，等传完

RTS/CTS是例外

冲突避免实现：

随机后退算法

优先级确认协议

三种IFS

CSMA/CA算法工作原理：

空闲时间大于IFS立即传输

否则，等待传输完毕，再等IFS

如果等IFS后空闲则开始随机后退(随机后退时帧听每个时间槽是否有活动，若无则减少backoff时间)

后退过程中介质忙则挂起码backoff过程

等待传输结束恢复后退过程

CSMA/CA的基本DCF

如果介质空闲时间大于DIFS,则节点立即访问介质。

如果忙则等待DIFS,然后进入竞争阶段

竞争窗口中每个节点选择一个随机后退时间，延迟这段时间访问介质

后退过程中介质忙则挂起码backoff过程，只有在介质闲时才倒计时。

若延迟后介质仍然空则节点立即访问介质

如果介质忙则重新开始竞争

每个节点在下一次竞争有相同发送数据机会，保证了公平性。

指数后退算法：竞争窗口初始化为某个最小值，发生冲突加大窗口，直到最大值。

1.隐藏终端

隐藏终端是指在接收节点的范围内，但不在发送节点的范围内的节点。隐藏节点能干扰接收端但不能帧听发送端。

2.RTS/CTS怎么解决隐藏终端和暴露终端问题?⭐

发送者准备发送数据前先发送一个RTS,接收者收到RTS后响应一个CTS,发送者收到CTS后则开始传数据，接受者收到数据后则返回一个ACK。在这个过程中帧听到RTS的节点等待足够长的时间访问信道，从而避免了暴露终端问题，而帧听到CTS的节点，也等待足够长的时间，避免了隐藏节点向接收节点发送，从而避免了隐藏终端问题。

点协调功能

PCF是一个在DFC之上实现的替代接入方式。该操作由中央轮询主机(点协调者)的轮询组成。

点协调者在发布轮询时使用PIFS。由于PIFS小于DIFS，点协调者能获得媒体，并在发布轮询及接收响应期间，锁住所有的非同步通信。

七、Wi-Fi的保护接入(WPA)

包含了认证、加密和数据完整性校验三个组成部分，是一个完整的安全性方案。要求使用认证服务器AS并定义了一个更为健壮的认证协议。

所有认证密钥分发管理由第三方服务区进行，可以确保

密钥动态更新

统一管理