无线网络技术基础--无线局域网-课件

第3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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.1概述3.1.1无线局域网的覆盖范围3.1.2无线局域网的特点3.1.3无线局域网的发展历程与相关标准化活动3.1.4无线局域网的分类与应用3.1.1无线局域网的覆盖范围n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。n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)，从而引起网络设计和实现方面的一些区别。n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n比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区)域网。n广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。n无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。3.1.2无线局域网的特点优点:(1)移动性(Mobility)(2)灵活性(Flexibility)(3)可伸缩性(Scalability)(4)经济性(Saving)无线局域网的局限性(1)可靠性(Reliability)(2)带宽与系统容量(3)兼容性(Compatibility)与共存性(Coexistence)(4)覆盖范围(5)干扰(6)安全性(7)节能管理(8)多业务与多媒体(9)移动性(10)小型化、低价格3.1.3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(3)第三、四代无线局域网：符合IEEE802.11b标准的产品已经较为普及，归为第三代无线局域网产品；而将符合IEEE802.11a、HiperLAN2和IEEE802.11g标准的产品称为第四代无线局域网产品。任务组：研究范围和目标状 态MAC组为WLAN开发MAC机制已完成，作为IEEE 802.11的一部分；被ISO/IEC接纳为8802-11：1999标准PHY组为WLAN开发三种PHY层机制：Infrared，DSSS和FHSS已完成，作为IEEE 802.11的一部分，并被ISO/IEC接纳为8802-11：1999标准TGa开发适用于UNII频段的PHY规范已完成，成为IEEE 802.1la标准，并被ISO/IEC接纳为8802-11：1999(E)标准TGb开发2.4 GHz频段的高速PHY规范已完成，成为IEEE 802.11b标准b-corl纠正802.11b的MIB的不足和缺陷进行中TGc向IEEE 802.1d标准提供所需要的信息，实现网桥和802.11MAC互操作已完成，并作为IEEE 802.1d标准的一部分TGd为MIB定义新的PHY参数，并扩展802.11以适应一些国家的要求进行中TGe增强MAC机制，改进QoS和CoS，增强认证和安全机制(已移至TGi)进行中TGf制定IAPP协议进行中TGg开发新的PHY规范，通过提高速率增强802.11b的性能和可用性已完成，成为IEEE 802.11g标准TGh提高802.11MAC和802.11aPHY的网络管理和控制功能，提供动态信道选择和功率控制进行中TGi增强MAC机制，提高安全和认证机制进行中TGn利用智能天线技术提高传输速率、覆盖范围和系统容量进行中5GSG和ETSI-BRAN合作，研究5GHz频段的全球化和协调Ad Hoc Publicity通过研究应用和操作来推广802.11Ad Hoe Regulatory跟踪各个国家的要求，确保802.11符合他们的要求IEEE802.11下的任务组3.1.4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。无线局域网的分类方法1无线局域网的分类方法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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.2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1.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,包括以下几部分：(1)终端用户设备(2)无线网络接口(3)网络软件无线局域网中移动站的分类移动站的分类固定站半移动站移动站开机使用的移动站固定固定固定/移动关机时的移动站固定固定/移动固定/移动举例台式机便携机掌上机、车载台2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。3.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。是一种特殊的站，通常处于BSA的中心，固定不动。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。4分布式系统DS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ESS。分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连3.2.2无线局域网的拓扑结构n从物理拓扑分类看:单区网SCN和多区网MCNn从逻辑上看:对等式、基础结构式和线型、星型、环型n从控制方式方面来看:无中心分布式、有中心集中控制式n从与外网的连接性来看：独立WLAN和非独立WLAN1分布对等式拓扑 分布对等式网络是一种独立的(Independent)BSS(IBSS)，它至少有两个站。是一种典型的、以自发方式构成的单区网，该工作模式被称作特别网络或自组织网络(Ad Hoc Network)2基础结构集中式拓扑3ESS网络拓扑4.中继或桥接型网络拓扑n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。n采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。3.2.3无线局域网的服务n与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服务主要有两种类型:STA服务和分布式系统服务(DSS)，这两种服务均由MAC层使用。nIEEE802.11标准中定义了九种服务，三种用来移动数据，其余六种是管理操作。1.STA服务(SS)n由STA提供的服务被称为STA服务，它存在于每个STA和AP中。SS包括：(1)认证(Authentication)(2)解除认证(Deauthentication)(3)保密(Privacy)(4)MAC服务数据单元传送（MSDU）2.分布式系统服务(DSS)n由DS提供的服务被称为分布式系统服务。在WLAN中，DSS通常由AP提供。包括：(1)联结(Association)(2)重新联结(Reassociation)(3)解除联结(Disassociation)(4)分布(Distribution)(5)集成(Integration)3服务之间的关系n对于通过WM进行直接通信的STA均有认证状态(值为未被认证和已认证)和联结状态(值为未联结和已联结)两个状态变量。这两个变量为每个远端STA建立了三种本地状态：状态1：初始启动状态，未认证，未联结；状态2：已认证，未联结；状态3：已认证，已联结。状态变量与业务之间的关系第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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.3无线局域网的协议体系1无线网络逻辑结构2.IEEE802.11x无线局域网协议体系IEEE802.11x标准较为完整的协议体系3.HiperLAN协议体系欧洲WLAN产业标准的代表是以HiperLAN为典型的宽带无线接入网(BRAN)，它是以无线ATM(WATM)为基础的面向连接业务的标准。HiperLAN2的协议体系4Wi-Fi联盟的作用n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。n无线以太兼容性联盟WECA1999年成立,后更名Wi-Fi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。n2004年起，验证的802.11b产品使用名称是Wi-Fi。nWi-Fi认证已扩展到802.11gnWi-Fi针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.4IEEE802.11物理层3.4.1初始的IEEE802.11物理层(1)工作在2.4GHz的ISM波段上的直接序列扩频,数据速率为1Mb/s和2Mb/s。(2)工作在2.4GHz的ISM波段上的跳频扩频，数据速率为1Mb/s和2Mb/s。(3)工作在波长介于850nm950nm的红外波段上，其数据速率为1Mb/s和2Mb/s。3.4.2IEEE802.11a1.信道结构IEEE802.11a使用通用网络信息基础结构UNII的频带。UNII-1频段(5.155.25GHz)用于室内；UNII-2频段(5.255.35GHz)用于室内或者室外；UNII-3频段(5.7255.825GHz)用于室外。2编码和调制IEEE802.11a使用正交频分多路复用OFDM。OFDM也称多载波调制，在不同频率上使用多个载波信号，在每个信道上发送若干位，类似于FDM。然而，在OFDM中，所有的子信道被指定给单个的数据源。3.物理层的帧结构3.4.3IEEE802.11bIEEE802.11b是IEEE802.11DSSS模式的一个扩充，提供了在ISM频段上5.5Mb/s和11Mb/s的数据速率。为在相同的分片速度、相同带宽下获得更高的数据速率，使用了一种名为补码键控(complementarycodekeying，CCK)的调制模式。IEEE802.11b物理层协议数据单元3.4.4IEEE802.11gnIEEE802.11g将802.11b的数据率扩展到20Mb/s以上，达到54Mb/s。n与802.11b相同，802.11g操作在2.4GHz范围内，二者兼容。n该标准使得802.11b的设备在连接到一个802.11g的AP上时仍能工作，802.11g的设备连接到一个802.11b的AP上时仍能工作。这两种情况下都使用较低的802.11b的数据率。IEEE802.11g的物理层选项数据率(Mb/s)调制模式数据率(Mb/s)调制模式1DSSS18ERP-OFDM2DSSS22ERP-PBCC55CCK或PBCC24ERP-OFDM6ERP-OFDM33ERP-PBCC9ERP-OFDM36ERP-OFDM11CCK或PBCC48ERP-OFDM12ERP-OFDM54ERP-OFDM3.4.5IEEE802.11nn为满足不断提高WLAN性能的要求，2003年下半年成立了IEEE802.11工作组TGn，目标是通过修正IEEE802.11的PHY层和MAC层，能够传输最低也要达100Mbps的有效数据率。nIEEE802.11n的两个关键技术是MIMO无线通信和扩展信道带宽的OFDM。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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.5IEEE802.11媒体访问控制层n三个功能：n可靠的数据传送n接入控制n安全3.5.1可靠的数据传送nIEEE802.11使用帧交换协议。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。如果因为数据帧被损坏或因为返回的ACK被损坏，源站点在一个短的时间周期中没有收到ACK，它会重发该帧。n为了更进一步地增强可靠性，可以使用四帧交换。（RTS/CTS）3.5.2接入控制n分布接入协议n集中接入协议IEEE802.11的协议体系结构逻辑链路控制逻辑链路控制分布协调功能分布协调功能(DCF)点协调功能点协调功能(PCF)2.4GHz调频调频扩频扩频1Mb/s2Mb/s2.4GHz直序直序扩频扩频1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s红外红外1Mb/s2Mb/s2.4GHz直序直序扩频扩频5.5Mb/s11Mb/sMAC层层自由竞争的服务自由竞争的服务竞争服务竞争服务IEEE802.11IEEE802.11aIEEE802.11b1.分布协调功能nDCF子层利用一个简单的载波监听多点接入CSMA算法：如果一个站点有一个MAC帧要发送，它监听媒体。如果媒体空闲，站点可以发送，否则，该站点必须等到当前发送已完成才能发送。n为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔IFS实现。IEEE802.11媒体接入的控制逻辑等待需发送的帧等待IFS发送帧媒 体 空 闲？依 旧 空 闲？等待IFS当媒体空闲时，按指数率暂停发送帧依 旧 空 闲？等待当前发送结束NNYNYY三种IFSn(1)SIFS(shortIFS，短IFS)：最短的IFS。被用于所有的立即响应动作中。n(2)PIFS(pointcoordinationfunctionIFS，点协调功能IFS)：一个中间长度的IFS。在发布轮询时，被中央控制器用于PCF模式。n(3)DIFS(distributedcoordinationfunctionIFS，分布协调功能IFS)：最长的IFS。作为一个最小的时延，用于非同步帧的接入竞争。基本的接入方法2.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。3.5.3MAC帧MAC帧帧控制域不同的MAC帧类型1.控制帧：6种子类型2.数据帧：8种子类型3.管理帧：11种子类型控制帧类型值类型值 类型描述类型描述子类型值子类型值子类型描述子类型描述0l控制1010节能轮询01控制1011请求发送01控制1100清除发送01控制1101确认01控制1110自由竞争(contention-free，CF)结束01控制1111CF结束+CF确认数据帧类型值类型值类型描述类型描述子类型值子类型值子类型描述子类型描述10数据0000数据10数据0001数据+CF确认10数据0010数据+CF轮询10数据0011数据+CF确认CF轮询10数据0100空功能(无数据)10数据0101CF确认(无数据)10数据0110CF轮询(无数据)10数据0111CF确认+CF轮询(无数据)管理帧类型值类型值类型描述类型描述子类型值子类型值子类型描述子类型描述00管理0000连接请求00管理0001连接响应00管理0010重连请求00管理0011重连响应00管理0100侦测请求00管理0101侦测响应00管理1000信号灯00管理1001宣布通信指示报文00管理1010拆除连接00管理1011认证第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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.6其他IEEE802.11标准nIEEE802.11c关注桥操作。nIEEE802.11d是作为管理范畴(regulatorydomain)更新被提及。nIEEE802.11e对MAC层作了一些修正以改进服务质量并解决了一些安全问题。nIEEE802.11f致力于解决在来自多个厂商的接入点(AP)之间的互操作能力问题。nIEEE802.11h处理频谱和功率管理问题。其他IEEE802.11标准(续)nIEEE802.11i定义了MAC层的安全和认证机制。nIEEE802.11k定义了无线资源测量(RadioResourceMeasurement)，增强了其功能，为较高层提供了无线和网络测量的机制。nIEEE802.11m是一个纠正标准中编辑的和技术问题的工作组正在进行着的活动。nIEEE802.11n正研究对物理层和MAC层的增强范围，以改进信息流通量。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3.7无线局域网安全3.85GWi-Fi3.7无线局域网安全3.7.1安全威胁War-Xing3.7.2IEEE802.11安全标准3.7.3WAPI3.7.1安全威胁War-XingnWar-DrivingnWar-BikingnWar-WalkingnWarChalkingWar-DrivingWar-BikingWar-WalkingWarChalking国外街头开放的WiFi访问点 3.7无线局域网安全3.7.1安全威胁War-Xing3.7.2IEEE802.11安全标准3.7.3WAPI3.7.2IEEE802.11安全标准nIEEE802.11i着重三个主要的安全性领域：认证、密钥管理和数据传递的保密性。n802.11i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。802.11i的各操作阶段3.7无线局域网安全3.7.1安全威胁War-Xing3.7.2IEEE802.11安全标准3.7.3WAPI3.7.3WAPInWAPI（WirelessLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure）无线局域网鉴别和保密基础结构，是一种安全协议，同时也是中国无线局域网安全强制性标准。nWAPI系统中包含两个部分：nWAI鉴别及密钥管理nWPI数据传输保护第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3.85GWi-Fi3.85GWi-Fin据最新的技术资料显示，无线局域网的发展已经进入第五代，即5GWi-Fi，其速率也从最初的2Mbit/s提升到了最高3.6Gbit/s。n5GWi-Fi的入门级速度是433Mbit/s，这至少是现在802.11n速率的三倍，一些高性能的5GWi-Fi还能达到1Gbit/s以上。