无线网络信道访问控制技术MAC精品PPT资料课件

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章无线网络信道访问控制技术MAC,MAC,功能：将,bit,流组装成帧的格式，并依次发送各个顺序帧。（,frame,）,MAC,子层的主要功能包括数据帧的封装,/,卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。,MAC,子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性,;,在,MAC,子层的诸多功能中，非常重要的一项功能是仲裁介质,(,即通信信道,),的使用权，即规定站点何时可以使用通信介质。,2.1,基本概念,无线信道 全向传输,节点移动 无缝切换,扩频,Spread-Spectrum,跳频序列扩频（,FHSS,）- Frequency Hopping Spread Spectrum,直接序列扩频（DSSS）- Direct Sequence Spread Spectrum,扩展频谱,(Spread,Spectrum),技术,扩,展,频,谱,是,对,基,于,频,道,划,分,的,颠,覆,。,在同一个频道内将几十个或者几百个,电路和发射机互相堆积,扩频将干扰设计到系统中,扩频能使用非常宽的频道,扩频系统自动平衡、自我调节,发展扩展频谱的实际目的是为了达到阻止通信：,阻止敌人接收和译码；,检测和干扰军队无线通信,扩展频谱在军事上的运用,扩展频谱的保密在于其对于军队的重要性,能够承受战时战场上严重的干扰；,避免敏感通信中途被截获,提供非常好的保密性；,不仅具有技术保密性，还具有操作保密性,即使敌人,拥有技术/设备，并且准确了解所用频带仍然不能对传,输信号干扰或者译码；,可避免敌人通过无线传输了解部队位置；,由于保密，扩展频谱技术在其发明者去世7年之后、,在发明者构想出现30年之后的1978年才发表。,扩频系统的一般描述,两种扩频方法,作为反干扰策略提出的跳频扩展频谱FHSS；,为实现保密话音通信提出的直接序列（噪声调制扩频）DSSS；,信道,编码器,信,道,信道,解码器,伪噪声,发生器,伪噪声,发生器,输入,数据,输出,数据,调制器,扩展码,解调器,扩展码,窄带模拟信号,窄带模拟信号,扩展后的信号,跳频,干扰游戏（,1/3,）,目的：发射者确保他的发射频率与干扰者不同,假设：发射者可在任何时候改变频率,选择发,射频率,选择干,扰频率,干扰者获,胜的序列,发射者,获胜,通,信,者,只,有,一,个,信,息,片,干,扰,者,用,一,系,列,干,扰,片,发射者和接收者必须具有相同顺序的频,率变化；,通信双方的唯一优势是可以使用预知的,频率变化次序；,跳频,干扰游戏（,2/3,）,如果一：干扰者能够迅速扫描所有的频道，并在很短时间,内找到发射频率。,跳频,发射者仍然只有,一个信息片，但,可以移动它。,选择干,扰频率,通信双方设备必须按照顺序完,成频率跳变;,随着干扰者越来越快地找到发,射频率，跳变必须越来越快；,跳频,干扰游戏（,3/3,）,如果二：两者都能按照物理规律允许的最高速度移动和反,应。,跳频,发射者信息片拆,分为短脉冲在一,个随机顺序的频,率上发射,选择干,扰频率,跳频序列随机化。如果,序列是完全随机的，干,扰者将完全不能预测将,来的跳变位置。,跳频序列扩频（,FHSS,）,FSSS,特点,信号在一串随机序列的频,率上广播,接收者以与发送者同步的,方式跳转频率,窃听者听到的难以理解,好处,干扰仅影响某个频率上的有限几比特；,跳频能克服噪声干扰和多径效果；,没有传统意义上的阻塞；,Frequency,Hopping,Spread,Spectrum,相当宽的频带被划,分成大量的窄频道,FHSS,实例,FHSS与传统的FSK调制方法类似；,FSK通常只使用两个频率，FHSS将使用数千个频率。,DSSS,噪声调制,ITT,组发明,将类噪声型信号加入到拟传输的信号之中,+,话音信号,已知特征,的噪声型,看起来更像噪,声的调制信号,淹没的原始话音信号,已知噪声,噪声调制信号,发,送,端,接,收,端,输入信息信号可,以比淹没它的噪,声低几千倍仍然,能成功地传输。,直接序列扩展频谱（,DSSS,）,基本原理,将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流；,第一个信号是信息信号；,第二个信号是由随机序列产生器产生的随机比特流；,第三个比特流的速率与第二个信号相同；,10Kbps,信息源,100Mbps,随机伪,噪声,100Mbps,混合,信号,Direct,Sequence,Spread,Spectrum,无线信道共享，,MAC,控制的两个基本要求,1,）,公平性,：尽量保证多个节点公平使用信道,2,）,高利用率,：充分利用有限的频带资源,与有线固定网络信道控制不同，无线信道的,MAC,更加复杂，原因是信号衰减与距离的平方成正比，同时,冲突主要发生在接收端,，在发送端进行检测作用不大,一般采用动态,多点随机接入技术,进行控制，动态地进行信道分配。,一、通信网络中的信道共享方式,点对点,两个终端共享一个信道,T,T,点对多点,一般用于中心站控制的无线信道，终端在中心站控制下共享一个或多个无线信道。所有终端均处于中心站覆盖范围内。,C,T,T,T,多点共享,多个终端共享一个广播信道，也称为一跳共享广播信道。,T,T,T,T,T,二、,RTS/CTS,协议（,Request To Send/Clear to Send,）,请求发送,/,允许发送协议，一种握手协议，用于解决“隐藏终端”问题。,隐藏终端,无线传输相关“范围”,传输范围（,TX_range,）：可以成功接收帧的通信范围，取决于发送能量和无线电波传输特性,物理层侦听范围（,PCS_range,）：可以检测到该传输的范围，取决于接收器灵敏度和无线电波传输特性,干扰范围（,IF_range,）：在此范围内的节点如果发送不相关的帧，将干扰接收端的接收并导致丢帧。,“隐藏”节点问题,假设：,A,正在向,B,传输数据，,C,也要向,B,发送数据,“隐藏”节点的干扰,隐藏终端问题,A,B,C,隐藏终端,：,在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端,带来的问题：,A,向,B,发送报文，,C,听不到,A,的发送。,C,也发送报文时在,B,发生碰撞,隐藏终端,A,向,B,发送信息，,C,未侦测到,A,向,B,的发送，故,A,和,C,同时将信号发送到,B,，引起信号冲突，最终导致发送到,B,的信号都丢失了。,这将带来效率损失，而且需要错误恢复机制。当需要传送大容量数据时，这种差错最容易发生，要尽力避免。,RTS/CTS,握手协议,1,）节点,A,向节点,B,发送,RTS,，表明,A,需要向,B,发送数据。,RTS,帧有两个目的：,预约无线链路的使用权，并要求接收到这一消息的其他的工作站停止发送。（发送端清场）,2,）,B,接收到,A,的,RTS,后，向周边所有节点发出,CTS,信号，表明已准备就绪，,A,可以发送。而其他欲向,B,发送数据的节点则暂停发送；（接收端清场）,3,）在,A,、,B,双方成功交换,RTS/CTS,信号后，即完成握手后，,A,向,B,开始发送数据。,这种机制保证了多个互不可见的发送节点同时向一个接受节点发送信息时，实际上只能是收到接受节点回应,CTS,的那个节点能够发送，避免了冲突发生。,实际上，冲突还是有可能发生，即,A,、,C,同时向,B,发送,RTS,时，两者的,RTS,在,B,上冲突，,B,无法接收准确的信息，则不发送任何回应的,CTS,。这样，,A,和,C,都收不到,B,的,CTS,消息，则采用退避竞争机制，分配一个随机定时值，再竞争发送,RTS,，直到成功为止。,2.2 IEEE 802.11 MAC,控制技术,简介,WLAN,（,Wireless Local Area Network,）：指以无线信道作为传输介质的计算机局域网,WLAN,需满足,LAN,的一般需求,高容量,覆盖短程距离,站点全联通,广播特性,WLAN优点及局限性,优点,移动性（固定、半移动、全移动）,灵活性,经济性,局限性,可靠性,带宽与系统容量,安全性,节能管理,无线局域网的发展,第一代无线局域网,1985,年,FCC,颁布电波法规,RangeLAN,的,900MHz,产品、,NCR,的,2.4G,产品、摩托罗拉的,Altair,产品,第二代无线局域网,1990,年，,IEEE,成立,802.11,任务组，开始无线局域网标准化,1997,年，,IEEE802.11,标准发布,第二代工作在,2.4,2.4835GHz,频段，传输速率,1,2Mb/s,第三、四代无线局域网,欧洲成立,HiperLAN,标准化组织（,5.15,5.35GHz,，,17.1,17.3GHz,）,1999,年，,IEEE802.11a,和,IEEE802.11b,，传输速率分别达到,54Mb/s,和,11Mb/s,无线以太网兼容性联盟,(WECA),，,WiFi,认证,2002,年，,IEEE802.11g,，与,802.11b,兼容，速率达到,54Mb/s,HiperLAN2,，工作在,5GHz,，速率达到,54Mb/s,802.11,标准,所提议的无线,LAN,标准的作用范围是为局域网固定的、便携的和可移动的站点的无线连接开发的规范,术语：,站点,接入点（,AP,）,基本服务集（,BSS,）：由单个协调功能控制的站点集合,协调功能：决定,BSS,中运行站点何时被允许发射及何时可能接收,PDU,的逻辑功能,分布式系统（,DS,）：用于,BSS,互联的网络,扩展服务集（,ESS,）,802.11拓扑结构,802.11拓扑结构（续）,802.11服务,访问控制和安全性,Authentication,、,deauthenticaton,、,privacy,用于支持,MAC,服务数据单元的传送,处理移动性,Association,、,re-association,、,disassociation,、,distribution,、,integration,数据传递,MSDU delivery (MSDU,：,MAC,用户传送给,MAC,协议需要传输的一块数据,),接入认证和隐私服务,Authentication,802.11,支持多种认证模式，并允许对此进行扩充,标准没有强制任何特定认证模式,De-authentication,一个原先已通过认证的站点离开网络时需要解除认证,Privacy,用来防止消息内容被非制定接收者阅读,WEP,，,WPA/WPA2,关联（association）服务,Association,站点必须与所在,BSS,的,AP,建立关联，,AP,才能将此信息通报给,ESS,内的其他,AP,，以便路由和帧的传递,Re-association,关联可从一个,AP,转换到另外一个，允许站点从一个,BSS,移动到另一个,Disassociation,去联通告可由,AP,或者与之关联的站点发出,MAC,管理机制防止没通告的站点消失,分布式系统内的消息分发,Distribution,用在站点之间交换,MAC,帧,从一个,BSS,的站点发送到另一个,BSS,的站点,Integration,当数据交换双方一个位于,802.11LAN,，另一个位于非,802.11LAN,时,涉及地址转换、传输介质变换逻辑和帧格式转换,IEEE 802.11协议栈,IEEE 802.11协议栈,802.11物理层与MAC层,物理介质依赖子层（,PMD,）,调制解调和编码,/,解码,物理层汇聚协议（,PLCP,）,向上提供独立于传输技术的物理层访问点（,SAP,）,802.11,介质访问控制层,控制介质访问,用户数据分段,加密,802.11 PHY,介质访问控制,(MAC,控制,),802.11 MAC,设计目标,单个,MAC,支持多个,PHY,抗干扰能力强（传输）,处理隐藏节点问题（传输）,支持限时服务、,QoS,（服务）,重载下可扩展并且稳定（服务）,提供节能模式（特殊服务）,提供隐私性和访问控制,基于分布方式的无线媒介访问控制协议（,DFWMAC,）,IEEE 802.11MAC,基本服务,异步数据服务,广播,组播,Best effort,Ad hoc,、,AP,时限服务,AP,需要,AP,控制介质访问以避免冲突,802.11基本访问机制,基于,CSMA/CA,的强制基本功能,避免隐藏终端问题的可选功能,时限服务的无冲突,polling,方法,协调功能CF(DCF&PCF),协调功能,(Coordination Function),是指一个用来决定什么时候那个站点能开始传输数据的机制。,DCF,是,IEEE 802.11 MAC,的基本接入方法，它利用,CSMA/CA,来提供异步数据传输，这种方法可用在,Ad Hoc,和有基础设施的无线局域网络架构中。,PCF,提供具有时限性,(time bounded),的数据传输，是一类无竞争,(contention free),方法，因此不会发生冲撞的情形，但只能用在某种基础设施的无线局域网络中。,上图中,PCF,是通过,DCF,来完成的。,在一个,BSS,范围内，这两种功能是可以共存并容的。一个,BSS,中，如果有一个协调站,(Point coordinator),，则由其来负责监督这两种服务的交替进行。也就是先进行一段时间的免竞争式传输，再跟着进行一段时间的竞争式传输。如此一个周期称为一个超级帧,(Superframe),。,一、分布式协调功能,DCF,基本思路：,在无线网络上不可能进行冲突检测，故不设置冲突检测机制，采用规则延迟来处理，以保证,MAC,控制的可操作性和公平性。基本原则为，节点要发送,MAC,帧，首先监听无线信道，若空闲，则可以发送该帧；否则延迟等待，再次竞争发送。,规则延迟帧间间隔,IFS,用于延迟处理的基本时间单位，一般是时隙,slot,的整数倍。,1),SIFS,（,Short IFS,，短,IFS,）：最短的,IFS,。被用于所有的立即响应动作中。,2),PIFS,（,Point coordination function IFS,，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。,3),DIFS,（,Distributed coordination function IFS,，分布协调功能,IFS,）：三者中最长的,IFS,。作为一个最大的时延，用于非同步帧的接入竞争,。,IFS,的时间长短与优先级的关系。,时长,SIFS PIFS PIFS DIFS,控制帧 时间敏感数据 一般数据,使用,IFS,的,CSMA,访问控制的算法,1,）节点监听无线信道，若信道空闲，节点再等待某一个,IFS,（三个,IFS,中的一个，由系统设定）之后，如果信道仍然处于空闲，则节点立即发送此帧。 注意：,不是空闲即发送。,2,）若信道转为忙态，（意味着有数据正在传输，无论是一开始监听到忙，亦或是在某一个,IFS,等待时间内监听到忙），节点都延迟发送并继续监听。,3,）一旦当前传输完成，节点要监听某个,IFS,时长。若此期间，信道仍然空闲，则节点可以发送帧。,优先级,控制等待时间的参数,用不同的帧间隔来定义优先级,SIFS (Short IFS),PIFS (PCF IFS),DIFS (DCF IFS),优先级帧的特点,优先级高的帧其帧间隔也短，因此得到介质的机会就大,当站点发现介质由忙碌变空闲时，并不能马上送出帧，还要依帧的优先级等待一段适当的帧间隔时间，且在这段时间内介质仍保持是空闲的才能将帧送出去。,在这种方式下，同一种优先等级的帧发生冲撞的机会仍很高，因为同一种权限的帧在等候了相同的帧间隔后，若发现这段时间内介质空闲，就会同时将帧传送出去造成冲撞。,优先级帧的特点,解决此问题的方法是，站点在等候了帧间隔的时间后，再等待一段由随机数决定的时间才将帧传送出去。因为每个站点产生的后退时间极可能不同，所以帧发生冲撞的机会就会降低。这就是退让,(backoff),算法的思想，与,IEEE 802.3 CSMA/CD,的后退算法相似。,IEEE 802.11DCF,基本接入过程,1,）节点在发送报文前首先监听信道忙闲状况，若信道空闲，等待一个,DIFS,时间，若在此期间信道持续空闲，就开始发送报文；,2,）若信道忙，就执行退避算法，即计算一个随机退避时间，一直等到信道变空闲并持续空闲,IFS,时间后，节点开始以时隙为单位递减退避时间。若减到,0,，节点开始发送报文；,3,）如果在递减过程中信道变忙，节点就冻结退避时间，等待信道变闲并持续空闲了,IFS,时间后再继续递减。,CSMA/CA算法,在传输分组前，节点需要等待一个很小的时间间隔，即使信道是空闲的，这个间隔称为帧间间隔，即,IFS,。,四种不同的,IFS,不同的优先级：,SIFS,、,PIFS,、,DIFS,、,EIFS,若在发送,RTS,前等待,DIFS,，那么在发送,CTS,或者,ACK,时就等待,SIFS,。,IEEE 802.11DCF,基本接入过程,退避（Backoff）过程,当空闲时间,IFS,，立即传输,当介质忙，延迟直到当前传输结束,+IFS,时间,开始随机后退过程,选择一个随机数（,0,，,CWindow,）,使用侦听确定每个时间槽,slot,是否有活动,如果没有活动则减少,backoff,时间,后退过程中介质为忙时挂起,backoff,过程,在当前帧传输结束后恢复后退过程,二进制指数退避算法,Backoff Time,Randon(0,，,CW) X Slot time,1,）节点在,(0,，,CW),之间选择一个随机数，并利用上式计算退避时间。,2,）取得某个退避值后，根据该数值设置一个退避计时器,Timer,3,）在一个,slot,时隙时间段内，信道空闲，则,Timer,减,1,，若信道忙，则冻结,Timer,数值不变，并记录当前值，重新等待信道变为空闲。,4,）信道空闲，经过,DIFS,后，节点继续启动退避计时器，从,Timer,剩下的当前值继续计数,slot,，执行空闲则减,1,操作，直到,Timer,为,0,，开始发送数据。,Copyright YAN Wei. All rights reserved.,37,63,竞争窗口,(Contention,window),1023,CW,max,511,255,127,Initial attempt,First retransmission,CW,min,Fifth retransmission,Fourth retransmission,Third retransmission,Second retransmission,31,使用CSMA/CA的基本DCF,如果介质持续为空的时间大于,DIFS,，则节点可以立即访问介质,网络负载较轻时可缩短访问延迟,网络规模增大时需要其他机制的协助,如果介质为忙，则等待一段随机时间,CSMA/CA的公平性,如果介质忙，则节点必须等待,DIFS,，然后进入竞争阶段；,每个节点在竞争窗口中选择一个随机,backoff,时间，延迟这段时间访问介质；,如果随机等待时间过后，介质仍然为空，则节点可立即访问介质；,如果介质为忙,重新开始下一轮竞争,每个节点在下一次竞争时具有同样的发送数据机会,CSMA/CA-例1,图示为一个工作站传送数据时后退程序的例子。此例中，一开始工作站,B,、,C,、,D,想传送数据，而传输媒介为工作站,A,所使用。,当工作站,A,送完数据时，工作站,B,、,C,、,D,在等待了一个,DIFS,时间后，就分别利用,CW = Cwmin = 31,产生一个随机后退时间（假设分别为,19us, 10us,及,15us,），然后开始进行递减的工作。,在这个例子中，由于工作站,C,产生的后退时间最小,(10 us,），于是率先递减为零并且在这次的竞争窗口中取得了传输媒介的使用权并且传送出数据。此时工作站,B,、,D,的后退时间分别剩下,9us,及,5us,。工作站,C,传送数据的过程中，此两个后退时间被暂时冻结。,在进入第二个竞争窗口时则分别以此值为其后退时间继续递减。结果在,5us,后工作站,D,开始传送其讯框，而工作站,B,必须等到进入第三个竞争窗口,4us,后才会开始传送其数据。,CSMA/CA-例2,开始时一样假设工作站,A,正在传送数据而工作站,B,、,C,、,D,陆续想传送数据。当工作站,A,送完数据时，工作站,B,、,C,、,D,在等待了一个,DIFS,时间后，就分别产生一个随机后退时间（假设分别为,19us, 10us,及,15 us,），然后开始进行递减的工作。,由于工作站,C,产生的后退时间最小，于是在这次的竞争窗口中取得了传输媒介的使用权并且传送出数据。当工作站,C,传送数据时，假设工作站,E,也想传送数据，于是变成工作站,B,、,D,、,E,共同竞争媒介使用权。,在进入下一个竞争窗口时，工作站,B,、,D,的后退时间分别为,9us,及,5us,。而工作站,E,则利用,CW = Cwmin = 31,产生一个随机后退时间（假设为,7us,）。结果在,5us,后工作站,D,开始传送其数据，而工作站,B,、,E,的后退时间则分别剩下,4us,及,2us,。,结果在下一个竞争窗口中工作站,E,将可较早传送数据，而工作站,B,则必须等到进入第四个竞争窗口,2us,后才会开始传送其数据。,CSMA/CA-例3,开始工作站,A,正在传送数据而工作站,B,、,C,、,D,、,E,陆续想传送数据。当工作站,A,送完数据时，工作站,B,、,C,、,D,、,E,在等待了一个,DIFS,时间后，就分别利用,CW = Cwmin = 31,产生一个随机后退时间（假设分别为,15us, 10us, 15 us,及,18 us,），然后开始进行递减的工作。,由于工作站,C,产生的后退时间最小，于是在这次的竞争窗口中取得了传输媒介的使用权并且传送出数据。此时工作站,B,、,D,、,E,的后退时间分别剩下,5us, 5us,及,8us,。工作站,C,传送数据的过程中，此三个后退时间被暂时冻结。,在进入第二个竞争窗口时则分别以此值为其后退时间继续递减。结果在,5us,后工作站,B,及,D,同时开始传送其数据，结果造成冲撞的现象。,由于没有收到回复讯息，工作站,B,及,D,分别进入重传阶段，并且在下一个竞争窗口中,(,工作站,B,及,D,此时必须等待,DIFS,时段才能进入竞争窗口,),分别利用,CW = 63,产生一个随机后退时间（假设分别为,20 us,及,25 us,）。,而工作站,E,则在第三个竞争窗口中,(,工作站,E,只需等待,DIFS,时段即可进入竞争窗口,),等待,3us,后开始传送数据。此时工作站,B,、,D,的后退时间分别剩下,17us,及,22us,。结果工作站,B,必须等到进入第四个竞争窗口,17us,后才会开始传送其数据，而工作站,D,则必须等到进入第五个竞争窗口,5us,后才能开始传送其数据。,802.11对CSMA/CA的改进,基本DCF特征,当网络负载大时,竞争窗口越小，站点选择的随机值越接近,导致太多冲突,当网络负载轻时,竞争窗口越大，站点等待时间越长,导致不必要的延迟,指数后退算法,竞争窗口初始化为某个最小值，发生冲突时加大窗口，直到达到最大值,ACK,确认机制,Data,ACK,发送确认，完成一次数据通信过程,发,送,端,其,他,节,点,DIFS,DATA,SIFS,ACK,DATA,接,收,端,DIFS,留给短控制报文,时间确保不会产,生冲突,竞争窗口,(DIFS+,各自的后退时间,),等待时间,单播数据传送,CSMA/CA,+,ACK,接收端在,CRC,正确时立即返回,ACK,发送端没有收到,ACK,则在随机后退时间后重传数据帧,NAV,（,Network Allocation Vector,）网络分配矢量，也称为虚拟载波侦听。,在分组传递中，每个分组中都包含有一个持续时间域来标识该分组要传输的时长，如果一个节点收到一个传输给另外一个节点的包，该节点就能从持续时间域知道在多长时间内不能发送数据。,节点以变量形式记录该值，称为,NAV,，可以被看成一个计时器，每次计时器开始计时，节点递减它的,NAV,，直到减少到,0,。,在传输之前，节点首先检查它的,NAV,，如果值不为,0,，节点就认为信道忙，这被称为虚拟载波侦听,物理载波侦听,VS,虚拟载波侦听。,带有RTS/CTS的扩展DCF,RTS/CTS,机制,机制的使用是可选的,每个,802.11,节点必须实现该功能,明确预留信道,发送者发送短的,RTS,（请求发送）,接收者用短的,CTS,（清除发送）,CTS,为发送者预留了带宽同时通告所有的站点（包括隐藏站点）,RTS/CTS,长度很短，冲突的概率小,避免“隐藏”终端冲突,如何解决“隐藏节点”问题？,隐藏终端：,A,和,C,互不知道,障碍物导致信号衰减,如果多余两个节点同时发送将在,B,处冲突,用RTS/CTS解决隐藏节点问题,用RTS/CTS解决隐藏节点问题,带RTS/CTS的DCF机制工作过程,当发射端希望发送数据时，首先检测信道是否空闲，若是信道为空闲时，送出,RTS,，,RTS,信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息。,接收端收到,RTS,信号后，将响应短信号，,CTS,信号上也包含根据,RTS,内记录修正后的剩余的持续发送的时间。,当发射端收到,CTS,包后，随即开始发送数据包。,接收端收到数据包后，将以包内的,CRC,的数值来检验包数据是否正确，若结果正确，接收端将响应,ACK,包，告知发射端数据已经被成功地接收。,当发射端没有收到接收端的,ACK,包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。,隐藏节点问题的解决,如何应付无线链路高比特出错率,Fi,帧携带,Fi+1,帧的传输时间,将用户数据分组分段的机制应该对用户是透明的,MAC,层应该具备根据介质当前出错率调整帧长度的能力,Copyright YAN Wei. All rights reserved.,42,发,送,端,其,他,节,点,DATA,SIFS,ACK,DATA,DIFS,接,收,端,RTS,CTS,SIFS,DIFS,SIFS,NAV(RTS),NAV(CTS),延迟访问,竞争窗口,RTS报文数据分组没有优先权！,NAV:,Network,Allocation,Vector,RTS-CTS-DATA-ACK,序列报文交换,RTS-CTS-DATA-ACK,序列报文交换,1,）发送节点有数据帧发送，首先检测信道状态，如果信道处于空闲状态超过一个,DIFS,，则执行,2,）；否则，节点将一直监听信道，直到信道处于空闲超过一个,DIFS,，采用二进制指数退避算法与其他节点争用信道。,2,）发送节点首先发送一个,RTS,帧预约信道，若信道无冲突，接收节点在收到,RTS,帧后，经过,SIFS,间隔，回应发送一个,CTS,帧。,3,）发送节点收到,CTS,，等待一个,SIFS,，即可发送数据,DATA,。,4,）接收节点正确接收后，发送一个确认帧,ACK,，来告知发送节点已经正确收到该数据帧。通信完毕,5,）其他节点根据虚拟载波侦听,NAV,（,RTS/CTS,）的延迟要求递减计时器，一直监听信道，在此次数据传输完毕后，等待一个,DIFS,时间间隔后，按照退避算法确定的等待时隙争用信道，最少等待时间的节点发送,RTS,帧预约信道。,注意,DATA RTS/CTS/ACK,RTS,、,CTS,和,ACK,发送前的帧间间隔的差异,总结,1,）三个,IFS,时间间隔的长短意味着不同的优先级，时长短代表高优先级。,2,）,802.11 MAC,的无线信道是一种一跳共享广播信道,3,）,802.11 MAC,遵循,RTS-CTS-DATA-ACK,序列报文交换,CSMA/CA 与 CSMA/CD,CSMA/CA,和,CSMA/CD,都采用载波侦听原理来判断传输媒介的空闲,两者差别在于当发现传输媒介由忙碌变成空闲时：,CSMA/CD,会将帧立刻传送出去，然后监听是否发生冲撞，若发生冲撞，则立刻停止传送并且等待一段随机延迟时间后再重新开始。,CSMA/CA,是在发现传输媒介由忙碌变成空闲时，先产生一段随机延迟时间,(,暂不考虑帧间隔,),，然后才传送帧。其传送帧和产生随机延迟时间的顺序正好和,CSMA/CD,的做法相反。,先产生随机延迟时间的目的是想预先避免发生冲撞，所以此方法叫“冲撞避免”,(collision avoidance),。,CSMA/CA 与 CSMA/CD,这样做是因为无线网络中冲撞侦测的任务不易完成。在无线网中，不同站点在传输媒介上所使用的信号强度范围是不定的，因此物理层很难在每次冲撞发生时，都能侦测出。,避免发生冲撞并不表示冲撞就不会发生。由,CSMA/CA,的特性可以知道，帧传送前虽然延迟随机数时间但还是可能发生冲撞，而当冲撞发生时又侦测不出来，此时传送的帧就丢失。为了提供可靠的传输环境，,IEEE 802.11,在冲撞避免的功能中加入了帧传送的确认动作，以确保可靠传输。,CSMA/CA 与 CSMA/CD,1.,载波检测方式：因传输介质不同，,CSMA/CD,与,CSMA/CA,的检测方式也不同。,CSMA/CD,通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而,CSMA/CA,采用能量检测,(ED),、载波检测,(CS),和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。,2.,信道利用率比较：,CSMA/CA,协议信道利用率低于,CSMA/CD,协议信道利用率。但是由于无线传输的特性，在无线局域网不能采用有线局域网的,CSMA/CD,协议。信道利用率受传输距离和空旷程度的影响，当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题，降低信道利用率。,二、点协调功能PCF,可选的,DCF,之上的接入服务,与支持异步数据传输的,DCF,并存,需要一个集中的轮询站点（点协调器）,以循环的方式轮询所有配置成,polling,的站点,被询问的站点利用,SIFS,返回响应,如果收到响应，则等待,PIFS,后发出另一个,polling,如果没有收到响应，则,polling,其他站,点协调功能,PCF,是在,DCF,之上的一个可选访问方法，由点协调器进行访问查询。,点协调器在查询时使用,PIFS,。由于,PIFS,小于,DIFS,，当发出查询和接收响应时，点协调器总是能够获得对信道的访问权，从而把使用,DIFS,竞争信道的一般节点的数据通信（也称为,异步通信,）封锁,极端情况下，如果点协调器持续不断地执行查询、回应操作，则就会锁住所有的异步通信。,为避免极端情况的发生，定义一种称为,超级帧,的时间间隔。,在超级帧的前面部分，点协调器用循环的方式向所有查询节点发出查询，然后把超级帧的剩下时间空出来，作为异步通信的争用时间段。,这样，在超级帧的开始，点协调器可以在一段时间内任意控制对信道的访问和发送查询。由于响应节点发出的帧是可以变化的，所以，这段时间也是可以变化的。,超级帧的剩下时间用于争用访问。,超帧（super frame）,在超级帧的末尾，点协调器用,PIFS,争用信道。,若此时信道空闲，点协调器就可以立即访问信道，接着就是下一个紧挨着的完整超级帧。,但是，如果在超级帧的结尾信道可能正忙。在这种情况下，点协调器必须等待，直到信道空闲方可获得接入，这导致在狭义的周期中，超级帧的实际时间被缩短。,PCF与DCF的协调,点协调器（,point co-ordinator,）,超帧（,super frame,）,无竞争阶段,竞争阶段（适用于,DCF,访问控制）,无竞争阶段,AP,在介质为空,PIFS,之后轮询各个站,PIFSDIFS,确保,AP,拥有介质访问优先权,轮询报文必须等待,SIFS,轮询回答必须等待,SIFS,如果某个站没有回答，则,AP,必须等待,PIFS,AP,PIFS,stations,站点的,NAV,CFe,NAV,D1,SIFS,U1,SIFS,D2,SIFS,U2,SIFS,D3,PIFS,D4,SIFS,t2 t3,t4,Contention-free,period,SuperFrame,47,SIFS,U4,Next,SuperFrame,B,轮询,站,2,站,2,回答,PCF,、,DCF,与超帧,结束,标记,轮询,站,1,站,1,回答,PCF、DCF与超帧,希望发送数据的主机首先向,AP,（,Acess Point,）发送,Association Request,（连接请求）帧，并在帧的功能性能字段的,CF-Pollable(,可轮询,CF),子字段中表明希望加入轮询表。在收到,AP,的,ACK,信息以后，主机被列入轮询列表。轮询列表中的主机按连接标识,(Association ID:AID ),升序排列。,AID,是由,AP,主机分配的,16bit,标识符。,AP,发出,Beacon,帧表明,CFP,期间的开始。然后,AP,依次向轮询列表中的主机发出,Poll,帧给,AP,，或发送,Data,帧给其它非,AP,主机；如果在,PIFS,时间间隔内没有响应，则表明主机无数据要发，,AP,继续发出下一个,Poll,帧。,轮询中特殊情况：,1,）在一个,CFP,期间，如果轮询列表中的主机没有轮询完，那么在下次,CFP,期间将从未轮询主机开始轮询；如果轮询列表中的主机已经轮询完，还剩有一段时间，,AP,将随机选择主机发出轮询帧。,轮询结束过程：,AP,发出,End,帧，表明,CFP,期间的结束，,CP,期间的开始。下图为,PCF,中帧传输的一个例子：,IEEE 802.11 MAC,技术小结,采用两种,MAC,模式：,1,）分布式访问控制协议,CSMA/CA,，用于地位等同的节点组成的网络以及具有突发性通信的,WLAN,，一般称为,分布式协调功能,DCF,。,(,竞争信道,),2,）中央式访问控制协议，用于时间敏感数据或高优先级数据的网络通信，一般称为,点协调功能,PCF,。,(,无竞争信道,),帧结构,三部分组成,MAC header,Frame control, address, ,Frame body,可变长度，依赖于帧的,type&subtype,FCS (contain a CRC),802.11 MAC,帧结构,MAC,帧基本字段,MAC HEADER,Frame control,两个字节的控制字段具有多种用途,Duration/ID,表示下一个要发送的帧可能要持续的时间,Address 1-4,每个地址的含义由,Frame control,中的,DS,解释,Sequence control,序列号用来过滤掉重复帧,Data,包含任意长度的数据（,0-2312,字节）,Checksum,802.11,采用,4,个字节的校验码,(IEEE 32-bit CRC),地址字段,802.11,帧控制字段,More fragments,1,表示在当前的,MSDU,后面还有另一个,fragment,Retry,1,表明当前帧是以前帧的重传,Power management,表明站的模式：,1,表示节能；,0,表示活跃,More data,一般来说该字段指示接收者，发送者还有帧要传来,Wired equivalent privacy,该地段表明采用,802.11,标准的安全机制,Order,1,表示接受者必须严格按照顺序处理该帧,802.11 MAC,控制帧,ACK,来自接收端的立即确认,正确的数据帧,管理帧,Poll,帧,RTS/CTS,4,次交换的前两个帧,通知发送端和接收端附近的节点,802.11 MAC,控制帧（续）,Power saver-poll,发自某个站,请求一个缓存帧,CF-end,通告无竞争阶段的结束,CF-end + CF-ack,确认,CF-end,节能模式,AP,可以指示一个移动站进入睡眠状态，直到由,AP,或则用户显式唤醒为止,在移动站睡眠期间，,AP,必须负责把所有发送给该站点的帧全部缓存起来,802.11 MAC,数据帧,第一类：携带用户数据（,4,）,Data,最简单的数据帧。用于无竞争,/,有竞争阶段,Data + CF-ack,仅用于无竞争阶段。除了携带数据外，该帧还携带对刚收到数据的确认。,Data + CF-poll,被,AP,用来传递数据给移动站，也可用于请求移动站点发送一个可能被缓存的数据帧。,Data + CF-ack + CF-poll,把上述功能结合在一个帧中,802.11 MAC,数据帧（续）,第二类：没有任何数据（,4,）,Null function (no data),携带能量管理帧中由,AP,指示站点进入节能状态,CF-ack (no data),CF-poll (no data),CF-ack + CF-poll (no data),意义同前,802.11 MAC,管理帧,基本功能,处理移动站点与,AP,之间的通信,控制移动环境所需要的机制,Synchronizaiton,：支持寻找一个无线站点、同步内部时钟、产生,beacon,信号,Power management,：为,power conservation,而不丢失帧控制发送器的活动，例如定期睡眠、缓存,Roaming,：加入一个网络（关联），改变接入点，扫描接入点,关联操作帧,Association request,移动站点向,BSS,内的,AP,请求关联,Association response,AP,接受移动站点的关联请求,Re-association request,当移动站点离开当前,BSS,而进入另一个,BSS,时必须向新,BSS,的,AP,请求关联,新,AP,据此和老,AP,协商数据帧的转发,Re-association response,新,AP,接受移动站点的关联请求,dissociation,获取,BSS,及站点信息帧,Probe request,用来获取,AP,或者其他站点的信息,Probe response,对上述请求的响应,Beacon,AP,建立时序同步功能而准定期发送的管理帧,Announcement traffic indication message,通知其他站点有缓存的数据,安全管理帧,802.11,提供了两类认证,Open system authentication,双方同意交换数据，没有任何安全保障；只需要交换各自身份,Shared key authentication,需要双方共享密钥；该密钥用来确保双方的身份,安全帧,Authentication,站点之间交换信息和采用多种模式,De-authentication,通知其他站点终止当前的安全通信,MAC管理功能一览,加入网络的四个步骤,发现可用网络,如基本服务集（,BSS,）,选择一个网络（,BSS,）,认证（,Authentication,）,关联（,Association,）,步骤,1,：发现可用网络,被动扫描,AP,周期性发送信标（,Beacon frame,）,AP,的,MAC,地址，网络名称（服务集标识,SSID,）等,主动扫描,站发送探测请求帧（,Probe Request frame,）,AP,发送探测响应帧（,Probe Response frame,）回应,AP,的,MAC,地址，,SSID,步骤,2,：选择网络,用户从可用网络中选择一个网络,选择标准,用户自主选择,信号最强,最近使用过的,步骤,3,：认证,认证,站向,AP,证明其身份的过程,两种机制,开放系统认证,共享密钥认证,步骤,4,：关联,实用技术,无线局域网的组成结构,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,无线接入点,AP,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。基本功能有：,(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。,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,。,一、 无线局域网的拓扑结构,从物理拓扑分类看,:,单区网,SCN,和多区网,MCN,从逻辑上看,:,对等式、基础结构式和线型、星型、环型,从控制方式方面来看,:,无中心分布式、有中心集中控制式,从与外网的连接性来看：独立,WLAN,和非独立,WLAN,1,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,3,ESS,网络拓扑,4.,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。,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。,Copyright YAN Wei. All rights reserved.,68,IEEE,802.11,协议系列,802.11a,50m,54,Mbps,802.11b,100m,11Mbps,802.11g,100m,54Mbps,802.11n,150m,，,600M,802.11c,用于改进设备之间的互操作,802.11d,扩充,802.11,无线局域网在其他国家应用,802.11e,改进和管理,WLAN,的服务质量,802.11f,实现不同厂商无线局域网之间的互操作,802.11h,增强,5GHz,的,802.11MAC,规范以及,802.11b,高速物理层规,范。,802.11i,增强,WLAN,的安全和鉴别机制,802.11s,无线,MESH,机制,802.1x,Authentication,、,Authorization,、,Auditing,延伸有线网络,取代有线网络,二、,802.11,安全问题,传统上，一个单位通过使用防火墙限制外部访问来保护本单位的计算机网络,但对无线网络，理论上任何人其接收器只要在射频范围内多可以窃听到通信内容。,1.,无加密认证 （,SSID,，,Mac,）,2.WEP,（,Wired Equivalent Privacy,）有线等效加密技术,IEEE 802.11b,标准中定义的最基本的加密技术,多用于小型的、对安全性要求不高的场合。,3.WPA,（,Wi-Fi Protected Access,）,Wi-Fi,（,Wireless Fidelity,，无线保真技术）,保护存取,TKIP,（,Temporal Key Integrity protocol,）,临时密钥完整性协议,AES,（,Advanced Encryption Standard,）高级加密标准,4.IEEE 802.1x,认证协议,(,基于端口的访问控制协议,）,基本安全机制,1.,无加密认证,SSID,只要使用者能够提出正确的,SSID,存取点,AP,就接受用户端的登入请求。,通常情况下,无线接入点,AP,会向外广播其,SSID,。,我们可以通过,Disable SSID Broadcast,来提高无线网络安全性。,MAC,AP,可以通过,stations,的,MAC address,来对特定的,stations,进行,filter,管理，从而可以表示是,allow,还是,deny,这些,stations,来,associate,该,AP,WEP,IEEE 802.11b,规定的一个可选择的加密称为,有线对等加密,提供一种无线局域网,数据流的安全,方法。 它是一种,对称加密,，其中加密和解密的密钥及算法,(RC4,和,XOR,演算法,),相同。,WEP,只对数据帧的实体加密,而不对数据帧控制域以及其他类型帧加密,.,使用了该技术的无线局域网，所有客户端,(STA),与无线接入点,(AP),的数据都会以一个共享的密钥进行加密,密钥的长度有,64/128/256bits,几种方式,(,对应的,key value,分别是,40/104/232bits),。其中包括,24,位是初始向量,IV. WEP,使用的具体算法是,RC4,加