1、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)講義無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)講義第六講 IEEE802.11物理層作為全球公認(rèn)的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE 802工作組建立的標(biāo)準(zhǔn)在過(guò)去二十年內(nèi)在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。這些協(xié)議包括了802.3 Ethernet協(xié)議、802.5 Token Ring協(xié)議、802.3z 100BASE-T快速以太網(wǎng)協(xié)議。在1997年，經(jīng)過(guò)了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在無(wú)線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的第一個(gè)國(guó)際上被認(rèn)可的協(xié)議。在1999年9月，他們又提出了802.11b“High Rate”協(xié)議，用來(lái)對(duì)802.11協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mb

2、ps和11Mbps兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)吞吐速率。利用802.11b，移動(dòng)用戶能夠獲得同Ethernet一樣的性能、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、可用性。這個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)使得管理員可以根據(jù)環(huán)境選擇合適的局域網(wǎng)技術(shù)來(lái)構(gòu)造自己的網(wǎng)絡(luò)，滿足他們的商業(yè)用戶和其他用戶的需求。802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，并在物理層上進(jìn)行了一些改動(dòng)，加入了高速數(shù)字傳輸?shù)奶匦院瓦B接的穩(wěn)定性。主要內(nèi)容：1.802.11工作方式2.802.11物理層3.802.11b的增強(qiáng)物理層4.802.11數(shù)字鏈路層5.聯(lián)合結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和漫游1、802.11工作方式802.11定義了兩種類型的設(shè)備，一種是無(wú)線站，通常是通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)器加上一塊

3、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口卡構(gòu)成的，另一個(gè)稱為無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point，AP)，它的作用是提供無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接。一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)通常由一個(gè)無(wú)線輸出口和一個(gè)有線的網(wǎng)絡(luò)接口(802.3接口)構(gòu)成，橋接軟件符合802.1d橋接協(xié)議。接入點(diǎn)就像是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)無(wú)線基站，將多個(gè)無(wú)線的接入站聚合到有線的網(wǎng)絡(luò)上。無(wú)線的終端可以是802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口的，或者是在非計(jì)算機(jī)終端上的嵌入式設(shè)備(例如802.11手機(jī))。2、802.11物理層在802.11最初定義的三個(gè)物理層包括了兩個(gè)擴(kuò)散頻譜技術(shù)和一個(gè)紅外傳播規(guī)范，無(wú)線傳輸?shù)念l道定義在2.4GHz的ISM波段內(nèi)，這個(gè)頻段，在各個(gè)國(guó)際

4、無(wú)線管理機(jī)構(gòu)中，例如美國(guó)的USA，歐洲的ETSI和日本的MKK都是非注冊(cè)使用頻段。這樣，使用802.11的客戶端設(shè)備就不需要任何無(wú)線許可。擴(kuò)散頻譜技術(shù)保證了802.11的設(shè)備在這個(gè)頻段上的可用性和可靠的吞吐量，這項(xiàng)技術(shù)還可以保證同其他使用同一頻段的設(shè)備不互相影響。802.11無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)定義的傳輸速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequency hopping spread spectrum)和DSSS(direct sequence spread spectrum)技術(shù)，需要指出的是，F(xiàn)HSS和DHSS技術(shù)在運(yùn)行機(jī)制上是完全不同的，所以采用這兩種技術(shù)的設(shè)備沒(méi)有互操作性。3、80

5、2.11b的增強(qiáng)物理層802.11b在無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議中最大的貢獻(xiàn)就在于它在802.11協(xié)議的物理層增加了兩個(gè)新的速度：5.5Mbps和11Mbps。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，DSSS被選作該標(biāo)準(zhǔn)的唯一的物理層傳輸技術(shù)，這個(gè)決定使得802.11b可以和1Mbps和2M的802.11bps DSSS系統(tǒng)互操作。最初802.11的DSSS標(biāo)準(zhǔn)使用11位的chipping-Barker序列-來(lái)將數(shù)據(jù)編碼并發(fā)送，每一個(gè)11位的chipping代表一個(gè)一位的數(shù)字信號(hào)1或者0，這個(gè)序列被轉(zhuǎn)化成波形(稱為一個(gè)Symbol)，然后在空氣中傳播。這些Symbol以1MSps(每秒1M的symbols)的速度進(jìn)行傳送，傳送

6、的機(jī)制稱為BPSK(Binary Phase Shifting Keying)，在2Mbps的傳送速率中，使用了一種更加復(fù)雜的傳送方式稱為QPSK(Quandrature Phase Shifting Keying)，QPSK中的數(shù)據(jù)傳輸率是BPSK的兩倍，以此提高了無(wú)線傳輸?shù)膸挕Ｔ?02.11b標(biāo)準(zhǔn)中，一種更先進(jìn)的編碼技術(shù)被采用了，在這個(gè)編碼技術(shù)中，拋棄了原有的11位Barker序列技術(shù)，而采用了CCK(Complementary Code Keying)技術(shù)，它的核心編碼中有一個(gè)64個(gè)8位編碼組成的集合，在這個(gè)集合中的數(shù)據(jù)有特殊的數(shù)學(xué)特性使得他們能夠在經(jīng)過(guò)干擾或者由于反射造成的多方接受問(wèn)

7、題后還能夠被正確地互相區(qū)分。5.5Mbps使用CCK串來(lái)攜帶4位的數(shù)字信息，而11Mbps的速率使用CCK串來(lái)攜帶8位的數(shù)字信息。兩個(gè)速率的傳送都利用QPSK作為調(diào)制的手段，不過(guò)信號(hào)的調(diào)制速率為1.375MSps。這也是802.11b獲得高速的機(jī)理。表1中列舉了這些數(shù)據(jù)。為了支持在有噪音的環(huán)境下能夠獲得較好的傳輸速率，802.11b采用了動(dòng)態(tài)速率調(diào)節(jié)技術(shù)，來(lái)允許用戶在不同的環(huán)境下自動(dòng)使用不同的連接速度來(lái)補(bǔ)充環(huán)境的不利影響。在理想狀態(tài)下，用戶以11M的全速運(yùn)行，然而，當(dāng)用戶移出理想的11M速率傳送的位置或者距離時(shí)，或者潛在地受到了干擾的話，這把速度自動(dòng)按序降低為5.5Mbps、2Mbps、1Mb

8、ps。同樣，當(dāng)用戶回到理想環(huán)境的話，連接速度也會(huì)以反向增加直至11Mbps。速率調(diào)節(jié)機(jī)制是在物理層自動(dòng)實(shí)現(xiàn)而不會(huì)對(duì)用戶和其它上層協(xié)議產(chǎn)生任何影響。數(shù)據(jù)傳送率編碼長(zhǎng)度調(diào)制方式波串速率位數(shù)/波串1Mbps11(BS串)BPSK1MSps12Mbps11(BS串)QPSK1MSps25.5Mbps8(CCK)QPSK1.375MSps411Mbps8(CCK)QPSK1.375MSps8表1：802.11b數(shù)據(jù)傳送速率規(guī)范4、802.11數(shù)字鏈路層802.11的MAC和802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是在一個(gè)共享媒體之上支持多個(gè)用戶共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的可用性。在802.3協(xié)議

9、中，是由一種稱為CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的協(xié)議來(lái)完成調(diào)節(jié)，而在802.11無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測(cè)存在一定的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題稱為“Near/Far”現(xiàn)象，這是由于要檢測(cè)沖突，設(shè)備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號(hào)一邊傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，而這在無(wú)線系統(tǒng)中是無(wú)法辦到的。鑒于這個(gè)差異，在802.11中對(duì)CSMA/CD進(jìn)行了一些調(diào)整，采用了新的協(xié)議CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coor

10、dination Function)。CSMA/CA利用ACK信號(hào)來(lái)避免沖突的發(fā)生，也就是說(shuō)，只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的ACK信號(hào)后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的。CSMA/CA通過(guò)這種方式來(lái)提供無(wú)線的共享訪問(wèn)，這種顯式的ACK機(jī)制在處理無(wú)線問(wèn)題時(shí)非常有效。然而不管是對(duì)于802.11還是802.3來(lái)說(shuō)，這種方式都增加了額外的負(fù)擔(dān)，所以802.11網(wǎng)絡(luò)和類似的Ethernet網(wǎng)比較總是在性能上稍遜一籌。另一個(gè)的無(wú)線MAC層問(wèn)題是“hidden node”問(wèn)題。兩個(gè)相反的工作站利用一個(gè)中心接入點(diǎn)進(jìn)行連接，這兩個(gè)工作站都能夠“聽(tīng)”到中心接入點(diǎn)的存在，而互相之間則可能由于障礙或者距離原因無(wú)法感知到

11、對(duì)方的存在。為了解決這個(gè)問(wèn)題，802.11在MAC層上引入了一個(gè)新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)選項(xiàng)，當(dāng)這個(gè)選項(xiàng)打開(kāi)后，一個(gè)發(fā)送工作站傳送一個(gè)RTS信號(hào)，隨后等待訪問(wèn)接入點(diǎn)回送RTS信號(hào)，由于所有的網(wǎng)絡(luò)中的工作站能夠“聽(tīng)”到訪問(wèn)接入點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，所以CTS能夠讓他們停止傳送數(shù)據(jù)，這樣發(fā)送端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)和接受ACK信號(hào)而不會(huì)造成數(shù)據(jù)的沖突，這就間接解決了“hidden node”問(wèn)題。由于RTS/CTS需要占用網(wǎng)絡(luò)資源而增加了額外的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，一般只是在那些大數(shù)據(jù)報(bào)上采用(重傳大數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)耗費(fèi)較大)。最后，802.11MAC子層提供了另兩個(gè)強(qiáng)壯的功能，CRC校驗(yàn)和包分片。

12、在802.11協(xié)議中，每一個(gè)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)都被附加上了校驗(yàn)位以保證它在傳送的時(shí)候沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，這和Ethernet中通過(guò)上層TCP/IP協(xié)議來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)有所不同。包分片的功能允許大的數(shù)據(jù)報(bào)在傳送的時(shí)候被分成較小的部分分批傳送。這在網(wǎng)絡(luò)十分擁擠或者存在干擾的情況下(大數(shù)據(jù)報(bào)在這種環(huán)境下傳送非常容易遭到破壞)是一個(gè)非常有用的特性。這項(xiàng)技術(shù)大大減少了許多情況下數(shù)據(jù)報(bào)被重傳的概率，從而提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。MAC子層負(fù)責(zé)將收到的被分片的大數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重新組裝，對(duì)于上層協(xié)議這個(gè)分片的過(guò)程是完全透明的。5、聯(lián)合結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和漫游802.11的MAC子層負(fù)責(zé)解決客戶端工作站和訪問(wèn)接入點(diǎn)之間的連接。