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无线网络IEEE802.11

无线网络IEEE802.11

一、IEEE802.11标准的重要技术规定

1990年,IEEE执行委员会成立了802.11工作组,其目标是创建无线局域网(WLAN)标准,规定为:“所提议的无线LAN标准的作用范围是为局域网固定的、便携式和可移动站点的无线连接开发的规范。”最终的标准,即正式称为IEEEWLAN介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范,并像802的IEEE标准一样(如802.3、802.5),为此,规定了一些至关重要的技术机制。

1.CSMA/CA协议

我们知道总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD,即载波侦听多点接入/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccessCollisionDetection)。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突,因此802.11全新定义了一种新的协议,即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA(CollisionAvoidance)。一方面,载波侦听查看介质是否空闲;另一方面,避免冲撞通过随机的时间等待,使信号冲突发出的概率减到最小,当介质被侦听到空闲时,优先发送,不仅如此,为了系统更加稳固,802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。一旦遭受其他噪声干扰,或者由于侦听失败,信号冲突就有可能发生,而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。

2.RTS/CTS协议

RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议,相当于一种握手协议,主要用来解决“隐藏终端”问题。“隐藏终端”(HiddenStation)是指,基站A向基站B发送信息,基站C未侦测到A也向B发送,故A和C同进将信号发送至B,引起信号冲突,最终导致发送至B的信号都丢失了。“隐藏终端”多发生在大型单元中(一般在室外环境),这将带来效率损失,并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时,尤其需要杜绝“隐藏终端”现象的发生。WLAN802.11提供了如下解决方案。在参数配置中,若使用RTS/TS协议,同进设置传送上限字节数 旦待传送的数据大于此上限值时,即启动RTS/CTS握手协议。首先,A向B发送RTS信号,表明A要向B发送若干数据,B收到RTS后,向所有基站发出CTS信号,表明已准备就绪,A可以发送,其余基站暂时“按兵不动”,然后,A向B发送数据,最后,B接收完数据后,即向所有基站广播ACK确认帧,这样,所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。

3.信包重整

当传送帧受到严重干扰时,必定要重传。因此若一个信包越大时,所需重传的耗费(时间、控制信号、恢复机制)也就越大;这时,若减小帧尺寸把大信包分割为若干小信包,即使重传,也只是重传一个小信包,耗费相对小得多。这样就能大大提高WLAN新产品在噪声干扰地区的抗干扰能力。当然,作为一个可选项,用户若在一个“干净”地区,也可关闭这项功能。

4.多信道漫游

人类是无限追求自由的,随着移动计算设备的日益普及,我们希望出现一种真正无所羁绊的网络接入设备。WLAN802.11就是这样的一种设备。传输频带是在接入设备访问接入点(AccessPoint,AP)±设置的,而基站不需设置固定频带,并且基站具有自动识别功能,基站动态调频到AP设定的频带,这个过程称为扫描(Scan)oIEEE802.il定义了两种模式:被动扫描和主动扫描。被动扫描是指基站侦听AP发出的指示信号,并切换到给定的频带。WLAN802.11采用的是主动扫描,并且能结合天线灵敏度,经信号最佳的信道确定为当前传输信道。这样,当原来位于接入点AP(A)覆盖范围内的基站漫游到接入点AP(B)时,基站能自适应,重新以AP(B)为当前接入点。

802.11系列规范主要从WLAN的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)两个层面制订系列规范,物理层标准规定了无线传输信号等基础规范,如802.11e、802.11f和802.11io历经十几年的发展,802.11已经从最初的802.11、802.11a、802.11b发展到了目前的802.1lac,802.11ax等标准。

□ 802.Ila:5GHz波段上的物理层规范。

□ 802.11b:2.4GHz波段上的物理层规范。

□ 802.11d:当前802.11标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的,该标准旨在扩充

802.11无线局域网在其他国家的应用。

□ 802.11e:改进和管理WLAN的服务质量,保证能在802.11无线网络上进行话音、音频、视频等多媒体业务的传输。

□ 802.11f:实现不同厂商无线局域网之间的互操作,保证网络内访问点之间信息的互换。

□ 802.11g:802.11的扩充,通过提高数据率来增强802.11b兼容网络的性能和应用。

□ 802.11h:增强5GHz波段的802.11MAC规范及802.11b高速物理层规范。

□ 802.1H:增强WLAN的安全和鉴别机制。

□ 802.1lac:该标准支援多达4个空间资料串流。

□ 802.11ad:将无线网络的速度再次提升到一个新的高度。802.1lad最高传输速度可达4.6Gbps,比当前最快的802.1lac标准快4倍。802.1lad并非由IEEE发布,而是由WiGig联盟发布.于2016年正式颁布实施。因为它采用了全新的频段,与此前所有的WiFi标准都不同。802.11b/g/n/ac 2.4GHz5GHz®,而之后的802.11ad都将采用60GHz的频段。60GHz的频段可以传输更多的数据,但是可以传输的距离更短。

□ 802.11ah:频段低到54〜790MHz,信号传播范围极广。它采用了和蓝牙一样的1GHz频段,但是信号范围可以达到1000m,同时具备极低的功耗,不过这是有代价的,802.11ah的信号速率只有150kbps□

□ 802.1lax:802.11ax使用2.4GHz或5GHz频段,更进一步承诺提升连线速度,并且支援OFDM、高达1024QAM以及多用户的多重输入多重输出(MIMO)技术。802.1lax是一种混合2.4GHz、5GHz和1024AQM、OFDMA信号的标准,目前实验室测试速度可达lOGbps,比802.1lad还快1倍,预计2019年才会问世。

□ 802.Hay:它是802.11ad的升级版本。802.1lay加入了对MU-MIMO的支持,最高速度可达20~40Gbpso

5、IEEE802.11要点

IEEE于1999年11月决定采用的两个新规格,它们是:

1) IEEE802.11b最大传输速度为11Mbps。

2) IEEE802.11a最大传输速度为54Mbps。

IEEE802.11b是在现有的IEEE802.11b中,对规定的2.4GHz频带的直接频谱扩散技术(DSSS)加上使数据传输速度提高到11Mbps或5.5Mbps下,以确保通信的高可靠性。

IEEE802.11a是为了进一步提高数据传输速度而使用5.2GHz频带的规格。它工作在5GHzU-II频带,从而避开了拥挤的2.4GHz频段。物理层速率5.5Mbps,传输层可达25Mbps,能够平滑地和常规局域网,特别是交换式主干集成。

802.Ila在使用频率的选择和数据传输速率上都优于802.11b,便不兼容802.11b。

二、IEEE802.11提供的服务

802.11无线局域网提供的基本服务群称为基本服务群(BasicServiceSet,BSS),是由许多主机所形成的集合,它可以相互沟通且拥有相同的基本服务群辩识码(BSSID)供用户组建无线局域网使用。组建网络时,可以是随意架构网络或基础架构网络。

随意架构的WLAN(AdHoc Wireless LAN)可以让不限量的主机实时地架设起无线通信网络——独立基本服务群(IndependentBSS,IBSS)。在这种架构中,主机彼此之间直接通信,一般而言,都是由少量的主机因临时需求而构成,如会议室,其结构如图7所示。

随意架构网络结构图

图7   随意架构网络结构图

      基础架构的无线网络是在一个有线网络架构中装设一个特别的节点,即AP,它可将一个或多个WLAN与现存有线网络的分布式系统相连接,以提供某个无线局域网络中两个主机间的通信数据交换,另一方面也使WLAN中的主机能存取有线网络的资源。这种类型的WLAN范围通常在同栋楼层,其结构如图8所示。

基础架构的无线网络的结构图

图8 基础架构的无线网络的结构图

基础架构的WLAN主要优势在于:架站时不需要记录周围主机信息,如有多少主机在附近等,另外可帮助主机执行省电机制,延长电池使用时间。再者,可将多个BSS串联起来形成一延伸服务群(ESS),让整个网络的涵盖范围变得更大。

在这两种架构中,802.11提供两类共9种服务。

1.主机服务(StationService,SS)

主机的服务让主机具有正确送、收数据的能力,同时也考虑数据传送的安全。包括下列4种服务。

1)身份确认服务,主要是用来确认每个主机的身份,IEEE802.11通常要求双向式的身份确认,在一瞬间一个主机能同时和多个主机(包括AP)做身份确认动作。

2)取消身份确认服务,已完成身份认证的工作站可用此服务来取消身份认证,一旦取消后连接也同时取消。

3)隐密性服务,无线网络的数据是在空间开放的介质中传播,因此任何只要装有IEEE802.11适配卡的主机,都能接收到别人的数据。所以数据的保密性若做得不好,资料很容易被别人窃取,隐密性服务的主要功能,就是提供一套隐密性服务的算法,将数据做加密与解答。

4)802.11封包传送,此服务为主机服务最基本功能,它将数据传送给接收者。

2.分布式系统服务(DistributionSystemServices,DSS)

分布式系统服务由分散系统所提供,使802.11的封包可在同一个ESS中的不同BSS间传送,无论主机移动到ESS中的哪个地方都能收到属于它的数据。这类服务大部分是有AP呼叫使用。AP是唯一同时提供主机服务和分布式系统的无线网络组件,也是主机与分布式系统间的桥梁。分散系统提供下列5种服务。

1)连接服务,连接服务的主要目的是要在主机和AP之间,建立一个通信连接。当分布式系统要将数据传送给主机时,必须事先知道这个主机目前是透过哪个AP来接入分布式系统的,这些信息由连接服务提供。一个主机在被允许由某个AP给分布式系统发送数据前,必须先和此AP做连接。通常,在一个基本服务区内的主机要和外界通信,就必须先与AP相连接。这个动作类似注册,因为,当主机做完连接动作后,AP就会记住此主机目前在它管辖范围之内。请注意,在任一瞬间,任一主机只会和一个AP做连接,这样才能使分散系统能在任何时候知道哪个主机是由哪个AP所管辖,然而,一个AP却可以同时和多个主机做连接。连接服务都是由主机所启动,通常主机会由启动连接服务来要求和AP做一个连接。

2)重连服务,重连服务的主要目的是将一个移动中主机的连接,从一个AP转移到另一个AP。当主机从一个基本服务区移动到另一个服务区时,它就会启动重连服务。此服务会将主机和它所移入的基本服务区内的AP做连接,使得分散系统将来能知道此主机目前已由另一个AP管辖,重连接的服务也由主机启动。

3)取消连接服务,取消连接服务主要目的是取消一个连接,当一个主机传送数据结束时,可启动取消连接服务。另外,当一个主机从一个基本服务区移动到另一个基本服务区时,它除了会对新的AP启动重连接服务外,也会对旧的AP启动取消连接服务。此服务可由主机或AP来启动,不论是哪方启动另一方都不能拒绝。另外,AP可能因网络负荷过重而启动对主机取消连接。

4)分送服务,分送服务主要由基础架构无线局域网络中的主机所使用,当主机要传送数据时,数据首先会传送至AP,再由AP利用分布式系统传送至目的地。IEEE802.il并没有规定此系统要如何将数据正确地送达目的地,但它说明了在连接、取消连接及重连接等服务中,该数据该往哪个AP输出,以便将数据送达正确的目的位置。

5)整合服务,此服务主要目的是让数据能在分散系统和现存的局域网络间传送。如果分送服务知道该数据的目的地位置是现存的IEEE802.x有线局域网络,那该份数据在分散系统中的输出点将是连接器而不是AP。分送服务若发现这份数据是要被送到AP,则送往AP,而整合服务的任务就是将这份数据从分散系统转送到相连的局域网络媒介。