无线局域网的技术分析与设计.docx

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无线局域网的技术分析与设计

摘要

无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，简称WLAN）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，采用无线传送方式提供有线局域网的功能，是对有线局域网的一种补充和扩展。

目前采用802.11标准的无线局域网数据传输速率相当高，使得网上的计算机具有移动性，能快速方便地解决有线方式不易实现的网络连接问题，具有部署灵活、带宽高、延展性强、维护简单等优势。

为了能够对无线局域网有更深入的了解，本文研究了802.11无线局域网的工作原理和无线局域网参考结构以与无线局域网的规划与设计。

并且探讨了无线局域网存在的问题，尤其是安全问题。

最后，还对无线局域网的发展趋势做一个简单的分析。

关键词：

无线局域网；参考体系；AP；通信

WirelessLANTechnologyAnalysisandDesign

XUJun-pei

Abstract

 WirelessLAN（WirelessLoca1AreaNetwork,referredtoasWLAN）istheproductwhichiscombinedwithcomputernetworkandwirelesscommunicationtechnology.ItuseswirelesstransmissiontoprovidewiredLANcapabilities,andisacomplementandexpandtowiredlocalareanetwork.802.11standardcurrentlyuseswirelessLANdatatransferTransmissioninquitehighrate.Itmakesportablecomputercanquicklyandeasilyresolvedthatwirednetworkisnoteasytoachievenetworkconnectivityissues,withthedeploymentofflexible,high-bandwidth,scalabilitystrongandsimplemaintenanceAdvantages.

Inordertohavemorein-depthunderstandinginWLAN,thispaperprobesintotheoperatingprinciples,thereferenceconfigurationandtheplanninganddesignof802.11.Moreover,theexistingproblemsofWLANisdiscussedinthepaper,especiallythesafetyproblem.Atlast,theauthorhasmadeabriefanalysisaboutthetrendofWLAN’sdevelopment.

Keywords:

wirelessLAN；referencesystem；AP；communication

无线局域网的技术分析与设计

姓名：

徐俊培学号：

2007394138班级：

07网络工程1班

1绪论

1．1无线局域网概述

20世纪90年代以来，移动通信和Internet是信息产业发展最快的两个领域，他们直接影响了亿万人的生活，大大改变了人类的生活方式。

移动通信使人们可以任何时间、任何地点和任何人进行通信，Internet使人们可以获得丰富多彩的消息。

那么如何把移动通信和Internet结合起来，达到可以任何人、任何地方都能联网呢？

无线局域网的出现解决了这个问题。

无线局域网是计算机网络和无线通信技术相结合的产物。

通俗点说，无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋藏在墙里，网络却能随着实际需要移动或变化。

无线局域网的出现解脱了线路的束缚，和传统的有线网络相比，无线网络有着高移动性、低成本、方便快捷等传统有线网络无可比拟的优点。

1．2无线局域网起源与发展

无线局域网的起源最早可以追溯到第二次世界大战期间的军事应用。

1971年，美国夏威夷大学的研究人员创造了第一个基于封包式技术的无线电通信网络ALOHNET，这是被认为最早的无线局域网络。

ALOHNET网络已经具备了无线局域网的雏形，它由7台计算机采用双向星型拓扑结构组成,跨越了夏威夷整个岛屿，中心计算机放在瓦胡岛上。

在随后的20年中，伴随着以太局域网的迅猛发展，无线局域网以其无需架线，灵活性强等优点赢得了特定市场的认可，成为有线以太网的有效补充。

也正是因为始终被作为有线局域网的一种补充，无线局域网同样遵循IEEE802.3标准。

1990年11月，为了顺应无线局域网的发展需求，美国电子工程学会成立了802.11委员会，开始制定无线局域网标准，如今已推出了IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n等多项标准。

与此同时，欧洲电信标准化协会的宽带无线电接入网络小组也在致力于无线局域网标准的制定，相继推出HiperLAN1和HiperLAN2这两个无线局域网标准。

2无线局域网标准研究

无线局域网采用的标准有很多，目前比较流行的有802.11标准、蓝牙标准以与HomeRF标准、HiperLAN2标准等。

2．1802.11家族

IEEE802.11无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。

它也是目前最常用的无线局域网传输协议，各个公司都有基于该标准的无线网卡产品。

图2-1给出了802.11标准比较细致的协议层次模型。

1）MAC子层

局域网协议体系中MAC子层的功能主要为在共享介质上的对等实体之间交换MAC协议数据单元（MPDU），802.11标准MAC子层具有以下主要功能。

MAC_SAP

MAC子层

MAC子层

管理实体

站管理实体

PHY_SAP

PLCP子层

PHY子层

管理实体

PMD_SAP

PMD子层

图2-1802.11标准参考模型

a.无线介质访问控制

802.11标准定义了两种不同的无线介质访问方式：

分布式协调功能（distributedcoordinationfunction，DCF）和点协调功能（pointcoordinationfunction，PCF）。

DCF是一种基于分布式控制的竞争式共享介质方法，采用CSMA/CA——载波侦听多路访问/冲突避免技术。

DCF比较简单，健壮性较好，在实际应用中获得了广泛支持。

标准规定DCF是节点的默认工作方式。

PCF是一种集中式的控制方法，在基础设施架构网络中，设置一个协调点采用轮询机制控制所有站点对信道的访问。

PCF的应用目前还远不如DCF广泛。

b.关联

关联指站点之间相互确定网络通信参数，建立通信关系。

c.认证和保密

在无线环境中存在过度自由的接入问题，对用户身份进行认证很必要。

认证后的用户数据在信道上可能需要采用加密技术来加强通信的安全性，实现用户之间的安全隔离。

在后面章节会详述。

d.分段

当无线信道质量较差时，传输长帧会降低帧的正确接收率。

因此需要将较长的MSDU分段为多个较短的MPDU进行传输。

分段的重装由直接相连的接收端MAC层实体完成，即不一定是由帧的最终目的完成安装。

e.多速率支持

802.11标准中某些类型得物理层实体可以提供多种数据传输速率，在MAC层控制下根据信道质量进行动态切换。

2）PLCP子层

PLCP子层全称为物理层汇聚子层。

在这一层中将会把MPDU进一步封装成PPDU（物理层协议数据单元），增加了诸如同步、帧起始、帧长度、帧头部校验等字段，使PPDU适于物理层的发送和接收。

3）PMD子层

PMD子层的全称为物理介质相关子层。

和其他大多数局域网标准的PMD子层功能类似，该子层的信号收发器实现在信道上接收和发送物理信号，对于无线信道，其功能主要是调制、解调和探测介质状态——CCA（clearchannelassessment,信道空闲评估）。

以下是802.11家族的一些标准：

2．1．1IEEE802.11b

IEEE802.11b工作在2.4GHz频段。

它最大的贡献就是在IEEE802.11的PHY层基础上增加了5.5和11Mbps两个接入速率。

为了达到这两个速率，IEEE802.11b采用了补码键控（complementarycodekeying，CCK）。

CCK是以互补码为基础的一种DSSS方式。

互补码有良好的自相关特性，利用这种特性，信号的带宽可以获得扩频处理增益。

IEEE802.11b还有两种数据速率和调制方式：

基于接入速率是基于1Mbps的DBPSK调制，扩频速率是基于2Mbps的DPQSK调制，与IEEE802.11DSSS系统是兼容的。

自适应速率选择机制确保当站点之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限时，传输速率能够从11自动降到5.5Mbps。

它支持的范围在室外为300m，在办公环境中最长为100m。

除了以上三种调制方式之外，IEEE802.11b还为潜在的增强性能提供了一个可选的分组二进制卷积码（packetbinaryconvolutionalcoding，PBCC）。

IEEE802.11b的产品早在2000年初就登陆市场。

2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用，因此，IEEE802.11b得到了广泛的应用。

Wi-Fi联盟，当时叫做无线以太网联盟（WirelessEthernetCompatibilityAlliance，WECA），为了给IEEE802.11b取一个让人记住的名字，便雇佣了著名的商标公司Interbrand，创造出了Hi-Fi，运用Wi-Fi则可以从文字上展现无线保真的效果。

但实际上，Wi-Fi仅仅是一个商标名称而已，并没有任何含义。

如今，随着IEEE802.11系列标准的出台，并逐渐成为世界上最热门的WLAN标准的时候，Wi-Fi已经不单只代表IEEE802.11b这一种标准，而被人们广泛用于代表整个IEEE802.11系列标准。

2．1．2IEEE802.11a

IEEE802.11a采用了与原始标准IEEE802.11基本相同的核心协议，不过它的工作频率为5GHz，且PHY层采用的是正交频分复用（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM）技术。

这是一种多载波的高速扩频传输技术，其核心是将信道分成52个正交子信道，在每个子信道上用一个子载波进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

另外，由于OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠，这样不但减少了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

最大数据速率为54Mbps，实际的净吞吐量在20Mbps左右。

虽然IEEE802.11a标准由于其高带宽被人们津津乐道，但从实际应用来看，到目前为止，在国内802.11b仍然是无线局域网的主流标准，而市场中的无线局域网产品大多数还是基于802.11b协议的。

2．1．3IEEE802.11g

IEEE802.11g也工作在2.4GHz，并且保留了IEEE802.11b所采用的CCK技术，可与IEEE802.11b的产品保持兼容。

由于运用了OFDM调制技术，IEEE802.11g也可以实现54Mbps的传输速率。

高速率和兼容性是它的两大特点。

IEEE802.11g在相同的2.4GHz频段采用了与IEEE802.11b相同的调制技术CCK，因此，IEEE802.11g设备在采用CCK调制时与802.11b设备具有相同的距离范围。

IEEE802.11g虽然也采用了与IEEE802.11a相同的调制技术OFDM，但由于IEEE802.11a设备工作在更高的5GHz频段，在传输时较之IEEE802.11g设备在采用OFDM调制时有更多的信号损耗，也就是说当IEEE802.11g设备采用OFDM调制时有比IEEE802.11a设备更远的距离范围。

早在2003年初，市面上就已经有IEEE802.11g产品出售。

紧接着，越来越多的兼容性WLAN设备陆续被推出，IEEE802.11a/b/g的双频三模网络设备已经很普遍了。

2．1．4IEEE802.11n

2003年，IEEE成立802.11n工作小组，着手研究制定更新的高速无线局域网标准。

IEEE802.11n将无线局域网的传输速率提高到108Mb/s，最高速率可达320Mb/s~600Mb/s。

为了全面兼容以往的IEEE802.11b/a/g标准，IEEE802.11n被定义为双频工作模式，即包含2.4GHz和5GHz两个工作频段。

另外，配合先进的天线技术与传输技术，在100Mb/s的数据传输速率下，其传输距离仍可达几千米。

表2-1IEEE802.11家族的比较

协议

频率

信号

最大数据传输率

802.11a

5GHz

OFDM

54Mbps

802.11b

2.4GHz

DSSS/CCK

11Mbps

802.11g

2.4GHz

OFDM/CCK

54Mpbs

802.11n

2.4或5GHz

OFDM

540Mpbs（理论值）

2．2HiperLAN

HiperLAN2的特征是具有移动终端，采用正交频分复用调制；原始物理层的速率可达54Mb/s，传输层得速率可以保持在20Mb/s；它在高速下支持QoS，对像视频和语音一类实时应用提供了新的途径。

2．3蓝牙标准

蓝牙标准对于802.11来说，它的出现不是为了竞争而是相互补充。

蓝牙是一种极其先进的大容量近距离无线数字通信的技术标准，其目标是实现最高数据传输速率为1Mb/s、最大传输距离为10m，通过增加发射频率可达到100m。

3CSMA/CA协议

以太网上CSMA/CD协议的成功，为我们提供了很多值得借鉴的经验：

在局域网计算机网络中，以竞争方式共享信道，具体成本低廉、灵活性强的特点，能够很多地适应计算机通信技术的发展。

因此，在无线局域网技术中采用了类似技术——具有冲突避免的载波侦听多路访问协议，即CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）协议。

3．1基本原理

无线收发器不能在同一个频率上发送信号的同时接收信号，所以WLAN的物理层无法在传输数据过程中同时检测冲突，也不能像CSMA/CD技术那样检测到冲突后立即停止传输，因此，一旦出现冲突，持续时间将最少为一个帧传输时间，造成信道资源的很大浪费。

CSMA/CA协议采用冲突避免技术来降低冲突概率，虽然在没有冲突发生时会增加开销，但换来因冲突概率降低而减少的冲突影响，理论上和实践中都证明这样的牺牲是值得的。

要降低冲突概率，应先分析什么情况下产生出土的概率最大，然后有针对性地加以避免。

采用了传输前载波侦听技术后，可以保证侦听到载波的站不会与正在传输的站产生冲突，但当前一个帧传输结束时，正在侦听信道的站都会开始竞争信道，如果他们的策略是在信道空闲时发送数据，冲突就不可避免。

因此，采用载波侦听技术后，信道由忙转闲时是最容易发生冲突的时刻，如果能够使需要访问信道的多个站点在时间上分散开，将降低冲突概率，即通过随机延时的机制（又称随机回退）让一个站先发送，其他站随后尝试发送，他们会因为侦听信道载波为忙而等待，从而避免冲突。

图3-1CSMA/CA降低冲突率示意图

借鉴CSMA/CD在检测到冲突后分散多个参与冲突站点的二进制指数随机回退算法，CSMA/CA引入了一种传输前分散多个可能冲突站点的延时算法。

该算法也是一种二进制指数随机回退算法，各站在信道空闲后的竞争窗口里以时间片为单位进行随机回退。

具体介质访问流程图如图3-2所示：

图3-2CSMA/CA介质访问流程

3．2RTS/CTS机制

CSMA/CD技术可以依靠侦听载波来避免与正在传输的站点冲突，可是在无线环境中，载波侦听也变得不那么可靠了。

如图3-3，在隐藏站点的情况下，B和C互相听不到对方,容易出现B和C同时向中间的AP发送数据的现象，此时AP收到的是B和C重叠后的冲突数据。

如果这一情形发生，那么即便进行了载波侦听，其效果和没有侦听载波的ALOHA技术差不多。

CSMA/CA协议采用了一种RTS/CTS机制来避免这一情形的冲突问题。

图3-3隐藏站点产生的冲突

（a）（b）

图3-4RTS/CTS原理

以图3-4所示情况为背景，RTS/CTS机制的基本规则如下：

1）A在发送数据之前首先发送一个“请求发送”控制帧——RTS（readytosend）给AP。

2）如果AP认为信道空闲，即B没有发送数据（注意，AP可以同时听到A和B，但A听不到B的载波），AP以“清除待发送”控制帧——CTS（cleartosend）给A以答应，允许A发送数据。

3）当A收到应答的CTS帧，确认信道将处于空闲，它可以随后向AP发送数据。

在AP发送CTS应答A的同时，AP周围的站点（包括B）都根据这个CTS帧抑制各自的发送行为，直到A的数据发送完毕，从而避免与B冲突。

4）如果AP认为信道忙，如B可能正在向AP发送数据，AP不会发送CTS；又或者如果B也同时发送了RTS给AP，两个RTS在AP处冲突，AP不能识别，也无法回应RTS。

5）发送RTS，没有收到应答CTS时，或者收到的CTS不是对本站发出的RTS的应答时，发送RTS的站就要抑制MSDU的发送，随机回退后，再次尝试发送RTS。

RTS/CTS机制不能完全避免冲突，如果当两个站点同时发送RTS帧时，就会产生冲突。

因为RTS帧很短，此时的冲突并不持续很长时间，所以对RTS/CTS机制的正确理解应该是，用较短的RTS冲突替代了较长的数据帧冲突，从而减轻冲突的影响。

RTS/CTS机制每次传输都会多交换两个控制帧，数据帧较多时，这的确是一笔不小的开销，在实际应用中常设置一个门限值，仅当需要传输的帧的帧长超过这个门限值时才会启动RTS/CTS机制，因为短帧的传输并不适合RTS/CTS机制。

3．3单帧等待应答

为了应付突发情况较多的无线环境，尽快处理帧传输中的错误，提高信道可靠性，CSMA/CA协议中采用了一种和停等协议类似的方式处理差错：

当发送方发送一帧后，会等待接收方的应答帧——ACK，如果超时没有收到应答帧，发送方将尝试重传；对于接收方接收结束后迅速发送ACK。

在信道较繁忙或信道状态较复杂时，单帧等待方式往往会因为接收方来不与在规定时间内应答造成发送方频繁超时重传，从而加重信道负担，进一步会形成恶性循环。

为了使接收方能与时应答，CSMA/CA协议引入了两个重要的时间间隔：

DIFS（distributedinterfacespace，分布式帧间间隔）和SIFS（shortinterfacespace，短帧间间隔）。

1）传输前的“静默”

每个站点必须在介质空闲DIFS时间后才能开始传输前的信道竞争，即启动回退过程，开始传输前的倒计时。

一旦各站点开始回退计时时，随时都有可能出现某个站点计时为零从而抢占信道。

从DIFS结束——开始竞争到回退延时最长时间称为竞争窗口（contentionwindow）；而从信道空闲到开始竞争的DIFS时间段内，是大家都遵守的“静默”阶段。

2）应答时的“优先”

如果有任何站点在DIFS时间内抢先发出信号，可认为该站不用经过竞争就优先获得信道，这是获得信道访问优先权的一种实现方式。

如果让接收方的应答帧具有这种优先权，应答帧就可以与时传送出来。

所以CSMA/CA协议规定，接收站在信道空闲SIFS时间后，就可以发送应答帧。

由于SIFS是比DIFS更小的间隔时间，接收站在发送应答帧时只需等待媒体空闲较少的时间，与此同时其他站则需等待DIFS时间后才能尝试抢占信道,因此接收站将优先于其他各站抢占信道，发送出应答帧。

应答帧能够与时送出，保证了单帧等待过程顺利完成，同时也就提高了信道的可靠性。

3）帧交换序列

在发送方单帧等待、接收方立即应答的机制下，一次成功传输至少包括两个帧的交换，即A站到B站的MPDU和之后B站送回A站的ACK帧，这里形成了所谓帧交换序列的概念。

此外，如果结合RTS/CTS机制，发送方先发送RTS帧请求发送；接收方应答CTS，清空信道等待接收；发送方发送MPDU；接收方在完成MPDU的接收以后，发送应答帧。

上述过程形成了一个多帧的交换序列：

RTS+CTS+dataframe+ACK，其中RTS和dataframe是源站送给目的站的，CTS和ACK是目的站送回的。

3．4分段重装与帧猝发

在不可靠的无线信道上传输一个长帧是不明智的，因为，帧越长，出错的概率就越高，因为差错而重传的代价也会相当昂贵。

甚至当帧长达到一定程度，就算多次重传，目的站也很难得到一次正确完整地接收的机会。

故而，在信道质量较差的无线信道上，有必要将一个长帧分成多个分段传输，而且最好能根据信道的实际质量，决定分段的最大长度。

CSMA/CA协议中规定了将长帧进行分段的动作，各分段具有独立的帧头和完整的结构，虽然他们被称为帧的分段，但在结构上是一个个独立的帧。

同一帧的各个分段具有相同序列号和不分段号，以便接收方进行重装。

一个帧分成多个分段传输，将带来网络中帧数量的增加，站点不得不多次参与信道竞争，从而增加了冲突的概率。

CSMA/CA协议采用了一种称为“帧猝发”的技术来避免因为分段而造成站点不得不多次参与信道竞争的情况。

帧猝发技术仍然是利用具有优先权的SIFS时间间隔，站点在连续发送一帧的多个分段时，每个分段之间只需等待SIFS间隔。

这样，发送完一个分段并收到应答后，当其他站还在等待DIFS间隔时，发送站早早地结束了SIFS过程，抢先一步取得信道，或者说，发送站并没有在发送完一个分段后放弃信道并重新竞争。

这样，长帧分段后，发送站虽然发送的帧数量增加了，但发送这些帧只竞争了一次信道，即仅在发送第一个分段时才需要竞争信道。

3．5信道占用预测

CSMA/CA机制里，载波侦听是非常重要的技术，当载波侦听发现介质空闲时，站点就可以启动介质竞争过程以竞争信道。

有线局域网中，载波侦听完全依赖于物理层实现，在无线环境下，虽然仍可以使用物理层的物理手段侦听载波，但侦测的结果却不那么可靠。

工作在无线环境下的CSMA/CA机制，除了物理检测方式，还采用了虚拟载波侦听机制，用逻辑方法对信道的占用情况进行预测。

CSMA/CA是MAC层技术，因此又常称虚拟载波侦听制为MAC层载波侦听。

4无线局域网的技术优势与不足

无线局域网能够提供有线局域网的所有功能，并且具有很大的移动性和灵活性。

但无线局域网的特点就想一把双刃剑，它既决定了无线局域网的优势，同时又在性能和安全性上造成无线局域网的先天不足。

4．1无线局域网的优势

4．1．1灵活性和移动性

无线局域网利用无线技术在空中传播数据、语音和视频信号，摆脱了有线局域网的地理位置束缚，用户可以在网络覆盖范围内的任何位置上网，并且用户可在移动过程中对网络进行不间断的访问，实现移动办公，体现极大的灵活性。