第十一章 无线网络.docx
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第十一章无线网络
第十一章无线网络
第十一章无线网络
11.1无线局域网基础
11.1.1无线局域网和有线局域网的比较
从最本质上说，交换型网络需要电缆，而无线网络不需要。
这看似显得可笑，却指出了它们的物理层之间的不同。
传统以太网是由IEEE802.3标准定义的。
每条以太网连接都必须在严格的条件下运行，尤其是对物理链路本身来说。
例如，链路状态、链路速度和双工模式都必须符合标准的规定。
无线局域网使用类似的协议，但由IEEE802.11标准定义的。
有线以太网设备必须采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）方法来传输和接收以太网帧。
在共享的以太网网段上，PC以半双工模式工作，每台PC都可以先“发言”，然后侦听是否其他正在发言的设备发生冲突。
整个检测冲突的过程是基于有线连接的最大长度的，从网段的一端发送到另一端检测到冲突之间的最大延迟是确定的。
在全双工或交换型以太网链路上，不存在冲突或争取带宽的问题，但它们必须遵循相同的规范。
例如，在全双工链路上，必须在预期的时间内发送或接收以太网帧，这要求全双工双绞线的最大长度与半双工链路相同。
虽然无线局域网也基于一组严格的标准，但无线介质本身难以控制。
一般而言，当PC连接到有线网络时，与其共享网络连接的其他设备的数量是已知的；而当PC使用无线网络时，使用的传输介质为空气；由于接入层没有电缆和插口，因此无法限制其他最终用户使用相同频率无线电波。
因此，无线局域网实际上是一种共享型网络，且争用相同频率电波的主机数量不是固定的。
在无线局域网中，冲突犹如家常便饭，因为每条无线连接都是半双工模式的。
IEEE802.11WLAN总是半双工模式的，因为传输站和接收站使用的频率相同。
双方不能同时传输，否则将发生冲突。
要实现全双工模式，必须在一个频率进行传输，在另一个频率进行接收，这类似于全双工以太网链路的工作原理。
虽然这完全可行，但802.11标准不允许采用全双工模式。
11.1.2在无线局域网中避免冲突
多个无线工作站同时传输时，它们的信号将相互干扰，接收站收到的将是混乱的数据、噪声或错误。
如果没有明确的方式来确定是否发生了冲突。
传输站也无法知道发生了冲突，因为传输时将关闭其接收器。
作为一个基本的反馈机制，每当无线工作站传输一帧后，接收工作站必须发送一个确认，确认已正确地收到该帧。
确认帧充当了基本的冲突检测工具，然而，它并不能预先防止冲突的发生。
IEEE802.11标准使用一种名为载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的方法来实现冲突避免。
注意，802.3有线网络是检测冲突，而802.11网络尽可能避免冲突。
为实现冲突避免，要求所有工作站在传输每帧前进行侦听。
工作站有帧需要发送时，面临的将是下列情况之一：
1.没有其他设备在传输数据：
工作站可立刻传输其帧。
接到工作站必须发送一个确认帧，确认原始帧已在没有发生冲突的情况下到达。
2.另一台设备正在传输：
工作站必须等待，等到当前帧传输完毕后，它再等待一段随机时间，然后传输自己的帧。
无线帧的长度不是固定的。
一个工作站传输其帧时，其他工作站如何知道该帧已传输完毕，可以使用无线介质呢？
显然，工作站可以进行侦听，等待静默期的到来，但这样做并非总是有效。
其他工作站也在侦听，可能同时决定开始传输。
802.11标准要求所有工作站在开始传输前等待一段时间，这段时间被称为DCF帧间间隔（interframespace，DIFS）。
传输工作站可以在802.11报头中包含一个持续时间值，以指出传输完当前帧所需的大概时间。
持续时间值包含传输完当前帧所需要的间隙数（单位通常为豪秒）。
其他无线工作站必须查看持续时间值，并在考虑传输数据前等待相应的时间。
由于每个侦听站在传输的帧中看到的持续时间值相同，因此它们都可能在这段时间过去后决定传输自己的帧。
这可能导致冲突——应避免这样的情况发生。
除持续定期器外，每个无线工作站还必须实现一个随机后退定时器。
传输帧之前，工作站必须选择一个要等待的随机时隙数。
这个数字位于0和最大争用窗口值之间。
这里的基本思想是，准备传输的工作站必须等待一段随机时间，以减少试图马上传输的工作站数量。
这个过程被称为分布式协调功能（DistributedCoordinationFunctionDCF），图1对其进行了说明。
三位无线用户都有一个帧需要发送，它们所需的时间各不相同。
发生的情况如下：
（1）用户A侦听并确定没有其他用户在传输，因此传输自己的帧并通告持续时间。
（2）用户B有一个帧需要传输。
他必须等待用户A的帧传输完毕，再等待DIFS时间过去。
（3）用户B在传输前等待一段随机后退时间。
（4）在用户B等待期间，用户C有一个帧需要传输。
他通过侦听发现没有人在传输。
用户C等待一段随机时间，但比用户B的随机时间短。
（5）用户C传输一个帧，并通告其持续时间。
（6）用户B传输前必须等待该持续时间加上DIFS时间。
图1使用DCF过程避免冲突
由于后退定时器是随机的，多台工作站仍可能选择相同的后退时间，因此无法防止这些工作站同时传输数据，进而导致冲突。
这样，在无线网络中看到的将是错误，接受站不会返回确认。
为此发送站必须考虑重新发送其帧。
最后，工作站在其随机后退定时器过期后并准备传输数据时，如果发现有人正在传输，该如何办吗？
它必须再等待当前正在传输的帧的持续时间、DIFS时间和随机后退时间。
11.1.3WLAN的组成部分
从最底层说，无线介质没有固定的组织结构。
例如，具有无线功能的PC可以随时随地启动其无线适配器。
当然，必须与其他设备也能够通过无线介质发送和接收数据，该PC才能进行通信。
在IEEE802.11中，一组无线设备被称为服务集（serviceset）。
这些设备的服务集标识符（SSID）必须相同，服务集标识符是一个文本字符串，包含在发送的每帧中。
如果发送方和接收方的SSID相同，这两台设备将能够通信。
作为最终用户工作站，PC为无线网络的客户端，它必须有无线网络适配器和支持程序（同无线协议交互的软件）。
802.11标准让多个无线客户端能够彼此直接通信，而无需其他网络连接方式。
这被称为对等（ad-hoc）无线网络或独立基本服务集（IndependentBasicServiceSet，IBSS），如图2的A部分所示。
对于可通过无线介质进行传输和接收帧的设备数量没有限制。
一个无线工作站能否接收来自其他工作站的数据以及向它们发送数据取决于很多因素，这使得难以为所有的工作站提供可靠的无线接入。
图2无线服务集的组成
802.11基本服务集（BBS）包含一个接入点（AP），它充当该服务集的集线器，负责集中控制一组无线设备的接入。
如何要使用无线网络的无线客户端都必须向AP申请成员资格。
AP要求客户端满足下述条件才允许其加入：
1.匹配的SSID；
2.兼容的无线数据率；
3.身份验证凭证。
向AP申请成员资格被称为关联（association）。
客户端必须发送一条关联请求消息，AP通过发送关联应答消息来批准或拒绝请求。
关联后，前往和来自该客户端的数据都必须经过AP，如图2的B部分所示。
客户端之间不能象对等网络或IBSS那样直接通信。
别忘了，无论关联状态如何，任何PC都能构侦听和接收通过无线介质传输的帧。
在无线电波的覆盖范围内，任何人都可以接收通过它们传输的帧。
然而，无线AP并不像以太网集线器那样属于被动设备。
AP负责管理其无线网络，通告自己的存在让客户端能够与之关联，并控制通信过程。
例如，前面介绍过，通过无线介质成功发送（没有发生冲突）的每个数据帧都必须得到确认，AP负责将确认帧发回给发送工作站。
注意，一个BSS只包含一个AP，且没有连接到常规以太网。
在这种设置中，AP及其关联的客户端组成一个独立的网络。
AP也可以连接到以太网，因为它同时具备无线有线功能。
对于为于不同地方的AP，可以通过交换型基础设施将它们连接起来，这被称为802.11扩展服务集（ESS），如图2的C部分所示。
在ESS中，无线客户端可同其附近的AP相关联；如果该客户端移到其他地方，可同另一个位于附近的AP相关联。
802.11标准还定义了一种支持客户端漫游（当客户端移动时，可调整其关联的AP）的方法。
11.1.4接入点的工作原理
AP的主要功能是将无线数据桥接到常规有线网络中。
AP能够接受来自大量无线客户端的连接，让它们成为LAN的一员，就像这些客户端使用的是有线连接一样。
AP还可以用做网桥，在两个相隔较远的局域网之间建立一条无线链路。
在这种情况下，无线链路的两端都需要一个AP。
AP到AP（视线可达）链路常用于连接办公大楼或城市。
Cisco开发了一种AP平台（无线网状网络），能够以菊花链或网状网的方式在AP之间传输数据流。
这让无线局域网能够覆盖更大的户外开阔区域，而不需要使用网络电缆。
AP之间组成一个全互连拓扑，就像一个AP之间通过无线连接互联的ESS。
AP充当中央接入点（名称AP由此而来），负责控制客户端对无线局域网的访问。
客户端要使用WLAN，必须首先同AP建立关联。
AP允许随便接入（任何客户端可与之关联），也能够严格控制接入：
允许关联前要求提供认证凭证或满足其他条件。
WLAN的工作原理与来自无线连接远端的反馈密切相关。
例如在关联和使用WLAN
之前，客户端必须同AP握手。
这确保无线连接是双向和正常运行的，因为客户端和AP必须能够成功地发送和接收帧。
这消除了单向通信（客户端能够侦听到AP，但AP无法侦听到客户端）的可能性。
另外，AP还能够要求客户端满足某些条件才允许其关联，从而控制其WLAN的众多方面。
例如，AP可以要求客户端在关联期间支持特定的数据率、特定的安全措施和特定的凭证。
可以将AP视为转换网桥，在第2层对来自不同介质的帧进行转换和桥接。
简单的说，AP负责将VLAN映射到SSID。
图3的左半部分说明了一点，在这里，位于有线网络中的VLAN10通过一个处于接入模式的交换机端口扩展到了AP，该AP将VLAN10映射到一个SSID为Marketing的无线局域网。
SSID为Marketing的用户将属于VLAN10。
图3VLAN和SSID的映射
可以将这种概念进行扩展，以便能够将多个VLAN映射到多个SSID。
为此，AP必须通过一条为多个VLAN传输数据的中继链路连接到交换机。
在图3的右半部分，VLAN10和VLAN20都通过中继链路连接到AP。
AP根据802.1Q标记将不同的VLAN映射到不同的SSID。
例如，VLAN10被映射到SSIDMarketing，而VLAN20被映射到SSIDEngineering。
实际上，当AP使用多个SSID时，它通过无线介质将VLAN连接到最终用户。
最终用户必须使用合适的SSID，后者被映射到相应的VLAN。
11.1.5无线局域网蜂窝
AP为其覆盖范围内的客户端提供WLAN连接性。
信号的覆盖范围取决于AP的天线辐射图。
在户外，这可能是环绕全向天线的一个圆，至少在透视上是一个圆－别忘了辐射图是三维的，在多层大楼中，也将覆盖上面和下面的楼层。
必须仔细规划AP的位置，使其覆盖范围与所需的范围匹配。
即使根据楼层平面图或户外布局来确定AP的位置，WLAN也将在不断变换的条件下运行。
别忘了，虽然AP的位置是固定的，但无限客户端将频繁地变换位置。
为确定AP的位置和覆盖范围，最好的方法是进行现场勘查（sitesurvey）。
将AP放在所需的位置，让客户端不断移动，并实时地测量信号的强度和质量。
这里的理念是，在实际环境中测试AP的覆盖范围，其中有可能干扰客户端连接的障碍物。
障碍物及其对RF信号的影响将在本章后面的内容中介绍。
AP的覆盖区域被称为蜂窝（cell），位于该蜂窝内的客户端能够同AP相关联，并使用无线局域网。
图4说明了这种概念，其中有一个客户端位于蜂窝外，因为它不在AP的信号覆盖范围内。
图4位于蜂窝内的客户端
假设一个典型的室内AP蜂窝的半径为100英尺，能够覆盖多个房间或走廊的一部分。
客户端可以在该蜂窝内移动，并在如何地方使用WLAN。
然而，该蜂窝的局限性非常强，因为客户端可能需要移到周围的房间或楼层，而不希望失去网络连接。
为扩大WLAN的覆盖范围，可在周围安装其他AP，从而添加更多的蜂窝。
这里的理念是，通过AP，使用蜂窝覆盖客户端可能移动到的所有区域。
实际上，蜂窝之间应该有一定程度的重叠，如图5所示。
图5通过排列蜂窝实现无缝覆盖
如果AP蜂窝发生重叠，相邻的AP将不能使用相同的频率。
如果两个相邻的AP使用相同的频率，将相互干扰。
在整个覆盖区域，AP的频率应交替变化。
这种概念将在第下面的章节更详细地介绍。
客户端同一个AP关联后，便可以自由移动。
客户端从一个AP蜂窝移动到另一个AP蜂窝后，将同另一个AP关联。
从一个AP移动到另一个AP被称为漫游，图5说明了这种移动：
笔记本电脑沿图中所示的路径移动时，将穿越多个AP蜂窝。
客户端从一个AP蜂窝移动到另一个AP蜂窝内后，必须同新的AP建立关联。
另外，在发生漫游前，客户端发送的数据也将从原来的AP中继到新AP。
这样，每个客户端在任何时刻都只通过一个AP连接到WLAN，这也最大限度地降低了漫游期间发送或接收的数据丢失的可能性。
设计无线局域网时，你可能试图将每个AP覆盖尽可能大的区域，并让每个AP以最大的发射功率运行，以充分利用其覆盖范围。
这样做还可以减少所需的AP数，进而降低总体成本。
然而，应考虑其他一些因素。
例如将AP配置为提供较大的覆盖范围时，也为过度拥挤打开了大门。
别忘了，AP蜂窝实际上是一种半双工共享介质，所有的客户端将共享它。
随着客户端数量的增多，每个客户端可用的宽带和可传输时间将减少。
相反，应考虑缩小蜂窝（通过降低发射功率），使得只有离AP较近的客户端才能与之相关联并使用其提供的宽带。
AP还可控制在给定时刻关联的客户端数量，这对于对时间敏感或带宽密集型数据流（如语音、视频和医疗应用程序）来说非常重要。
被缩小的蜂窝常被称为微蜂窝。
在需要严格控制的环境中（如股票交易所），可进一步扩展这种概念。
在这种环境中，将最大限度地缩小AP的功率和蜂窝，此时蜂窝被称为皮蜂窝（Picocell）。
11.2无线局域网射频（RF）简介
射频传输的接收是WLAN的有机组成部分，我们应该理解射频（RF）的基本理论，以便能够高效地设计和诊断WLAN网络。
然而，RF理论涉及复杂的数学和物理原理，本节从实用的角度介绍RF，不涉及任何方程式。
11.2.1RF的工作原理
在射频（RF）通信中，一台设备发送振动信号，并由一台或多台设备接收。
这种振动信号基于一个常数，被称为频率。
发送方使用固定的频率，接收方可以调到相同的频率，以便接收该信号，我们在汽车中调收音机时就有这方面的经验。
发送站有生成RF信号的发射器、天线以及连接两者的电缆。
接收站与此相同，但通过天线和电缆接收信号。
出于简化的目的，假设无线工作站使用的天线非常小，且在所有方向均匀地发送或接收RF信号，如图6的上半部分所示，其中的每个弧表示发射器生成的无线电波的一部分。
每个弧实际上是一个球，因为无线电波是在三维空间移动的。
这也可以显示为表示RF信号的振动波，如图6的下半部分所示。
虽然该示意图从技术上说不正确，但这里旨在说明RF信号是如何在两台设备之间传输的。
图6无线信号
用于类似功能的频率范围称为波段，例如，调幅无线波段落的频率范围为550~1720MHz。
有些无线局域网通信使用的是2.4GHz的波段，而其他无线局域网使用的波段为5GHz。
在这里，波段是使用大概的频率表示的，2.4GHz实际上表示的是频率范围2.412~2.484GHz；而5GHz实际上指的是频率范围5.150~5.825GHz。
无线工作站发送的信号被称为载波信号。
以频率840MHz进行广播的广播站的载波在840MHz处振动。
如果仅接收到载波信号，将无法从中提取任何内容；载波信号只是一种频率固定的稳定信号；载波信号本身不包含任何音频、视频或数据，因为它是用于承载其他东西的。
要发送其他信息，发射器必须对载波信号进行调制：
以独特的方式插入信息（对其进行编码）；接收站必须进行相反的处理：
对信号进行解调以恢复原始信息。
有些调制技术很简单——调幅（AM）广播采用调幅技术，即根据音频信息改变载波信号的强度。
FM广播采用调频技术（FM），即音频的高低导致载波信号的频率发生变化。
WLAN使用的调制技术要复杂得多，因为它们的数据率比音频信号高得多。
WLAN调制的理念是在无线信号中封装尽可能多的数据，并尽可能减少由于干扰或噪声而丢失的数据量。
这是由于数据丢失后必须重传，从而占用更多的无线资源。
调制方案通常会导致载波信号有轻微的变化，因此发送方和接收方期望载波的频率是固定的，并在特殊性定的范围内变化。
这种范围称为信道（channel），虽然信道通常用数字或索引（而不是频率）表示。
WLAN信道是由当前使用的802.11标准决定的。
11.2.2RF的特征
RF信号以电磁波的方式通过空气传播。
在理想情况下，信号到达接收方时与发送方发送的相同；而实际上并非总是如此。
RF信号从发送方传输到接收方时，将受其遇到的物体和材质的影响，影响无线信号传播的条件有多种，这里省略。
11.2.3描述RF信号强度的术语
可使用单位为瓦（W）或毫瓦（mW）的功率或能量来度量RF信号的强度。
为让大家对信号功率有深入的认识，表3列出了各种信号源的典型输出功率。
表3典型RF的输出功率
信号源
输出功率
短波广播站
500000W
AM广播站
50000W
微波炉（2.4GHz）
600～1000W
手机
200mW
无线局域网AP（2.4GHz）
1～100m/w
功率的范围非常大，这使得比较和计算起来非常困难。
分贝（dB）是一种更灵活的表示功率的方式，原因有两个：
●dB度量的是实际功率和参考功率的比例；
●dB是对数，能够以线性方式表示更大范围的值。
最常用的参考功率为1.0mW或1.0W，在这种情况下，分贝的缩写将被修改为指出所用的参考功率：
●dBm：
信号相对于1mW的强度（dBm中的m表示毫瓦）。
●dBw：
信号相对于1W的强度。
在无线局域网中经常使用单位dBm，因为它们使用的功率在100mW左右。
例如，假设一个无线AP的发射功率为100mW，则使用分贝表示时，输出功率为10log10（100mW/1mW），即20dBm。
如果输出功率降低到1mW，结果将为10log10（1mW/1mW）,即0dBm。
因此，0dBm表示输出功率与参考功率相同。
到目前为止，这里讨论的dB值都为正，这表示实际功率比参考功率高。
在大多数情况下，发射器的dBm值为正，因为它们的功率高于参考功率。
dB值也可以为负，这并不意味着功率为负，而意味着功率比参考功率低。
例如，信号功率为0.5mW时，dB值将为10log10（0.5mW/1mW），即-3dBm。
在该示例中，功率0.5mW为前一个示例中的功率1.0mW的一半，而dBm值却从0变成了-3，这种变化幅度很重要，它说明了两个重要的经验规则：
●功率每减少一半，dB值将减小大约束；
●功率每增加一倍，dB值将增大大约3。
接收器的dBm值通常为负，因为接收器必须对低功率信号（功率比参考功率1mW低得多）非常敏感，这样才能清晰地接收到非常弱的信号。
接收器的功率被称为接收器的灵敏度。
经常会在AP看到其发射功率标称，这通常指的是发射器的输出功率，没有考虑天线和电缆的影响，实际发射的信号的功率取决于使用的天线类型和天线电缆的长度。
一种更真实的标称是各向同性有效辐射功率（EffectiveIsotropicRadiatedPower，EIRP）。
EIRP的计算方法是，将发射器功率（单位为dBm）加上发射天线的增益（单位为dBi）再减去电缆衰减（单位为dB）。
例如，使用衰减为3dB的电缆将功率为100mW（20dBm）的发射器连接到增益为16dBi的天线时，该发射系统的EIRP为20dBm+16dBi-3dB=33dBm。
设计完整的无线系统时，不能仅仅考虑发射器或AP的功率，还需要考虑整个无线链路中将导致增益或衰减的每个组件。
为确定路径性能或总体增益，最简单的方法是将所有的增益或衰减dB值相加。
作为一种经验规则，可使用下面的公式：
系统增益＝发射功率（dBm）
+发射天线的增益（dBi）
+接收天线的增益（dBi）
-发射端的电缆衰减（dB）
-接收端的电缆衰减（dB）
-接收器的灵敏度（dB）注意，这里将接收器的灵敏度视为衰减，因此将其减去。
接收器的灵敏度指的是可用信号的最低功率，因此必须减去它，以得到最终的增益。
无线链路的最大长度取决于整体路径性能。
当总路径衰减等于或大于总路径增益时，接收器将无法收到信号。
11.2.4WLAN天线
可在无线局域网中使用的天线有很多，每种天线都有特殊性定的用途，这取决于其覆盖范围（辐射图）或给信号带来的增益。
1.全向天线
全向天线（例如，如图所示的天线）可制作为圆柱形。
图中所示的橡皮条式天线可根据AP的安装方式进行折叠。
另一种全向天线是偶极天线，它也呈细圆柱体状，很多型号的AP都内置了这种天线。
全向天线通常在同一个平面的各个方向上均匀地传播信号，但在天线所在的方向上并非如此，因此辐射图为圆环形，如图的右半部分所示。
这种天线非常适合用于大房间或整个楼层的，在这种环境下，将AP或其天线放在中央。
图18一种全向天线及其辐射图
由于全向天线在广阔的区域内分配RF能量，因此基增益较低，大约为2dBi。
有时候，RF信号将由于反射、折射或衍射而处迟或失真。
受影响的信号和原始信号一起到达接收器后，两个信号通常会彼此抵消。
因此，接收器收到的信号强度将急剧降低，甚至收不到信号。
信号同其采取不同路径的拷贝相互竞争时，将导致多路干扰（multipathinterference）。
为解决这种问题，只需稍微移动接收器的天线（大约半个波长的距离），以接收到质量更好的信号。
很多AP都默认有两根全向天线，这些天线相隔的距离很合适，使得其中有一个天线能够收到质量最好的信号。
同时使用两根天线被称为分集（diversity）。
2.半定向天线
半定向天线一个细长的区域，非常适合用于覆盖长走廊上的很多房间，在这种环境中，天线安装在区域的一端。
它们还可用于覆盖室外区域。
安装在墙面上的板状天线呈扁平的矩形状，以方便安装在走廊一端的墙面上。
板状天线的辐射图呈鸡蛋状，其中的一端为墙面。
这种天线的增益为6~8dBi。
如图所示的Yagi天线呈细圆柱状，内部有多个平行的元件组成。
其辐射图呈鸡蛋状，并沿天线的两端向外延伸。
注意，在这种天线的后面
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