无线WDS的技术实现及实际应用.docx

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无线WDS的技术实现及实际应用

WDS的技术实现及实际应用

1802.11简介

IEEE802.11包含一系列的无线标准，其中802.11a/b/g/n定义了四种不同工作速率和工作频段，分别是54Mbps/5GHz、11Mbps/2.4GHz、54Mbps/2.4GHz、2.4/5GHz最高达600Mbps。

在无线局域网的范畴中，WiFi指无线相容性认证，确保了无线设备可以相兼容，即符合WiFi标准的两个无线设备之间可以互联通信，WDS即其中一种互联方式。

1.1802.11无线架构

802.11局域网是基于蜂窝系统的结构，由很多个基本子集构成，即BSS（BasicServiceSet），用来描述一组相互通信的移动设备，通常包含一个wirelessAccessPoint，也可以不包含。

不包含AP的是独立模式的基本服务集（IBSS），由若干个Client构成，相互对等，如Ad-hoc模式。

每个基本服务集都有一个唯一的标识，称为BSSID。

虽然一个无线局域网可以只由一个AP构成，只含有一个单元，但绝大多数的无线局域网是由多个单元构成的，每个AP通过主链路相连接（有线）。

由多个子单元构成的无线局域网可称为分布式系统（DistributionSystemorDS）。

当各个AP通过无线方式相连接构成分布式系统，这种系统可以称为无线分布式系统（WirelessDistributionSystemorWDS）。

WDS的作用简单的说就是让无线AP之间通过无线进行桥接，同时不影响其无线AP的覆盖功能。

目前很多无线AP都具有WDS功能，本文将主要讲述WDS技术原理及实际应用。

一个完整的无线局域网可以包含有多个不同的单元（BSS）和分布式系统（DS），在OSI模型的网络层看来，就是一个完整的802网络，按标准可以称为扩展服务集（ExtendedServiceSetorESS）。

ESS也有一个标识的名称，即ESSID。

图1-1无线局域网架构

1.2无线包结构

无线MAC层帧类型主要有三种，分别是数据帧，管理帧和控制帧，包含下面三个部分：

ØMAC头部，包括帧的控制、持续时间、地址和顺序控制信息；

Ø变长的帧体，它包括了有关帧类型的特定信息。

例如在数据帧中，帧体包括了上层数据；

Ø帧校验序列，包含一个32比特位的IEEE循环冗余校验码。

无线数据帧结构如下图所示

图12无线数据帧结构

图1-3帧控制域结构

从无线数据帧结构，可以看出无线帧中是预留了四个MAC地址的，但并不是所有的无线数据包中都会有四个MAC。

管理帧和控制帧一般只包含两个MAC，数据帧一般是三个，只有涉及到AP至AP的传输才会有第四个MAC地址。

帧控制域控制着无线帧的结构，其中最后两位（输入DS域与输出DS域）控制着无线MAC地址的排序。

当00时，指IBSS的模式，两个设备间直接通信，如Ad-hoc；01时，指APtoClient；10时，指ClienttoAP；11时，指APtoAP。

地址1被站点用来进行地址匹配。

如果STA受到的帧的地址1是某STA的IEEEMAC地址，则该STA将其与自己的IEEEMAC地址比较，如果相同，则该STA会将其转发到上层协议栈；如果不同，则丢弃。

当地址1为组地址时，BSSID用来保证STA收到广播或者更多多播帧是发自所属BSS。

通俗的讲，地址1就是数据包该到达的下一个设备的MAC。

地址2用于标志帧的发送方IEEEMAC地址。

在需要ACK帧的情况下，目的STA可以使用2来引导ACK帧。

地址2必须为发送方的IEEEMAC地址。

地址3携带有额外的用于帧过滤或者指向DS的信息。

当STA收到从AP发来的帧后会用地址3来标志该帧的源STA。

AP收到从STA发来的帧后，会将该地址作为DS转发该帧的真正目的地址。

RA（ReceiverAddress）是无线分布式系统WDS上该数据包接收AP的地址，也是数据包经此AP转发下一跳的发送方地址（地址2）。

TA（TransmitterAddress）是WDS上作为数据包发送AP的地址，该AP负责发送此帧。

简单数据帧的BSSID有以下决定：

●如果AP是数据接收方或者某一接收方与之关联，则BSSID是AP的MAC地址，可能是地址1也可能是地址2；

●如果站点是独立基本服务集（IBSS）的成员，则地址3是该独立的BSSID。

2WDS简介

2.1什么是WDS

WDS即WirelessDistributionSystem，是无线网络部署延展系统的简称，指用多个无线网络相互联结的方式构成一个整体的无线网络。

简单地说，WDS就是利用两个（或以上）无线宽带路由器/AP通过相互连接的方式将无线信号向更深远的范围延伸。

利用WDS技术，AP之间可以舍弃传统的有线网络进行互联，每个AP可以作主设备、中继设备和远端设备。

WDS技术和其他无线扩展技术相比，一个显著的特点就是在各个AP之间传输数据时，保留了客户端的MAC地址，而且客户端的数据传输只牵扯到了MAC地址，跟IP地址无关。

WDS也可以被看作Repeater模式，因为WDS可以满足在桥接的同时又可以连接客户端；repeater并不一定是WDS，因为有三地址的repeater模式。

2.2WDS网络建立过程

DUT1WDS连接DUT2，首先DUT1会扫描周围的无线信号，寻找匹配的无线BSSID。

找到匹配的BSSID，即发送鉴权请求（Authentication）。

DUT2回应告知鉴权认证已通过。

DUT1发起关联请求（AssociationRequest），被关联的SSID是“TP-LINK_92”。

DUT回复关联回应（AssociationResponse）告知关联成功，WDS连接成功。

图2-1WDS网络建立过程

2.3WDS工作原理

从模式上讲，WDS具有三种工作模式，分别是自学习模式、中继模式和桥接模式。

自学习模式属于被动模式，也就是说它能自动识别并接受来自其他AP的WDS连接，但其本身不会主动连接周围的WDSAP。

所以这种WDS模式只能用于主接入点路由器或AP上，只能用于被扩展的主AP上，而不能用于通过WDS扩展其它AP。

中继模式是功能最全的WDS模式，在此模式下，AP既可以通过WDS实现无线网络范围的扩展，同时也具有AP的功能，接受无线终端的连接。

桥接模式和有线网络中的网桥很像，它从一端接收数据包，并把它转手转发到另一端。

WDS的桥接模式除了不再同时具有AP功能之外，其它和中继模式基本相同，所以在WDS桥接模式下，AP不再接受无线网络终端的连接，你也搜索不到它的存在。

从角色来分，WDS网络中成员又可以分为主设备（Main），中继设备（Rely）和远端设备（Remote）。

具有Internet连接或者局域网络出口的设备通常被作为主设备，通过以太网线接入主干网；处于网络中间用来中继信号的设备为中继设备；无线WDS网络边缘提供无线接入并将数据向主设备转发的设备为远端基站。

有如图2-1所示拓扑，Station1和Station2通过WDS方式建立连接，PC1连接Station1，PC2连接Station2，其中Station2上配置WDS连接前端Station1。

Station1处于自学习模式，接收Station2的WDS请求，被扩展。

Station2处于中继模式，连接Station1，并提供自身的无线供客户端连接。

但这是一个完全对称可逆的拓扑，即PC1和PC2在整个网络中是对等的，不存在主和辅的关系。

下面就以PC1向PC2发包为例介绍数据包的传输过程和MAC头部的变化。

图2-2WDS拓扑1

A.PC1toStation1

PC1并不知道整个网络的拓扑，也不需要知道，它只需要了解它所连接的station和想要通信的目的主机的MAC，PC1完全忽略了Station2的存在。

此时，输入DS位置1，输出DS位置0，三个MAC地址分别是Station1、PC1、PC2。

Station1是下一跳的MAC地址，也是接收站点的SSIDMAC；PC1是源MAC，也是发送方的MAC；PC2是目的MAC。

B.Station1toStation2

无线四地址传输是只存在于Station与Station之间的，所以此过程中无线帧也是四地址结构。

输入和输出DS位都置1，四个MAC地址依次是：

Station2、Station1、PC2、PC1。

Station2和Station1分别是接收方和发送方的MAC，处于三号位的PC2仍然是目的MAC，最后是源MACPC1。

C.Station2toPC2

Station2toPC2是一个简单的基站到客户端的过程，输入DS位置0，输出DS位置1。

此时MAC依次是PC2、Station2、PC1。

PC2是目的地址，也是下一跳MAC地址；Station2是发送方的MAC地址，也是其SSID的MAC；PC1是源MAC地址。

MAC地址1

MAC地址2

MAC地址3

MAC地址4

PC1Station1

Station1

PC1

PC2

---

Station1Station2

Station2

Station1

PC2

PC1

Station2PC2

PC2

Station2

PC1

---

如图2-3，三个Station通过WDS互联，Station2WDSStation1，Station3WDSStation2。

其中Station1是主设备，处于自学习模式；Station2是中继设备，属于中继模式，也是桥接模式；Station3是远端设备，处于中继模式。

图2-3WDS拓扑2

接下来，就从数据包看看数据在图2-3拓扑具体的转发过程。

在PC2上pingPC1，ping包要被转发四次才能到达PC1，如下图2-4所示。

PC2回复的PingReply包同样需要经过四个相反的过程才能到达PC1。

图2-4PC2pingPC1数据包

*

MAC1

MAC2

MAC3

MAC4

Direction

PC2Station3

Station3

PC2

PC1

---

PC1

Station3Station2

Station2

Station3

PC1

PC2

Station2Station1

Station1

Station2

PC1

PC2

Station1PC1

PC1

Station1

PC2

---

PC1Station1

Station1

PC1

PC2

---

PC2

Station1Station2

Station2

Station1

PC2

PC1

Station2Station3

Station3

Station2

PC2

PC1

Station3PC2

PC2

Station3

PC1

---

2.4WDS的安全机制

WDS系统不支持密钥动态分配机制，所以不支持WPA/WPA2企业级加密，只支持WEPWPA/WPA2-PSK，在安全性方面仍存在一定的缺陷。

但APPLE公司的AirportExpress的6.1.1的firmware中，宣称了对WDS时WPA加密的支持。

2.5我司无线路由上WDS的配置

我司产品WDS的配置可以分为两类：

无线路由和无线AP。

无线路由器：

在WirelessSetting页面，勾选EnableWDS，然后再点击Search按钮搜索周围的无线WiFi信号。

在随后出现的APList中选择想要WDS连接的AP，点击Connect。

SSID和BSSID将会被自动填上。

设置加密后再保存重启设备即可。

无线路由上的WDS有个优点就是可以有自己的无线SSID和加密，用户可以通过SSID来区分哪个是前端设备。

图2-5TL-WR1043NDWirelessSettings页面

图2-6点击Search按钮后出现的APList页面

无线AP：

无线AP上的WDS指的是Repeater模式。

11G与11N的配置界面略有不同，本文以TL-WA901ND为例介绍。

在WirelessSetting页面，选择OperationMode为Repeater后，点击Survey按钮搜索周围的无线信号。

找到想要连接的无线网络，点击Connect后AP的MAC地址将被自动填入，点击保存。

图2-7TL-WA901ND的WirelessSettings页面

图2-8点击Survey按钮后出现的APList页面

如何前端设备已加密，还需要到WirelessSecurity页面设置加密。

由于只支持WEP和WPA-PSK/WPA2-PSK加密，所有没有WPA/WPA2选项。

图2-9选择Repeater模式后的WirelessSecurity页面

AP上的Repeater设置成功后，没有自己的SSID和加密，PC等设备只能搜索到一个无线网络，这样的优点是可以实现无线漫游，客户端根据信号强度自动切换无线基站。

2.6标准WDS的特点

WDS组网用途广泛，主要是因为有这么几个特点：

Ø数据帧中包含有无线各节点的MAC地址，从数据包中可以看出各节点的MAC，网络结构清晰明朗；

Ø完全在数据链路层传输，不涉及IP层寻址，无需维护IP&MAC映射关系，减少无线节点负担，效率高；

Ø数据的收发完全对称,网络中各节点之间是对等的；

Ø支持生成树协议（STP），抑制广播风暴，支持链路备份。

2.7三地址WDS

三地址WDS是一种非标准但又广泛使用的无线组网方式，如我司AP中的UniversalRepeater。

通过这种方式组成的无线局域网中，不存在4地址的无线帧，全部以三地址形式发送。

如图2-3所示，TL-WA801NDUniversalRepeater连接到了TL-WR841N上，PC2和PC3连接到TL-WA801ND。

从MAC层看，TL-WA801ND就是一个类似“网关”的设备，维护着一张IP与MAC的对应表，做着更换源MAC与目的MAC，寻址转发的工作。

整个网络是不对称的，TL-WR841N是主设备，TL-WA801ND是从设备，所以PC1到PC3和PC3到PC1是不同的过程。

下面就仔细分析下

图2-10三地址WDS拓扑示意图

PC1toPC3

MAC1

MAC2

MAC3

目的IP

源IP

PC1àStation1

Station1

PC1

Station2

PC3

PC1

Station1àStation2

Station2

Station1

PC1

PC3

PC1

Station2àPC3

PC3

Station2

PC1

PC3

PC1

在整个数据传输过程中，Station2作了一个根据IP地址寻找对应MAC地址，修改目的MAC重新发送的动作。

下面是PC3到PC1的过程。

PC3toPC1

MAC1

MAC2

MAC3

目的IP

源IP

PC3àStation2

Station2

PC3

PC1

PC1

PC3

Station2àStation1

Station1

Station2

PC1

PC1

PC3

Station1àPC1

PC1

Station1

Station2

Pc1

PC3

PC3发送给PC1的包，在Station2处被修改了源MAC，Station2将自己的MAC作为源MAC将数据包发送出去，即外面的设备不知道PC3的存在，而PC3清楚外面的拓扑结构。

2.8三地址WDS的特点

三地址WDS的使用非常广泛，是由于其灵活性高，只涉及到标准的无线协议，不用考虑前端设备是否支持四地址WDS的连接。

它连接前端设备时，是将自己作为一个客户端，一个只有一个MAC却有多个IP的Client。

不过三地址的WDS需要网络层的参与，每个设备都维系这一个IP与MAC的对应表，如果DUT找不到IP地址对应的MAC，则对数据包作丢弃处理。

由于三地址WDS模式网络不透明，前端DUT上的设备不知道后端设备的MAC地址，对于组播数据的传输有着很多不利的影响，需要对网络层进行修改。

下面，从各个案例讨论三地址WDS的弊端。