无线网路系统技术.docx

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无线网路系统技术

無線網路系統技術

課程大綱

♦Introduction

♦802.11CSMA/CAMACProtocol

♦802.11f–InterAccessPointProtocol

♦RADIUSSystem

♦802.1X

802.11WLAN簡介

802.11WirelessLAN的特性

♦多重傳輸速率，可讓工作站使用不同的傳輸速率（單位為100Kbps），1-2Mbps。

–802.11：

2Mbps。

–802.11a:

54Mbps。

–802.11b:

11Mbps。

♦IEEE802.11CSMA/CAFrame。

♦傳輸媒介：

無線電（Radio,2.4GHz）、紅外線（Infrared）。

♦CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）通訊協定。

♦提供延遲保證的傳輸服務，CSMA/CA避免了大部份的碰撞，所以可以保證傳輸延遲。

♦不保證頻寬使用的公平性（fairness）。

IEEE在無線網路的標準–（I）

♦802.11系列

–802.11

•Systemarchitecture

•CSMA/CAMACprotocol

•802.11PHY

–802.11a

•SpreadSpectrumin5GHzband

–802.11b

•SpreadSpectrumin2.4GHzband

–802.11g

•TodevelopanewPHYextensiontoenhancetheperformanceandthepossibleapplicationsofthe802.11bcompatibleforimproveaccessthedatarateachievablebysuchdevice.

IEEE在無線網路的標準–（II）

–802.11d

•Specificationforoperationinadditionalregulatorydomains.

–802.11e

•Toenhancethe802.11MACtoimproveandmanageQoS.

–Provideclassofservice,andenhancesecurityandauthenticationmechanism.

–802.11f

•IAPP（draft3）–Inter-AccessPointProtocol

–Recommendedpracticeformulti-vendoraccesspointinteroperabilityviaanInter-AccessPointProtocolacrossdistributionsystemsupportingIEEE802.11operation.

–802.11h

•Toenhancethecurrent802.11MACand802.11aPHYwithnetworkmanagementandcontrolextensionsforspectrumandtransmitpowerin5GHzlicense.

IEEE在無線網路的標準–（III）

–802.11i

•Toenhancethe802.11MACtoimprovesecurityandauthenticationmechanism.

♦其它標準

–802.15

•WirelessPersonalAreaNetwork

–BlueTooth

–802.16

•StandardAirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccess（BWA）System

–802.18

•RadioRegulatoryTAG

–802.20

•MobileBroadbandWirelessAccess（MBWA）

802.11WLAN網路上的服務（I）

♦IEEE802.11網路架構中的九項完整服務

–Authentication

–Association

–De-authentication

–Disassociation

–Distribution

–Integration

–Privacy

–Re-association

–MSDUdelivery

802.11WLAN網路上的服務（II）

♦StationServices

–由工作站所提供，提供工作站有正確送收資料的能力，同時亦考慮傳送資料的安全性。

•Authentication

•De-authentication

•Privacy

•MSDU的傳遞

802.11WLAN網路上的服務（III）

♦DistributionSystemServices

–由分散式系統所提供的服務，使MAC訊框（frame）能在同一個ESS中的不同BSS間傳送。

而這些服務被MACentity所指定使用。

•連結服務（Association）。

•取消連結服務（Disassociation）。

•分送服務（Distribution）。

整合服務（Integration）。

•重連服務（Re-association）。

WLAN工作站所處的狀態圖

802.11MACService

♦802.11MACLayer

802.11MACServiceOverview

♦傳送模式

–Asynchronousdataservice

•Besteffort

♦安全服務

–Authenticationservice

–WEPmechanism

•藉由WEP對MSDU的加密來達到802.11的資料傳輸隱密性。

♦資料傳送的順序

–在某些特定情況下（如希望能增進資料成功傳送的可能性），802.11允許MAC層對傳送的資料重新做排序。

但基本上並不傾向於對資料做重新排序。

–若上層不允許MAC層對資料的重新排序，則可利用StrictlyOrder服務選項來要求MAC傳送資料。

802.11MACProtocol

Frame的格式

●標頭（Header）

–30bytes，主要包括下列欄位:

●ControlInformation（2bytes）

●Duration（2bytes）

●Addressing（6x4=24bytes）

●Sequencenumber（2bytes）

●資料（Framebody）

–0~2312byes，依Frametype有所不同。

●錯誤檢查碼（Checksum）

–4bytes，採CRC-32技術。

FrameControl欄位

FrameControl欄位（I）

♦ProtocolVersion

–802.11標準版本，目前為0。

♦TypeandSubtype

–Frametype，目前定義有三種，每一種各有若干種次型態（Subtypes）。

•Dataframe（b3b2=10）

•Controlframe（b3b2=01）

•Managementframe（b3b2=00）

♦ToDS

–此旗標（flag）為1表示此Dataframe要傳送給分散式系統，其它則為0。

FrameControl欄位（II）

♦FromDS

–此旗標（flag）為1表示此Dataframe是由分散式系統傳送下來，其它則為0。

♦MoreFragments

–此旗標（flag）為1表示工作站尚有其它片段（Fragment）待傳送，其它則為0。

♦Retry

–此旗標（flag）為1表示此Dataframe為重送之frame。

接收端可依此訊息來丟棄重覆之frame。

♦PowerManagement

–用來顯示工作站之電源管理模式。

1表示處於省電模式；0表正常模式。

由AP傳送者此值皆為1。

FrameControl欄位（III）

♦MoreData

–此旗標由AP用來通知處於省電模式的工作站說AP目前還有MSDUs（MACServiceDataUnit）欲傳送給此工作站，其餘者此值為0。

–此旗標讓CF-PollableSTA告知Point-Coordinator以說明此工作站還有資料留待下一個CF-Poll傳送。

–此旗標用以讓AP來告知Multicast/Broadcast時還有資料待傳送。

♦WEP（WiredEquivalentPrivacyAlgorithm）

–此旗標為1表示此Dataframe（或Managementframe）所攜帶的資料已經過WEP（有線等效保密）演算法處理過，其餘者此值為0。

♦Order

–此旗標為1表示此Dataframe經由嚴格依順序服務等級（Strictly-Orderedserviceclass）來傳送，其餘者此值為0。

ToDS與FromDS組合與意義

Duration/ID欄位（I）

♦16bits。

♦用法：

–若Frame為控制型態（Controltype），且次型態為PS-Poll，則此欄位代表一個AID（AssociationID），其最左邊兩個位元都是1，而剩下的14個位元則是傳送此Frame之工作站之AID。

AID值的範圍為1到2007。

–若為其它Frame，則此欄位代表一個duration，其值依各個Frame型態而定。

但對於所有在免於競爭期間所傳送的Frame來說，此欄位值應為32768。

當Duration/ID欄位的內容小於32768時，表示其為一個Duration值，應該被拿來修正NAV。

Duration/ID欄位意義

Address欄位（I）

♦四個位址欄位

–IEEE802standard

•48-bitaddress

–分別依需要記錄下列位址

•BSSID（BSSIdentifier）

–Ad-hocnetwork:

01+46-bitrandomnumber.

–Infrastructure:

AP的MACaddress.

•SA（SourceAddress）起始工作站位址

•DA（DestinationAddress）目的工作站位址

–個別位址（Unicast）

–群播位址（Multicast）

•TA（TransmitterAddress）

–用以指定傳送工作站位址將資料傳送至WM上。

•RA（ReceiverAddress）

–在WM中，預設中馬上要接收此資料的工作站位址。

Address欄位（II）

SequenceControl欄位

●包含兩個次欄位

–SequenceNumber

●12bits，由0開始至4095，重複輪留使用。

●該Frame攜帶之MSDU序號。

–FragmentNumber

●4bits，由0開始至15，重複輪留使用。

●第一個（或沒有切割的MSDU）值為0。

ControlFrame

各種型式的ControlFrame格式（I）

●RTS（RequesttoSend）要求傳送訊框

–RA是wireless媒介上的一個工作站位址，也就是待收即將傳送的Dataframe或managementframe的立即目的位址。

–TA為傳送此RTSframe的STA位址。

–Duration值（單位為us）=傳送該待送的data（或management）frame+CTSframe+ACKframe+3個SIFSframe間隔時間。

–若非整數，則進位為整數。

各種型式的ControlFrame格式（II）

●CTS（CleartoSend）允許傳送訊框

–RA應等於前一個對應之RTSframe中的TA內容。

–Duration值（單位為us）=前一個對應的RTSframe之duration值–此CTSframe+1個SIFSframe間隔時間。

●ACK回覆訊框

–RA應等於前一對應之Dataframe、Managementframe或PS-Poll控制訊框之Address2內容。

–Duration值

●若前一個對應之Dataframe或Managementframe之Controlframe之MoreFragmentbit為0，則此duration=0。

●若MoreFragmentbit=1，則Duration=前一個對應的Data（Management）frame之duration值–（此ACKframe+1個SIFSframe間隔時間）。

各種型式的ControlFrame格式（III）

●PS-Poll（PowerSavePoll）省電輪詢

–BSSID是AP的工作站位址。

–TA是傳送此frame之工作站位址。

–AID是傳送此frame之工作站之AID，由AP所指定。

●此值是AP先前經由AssociationResponse分配給該工作站的。

●最左邊兩個位元皆為1。

●所有收到PS-Pollframe的工作站都該修正其NAV（NetworkAllocationVector，網路配置向量）值。

●修正時所傳送的Duration值=傳送一個ACKframe+1個SIFSframe間隔。

各種型式的ControlFrame格式（IV）

●CF-End（Contention-FreeEnd）

免競爭週期結束

–BSSID是隸屬於AP中之位址。

–RA是廣播位址。

–Duration值=0。

●CF-End+CF-ACK（Contention-FreeEndAcknowledge）免競爭週期結束回覆

–BSSID是隸屬於AP中之位址。

–RA是廣播位址。

–Duration值=0。

各種型式的ControlFrame格式（V）

DataFrame

DataFrameAddress的判別

♦工作站在決定要不要接收一個DataFrame是依據Address1的內容來判定的。

–如果Address1的內容與自己的位址相同則可接收。

–如果Address1的內容是一個群體位址，則BSSID也須要一併檢查，以確定廣播或群播的Frame是來自相同的BSS。

♦如果接收訊框的工作站需要傳送回覆訊息時，則以Address2欄位的內容為回覆位址。

亦即Address2指的都是傳送frame的工作站位址。

–DA表示此訊框的最終目的。

–SA表示產生此訊框的工作站。

–在DS是無線分散式系統下，RA是表示此訊框的下一個工作站位址。

–TA是表示在無線分散式系統上傳送此訊框的工作站位址。

DataFrame的格式

●特性

–與次型態無關。

–四個位址欄位與ToDS和FromDS有關。

Address欄位

CSMA/CAAccessControlScheme

MAC通訊協定的擷取方法

♦802.11MAC提供兩種不同功能的擷取方法

–分散式協調式功能（DCF,DistributedCoordinationFunction）

•IEEE802.11MAC的基本擷取方法，它主要是利用一種叫載波感測多重擷取幾衝撞避免（CSMA/CA）的技術，來提供工作站送收非同步資料。

•此方法可用在AdHoc和Infrastructure的無線區域網路架構中。

–集中式協調功能（PCF,PointCoordinationFunction）

•提供工作站送收具有時限性（timebounded）的資料，在使用上屬於免競爭（contentionfree）的方法，只能用在某種基礎架構的無線區域網路架構中。

•透過DCF來完成。

MAC通訊協定的架構（I）

MAC通訊協定的架構（II）

●DCF與PCF並存

–DCF與PCF可以並存且無界面。

●超級訊框（SuperFrame）。

–先進行一段時間的免競爭模式傳輸，再跟著進行一段時間的競爭式傳輸。

–時間長短不一。

Frame的切割與組合

♦切割（fragmentation）

–將一個MSDU訊框切割成許多較小的MPDU。

•提昇訊框傳送的可靠度。

•由發送端負責。

•廣播與群播的訊框即使其長度大於切割臨界值，也不能進行切割。

♦組合（reassembly）

–接收端必須負責將屬於同一個MSDU的MPDUs收齊後立刻進行組合的工作。

•接收端必須針對每一個MPDU分別傳送回覆訊息。

分散式協調功能（I）

♦IEEE802.11最基本的擷取方法。

♦不同工作站間共享同一傳輸媒介，利用CSMA/CA解決不同工作站間可能發生的擷取衝突。

–CarrierSense是利用所謂的載波感測技術來判段某一頻寬中的信號能量是否達到一個基準點。

•如果信號的強度在某一基準點之下，就表示該頻寬未被佔用，因此工作站就可使用該頻寬來送收資料。

•反之，若信號強度在某一基準點之上，則表示傳輸媒介目前是忙碌的。

此時，工作站必需延緩（defer）訊框傳送時間，直到發現傳輸媒介是空閒的才能傳送訊框。

–CollisionAvoidance

•若接收端資料正確即馬上回應ACK，若發送端沒收到ACK就馬上重送資料。

分散式協調功能（II）

♦訊框間隔（IFS,Inter-FrameSpace）

–IEEE802.11將訊框分為三種不同的優先權等級。

每一種優先權等級的訊框在傳送之前都必需等待一段固定大小的時間。

–IFS分為下列四種：

SIFS

•SFIS（ShortIFS）：

短訊框間隔，用來做立即回應的動作。

要求傳送訊框（RTS）、允許傳送訊框（CTS）、回覆訊框（ACK）、回應PCFpolling及連續傳送的資料訊框或免競爭時期PC所發送的任何型態資料。

•PIFS（PCFIFS）：

PCF訊框間隔，在進行PCF免競爭式傳輸功能時，工作站傳送訊框前所必須等待的時間。

•DIFS（DCFIFS）：

DCF訊框間隔，在進行DCF競爭式傳輸功能時，工作站傳送訊框前所必須等待的時間。

•EIFS（ExtendedIFS）：

延長訊框間隔，工作站在進行重送訊框時，所必須等待的時間。

分散式協調功能（III）

分散式協調功能（IV）

♦接上圖

–D1=aRxRFDelay+aRxPLCPDelay

–D2=D1+AirPropagationTime

–Rx/Tx=aRxTxTurnaroundTime

–M1=M2=aMACProcessingDelay

–CCAdel=aCCATime-D1

分散式協調功能（V）

♦anSIFStime

–aRxRFDelay+aRxPLCPDelay+aMACProcessingDelay+aRxTxTurnaroundTime

♦aSlottime

–aCCATime+aRxTxTurnaroundTime+anAirpropagationTime+aMACProcessingDelay

♦aPIFStime

–anSIFSTime+aSlottime

♦aDIFStime

–anSIFSTime+2xSlottime

♦anEIFStime

–anSIFStime+（8xACKsize）+aPreambleLength+aPCLPHeaderLength+DIFS

分散式協調功能（VI）

●RandomBackoffTime

–同一種優先權等級的訊框發生碰撞的避免方法。

–工作站在等候了訊框間隔時間後，再等待一段由亂數決定的時間才將訊框送出。

由於每個工作站產生的退後時間極可能不同，故藉此降低發生碰撞的機會。

–BackoffTime=Random（）xaSlotTime

●Random（）=CWx[0,1]間的亂數再取其小數進位整數值

–與802.3CSMA/CD的退後演算法相似。

–在不同的情況下，backofftimer的countdown方式會有些不同。

分散式協調功能（VII）

分散式協調功能（VIII）

♦為解決訊框資料完整正確所提出的方法

–採用RTS/CTS方法

•來解決在無線網路系統中，碰撞不易被偵測出來的問題。

•適合使用於傳送較長的資料。

•系統會事先預設定一個RTSThreshold值來判定資料是否採此方法與否。

–虛擬載波偵測（VirtualCarrierSense）

•解決實體層在使用載波偵測技術時也容易誤判傳送媒介是否忙碌的問題。

•虛擬載波偵測利用一個網路配置向量（NAV,NetworkAllocationVector）來記載其它工作站還需要多久的時間來傳送訊框，而使工作站根據這些資訊能知道傳輸媒介是否忙碌，也不須時時地偵測網碌的忙碌情況。

•CTS/RT