无线网路系统技术.docx

1、无线网路系统技术無線網路系統技術課程大綱 Introduction 802.11 CSMA/CA MAC Protocol 802.11f Inter Access Point Protocol RADIUS System 802.1X802.11 WLAN 簡介802.11 Wireless LAN 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)，1-2 Mbps。 802.11：2 Mbps。 802.11a : 54Mbps。 802.11b : 11 Mbps。 IEEE 802.11 CSMA/CA Frame。 傳輸媒介：無線電(Radio, 2.4GH

2、z)、紅外線(Infrared)。 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 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 System architecture CSMA/CA MAC protocol 802.11 PHY 802.11a Spread Spectrum in 5GHz band 802.11b Spread Spectru

3、m in 2.4GHz band 802.11g To develop a new PHY extension to enhance the performance and the possible applications of the 802.11b compatible for improve access the data rate achievable by such device.IEEE 在無線網路的標準 (II) 802.11d Specification for operation in additional regulatory domains. 802.11e To en

4、hance the 802.11 MAC to improve and manage QoS. Provide class of service, and enhance security and authentication mechanism. 802.11f IAPP (draft3) Inter-Access Point Protocol Recommended practice for multi-vendor access point interoperability via an Inter-Access Point Protocol across distribution sy

5、stem supporting IEEE 802.11 operation. 802.11h To enhance the current 802.11 MAC and 802.11a PHY with network management and control extensions for spectrum and transmit power in 5GHz license. IEEE 在無線網路的標準 (III) 802.11i To enhance the 802.11 MAC to improve security and authentication mechanism. 其它標

6、準 802.15 Wireless Personal Area Network BlueTooth 802.16 Standard Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access (BWA) System 802.18 Radio Regulatory TAG 802.20 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)802.11 WLAN 網路上的服務(I) IEEE 802.11 網路架構中的九項完整服務 Authentication Association De-authentication Disas

7、sociation Distribution Integration Privacy Re-association MSDU delivery802.11 WLAN 網路上的服務(II) Station Services 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802.11 WLAN 網路上的服務(III) Distribution System Services 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

8、。而這些服務被 MAC entity 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802.11 MAC Service 802.11 MAC Layer802.11 MAC Service Overview 傳送模式 Asynchronous data service Best effort 安全服務 Authentication service WEP mechanism 藉由WEP 對 M

9、SDU 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。802.11 MAC ProtocolFrame 的格式 標頭(Header) 30 bytes，主要包括下列欄位: Control Information (2 bytes) Duration (2 bytes) Addressing (6x4=24 bytes)

10、Sequence number (2 bytes) 資料(Frame body) 02312 byes，依 Frame type 有所不同。 錯誤檢查碼(Checksum) 4 bytes，採 CRC-32 技術。Frame Control 欄位Frame Control 欄位(I) Protocol Version 802.11標準版本，目前為0。 Type and Subtype Frame type，目前定義有三種，每一種各有若干種 次型態(Subtypes)。 Data frame (b3b2=10) Control frame (b3b2=01) Management frame (

11、b3b2=00) To DS 此旗標(flag)為1表示此 Data frame 要傳送給分散式系統，其它則為 0。Frame Control 欄位 (II) From DS 此旗標(flag)為1表示此 Data frame 是由分散式系統傳送下來，其它則為 0。 More Fragments 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 Data frame 為重送之 frame。接收端可依此訊息來丟棄重覆之frame。 Power Management 用來顯示工作站之電源管理模式。1表示處於省電模式；0

12、表正常模式。由AP傳送者此值皆為1。Frame Control 欄位 (III) More Data 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 (MAC Service Data Unit) 欲傳送給此工作站，其餘者此值為 0。 此旗標讓CF-Pollable STA 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(Wired Equivalent Privacy Algorithm) 此旗標為 1 表示此 Data

13、 frame (或 Management frame) 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 Data frame 經由嚴格依順序服務等級(Strictly-Ordered service class)來傳送，其餘者此值為 0 。To DS 與 From DS 組合與意義Duration/ID 欄位(I) 16 bits。 用法： 若 Frame 為控制型態(Control type)，且次型態為 PS-Poll，則此欄位代表一個 AID (Association ID)，其最左邊兩個位元都是 1，而剩下的 14 個位

14、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 IEEE 802 standard 48-bit address 分別依需要記錄下列位址 BSSID (BSS Identifier) Ad-hoc

15、 network: 01 + 46-bit random number. Infrastructure: AP 的 MAC address. SA (Source Address) 起始工作站位址 DA (Destination Address) 目的工作站位址 個別位址(Unicast) 群播位址(Multicast) TA (Transmitter Address) 用以指定傳送工作站位址將資料傳送至 WM 上。 RA (Receiver Address) 在 WM 中，預設中馬上要接收此資料的工作站位址。Address 欄位 (II)Sequence Control 欄位 包含兩個次欄位

16、 Sequence Number 12 bits，由 0 開始至 4095，重複輪留使用。 該 Frame 攜帶之 MSDU 序號。 Fragment Number 4 bits，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。Control Frame各種型式的 Control Frame 格式 (I) RTS (Request to Send) 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 Data frame 或 management frame 的立即目的位址。 TA 為傳送此 RTS frame 的 STA 位址

17、。 Duration 值(單位為us) = 傳送該待送的 data (或management) frame + CTS frame + ACK frame + 3 個 SIFS frame 間隔時間。 若非整數，則進位為整數。各種型式的 Control Frame 格式 (II) CTS (Clear to Send) 允許傳送訊框 RA 應等於前一個對應之 RTS frame 中的 TA 內容。 Duration 值(單位為us) = 前一個對應的 RTS frame 之 duration 值 此 CTS frame + 1 個 SIFS frame 間隔時間。 ACK 回覆訊框 RA 應等

18、於 前一對應之 Data frame、Management frame 或 PS-Poll 控制訊框之 Address 2 內容。 Duration 值 若前一個對應之 Data frame 或 Management frame 之Control frame 之 More Fragment bit為 0，則此 duration = 0 。 若 More Fragment bit = 1，則 Duration = 前一個對應的 Data (Management) frame 之 duration 值 (此 ACK frame + 1 個 SIFS frame 間隔時間)。各種型式的 Contro

19、l Frame 格式 (III) PS-Poll(Power Save Poll) 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 Association Response 分配給該工作站的。 最左邊兩個位元皆為 1。 所有收到 PS-Poll frame 的工作站都該修正其 NAV (Network Allocation Vector，網路配置向量) 值。 修正時所傳送的Duration 值 = 傳送一個 ACK frame + 1 個 SIFS frame

20、間隔。各種型式的 Control Frame 格式 (IV) CF-End (Contention-Free End)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-Free End Acknowledge) 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 Control Frame 格式 (V)Data FrameData Frame Address 的判別 工作站在決定要不要接收一個 Data Fram

21、e 是依據 Address 1 的內容來判定的。 如果 Address 1 的內容與自己的位址相同則可接收。 如果 Address 1 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 Address 2 欄位的內容為回覆位址。亦即 Address 2 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。Data F

22、rame 的格式 特性 與次型態無關。 四個位址欄位與 To DS 和 From DS 有關。Address 欄位CSMA/CA Access Control SchemeMAC 通訊協定的擷取方法 802.11 MAC 提供兩種不同功能的擷取方法 分散式協調式功能(DCF, Distributed Coordination Function) IEEE 802.11 MAC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 Ad Hoc 和 Infrastructure 的無線區域網路架構中。 集中式協調功能(

23、PCF, Point Coordination Function) 提供工作站送收具有時限性 (time bounded) 的資料，在使用上屬於免競爭 (contention free) 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(Super Frame)。 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

24、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) IEEE 802.11 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。 Carrier Sense 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

25、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。 Collision Avoidance 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-Frame Space) IEEE 802.11 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 PIFS DIFS EIFS SFIS (Short IFS)

26、：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 PCF polling 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 (PCF IFS)：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 (DCF IFS)：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 (Extended IFS)：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

27、= aRxRFDelay + aRxPLCPDelay D2 = D1 + Air Propagation Time Rx/Tx = aRxTxTurnaround Time M1 = M2 = aMACProcessingDelay CCAdel = aCCATime - D1分散式協調功能 (V) an SIFS time a Rx RF Delay + a Rx PLCP Delay + a MAC Processing Delay + a RxTx Turnaround Time a Slot time a CCA Time + a RxTx Turnaround Time + an

28、Air propagation Time + a MAC Processing Delay a PIFS time an SIFS Time + a Slot time a DIFS time an SIFS Time + 2 x Slot time an EIFS time an SIFS time + (8 x ACK size) + a Preamble Length + a PCLP Header Length + DIFS分散式協調功能 (VI) Random Backoff Time 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

29、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。 Backoff Time = Random() x aSlotTime Random() = CW x 0,1 間的亂數再取其小數進位整數值 與802.3 CSMA/CD 的退後演算法相似。 在不同的情況下，backoff timer 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 (Virtual Carrier Sense) 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, Network Allocation Vector)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