1、WiFi和IEEE 802.11无线局域网标准,IEEE 802.11体系结构和服务,IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师协会。总部设在美国。 IEEE 802委员会负责起草局域网草案，并送交美国国家标准协会（ANSI）批准和在美国国内标准化。 IEEE还把草案送交国际标准化组织（ISO）。ISO把这个802规范称为ISO 802标准，因此，许多IEEE标准也是ISO标准。,IEEE 802又称为LMSC（LAN /MAN Standards Committee，局域网/城域网标准委员会），致力于研究局域网和
2、城域网的物理层和MAC层规范，对应OSI参考模型的下两层。,IEEE802委员会成立于1980年初，该委员会分成三个分会： 传输介质分会-研究局域网物理层协议 信号访问控制分会-研究数据链路层协议 高层接口分会-研究从网络层到应用层的有关协议,IEEE 802规范定义了 网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据 还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。 遵循IEEE 802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些用来建立局域网络的组件。,IEEE802标准系列 IEEE802.1A-局域网体系结构 IEEE802.1B-寻址、网络互连
3、与网络管理 IEEE802.2-逻辑链路控制(LLC) IEEE802.3-CSMA/CD访问控制方法与物理层规范,IEEE802.3i-10Base-T访问控制方法与物理层规范 IEEE802.3u-100Base-T访问控制方法与物理层规范 IEEE802.3ab-1000Base-T访问控制方法与物理层规范 IEEE802.3z-1000Base-SX和1000Base-LX访问控制方法与物理层规范 IEEE802.4-Token-Bus访问控制方法与物理层规范,IEEE802.5-Token-Ring访问控制方法 IEEE802.6-城域网访问控制方法与物理层规范 IEEE802.7-
4、宽带局域网访问控制方法与物理层规范 IEEE802.8-FDDI访问控制方法与物理层规范 IEEE802.9-综合数据话音网络,IEEE802.10-网络安全与保密 IEEE802.11-无线局域网访问控制方法与物理层规范 IEEE802.12-100VG-AnyLAN访问控制方法与物理层规范 IEEE 802.14 协调混合光纤同轴(HFC)网络的前端和用户站点间数据通信的协议。 IEEE 802.15 无线个人网技术标准，其代表技术是蓝牙(Bluetooth)。 IEEE 802.16：宽带无线 MAN 标准 WiMAX,IEEE 802.11工作组：1990年成立，专门致力于无线LAN，
5、开发无线局域网MAC协议和物理媒体规范。 经过7年的时间，在1997， IEEE 推出802.11无线局域网(Wireless LAN)工业标准。此后这一标准又不断得到补充和完善，形成802.11x的标准系列。802.11x标准是现在无限局域网的主流标准。,IEEE 802.11，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps。 由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以IEEE 802.11标准被IEEE 802.11b所取代了。,IEEE 802.11b,1999年9月IEEE 802.11b被正式批准，该标准规定WLA
6、N工作频段在2.4-2.4835 GHz，数据传输速率达到11Mbps, 传输距离控制在15-45米。 该标准是对IEEE 802.11的一个补充， 采用补偿编码键控调制方式， 采用点对点模式和基本模式两种运作模式， 在数据传输速率方面可以根据实际情况在11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps的不同速率间自动切换， 它改变 了WLAN设计状况，扩大了WLAN的应用领域。 IEEE 802.11b被多数厂商所采用，推出的产品广泛应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合。,IEEE 802.11a,1999年，IEEE 802.11a标准制定完成， 该标准规定WLAN工作
7、频段在5.15-5.825 GHz， 数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo), 传输距离控制在10-100米。 该标准也是IEEE 802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用（OFDM）的扩频技术，采用QFSK调制方式， 可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口， 支持多种业务如话音、数据和图像等， 一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。,IEEE 802.11a,IEEE 802.11a标准是IEEE 802.11b的后续标准，其设计初衷是取代802.11b标准，然而，工作于2.4GHz频带是不需要执照的，该频段
8、属于工业、教育、医疗等专用频段，是公开的，工作于5.15-5.825 GHz频带在有些国家需要执照。一些公司仍没有表示对802.11a标准的支持，一些公司更加看好混合标准802.11g。,IEEE 802.11g,IEEE推出IEEE 802.11g认证标准,该标准提出拥有IEEE 802.11a的传输速率，安全性较IEEE 802.11b好，采用2种调制方式，能够与802.11a和802.11b兼容。 虽然802.11a较适用于企业，但WLAN运营商为了兼顾现有802.11b设备投资，选用802.11g的可能性极大。,IEEE 802.11i,IEEE 802.11i标准结合了IEEE802
9、.1x中的用户端口身份验证和设备验证，对WLAN MAC层进行修改与整合,定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善WLAN的安全性。,IEEE 802.11i,IEEE 802.11i新修订标准主要包括两项内容：“Wi-Fi保护访问”(Wi-Fi Protected Access：WPA)技术和“强健安全网络”(RSN)。 Wi-Fi联盟计划采用 802.11i标准作为WPA的第二个版本，并于2004年初开始实行。IEEE 802.11i标准在WLAN网络建设中的是相当重要的，数据的安全性是WLAN设备制造商和WLAN网络运营商应该首先考虑的头等工作。,IEEE 802.11e/f/h IEEE
10、 802.11e标准对WLAN MAC层协议提出改进，以支持多媒体传输，支持所有WLAN无线广播接口的服务质量保证QOS机制。 IEEE 802.11f，定义访问节点之间的通讯，支持IEEE 802.11的接入点互操作协议（IAPP）。 IEEE 802.11h用于802.11a的频谱管理。,IEEE 802.11的术语,见表14.2,2.1 Wi-Fi联盟,1999年，无线以太兼容性联盟（wireless Ethernet compatibility alliance，WECA）成立，后来更名为Wi-Fi（wireless fidelity，无线保真）。这一组织建立了用于验证802.11b产
11、品兼容性的一套测试标准。 经过验证的802.11b产品使用的名称是Wi-Fi。 Wi-Fi认证现已扩展到802.11g产品,2.2 802.11 体系结构,无线LAN的最小构成块是基本服务集（basic service set，BSS），它由站点组成。 BSS可以是独立的，也可以是通过接入点与分布式系统（DS）相连。 BSS对应于蜂窝区。,独立的BSS,BSS没有和其它BSS相连，则该BSS称为独立BSS（independent BSS，IBSS）。一个IBSS是一个典型的自组织网络。 在IBSS中，没有AP。,相连的BSS,如图14.4,扩展服务集,扩展服务集（extended servic
12、e set，ESS）：由互联的两个或多个基本服务集组成。,2.3 IEEE 802.11服务,IEEE802.11提供九种不同的服务，也可将这些服务视为其软件架构的需求，主要可分为： 主机的服务(Station Service，SS) 分布式系统的服务(Distribution System Services，DSS)。,主机的服务让主机具有正确送、收数据的能力，同时也考虑数据传送的安全。包括下列4种服务：,1. 身份确认服务 主要是用来确认每个主机的身份，IEEE802.11通常要求双向式的身份确认，一个主机能同时和多个主机(包括AP)做身份确认动作。 2. 取消身份确认服务 已完成身份认证
13、的工作站可用此服务来取消身份认证，一旦取消后连接也同时取消。,3. 隐密性服务 无线网络的数据是在空间开放的介质中传播，因此任何只要装有IEEE802.11适配卡的主机，都能接收到别人的数据。所以数据的保密性若做得不好，资料很容易被别人窃取，隐密性服务的主要功能，就是提供一套隐密性服务的算法将数据做加密与解密。 4. 802.11封包传送 此服务为主机服务最基本功能，它将数据传送给接受者。,分布式系统服务由分散系统所提供，使802.11的封包可在同一个ESS(延伸服务群)中的不同BSS(基本服务群)间传送，无论主机移动到ESS中的哪个地方都能收到属于它的数据，这类服务大部分是由AP呼叫使用。
14、AP是唯一同时提供主机服务和分布式系统的无线网络组件，也是主机与分布式系统间的桥梁。 分散系统提供下列5种服务：,1. 连接服务 此服务的主要目的是要在主机和AP之间，建立一个通信连接。 当分布式系统要将数据送给主机时，必需事先知道这个主机目前是透过哪个AP接入分布式系统的，这些信息由连接服务提供。 一个主机在被允许通过某个AP送数据给分布式系统前，必须先和此AP做连接，通常在一个基本服务区内有一个AP，因此，任何在这个基本服务区内的主机想和外界通信，就必需先与此AP相连接。这个动作类似注册，因为，当主机做完连接动作后，AP就会记住此主机目前在它管辖范围之内。,在同一时间，任一主机只会和一个A
15、P做连接，这样才能使分散系统能在任何时候知道哪个主机是由哪个AP所管辖， 一个AP却可以同时和多个主机做连接。 连接服务都是由主机所启动，通常主机会藉由启动连接服务要求和AP建立一个连接。,2. 重连接服务 此服务的主要目的是将一个移动中主机的连接，从一个AP转移到另一个AP。当主机从一个基本服务区移动到另一个服务区时，它就会启动重连接服务。此服务会将主机和它所移入的基本服务区内的AP做连接，使得分散系统将来能知道此主机目前已由另一个AP管辖。重连接的服务也由主机启动。,3. 取消连接服务 此服务主要目的是取消一个连接，当一个主机传送数据结束时，可启动取消连接服务。 另外,当一个主机从一个基本
16、服务区移动到另一个基本服务区时，它除了会对新的AP启动重连接服务外，也会对旧的AP启动取消连接服务。,此服务可由主机或AP来启动，不论是哪方启动另一方都不能拒绝。 另外,AP可能因网络负荷过重而启动对主机取消连接,4. 分送服务 这项服务主要由主机使用，当主机要传送数据时，数据首先会传送至AP，再由AP利用分布式系统传送至目的地。 IEEE802.11并没有规定分散系统要如何将数据正确地送达目的地，但它说明了在连接、取消连接及重连接等服务中，该数据该送往哪个AP输出，以便将数据送达正确的目的位置。,5. 整合服务 此服务主要目的是让数据能在分散系统和现存的局域网络间传送。 整合服务的任务就是将
17、这份数据从分散系统转送到相连的局域网络媒介。,3 IEEE 802.11媒体接入控制,3.1 可靠的数据传送 使用IEEE 802.11的无线LAN通常是不可靠的。噪声、干扰等会导致大量的帧丢失或出错。即使带有纠错码，大量的帧也可能无法成功收到。 可通过在TCP等高层使用可靠机制处理这种情况，但是在高层中用于重发的计时器一般以秒为单位，不能满足需求。在MAC层处理错误会更有效。,IEEE 802.11制定了帧交换协议。当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认（acknowledge，ACK）帧。如果数据帧被损坏或ACK损坏，源站点在一个很短的时间内没有收到ACk，会立即
18、重发该帧。 为了更进一步增强可靠性，还可以使用四帧交换,请求发送帧（request to send，RTS） 清除发送帧（clear to send，CTS） 发送数据帧 ACk,3.2 媒介访问控制,IEEE802.11 MAC子层还能够实现对共享媒介访问的公平控制功能。该功能通过2种访问机制实现： 基本访问控制，也称为分布式协调功能（DCF） 集中控制访问机制，也称为集中协调功能（PCF）。,载波侦听多址访问/碰撞回避（CSMA/CA）机制,IEEE 802.11基本媒介访问控制方法是基于二进制退避策略的载波侦听多址访问/碰撞回避机制。 该访问机制与802.3使用的访问机制类似。,CSMA
19、/CA是一种先听后说(LBT)的机制。在这种类型的访问机制中，STA在开始新的发送前必须首先监听媒介。如果媒介上已有信息正在传输，则该STA将不会发送数据。这就是载波侦听多址访问部分(CSMA)，是在物理层(PHY)提供的物理载波检测基础上实现的。 但是可能出现STA已经开始了它的发送，但实际上媒介上还有其他信息在传送，这样就会产生碰撞。碰撞将导致发送中断，甚至使得近几次的发送内容不能正确接收。,因为无线设备不能同时发射和接收，所以IEEE 80211使用碰撞回避策略，而不是如IEEE 8023使用碰撞检测(collision Detect，CD)。 并且，在一个WLAN中，不是所有的无线设备
20、都能够直接通信。因此，IEEE 80211采用网络分配矢量(NAV)，NAV是表示媒介空闲剩余时间的值。 STA则通过检查NAV决定是否发送。有可能NAV表示媒介忙，而物理载波检测却显示媒介空闲，这时STA不能发送。NAV也被称为虚拟载波检测。 通过物理载波检测和虚拟载波检测策略的结合，MAC得以实现CSMACA的碰撞避免机制。,分布式协调功能(DCF),IEEE 80211 MAC的基本访问方法就是DCF，也就是CSMACA。所有STA都必须实现DCF，因为在IBSS和基础服务集网络中，STA都以此为基本访问方式。,STA在发送数据前，应检测媒介上是否有其他的STA正在发送数据。如果媒介空闲
21、，则STA就可以发送数据。 CSMA/CA分布式算法强制规定在连续2次帧发送之间，媒介上必须要有一段间隔。将要发送数据的STA必须在发送数据前确保在它请求使用媒介期间内，媒介空闲。 如果媒介检测表明处于忙状态时，STA将推迟其数据发送。,在推迟发送后，或者在成功发送后，如果需要立即再次发送时，STA将选择一个随机退避时间间隔。 在媒介空闲时，一般会减小随机退避间隔计数器的值。 不同情况下，会有更多方法来减少碰撞。比如，发送方STA在检测表明媒介空闲，并且在发送数据前完成随机退避后，将与接收方STA交换短的控制帧(RTS和CTS)。,集中协调功能(PCF),IEEE 802.11的MAC层还提供
22、一种称为集中协调功能(PCF)的可选媒介访问方式，只能用于基础网络结构中。该访问方式使用一个集中协调器(Point coordinator，PC)，该PC同时是该BSS的访问点，其主要功能是决定当前哪个STA有权发送数据。 该方式本质上是通过轮询来完成的，其中PC扮演轮询者的角色。,PCF采用访问优先级辅助的虚拟载波侦听机制。PCF在信标帧中分发信息，以便通过设置STA的NAV来获得该媒介的控制权。 另外，PCF下的所有帧的发送要使用帧间间隙(InterFrame Space，IFS)，这个IFS比通过DCF发送数据帧的IFS要短。使用较短的IFS意味着集中协调下的帧传输对无线媒介的访问优先级高于DCF下多个相互变叠的BSS中STA对无线媒介的访问优先级。,由PCF提供的访问优先级可以用于建立无竞争(Contention-Free，CF)访问方法。PC控制所有STA的帧发送，以避免在有限时间内进行竞争。这段时间称为无竞争期 (Contention-Free Period， CFP) 。,分布式协调功能(DCF)和集中协调功能(PCF)的共存,DCF和PCF可以以某种形式共行。在该方式下，允许二者在一个相同的BSS内同时工作。当BSS中存在一个PC时，2种访问方式可以交替使用，如一个CFP后可以紧跟一个竞争期(Contention Period ，CP)等。,
