1、第一章 无线技术体系与理论,ISSUE 1.0,日期：,杭州华三通信技术有限公司 版权所有，未经授权不得使用与传播,无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频（RF）技术，取代旧式的双绞线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能。无线网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，并且可以随需移动或变化。 WLAN已经成为宽带接入的有效手段之一，使用WLAN的区域及其承载的业务愈来愈多。为了更好地构建理想中的无线网络，我们需要了解无线网络的技术体系、熟悉构建无线网络的设备的功能。,引入,了解WLAN的的基础知识 了解802.11协议族标准 了解主流WLAN设备及天线 了解几种
2、WLAN典型部署,课程目标,学习完本课程，您应该能够：,WLAN基础知识802.11协议族WLAN设备WLAN的典型部署,目录,为什么要使用WLAN网络 什么是WLAN WLAN技术的发展进程,WLAN基础知识,凡是自由空间均可连接网络，不受限于线缆和端口位置。,办公大楼,候机大厅,渡假山庄,商务酒店,无线让网络使用更自由,无线让网络建设更经济，通信更便利,终端与交换设备之间省去布线，有效降低布线成本。适用于特殊地理环境下的网络架设，如隧道、港口码头、高速公路。,终端与设备之间不方便通过线缆连接,地理环境不适合布设有线网络,无线让工作更高效,不受限于时间和地点的无线网络，满足各行各业对于网络应
3、用的需求。,体育场馆新闻中心,展馆与证券大厅,制造车间,物流运输,IrDA BlueTooth 802.11 802.11b 802.11a 802.11g,几种主要的WLAN技术,802.11协议的发展进程,各个国家授权使用的频段,Channel Freq (GHz) US/Can Europe Japan,1 2.412,x,x,2 2.417,x,x,3 2.422,x,x,4 2.427,x,x,5 2.432,x,x,6 2.437,x,x,7 2.442,x,x,8 2.447,x,x,9 2.452,x,x,10 2.457,x,x,11 2.462,x,x,x,12 2.467
4、,x,13 2.472,x,14 2.484,802.11b/g工作频段划分图,蜂窝式无线覆盖,任意相邻区域使用无频率交叉的频道，如：1、6、11频道 。适当调整发射功率，避免跨区域同频干扰。蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用。,WLAN产品对人体的电磁辐射是安全的,很多的研究已经证明，WLAN产品可以在家庭及商业中使用，对人体来说是安全。典型的WLAN产品，如AP（Access Point，接入点），输出功率为100mw，对于网卡来说，通常只有10mw至50mw。相比较来说，手机的发射功率在通话时可以超过1W，而无线对讲机甚至可以达到5 W。政府有相关的法令对发射功率进行严格的限制，因此通
5、过政府相关部门认证过的无线设备对人体是无害的。,WLAN基础知识802.11协议族WLAN设备WLAN的典型部署,目录,802.11协议族成员 WLAN网络基本概念和组网模式 WLAN网络接入访问机制 WLAN网络接入漫游与加密 WLAN网络的QoS功能,802.11协议族,IEEE 802.11无线局域网工作组,PHY,802.11(1/2 Mbps),802.11b(5.5/11 Mbps),802.11g(54 Mbps),802.11a(54 Mbps),MAC,802.11/11a/11b/11g MAC,802.11f 漫游和切换,802.11e QoS,802.11i 安全增强,
6、802.11n(600 Mbps),802.11s mesh,802.11r快切,802.11网络的基本元素 BSS,Stations (STA)：任何的无线终端设备。 AP （Access Point）：一种特殊的STA BSS：Basic Service Set,BSS1,BSS2,STA1,STA2,STA3,STA5,STA6,STA4,AP,AP,802.11网络的基本元素 DS,DS（Distribution System）：分布式系统,BSS2,AP,BSS1,AP,DS,802.11网络的基本元素 SSID,AP1,SSID“marketing”,SSID：Service Se
7、t ID 服务集识别码,STA,STA,STA,802.11网络的基本元素 ESS,ESS（Extended Service Set）是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS。,ESS,BSS2,AP2,Service set identify(SSID1),BSS1,AP1,Service set identify(SSID1),属于同一VLAN的客户端,DS,CSMA/CA（载波侦听多点接入避让机制）,Frame Exchange,Frame Exchange,Frame Exchange,Frame Exchange,DIFS,DIFS,DIFS,STA 1,STA 2
8、,STA 3,STA 4,退避窗口,退避窗口,退避窗口,分布式帧间隔（DCF interframe space ，简称DIFS）,10,9,3,5,7,6,10,2,5,4,8,10,802.11MAC层工作原理 概述,802.11MAC层负责客户端与AP之间的通讯。主要功能包括：扫描、接入、认证、加密、漫游和同步。802.11MAC 报文分类： 数据帧用户的数据报文 控制帧协助发送数据帧的控制报文，例如：RTS、CTS、ACK等 管理帧负责STA和AP之间的能力级的交互，认证、关联等管理工作例如：Beacon、Probe、Association及Authentication等,802.11M
9、AC层工作原理 用户接入管理过程,STA,AP,Authentication,Association,1,2,3,4,802.11MAC层工作原理 Scanning,802.11MAC 使用Scanning功能来完成Discovery 寻找和加入一个网络 当STA漫游时寻找一个新的APPassive Scanning通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络。Active Scanning在每个信道上发送Probe request报文，从Probe Response中获取BSS的基本信息。,802.11 MAC层工作原理 Authentication,STA,AP,Authenticati
10、on request,Authentication Response(success),STA,AP,Authentication request,Plain text challenge,Cipher text challenge,Authentication Response(success),预置Key,用Key 加密明文,密文解密 和明文比较,预置Key,Open-system Authentication过程,Shared-Key Authentication过程,1,2,1,2,3,4,802.11MAC层工作原理 Association,STA,AP,Association re
11、quest(SSID),Association Response,STA,New AP,数据,Old AP,Reassociation请求 (SSID),Reassociation应答,Association过程,Reassociation过程,1,2,deassociation,什么是漫游,STA可以在属于同一个ESS的AP接入点接入； STA可以在Wireless网络中任意移动； 保证已有的业务不中断，用户的标识（IP地址）不改变。,STA,AP,AP,移动,ESS,漫游的分类,二层漫游在同一个子网内的AP间漫游 三层漫游在不同子网内的AP间漫游,VLAN1 IP:1.0.0.1,VLAN
12、1,AP,AP,VLAN1,L2网络,STA,移动,二层漫游,VLAN1 IP:1.0.0.1,VLAN1,AP,AP,VLAN2,L3网络,STA,移动,三层漫游,802.11WEP加密,STA,AP,加密报文IV值,IV,静态Key,Key生成器,Key流,XOR,用户数据明文,发送的加密报文,IV,静态Key,Key生成器,Key流,XOR,用户数据明文,接收的加密报文,IV：initialization Vender初始向量,WEP：Wired Equivalent Privacy有线对等私有协议,802.11技术在QOS方面存在的缺陷,最初的802.11技术是为满足用户的数据传输而设
13、计的，根本没有考虑多业务承载。 802.11采用的DCF(（distributed coordination function，分布式协调功能）调度模式是基于CSMA/CA原理，最终的效果是所有用户发送的报文平等地竞争无线资源。 由于没有区分业务优先级的机制，造成AP和终端在对外发送报文时对报文按同等优先级对待。当发生流量拥塞时，需要优先处理的报文（例如语音报文）和普通的报文（例如浏览网页的报文）会按相同的概率被丢弃。 和有线网络相对完善的QOS机制无法很好地衔接。,802.11e 协议 QOS保证,802.11e针对DCF模式进行了改进，支持EDCA（Enhanced Distributio
14、n Coordinate Acess，增强型分布式协调访问机制）的媒体访问机制 支持8个业务优先级的报文标记(类似于有线网络中的802.1P) 业务优先级可被映射到4个输出队列 高优先级的报文优先获取无线空口的访问能力,802.11e 协议 EDCA调度模式,优先级队列1,优先级队列2,优先级队列3,优先级队列4,Busy,Time,IFS4,CW4,IFS3,CW3,Frame,IFS2,CW2,Frame,IFS1,CW1,Frame,AP和用户等待发送的数据的调度机制：,WLAN基础知识802.11协议族WLAN设备WLAN的典型部署,目录,什么是FAT（胖） AP 什么是无线网桥 什么
15、是无线交换机和FIT（瘦） AP 天线工作原理及参数介绍,WLAN设备,FAT AP设备功能,802.11a/b/g,网管、二层漫游, 安全,802.1x认证,802.11e QoS,天线,加密,FAT AP设备的典型组网,企业网络的组网模式：,AP1,APn,STAs,家庭或soho网络的组网模式：,AP,ADSL Modem,WAN,以太交换机,PC,STAs,企业核心网,802.11无线网桥,无线网桥是一种采用无线技术进行网络互连的特殊功能的AP。 无线网桥根据传输距离的不同可分为工作组网桥和长距专业网桥。 为了防止信号大幅度衰减，网桥组网时两个网桥之间通常不能有障碍物的阻挡。 以室外作
16、为主要应用环境的无线网桥一般在设计时都会考虑适应一些恶劣的应用环境。,802.11无线网桥的典型组网,有线网络A,有线网络B,有线网络互连,无线网络互连,有线网络,网络A,多网络互连,1208E,网络B,网桥,网桥,网桥,网桥,网桥,网桥,网桥,FAT AP组网的局限性,FAT AP组网更适合在家庭和中小型网络中使用，无法满足大型的无线企业网络的需求，这是由于FAT AP自身的特点所决定的。当需要组建大型无线网络或需要更多的增值服务时：,无线交换机和FIT AP因此应运而生,802.11 a/b/g,天线,加密,网管、三层漫游, 安全,802.1x认证,802.11e QOS,AP点监测,用户
17、防火墙,网络自愈,RF 管理,无线欺骗防护,802.11a/b/g,网管、二层漫游, 安全,802.1x认证,802.11e QOS,天线,加密,FAT AP,FIT AP,无线交换机和FIT AP的功能,更易管理的 无线解决方案,天线在无线系统中的使用,典型无线系统,发射器,空间介质,接收器,发射天线,接收天线,电磁波,电场,电场,电场,振子,电波传输方向,磁场,磁场,功率计算单位: dB, dBm, dBw,dB是用来测量被测量功率与某一基准功率的比值。它的数值等于被测量功率与基准功率的比值取以10为底的对数，再乘以10。当基准功率取为1mw时，此dB值以dBm表示。当基准功率取为1w时，
18、此dB值以dBw表示。 公式： 测量功率(dB) = 10 * lg(测量功率/参考功率),主要无线技术指标,无线电频率(Hz) 发射功率(dBm) 接收功率(dBm)接收灵敏度 发射天线增益(dBi) 天线极化方向 天线方向图,天线的工作频率,天线的工作频率范围：无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小。,天线的方向性 全向天线,发射天线的基本功能之一是把从AP取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。 水平面上各向能量辐射相等的天线称为全向天线。,图 c
19、水平面方向图,图b 垂直面方向图,各向同性点状天线能量辐射形状,全向天线能量辐射形状,图a 天线能量辐射形状图,天线的方向性 定向天线,水平面上各向能量辐射不等的天线称为定向天线。,全向阵 （垂直阵列 不带平面反射板）,扇形区覆盖 （垂直阵列 带平面反射板）,平面反射板,天线增益,10dBm,20dBm,13dBm,一个各向同性的天线在所有方向具有相同的辐射能量,一个具有一定增益的天线只在某个特定方向才具有辐射能量,一个3dBi增益的天线，辐射能量的范围在50% 的空间,点状天线,天线的极化,垂直极化,天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般
20、使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化是最常用的；水平极化也是要被用到的。,水平极化,波束宽度,15,峰值,- 3dB点,- 3dB点,旁瓣,主瓣,天线方向图2.4G室外高增益全向天线,全向天线,增益:11dBi 工作在2.4G频段 用于地广人稀地区的大范围覆盖,水平方向图,垂直方向图,天线方向图2.4G室外高增益定向天线,面板型定向天线,增益:11dBi 工作在2.4G频段 适用于高密度接入覆盖,水平方向图,垂直方向图,无线传输的干扰因素 障碍物,功率在穿过障碍物后衰减,墙，门，等等。,各类障碍物对无线信号的衰减效果对比,无线传输的干扰因素 电磁干扰,2.4GHz为
21、ISM频段，不许授权即可使用。 同一区域内AP之间的互相干扰。 其他工业设备的干扰微波炉双向寻呼系统等等,WLAN设备的实际工作性能 吞吐率,802.11g标准描述的速率为54 Mbps，此为物理层传输速率。实际可获得的速率为一半 (20-24Mbps max)其他用于协议封装或冲突避免开销 干扰实际吞吐率的因素 不稳定是无线通讯的本性 无线环境不停的保持变化 物理建筑的构成 AP的位置 共享介质：用户数数据量,WLAN设备的实际工作性能 覆盖距离,输出功率为100mV的802.11b/g产品覆盖距离理论值:100m 而在实际中，覆盖距离更依赖于实际环境。 影响覆盖范围的因素建筑结构电磁设备在
22、一般办公室大楼内，覆盖距离为15-30m。,WLAN基础知识802.11协议族WLAN设备WLAN的典型部署,目录,热点覆盖 承载Wi-Fi语音和移动数据业务 办公地点无线互连,WLAN的典型部署,核心机房,会议厅,餐厅、茶座,大厅、服务台,S3600-PWR,S7500,客户端,热点覆盖,客户端,客户端,S3600-PWR,S3600-PWR,无线交换机,增值业务,电子病历服务器群,S9500,S3600-PWR,S3600-PWR,S3600-PWR,FIT AP,核心机房,手持PDA,住院楼1,住院楼2,住院楼3,WiFi电话,WiFi电话,无线交换机,网管,Radius,语音网关,语音服务器,办公地点无线互连,企业总部网络,企业分支网络1,企业分支网络2,无线网桥,无线网桥,无线网桥,本章首先介绍了无线网络的发展史；然后对802.11无线网络的接入过程以及安全、QoS进行了着重描述；随后对三种类型的WLAN设备特性进行说明，并详细阐述了天线的原理和使用方法；最后给出了三种典型的无线应用环境及相应的组网方式和相应无线设备。,本章总结,
