现代网络技术教程-自顶向下分析与设计(陆楠)1-11章 (10)

第 10 章 无线网络技术与发展
10.2.2 802.11的层次模型结构
无线局域网(WLAN)是实现移动计算网络的关键技术之一。 无线局域网以微波、激光与红外等无线载波作为传输介质，代替 传统局域网中的同轴电缆、双绞线与光纤，实现移动结点的物理 层与数据链路层功能。无线局域网的发展速度相当快。目前，支 持2 Mb/s传输速率的系统已经成熟，而速率为40～80 Mb/s的系 统正在研究中。
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2) CSMA/CA冲突避免的工作原理 802.11的物理层执行信道载波侦听功能。当确定信道空闲时， 源结点在等待DIFS时间之后，如果信道仍然空闲则发送一帧。发 送结束后，源结点等待接收ACK帧。目的结点在收到正确的数据 帧的SIFS时间之后，向源结点发送ACK帧。源结点在规定的时间 之内接收到ACK帧，说明没有发生冲突，该帧发送成功。
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10.2 无线局域网与802.11 协议
10.2.1 无线局域网的应用领域与协议制定
1．无线局域网的应用领域 (1) 作为传统的局域网的扩充。传统的局域网用非屏蔽双 绞线实现10 Mb/s甚至更高速率的传输，使得结构化布线技术得 到了广泛应用。图10-3给出了典型的无线局域网结构。
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为了进一步减少冲突的发生，802.11的MAC层采用虚拟载波 侦听(Virtual Carrier Sense，VCS)机制。802.11的MAC层在帧 格式中的第2个字段设置了一个2字节的“持续时间”。源结点在 发送一帧时，在该字段内填入以μs为单位的值，表示在该帧发 送结束后，还要占用信道多长时间，包括目的结点的确认时间。
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10.1.3 无线自组网与无线传感器网络
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。当无线 自组网技术日趋成熟时，无线通信、微电子、传感器技术也得到 了快速发展。在军事领域中，如何将无线自组网与传感器技术结 合起来的研究课题被提出，这就是无线传感器网络的研究。无线 传感器可以用于对敌方兵力和装备的监控、战场的实时监视，以 及目标的定位、战场评估与对核攻击和生物化学攻击的检测和搜 索。
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-6 CSMA/CA冲突避免的工作原理
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3) 退避算法 802.11的CSMA/CA协议中没有采用类似于以太网的冲突检测 机制。因此，当信道从忙转到空闲时，各站不仅要等待一个DIFS 时间，还必须执行退避算法，以进一步减少冲突发生的概率。 802.11采用的是二进制指数退避算法。它与802.3协议不同的地
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-3 典型的无线局域网结构
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(4) 特殊无线网络的结构。无线自组网采用不需要基站的 “对等结构”移动通信模式；无线自组网中没有固定的路由；这 种网络中的所有用户都可以移动，并且支持动态配置和动态流量 控制，每个系统都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。这些 行为特征可以用“移动分布式多跳无线网络”或“移动的网络” 来描述。
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10.2.3 802.11的CSMA/CA工作原理
1. 802.11的MAC层服务类型 在争用服务中，802.3标准采用CSMA/CD冲突检测方法，而 802.11的MAC层采用CSMA/CA冲突避免方法。冲突避免(Collision Avoidance，CA)要求每个发送结点在发送帧之前先侦听信道。如 果信道空闲，结点可以发送帧。
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(2) 建筑物之间的互联。无线局域网的另一个用途是连接邻 近建筑物中的局域网。在这种情况下，两座建筑物使用一条点点无线链路，典型的连接设备是无线网桥和路由器。
(3) 漫游访问。带有天线的移动数据设备(例如笔记本电脑、 PDA)与无线局域网集线器之间可以实现漫游访问(Nomadic Access)。例如，在展览会场的工作人员向听众做报告时，通过 笔记本电脑访问办公室里的服务器文件。
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(1) 定向光束红外传输技术。定向光束红外线可以被用于点 -点链路。在这种方式中，传输的范围取决于发射的强度与接收 装置的性能。红外连接可以被用于连接几座大楼的网络，但是每 座大楼路由器或网桥都必须在视线范围内。
(2) 全方位红外传输技术。全方位配置需要安装基站。基站 能看到红外无线局域网中所有的结点。典型的全方位配置结构是 将基站安装在天花板上。基站的发射器向所有的方向发送信号， 所有的红外收发器都能接收到信号，所有结点的收发器都用定位 光束瞄准天花板上的基站。
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2．无线局域网协议制定的过程 1987年，IEEE 802.4工作组开始进行无线局域网的研究。最 初的目标是希望开发一个基于无线令牌总线网的MAC协议。在进 行一段时间的研究后，发现令牌总线并不适合无线电信道。1990 年，IEEE 802委员会成立了新的802.11工作组，专门从事无线局 域网的研究，并开发了一个MAC子层协议和物理介质标准。1997 年，形成了第一个无线局域网标准802.11，以后又出现了两个扩 展版本。802.11定义了使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术， 数据传输速率为1 Mb/s或2 Mb/s的无线局域网标准。
方是第i次退避在22+i个时间片中随机选择一个。例如，第1次退
避是在8个时间片中随机选择5个时间片，第2次退避是在16个时 间片中随机选择12个时间片。
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10.2.4 无线局域网的物理层传输技术
1. 红外无线局域网 1) 红外传播的基本特点 (1) 红外线频谱很宽，可以提供很高的数据传输速率。 (2) 与微波通信相比，红外通信不易被入侵，因此数据传输 的安全性高。 (3) 红外局域网的设备相对简单、便宜，易于管理。
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-5 802.11结点发送数据帧的过程
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2. CSMA/CA基本工作原理 1) 帧间间隔的类型 常用的帧间间隔可以分为段帧间间隔、点协调功能帧间间隔 与分布协调功能帧间间隔。 (1) 段帧间间隔(Short IFS，SIFS)用于分割属于一次对话 的各帧，如ACK帧。它的值与物理层相关。例如，红外无线(IR) 的SIFS值为7 μs，直接序列扩频(DSSS)的SIFS值为10 μs，跳 频扩频(FHSS)的SIFS值为28 μs。
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10力是互联网接入的应用需求。 当无线自组网技术逐渐成熟并进入实际应用阶段时，它通常还是 局限于军事领域，在民用领域应用无线自组网技术还是一个研究 课题。人们很快就发现，如果将无线自组网技术作为无线局域网 与无线城域网等无线接入技术的一种补充，将它应用于互联网无 线接入网中，会是一个很有发展前途的课题。在这样的背景下， 出现了无限网状网技术的研究。
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目前，无线自组网技术向两个方向发展的趋势已经明晰：一 个方向是向军事和特定行业发展和应用的无线传感器网络；另一 个方向是向民用的接入网领域发展的无线网状网。图10-2给出了 无限自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系。无线网络问 题的研究涉及多个学科领域。
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-2 无限自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系
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其他结点在收到正在信道中传输的帧头“持续时间”的通知 后，调整自己的网络分配向量(Network Allocation Vector， NAV)。NAV值等于发送一帧的时间，加上SIFS时间与源结点发送 ACK帧的时间。它表示信道在经过NAV值的时间之后才可能进入空 闲状态。有帧需要发送的结点在信道空闲后，再经过一个DIFS时 间，进入争用窗口。图10-6给出了CSMA/CA冲突避免的工作原理。
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2) 红外无线局域网的数据传输方式 红外无线局域网的数据传输有三种基本技术：定向光束红外 传输、全方位红外传输与漫反射红外传输。 图10-7给出了典型的多种红外无线局域网应用系统的结构。
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-7 典型的多种红外无线局域网应用系统的结构
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-1 无线网络的分类
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10.1.2 无线分组网与无线自组网
在无线分组网项目结束后，DARPA认为尽管无线分组网的 可行性得到了验证，但还是不能满足大型网络环境的需要，无 线移动自组网络还有几个关键技术没有解决。在这样的背景下， DARPA在1983年启动了残存性自适应网络SURAN(SURvivable Adaptive Network)项目，研究如何将无线分组网技术用于支 持更大规模的网络，并开发能适应战场快速变化的自适应网络 协议。
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图10-4给出了802.11的层次结构模型。物理层定义了红外、 跳频扩频与直接序列扩频的数据传输标准。MAC层的主要功能是 对无线环境的访问控制，提供多个接入点的漫游支持，同时提供 数据验证与保密服务。
第 10 章 无线网络技术与发展 图10-4 802.11的层次结构模型
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(3) 漫反射红外传输技术。漫反射配置则不需要在天花板上 安装一个基站，所有结点的发射器通过天花板的漫反射实现结点 之间的数据传输。
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802.11b定义使用跳频扩频技术，传输速率为1、2/5.5、11 Mb/s的无线局域网标准。802.11a将传输速率提高到54 Mb/s。无 线局域网是当前网络研究的一个热点问题，802.11标准已经从 802.11、802.11a发展到802.11j，对多种频段无线传输技术的物 理层、MAC子层、无线网桥，以及QoS管理、安全与身份认证做出 了一系列的规定。致力于WLAN技术推广的Wi-Fi联盟是有业界成 员参加的，其作用是致力于802.11无线局域网标准的推广和应用。
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10.1 无线网络的基本概 念
10.1.1 无线网络技术的分类
无线网络是网络技术研究与发展的另一条主线，它的研究、 发展与应用将对21世纪信息技术与产业发展产生重要的影响。从 设施的角度来看，无线网络可以分为两类：基于基础设施的无线 网络与无基础设施的无线网络。图10-1给出了无线网络的分类。
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发送结点在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔， 检查接收结点是否发回帧的确认(ACK)。如果接收到确认，则说 明此次发送没有出现冲突，发送成功。如果在规定的时间内没有 接收到确认，表明出现了冲突，发送失败，重发该帧，直到规定 的最大重发次数。其中，等待的时间间隔叫做帧间间隔(Inter Frame Space，IFS)。帧间间隔的长短取决于帧类型，高优先级 帧的IFS短，因此可以优先获得发送权。图10-5给出了802.11结 点发送数据帧的过程。
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(2) 点协调功能帧间间隔(Point coordination IFS，PIFS) 的长度等于SIFS值加一个50 μs的时间片值，于是跳频扩频 (FHSS)的PIFS值为78 μs。
(3) 分布协调功能帧间间隔(Distributed coordination IFS，DIFS)最长，它等于PIFS值加一个50 μs的时间片值，于是 跳频扩频(FHSS)的DIFS值为128 μs。
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第10章 无线网络技术与发展
10.1 无线网络的基本概念 10.2 无线局域网与802.11协议 10.3 无线城域网与802.16协议 10.4 蓝牙、ZigBee与802.15.4协议 10.5 无线自组网应用技术 10.6 无线传感器网(物联网)应用技术 10.7 无线网状网应用技术 习题