计算机网络 课件 第4章

计算机网络
无线局域网
4.3 无线局域网MAC层
本讲主要内容 MAC帧结构； 差错控制和寻址过程； DCF和CSMA/CA。
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一、MAC帧结构
无线局域网
2B 2B
6B 6B 6B 2B
6B 0～2312B 4B
先导码 控制
持续时间/ 关联标识符
地址
1
地址 2
地址 3
顺序控制 地址 4
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无线局域网
终端准备 发送数据
三、DCF和CSMA/CA
信道不忙 是 且 NAV=0？
不是
随机生成 退避时间
持续 DIFS 是 信道空闲？
不是
信道不忙 不是 且 NAV=0？
是
持续 DIFS 不是 信道空闲？
是
退避时间 不是 到？
是 信道不忙？
是 发送数据
不是
停止退避 时间定时器
发送数据
CSMA/CA算法的特点是争用总线，即 信道持续空闲DIFS时间，认为信道 空闲；
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三、DCF和CSMA/CA
电磁波传播范围
电磁波传播范围
终端 A
终端 B
终端 C
隐蔽站问题
同一BSS内的终端使用相同的信道，这些终端争用公共信道的过程和总线 形以太网中终端争用总线过程十分相似；
由于存在隐蔽站问题，发送端无法检测出所有可能发生的冲突，冲突检测 改为冲突避免；
由于无线电通信的不可靠性，无线传输媒体采用停止等待差错控制算法； 为了提高通信效率，无线局域网采用自由竞争和信道预留两套机制。
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二、无线电传输
无线电传输的几个问题 能量损耗，能量损耗与传播距离平方成正比； 干扰，尤其是ISM频段； 多径效应。
障碍物
无线局域网
发送端
沿着不同传播路径的电磁波
多径效应示意图
接收端 障碍物
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二、无线电传输
无线局域网
传输速率取决于带宽和信噪比，用带宽弥补能 量限制；
通过扩频技术和纠错码解决干扰，这是用传输 速率换取可靠性的技术；
数据
FCS
协议 版本
类型 子类型
到 DS
从 DS
更多 分片
重试
功率 管理
更多 数据 WEP
按序
2b 2b 4b 1b 1b 1b 1b 1b 1b 1b 1b
无线局域网MAC帧可以和以太网MAC帧比较，主要区别在于控制字段， 4个地址字段和顺序控制字段；
无线局域网MAC帧分为控制。管理和数据三种类型，这与无线电通信 方式有关；
多径效应导致信号质量降低，必须根据信号质 量调整传输速率。
ISM频段存在问题及应对方法
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三、无线局域网拓扑结构
工作站
工作站
工作站
AP DS
AP
BSS
BSS
BSS
独立基本服务集 （IBSS）
独立基本服务集由单个无线局域网组成， 终端间直接通信；
AP 工作站
BSS
扩展基本服务集由分配系统互连的多个 无线局域网组成，无线局域网通过AP接入 分配系统；
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一、无线局域网体系结构
应用层
网络 接口层
TCCP3 UDP
10MIHPz IP over-1无0M线Hz局域网
无线局域网
LLC 子层 MAC 子层
物理层
基于无线局域网的TCP/IP体系结构
1B 1B 1B 1B 1B 1B
2B
AA AA 03 00 00 00 以太网类型字段 数据字段
通过NAV预约信道，预留时间通过 MAC帧中的持续时间字段给出，预约 时间内等同于信道忙；
在可能存在多个终端同时争用信道 的情况下，通过随机产生退避时间， 使得各个终端发送数据的时间不同， 以此避免冲突发生；
信道传输速率 12Mbit/s 12Mbit/s 24Mbit/s 24Mbit/s 48Mbit/s 48Mbit/s 72Mbit/s 72Mbit/s
编码方式 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4
有效数据传输速率 6Mbit/s 9Mbit/s 12Mbit/s 18Mbit/s 24Mbit/s 36Mbit/s 48Mbit/s 54Mbit/s
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二、802.11 FHSS
频率 3 信道
2 信道
1 信道
0 信道
停延 时间
▪若干信道构成跳频集。 ▪任何时间只使用其中一个信道。 ▪用调频模式控制信道使用顺序。 ▪发送和接收端必须同步。
通信信道
无线局域网
时间 计算机网络
二、802.11 FHSS
无线局域网
幅度 1 1
01
00
10
时间
4GFSK调制过程(4元高斯频移键控)
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一、扩频技术
无线局域网
信号能量
信号能量
频率 (a)发送端调制后的窄带信号
干扰信号
信号能量
频率 (b)受到干扰的宽带信号
干扰信号
频率 (c)接收端还原后的窄带信号
扩频技术的抗干扰原理是将传输过程中接 收到的高能量窄带干扰信号变成宽带的低 能量信号，以此和还原出的窄带高能量传 输信号区别。
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信号能量
一、扩频技术
信号能量
信号能量
无线局域网
频率 (a)发送端调制后的窄带信号
(b)扩频后的宽带信号
频率
频率
(c)接收端还原后的窄带信号
由于传输速率与信噪比和带宽成正比，在传输速 率不变的前提下，可以通过增加带宽来降低信噪 比；
扩频技术为维持一定传输速率，通过增加带宽来 降低信号能量。
数据传输速率(Mbps) 1、 2 1、2 11 54 54
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (正交频分复用技术)
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无线局域网
4.2 无线局域网物理层
本讲主要内容 扩频技术； 802.11； 802.11b； 802.11a； 802.11g。
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无线局域网
四、无线局域网标准
物理层标准的主要区别 电磁波频段； 信号调制技术； 容错技术（抗干扰技术）。
协议标准 802.11
802.11b 802.11a 802.11g
电磁波频段 2.4GHz
2.4GHz 5GHz 2.4GHz
扩频技术 FHSS DSSS HR-DSSS
信号调制方法 2 元 GFSK、4 元 GFSK DBPSK、QPSK CCK OFDM OFDM
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四、802.11b
无线局域网
幅度 C1 C2
C3 C4 C5 C6 C7 C8
1/11s
时间
•8组信号构成一个码元，码元传输速率＝11/8波特。 •数据传输速率＝波特X每码元二进制位数。 •容错技术体现在信号集中码元之间的最小距离。
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五、802.11a
幅度
无线局域网
-10MHz
二、差错控制和寻址过程
接收端 AP1
数据 ACK
数据
DS 以太网
发送端 AP2
数据 ACK
源终端 发送端
目的终端 接收端
DS为以太网时ESS中两个终端之间通信的情况
以太网互连多个无线局域网（BSS），AP作为互连无线局域网和以太网的网桥； 由于以太网和无线局域网具有相同的编址结构（MAC地址），这种连接方式是最
频率 2.473GHz
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三、802.11 DHSS
无线局域网
幅度 11 01
1/11s
00 10 时间
•码元间隔1/11µs，意味着码元传输速率＝11M波特。 •数据传输速率＝波特X每码元二进制位数。 DBPSK：每码元1位二进制数，DQPSK：每码元2位二进制数。
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三、802.11 DHSS
每个信道的带宽1MHz。 确定最大码元传输速率＝1M波特。 传输速率＝波特×每码元二进制位数。 调制技术确定每码元二进制位数。 2GFSK：每码元1位二进制数， 4GFSK：每码元2位二进制数
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信号强度
三、802.11 DHSS
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信道 1
信道 3 信道 5 信道 7 信道 9 信道 11
计算机网络 （第2版）
第四章
© 2006工程兵工程学院 计算机教研室
无线局域网
第 4 章 无线局域网
本章主要内容 无线局域网概述； 无线局域网物理层； 无线局域网MAC层； 无线局域网工作过程； 无线局域网数据传输过程。
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4.1 无线局域网概述
无线局域网
本讲主要内容 无线局域网体系结构； 无线电传输； 无线局域网拓扑结构； 无线局域网标准。
2.412
2.422 2.432 2.442 2.452
2.462
GHz
信道
GHz 2
信道
GHz 4 信道
GHz 6 信道
GHz 8 信道
GHz 10
2.417 2.427 2.437 2.447 2.457
GHz
GHz GHz GHz GHz
2.401GHz
2.423GHz
•11个信道，信道带宽22MHz。 •相邻信道中心频率相差5MHz。 •频率不重叠的信道只有3个。
无线局域网表示数据类型的方式
无线局域网的数据传输实际上由MAC子层实现，但用LLC子层给出数 据类型；
事实上，IEEE定义的局域网都用LLC子层给出数据类型，第3章的以 太网帧格式是以太网标准，不是802.3标准。
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二、无线电传输
无线局域网
通过电磁波在自由空间的传播实现无线电 通信。
扩展服务集 （ESS）
在设有AP的服务集，终端必须先和AP建立关联，终端之间通信经过AP。
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四、无线局域网标准
MAC
链路层
802.11 FHSS
802.11 DSSS
802.11b 802.11a
802.11g 物理层
各标准之间关系
不同的只是物理层，MAC层相同； 通过无线电通信，数字信号必须调制成模拟信号； 物理层标准涉及载波频段，调制技术等。
简单的； 由于源和目的地址与某一段无线传输媒体的两端地址不同，MAC帧经过无线传输
媒体时需要三个MAC地址。
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二、差错控制和寻址过程
接收端 发送端 AP1
数据 ACK
数据 ACK
接收端 发送端 AP2
数据 ACK
源终端 发送端
目的终端 接收端
DS为无线传输媒体时ESS中两个终端之间通信的情况
电磁波频谱
计Βιβλιοθήκη Baidu机网络
二、无线电传输
无线局域网
带宽 频率
26 MHz
83.5 MHz
902 928 MHz MHz
2.4 2.4835 GHz GHz
开放公共通信； 功率严格限制； 容易受到干扰。
125 MHz
5.725 5.850 GHz GHz
ISM 频段 (Industrial Scientific Medical)
如果分配系统本身是无线传输媒体，则MAC帧通过这一段无线传输媒体时需 要四个MAC地址：源和目的地址，这一段传输媒体的发送和接收端地址；
无线局域网多地址结构的主要原因在于MAC帧经过每一段无线传输媒体时需 要进行确认应答，因此，需要知道这一段无线传输媒体两端的地址，即发 送和接收端地址。
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由于无线传输的不可靠性，需要在MAC层将由同一MAC帧封装的数据 分片；
各个字段的功能在以后的操作过程中详细讨论。
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无线局域网
二、差错控制和寻址过程
源终端 发送端
数据 ACK
目的终端 接收端
IBSS
接收端 发送端
数据
AP
ACK ACK 数据
IBSS中两个终端通信情况
源终端 发送端
目的终端 接收端
子信道
中心频率
导航子信道
频率 10MHz
子信道带宽＝312.5KHz，码元传输速率＝250K波特。
调制技术 DBPSK DBPSK DQPSK DQPSK QAM-16 QAM-16 QAM-64 QAM-64
子信道数据传输速率 250kbit/s 250kbit/s 500Kbit/s 500Kbit/s 1Mbit/s 1Mbit/s 1.5Mbit/s 1.5Mbit/s
BSS中两个终端通信情况
无线电通信由于存在能量损耗、干扰和多径效应的影响，传输可靠性 不高，另外由于存在隐蔽站问题，导致发送端无法检测到可能发生的 冲突；
无线传输媒体两端采用差错控制中的停止等待算法； 如果无线传输媒体两端和不是MAC帧的源和目的端，MAC帧需要多于两
个地址。
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数据 1
数据 0
扩展 1111111111 1
XOR
0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 信道实际传输的数据片
1
扩展码 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0
扩展 00000000000
XOR
1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 信道实际传输的数据片
0
扩展码 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0
相同频率的电磁波产生干扰。
电磁波频段和发射功率严格控制。
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二、无线电传输
无线局域网
F(Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024
无线电 微波 红外线
X 射线
射线
可见光 紫外线
带宽决定传输速率。 高频段高带宽。 紫外线以上的有伤害性。 可见光有直线传播特性。 微波段电磁波进行数据传输。