第11章 无线网络技术

现代计算机网络技术
无线局域网的组成
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11.1.3 无线局域网的标准化
1．IEEE 802.11无线局域网标准
802.11标准是IEEE制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层 （PHY）和媒质访问控制层（MAC）进行了规定，其中对MAC层的 规定是重点。
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无线局域网的标准化 2．IEEE 802.11的物理层
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学习目标
了解
无线局域网的 概念、特点及 应用范围
掌握
无线局域网的 通信协议、工 作原理及基本 的拓扑结构
掌握
无线局域网的 四种典型连接 方式
了解
下一代的无线 网络技术
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无线局域网模型
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11.1无线局域网
11.1.1无线基础知识
定义： 凡是采用无线传输介质的计算机网络都可称为无线网，目前无线网 多指传输速率高于1MB的无线计算机网络。无线网分为无线局域网和 无线广域网。
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11.1.2 无线局域网的基本概念
无线局域网（Wireless LAN，简称WLAN）包含两层含义，即“无 线”和“局域网”。无线是指该类局域网的通信传输介质采用无线电 波或红外线来进行信息传递，利用微波取代传统局域网的有线电缆或 光缆，使无线局域网的组建更加简洁、灵活、方便、快速和易于安装 ，支持移动办公
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无线局域网的标准化 3．IEEE 802.11的MAC层协议
CSMA/CA协议的工作流程是：一个工作站希望在无线网络中传送数据 ，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随 机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就 将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据 则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这 个数据发送过程完成，如果发送端没有收到ACK数据报，或者发送 的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种 现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。
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无线局域网拓扑结构 (2)Mesh网络的不足
①互操作性。当前的Mesh网络产品没有统一的技术标准，用户选择产 品时必须考虑兼容性问题。 ②通信延迟。由于网络数据传输的多跳特性，较远距离的通信数据传输 延迟较大。 ③安全。网络的多跳特性使数据过多的暴露在公共环境，对于数据的安 全提出了更过的要求。
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11.1.4 无线局域网拓扑结构
1.点对点模式（Peer-to-Peer）
无中心拓扑结构或者无基础设施的无线局域 网的典型组网方式为点对点模式Ad-hoc，也叫做 对等结构模式或者称为自组织网络/移动自组网。 点对点模式由无线工作站组成，用于一台无 线工作站和另一台或多台其他无线工作站的直接 通信，该网络无法接入到有线网络中，只能独立 使用，无需AP，安全由各个客户端自行维护。此 模式常用于临时组网或部分特殊环境下的无线网 络连接。
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3.IEEE 802.11物理层
IEEE 802.11标准中定义了三个可选的物理层实现方式，分别是红外 线（IR）基带物理层和两种无线频率（RF）物理层（FHSS、DSSS ）。
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4.IEEE 802.11b的增强物理层
IEEE 802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协 议的物理层增加了两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这 个目标，DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使 得802.11b可以和1Mbps和2M的802.11bps DSSS系统互操作。最初 802.11的DSSS标准使用11位的chipping－Barker序列－来将数据 编码并发送，每一个11位的chipping代表一个一位的数字信号1或者 0，这个序列被转化成波形(称为一个Symbol)，然后在空气中传播。 这些Symbol以1MSps(每秒1M的symbols)的速度进行传送，传送的 机制称为BPSK(Binary Phase Shifting Keying )，在2Mbps的传送 速率中，使用了一种更加复杂的传送方式称为QPSK(Quandrature Phase Shifting Keying)，QPSK中的数据传输率是BPSK的两倍， 以此提高了无线传输的带宽。
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无线网桥模式的组网示意图
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无线局域网拓扑结构 6．Mesh结构
IEEE802.16—2004标准定义了两种网络拓扑：一种是点到多点（point to Multi-Point,PMP）的蜂窝网结构；另一种是Mesh结构。Mesh结 构也叫无线网状网。网络中的每个节点都可以发送和接收信号。无线 Mesh网络也称为“多跳（Multi-hop）”网络。由一组呈网状分布的 无线AP构成，AP之间均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将 传统的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。 Mesh网络中的AP之间通过无线方式“直达”，无需有线中转。且具有 宽带无线汇聚连接功能，有效的路由和故障发现特性。因此更适合与 大规模的无线网络配置。与传统的交换式网络相比，Mesh网络没有 布线的需求，但仍具备分布式网络提供的冗余机制和重新路由能力。
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1.IEEE 802.11 协议简介 2.IEEE 802.11工作方式
802.11定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台PC 机器加上一块无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点 (Access Point, AP)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。 一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口(802.3 接口)构成，桥接软件符合802.1d桥接协议。接入点就像是无线网络 的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。无线的 终端可以是802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口的，或者是在非 计算机终端上的嵌入式设备。
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第11章 无线网络技术
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本章介绍了发展迅速的无线网络技术，主要介绍了 计算机网络基础、无线通信基础、无线局域网技术和移动 Ad Hoc网络以及无线传感器网络与无线Mesh网络，重点 介绍了无线局域网的标准化和拓扑结构，最后以WiFi网络 为例，介绍了无线局域网络的应用现状和面临的问题。
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无线局域网拓扑结构 5．AP client客户端模式
无线AP Client客户端模式，也俗称“主从模式”，在此模式下 工作的AP会被主AP看做是一台无线客户端，其地位就和无线网卡等 同。这种模式的好处在于能方便网管统一的管理子网络。无线AP Client客户端模式应用在室外的话，物理结构上象点对多点的连接方 式。区别在于，中心访问节点把远端局域网络看成象一个无线终端的 接入，它不限制接入远端无线AP Client模式的无线访问点连接的局 域网络数量和网络连接方式。所以在设计时，需要充分考虑远端局域 网络内部PC的数量和网络使用情况。
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11.1.5 无线局域网的物理设备 1．无线网卡
无线网卡是终端无线网络的设备，是无线局域网的无线覆盖下通过无 线连接网络进行上网使用的无线终端设备。无线网卡的作用、功能跟 普通电脑网卡一样，是用来连接到局域网上的。它只是一个信号收发 的设备，只有在找到上互联网的出口时才能实现与互联网的连接，所 有无线网卡只能局限在已布有无线局域网的范围内。
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5.IEEE 802.11数字链路层
在IEEE 802.11中对CSMA/CD进行了一些调整，采用了新的协议 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户 端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目 的。CSMA/CA通过这种方式来提供无线的共享访问，这种显式的 ACK机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是对于802.11还是 802.3来说，这种方式都增加了额外的负担，所以802.11网络和类似 的Ethernet网比较总是在性能上稍逊一筹。
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无线局域网的物理设备
(1)无线上网卡选购三要素
①接口之选：PCMCIA最为合适 ②天线选择：可伸缩式最理想 ③关注传输稳定性与散热表现
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点对点模式组网示意图
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2．基础构架模式（Infrastructure）
基础结构模式（Infrastructure）由AP、无线工作站以及分布式系统 DSS（distribution system services）构成，覆盖的区域成为基本 服务集BSS（basic service set）。无线接入点也称无线HUB，用 于在无线STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据，所有的无线通 信都经过无线AP完成。无线访问点通常能够覆盖几十至几百用户， 覆盖半径达上百米。无线AP可以连接到有线网络，实现无线网络和 有线网络的互联。无线工作站与AP关联采用AP的基本服务区标识符 BSSID（ basic service set identifier）。在802.11中，BSSID是 AP 的MAC地址。
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无线局域网拓扑结构
4．无线网桥模式
无线网桥顾名思义就是无线网络的桥接，它可在两个或多个网络 之间搭起通信的桥梁（无线网桥亦是无线AP的一种分支）。无线网 桥传输标准常采用802.11b或802.11g、802.11a标准，802.11b标准 的数据速率是11Mbps，在保持足够的数据传输带宽的前提下， 802.11b通常能够提供4Mbps到6Mbps的实际数据速率，而802.11g 、802.11a标准的无线网桥都具备54Mbps的传输带宽，其实际数据 速率可达802.11b的5倍左右。无线网桥有四种工作方式：无线覆盖 、点对点，点对多点，中继连接。
①红外线方式：采用波长小于１μｍ的红外线作传输媒体，有较强方向 性，受阳光干扰大．支持1-2Mbps数据速率，适用于近距离通信。 ②直接序列式扩频（DSSS）：采用高码率的扩频序列，在发射端扩展 信号的频谱，而在接收用相同的扩频序列进行解扩，把展开的扩频信 号还原成原来的信号。该方式支1-2Mbps数据速率。在发送和接收端 以窄带方式进行，以宽带方式传输。 ③跳频扩展频谱(FHSS),受伪随机码控制，在工作带宽范围内，其频率 按随机规律不断改变频率．接收端的频率也按随机规律变化，并保持 与发射端变化规律一致．FHSS局域网支持1Mbps数据速率。使用无 限电波作媒体的DSSS和FHSS方式具有覆盖面大、抗干扰、抗噪声 、抗衰减和保密性好的优点。
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基础构架组网示意图
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无线局域网拓扑结构 3．多AP模式
多AP模式指由多个AP以及连接它们的分布式系统DSS组成的基 础结构模式。每个AP是一个独立的BSS，多个BSS组成一个扩展服务 集ESS（extended service set）。ESS内所有AP共享同一个扩展服务 器标示符ESSID （extended service set identifier）。DSS在802.11 中并没有定义，目前多指以太网。相同ESSID之间可以漫游，不同 ESSID的无线网络形成不同的逻辑子网。 多AP模式也称为“多蜂窝结构”。各个蜂窝之间建议由15%的重叠 范 围，便于无线工作站的漫游。漫游时必须进行不同AP接入点之间的切换 。切换可以通过交换机以集中的方式控制，也可以通过移动节点、监测 节点的信号强度来控制（非集中控制方式）。在有线不能到达的环境， 可以采用多蜂窝无线中继结构。但这种结构中要求蜂窝之间要有50%的 信号重叠。同时客户端的使用效率会下降50%。