无线局域网.docx

无线局域网.docx

《无线局域网.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线局域网.docx（75页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

无线局域网

绪论

局域网的发展分为两个方向——有线局域网和无线局域网。

有线局域网指用电缆线或光纤把局部区域内（几米～几公里）的大型计算机、工作站、微机等相互连接起来，并完成计算机间的数据传输与资源共享。

但是有线局域网存在许多不足，例如：

传输速率仍不够高；布线繁琐，办公室电缆线泛滥；无法从移动体访问局域网等。

尤其是随着信息时代的到来，越来越多得人要求能够随时随地接收到各种信息，因而对于从移动体访问局域网的要求就更加迫切，这就形成了作为局域网的另一个发展方向——无线局域网。

凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线局域网，它是计算机间的无线通信网络。

无线通信的历史非常悠久，但无线计算机通信的历史却并不长，尤其是充分发挥无线通信的“可移动”特点的无线计算机通信则是近10年来才出现的事情。

其发展大致可分为三个阶段——大型机联网阶段、微型机联网阶段、移动计算网络阶段。

目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种即无线电波与红外线，传输方式分为扩展频谱方式、窄带调制方式和红外线方式。

其中扩展频谱方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍～几十倍以后再被搬移至射频发射出去，这一做法牺牲了频带带宽却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。

窄带调制方式中数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，它占用频带少并且频带利用率高，但是通信的可靠性无法得到保障。

红外线方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理委员会的限制，然而红外线对非透明物体的透过性极差，同时不能用于移动通信。

无线局域网与以往的基于蜂窝电话网、专用分组交换网及其他无线计算机通信相比有许多本质上的区别，它必须克服以下的技术难点：

1）可靠性：

有线局域网的信道误比特率达10-9，这样保证了通信系统的可靠性和稳定性。

无线局域网的信道误比特率也应尽可能低，否则会使网络的实际吞吐性能大打折扣。

2）兼容性：

对室内应用的无线局域网，应尽可能与现有有线局域网兼容，现有的网络操作系统和网络软件应能在无线局域网上不加修改的正常运行。

3）数据速率：

为了满足局域网的业务环境，无线局域网至少应具备1Mbps以上的数据速率。

4）通信保密：

由于无线局域网的数据经无线媒体发往空中，要求有较高的通信保密能力。

无线局域网可在不同层次采取措施来保证通信的安全性。

5）移动性：

我们把无线局域网中的站分为全移动与半移动站两类，全移动站指在网络覆盖范围内可在移动状态下保持与网络的通信，半移动站指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动，但仅在静止状态下才能与网络通信。

6）节能管理：

由于无线局域网要面向便携机使用，为节省便携机内的电池消耗，网络应具有节能管理功能。

7）小型化、低价格：

这是无线局域网能够使用并普及的关键所在，这取决于大规模集成电路，尤其是高性能、高集成度砷化镓技术的进步。

8）电磁环境、无线电频段的使用规范：

在室内使用的无线局域网，应考虑电磁波对人体健康的损害及其他电磁环境的影响。

无线电管理部门应规定无线局域网能够使用的频段，规定发射功率及带外辐射等各项技术指标。

目前关于无线局域网的标准有IEEE802.11协议、Bluetooth以及RFhome等。

其中IEEE802.11是IEEE802委员会具体制定的，该委员会在制定局域网各种协议标准方面具有一定的权威性。

经过实际的考察，该标准已经被确认为实用的无线局域网物理层及媒体访问控制协议的标准，发展已经比较成熟。

Bluetooth是最新出现的无线局域网标准，主要应用在Micronet即微网中，目前还在继续发展。

其他的无线局域网标准的应用范围都不是很广泛，技术发展的程度也没有802.11成熟。

因此我们选用了IEEE802.11作为我们整个系统的理论基础，主要将其作为媒体访问控制的标准。

系统总体结构如下图

（1）所示：

2.4GHz天线

HFAHFAHFAHFAHFAMCLXT介质

3983368337833861384168360905双绞线

RF-IFIF-BBBBPMACMAU

图

（1）系统总体结构

该系统主要包含三个部分：

MAC层控制部分（HFA系列）、标准控制器部分（MS68360）、与有线网接口部分（MAU:

LXT905）。

MAC层控制遵循802.11协议，由一系列的HFA芯片完成。

其中HFA3983连接了2.4GHz的发射天线，HFA3683完成射频到中频的变换，HFA3783完成中频到基带的变换，HFA3861是基带处理器，HFA3841是监控MAC。

控制器主要完成依赖于IEEE802.11协议中规定的、关于MAC层控制部分功能的编程实现。

因为本系统的MAC层的基础是802.11协议，而物理层的基础是802.3协议，所以要找出一个能够兼容两个协议的控制器。

经过比较我们选用了摩托罗拉公司生产的MC68360，用它来完成MAC层控制器功能，编程选用的语言是C++。

与有线局域网的接口是一个介质连接单元，其功能可以看作一个收发器，主要完成的是将从双绞线电缆来的数据传送给控制器，并且将控制器来的数据传送给双绞线电缆，同时对这些数据进行适当的处理。

该系统整体可以看作一个无线局域网的平台，其工作频率是2.4Gbps，带宽在70M左右。

作为无线局域网的一部分，它完成的功能主要是实现有线局域网和无线局域网的兼容，使有线局域网和无线局域网之间可以相互通信。

我在毕业设计中的任务就是对于系统的最后一个部分——与有线网接口的研究和设计。

首先我查看了802.3协议中有关MAU部分的规定，了解了MAU的基本功能。

在此基础上根据系统的具体要求进行了芯片的选择，确定LevelOne公司生产的LXT905为系统实际应用的接口芯片。

最后我对LXT905进行了仔细的研究，并完成了外围电路的设计以及与整个网络的连接。

第一章802.11协议的一般描述

该系统整体设计的主要依据是IEEE802.11协议，该协议主要定义了无线局域网物理层及媒体访问控制（MAC）的标准。

由于它是目前普遍使用的无线局域网标准，因此我们所做系统的媒体访问控制标准依据也就是IEEE802.11。

本章主要讲述了802.11协议中所规定的体系机构，对其中的一些基本业务作了简要描述。

第一节IEEE802.11体系机构成分

IEEE802.11体系机构包括几个互相作用的成分，以提供对高层透明的、支持工作站移动性的无线局域网。

基本业务集（BSS）是IEEE802.11局域网的基本构成块。

图1.1显示了两个BSS，每个都有两个成员，即工作站（STA）。

图1.1基本业务构成

1.1.1作为特别网络的IBSS

独立的BSS即IBSS是IEEE802.11局域网的最基本类型。

一个最小的IEEE802.11局域网可以只包括两个工作站，图1.1显示了两个IBSS。

若IEEE802.11工作站可直接通信，这种操作模式是可能的。

由于这种IEEE802.11局域网经常不需事先计划，只是在局域网需要的时候形成，因此这种类型的操作经常被称为特别网络。

要成为基本下部组织BSS的一个成员，工作站应成为“已连接的”，这些连接是动态的并与分布系统业务有关。

1.1.2分布系统（DS）概念

物理层的限制决定了可以支持的工作站到工作站直接通信的距离，对有些网络这一距离足够了，对另一些网络，则需增加覆盖范围。

BSS应作为由多个BSS构成的扩展形式网络的成分而不是独立存在。

用来连接BSS的体系机构成分即为分布系统（DS）。

IEEE802.11在逻辑上把无线媒质（WM）和分布系统媒质（DSM）分开。

每一逻辑媒质通过不同体系机构成分起着不同的作用。

该定义既不排除也不要求这些媒质相同或不同，它的局域网体系机构被指定为与特殊执行过程的物理层特性无关的。

DS通过提供所需的处理目标地址映射和多个BSS之间无缝集成的逻辑业务，使移动业务支持得以实现。

接入点（AP）是通过提供STA之外的DS业务以接入DS中的STA，图1.2在IEEE802.11体系机构中加入了DS和AP成分，数据经过AP在BSS和DS之间传递。

注意AP都是STA，这样它们都是地址实体。

图1.2分布系统和接入点

1）扩展业务集（ESS）：

大覆盖区网络

DS和BSS允许IEEE802.11创造任意尺寸和复杂性的无线网络，IEEE802.11称这种网络为扩展业务集（ESS）网络。

关键概念是对LLC层来说，ESS和IBSS的表现是相同的。

ESS中的工作站通信或移动工作站从一个BSS移到另一个BSS（在同一ESS中）的过程对于LLC是透明的。

图1.3扩展业务集

1.1.3区域概念

对无线PHY，确切定义的覆盖区域似乎不存在，传播特性是动态及不可预测的，地点或方向的小变化也会引起信号能量动态不同。

不论工作站是静止的还是移动的（就象移动的物体影响工作站到工作站之间的传播）效果总是相似的，因此描述配置覆盖区域时困难更大。

考虑图1.4，其中STA6可以属于BSS2也可属于BSS3。

若工作站的设置概念正确，讨论区域是很方便的。

图1.4覆盖区域

业务

1.1.4与有线局域网集成

要集成IEEE802.11体系机构和传统上的有线局域网，介绍一个最终的逻辑体系机构成分——入口。

入口是MSDU从一个集成的非IEEE802.11局域网进入IEEE802.11中DS的逻辑点。

例如，图1.5显示了一个连接到有线IEEE802局域网的入口。

数据经过入口从非IEEE802.11局域网进入IEEE802.11体系机构，入口提供IEEE802.11体系机构和已存在的有线局域网的集成。

一个设备不可能提供AP和入口两种功能，只可以作为DS。

在IEEE802.11中，ESS体系机构（AP和DS）提供传输分割和范围扩展。

IEEE802.11和其它局域网的逻辑连接通过入口，并且DSM和局域网媒质之间的入口连接需要集成。

图1.5连接到其他802.11局域网

第二节逻辑业务接口

IEEE802.11允许DS对现有的有线局域网不相同的可能性，它不限制DS基于数据链路或网络层，也不限制DS实际上是集中的还是分布的，并且没有明确指定DS执行细节，而只是指定了业务。

IEEE802.11业务有两类——工作站业务（SS）和分布系统业务（DSS），两类业务均由IEEE802.11MAC子层使用，其体系机构业务的全部设置如下：

a）验证

b）连接

c）验证失效

d）分离

e）发送

f）集成

g）加密

h）再连接

i）MSDU传送

这些业务分为两组：

STA部分的和DS部分的。

工作站提供的业务称为工作站业务（SS），它存在于每一工作站（包括AP，因为AP包括工作站功能）并被指定为由MAC子层实体使用，所有一致的STA提供SS。

在上述业务中验证、验证失效、加密、MSDU传送属于SS。

DS提供的业务称为分布系统业务（DSS），它经由一个也提供DSS的STA接入，提供接入到DSS业务的STA是一个AP，同时DSS指定为由MAC子层实体使用。

以下为DSS：

连接、分离、发送、集成、再连接。

图1.6展示了802.11完整体系的图。

图1.6完整的802.11结构

1.2.1多逻辑地址空间

就象IEEE802.11体系机构允许WM、DSM以及集成有线局域网可是不同物理媒介，它也允许每一成分在不同地址空间内操作，然而IEEE802.11只使用并指定WM地址空间。

每一个802.11的物理层在一种媒质上操作——WM，而它的MAC也在一个地址空间操作，因此不许明确指定地址为“WM地址”。

IEEE802.11选择使用48比特地址，这样就能与IEEE802局域网家族的地址空间相容了。

它的地址选择暗示对许多IEEE802.11体系机构实例来说，有线局域网MAC地址与IEEE802局域网家族的地址空间可能相同，在使用MAC层IEEE802编址可用的情况下，在一个系统中使用的三种地址空间可以相同。

若这是一种普通情况，就不是体系机构允许的唯一结合。

IEEE802.11体系机构允许三种逻辑地址空间均不同，体系机构处理多逻辑媒介的多地址空间的能力是IEEE802.11独立于DS执行并与网络层移动性接近直接接口的关键能力。

第三节业务总论

IEEE802.11指定了九种业务，六种是用来支持STA之间的MSDU传送的，三种用来控制局域网的接入和机密性。

本节描述业务，包括每一业务如何使用，与其它业务及IEEE802.11体系机构的关系。

每一个业务由一个或多个MAC帧类型支持，一些由MAC管理信息支持，一些由MAC数据信息支持。

IEEE802.11MAC子层使用三种信息——数据信息、管理信息和控制信息。

数据信息经由MAC数据业务路径处理，MAC管理信息用来支持IEEE802.11数据和管理信息的传送。

1.3.1DS内的信息发送

1发送

这是IEEE802.11STA使用的基本业务。

概念上来说，每一发往或来自在一个ESS（经DS发帧）中操作的IEEE802.11STA的数据信息均调用此业务（经DSS发送）。

IEEE802.11不指定信息在DS中如何发送，它所要做的是提供DS足够的信息使DS能决定与所要求的接收器相应的“输出”点，由三种联合相关的业务（连接，再连接，分离）提供给DS所需的信息。

通常调用发送业务的AP与接收发送信息的AP情况是不同的，但是如果信息要给与发送的STA同一个BSS中的成员，“输入”AP和“输出”AP将是一个。

虽然IEEE802.11未指定DS执行过程，但它承认并支持使用WM作为DSM，这是由IEEE802.11帧结构特别支持的。

2集成

如果发送业务认定预定的信息接收者是集成局域网的成员，DS的“输出”点不是AP而是入口。

发送到一个入口的信息使DS调用集成业务（概念上在发送业务之后），集成业务是负责完成把信息从DSM传送到集成局域网媒介（包括任何所需媒介和地址空间变换）的任意过程，它是一个DSS。

DS为IEEE802.11STA从集成局域网接收到的信息被发送业务发送之前调用集成业务。

1.3.2支持发送业务的业务

在发送系统的九种业务中有三种是支持发送业务的——连接、再连接、分离。

MAC子层的首要作用是在MAC子层实体之间传送MSDU，发送业务操作需要的信息由连接业务提供。

在数据信息被发送业务处理之前，STA先要被“连接”。

1连接

要在一个DS之内传送信息，发送业务需要知道对于给定的STA需接入哪个AP，这一信息由连接的概念提供给DS。

要支持BSS转换移动性，连接是必要的，但不是足够的。

连接足以支持无转换移动性，它是一个DSS。

STA被允许经一个AP发出数据信息之前，首先要与这个AP建立连接，变成为已连接的动作调用连接业务，然后向STA提供映射到DS的AP，DS用这一信息来完成它的信息发送业务。

在任何给定情况下，一个STA都不能跟一个以上的AP连接，这确保DS对一个问题有唯一的答案“哪个AP业务于STAX”。

一旦完成一个连接，STA可以完全使用DS（经AP）来通信。

连接总是由移动的STA而不是由AP来初始化。

一个AP可同时与多个STA连接，STA得知哪个AP存在，然后请求通过调用连接业务建立连接。

2再连接

连接对IEEE802.11工作站之间的无转换信息传送来说足够了，但BSS转换移动性则需要更多的功能，增加的所需功能由再连接业务提供。

调用再连接业务来将现有连接从一个AP“移动”到另一个，即DS在工作站从一个ESS内的一个BSS移动到另一个BSS时，知道当前AP与STA之间的映射。

再连接也可在STA保持与相同AP连接时改变一个已建立连接的属性。

3分离

分离业务是在现存连接要被中止时被调用。

在一个ESS中，这一业务告诉DS使现存的连接信息无效，尝试经由DS向一个已分离的STA发送消息将会失败。

分离业务可由连接的任何一方（非AP的STA或AP）调用。

它是一个通知而不是一个要求，不能被连接的任一方拒绝。

AP需要分离与STA的连接以使AP能由于业务或其他原因从网络中清除。

STA在离开一个网络时要尝试分离，但是MAC协议不依赖于调用分离业务的STA（MAC管理被设计为供应已连接的STA的损失）。

1.3.3接入和机密性控制业务

IEEE802.11要求提供与有线局域网相等的功能，而IEEE802.11的物理上开放的媒质性质违反了这些规定。

提供两种业务使IEEE802.11功能与有线局域网一致：

验证和加密。

使用验证来代替有线物理连接，加密则提供封闭的有线媒质机密性方面的内容。

1验证

在有线局域网中,能使用物理结构的安全措施来防止非法接入,这在无线局域网中是不可行的,原因是它们有一个没有准确边界的传输媒介。

802.11通过验证业务程序提供了控制局域网接入的能力，这一程序被所有终端用来建立他们接入到站的身份标志。

在ESS和IBSS网络中都是这样应用的：

如果相互可接受的验证在两终端间还没有建立起来，一个连接将不会建立起来。

802.11支持多个验证过程，还允许支持扩展验证方案，但它并不要求使用任何特殊的验证方案。

802.11在其站与站之间提供链路层验证，不过不支持终端间或用户间的验证。

验证被用来简单地使无线连接到一条假设物理层标准链路（这个验证的使用相对于任何可能会在网络协议的更高层使用的验证是独立的）。

如果需要，一个802.11网络可能在使用开放系统验证情况下工作，但这可能妨碍了更高网络层隐含的约定，因为在开放系统中任何的站点可能变得可被检验出。

802.11还支持公共密钥验证，使用这个验证机制要求执行WEP选择。

在一个公共密钥验证系统，身份是通过一个公用不公开的WEP加密的密钥来验证。

管理信息基础（MIB）功能提供支持标准验证方案。

802.11要求相互接受成功的验证，并且一个站点可能被很多其他站点所确认。

1）预验证

由于验证过程会消耗时间（由验证协议决定），验证程序能由连接业务程序独立唤醒。

预验证的典型是由一个已经被连接到一个接入点的站来完成（采用提前验证）。

802.11并不要求用接入点来预验证，但要求验证在连接前能完成。

如果验证留到重新连接时来完成，这可能会影响一个站点在接入点间重新连接时的速度，限制了BSS移动传输的性能，因为使用预验证使验证程序总时间开销超过重新连接过程。

2）验证失效

验证失效在任一时刻的验证结束时被唤醒，它是一个SS。

在一个ESS内，验证是一个连接的先决条件。

验证失效的动作将使站点被拆分。

它的程序可由已验证的用户（没AP的STA或AP）来唤醒。

验证失效并不是一个请求，而是一个通知，不应被任何用户所拒绝。

当一个AP发送一个验证失效通知给一个连接站点时，连接也应该被终止。

3）加密

在一个有线局域网只有那些物理上连接的站点可以接收到LAN的信息，在无线公用传播媒质中并不是这样的，任何的IEEE802.11站点可能在传输范围内收到所有的如PHYIEEE802.11信息。

而且，一个简单的无线网接到一个已存在的有线网，可能使有线局域网的安全性能大为降低。

为使无线局域网的功能达到有线局域网隐含的要求，802.11提供了对信息内容加密的能力，该功能由加密业务来提供，它是一个SS。

802.11详述了一个可选择的加密算法WEP，那是被设计来满足有线局域网响应加密的目的。

该算法不是设计为最终的加密算法，但至少能达到有线网的安全性。

802.11使用WEP机制来实际执行信息加密，所有的站点被初始化为“清空状态”，目的是建立验证和加密程序，所有的802.11站点默认加密状态是“清空状态”。

如果加密程序没被唤醒，所有信息将以不加密状态发送。

如果这个默认值不被一个用户组或其他站点所接受，数据帧将不会在两个LLC实体之间成功传输。

没加密的数据帧在一个站被接收后被强制加密（就象加密了的数据帧，使用一个在接收站并不可用的密钥），但它被删除后而没有任何指示给LLC（或没任何指示给分布程序，除了在AP端收到“TODS”帧），这些帧在WM处被告知来避免WM带宽重复应用的浪费。

第四节ESS和IBSS局域网的区别

在第二节中介绍了IBSS局域网，IBSS局域网一般用于adhoc网络。

在一个IBSS网络，一个STA可以直接与一个或更多的STA通信。

一个由STAs构成的IBSS是直接相连的，因此只存在一个BSS。

另外，既然没有物理的DS，就不能有一个入口、一个完整的有线网、或是一个DSSs，逻辑图见图1.7。

图中只显示了有两个（最小值）工作站的情况，实际上一个IBSS可以有任意个数目的成员。

在一个IBSS中如果没有DS则只允许第一和第二种类的帧。

应用于IBSS的设备是SSs。

图1.7一个IBSS的逻辑结构

第二章802.3中关于10BASE-T系统的描述

本系统的物理层遵循的是IEEE802.3协议中有关10BASE-T部分的规定，而负责连接802.11MAC控制器MC68360和物理层介质（双绞线）的则主要是一个收发器，在协议中也称为介质连接单元（MAU），它能在物理介质上发送和接收信号。

因此本章首先介绍802.3协议，然后着重介绍该协议中有关介质连接单元（MAU）部分的规定，以及10Mb/s双绞线系统和用来构造10Mb/s双绞线网段的介质部件，最后讲述了全双工模式的配置和流控制。

第一节802.3标准概述

802.3的介质访问控制（MAC）子层是数据站的一部分，它支持恰好位于LLC子层之下的各种介质访问控制功能。

MAC进程包括数据单元的成帧/分解、差错检测的执行，以及本物理介质的使用权的获得。

自从802.3标准发布以来，该标准的升级几乎一直没有停顿，802.3子委会似乎正在试图把所有能使用CSMA/CD的传输介质和数据速率所有可能的组合都加以标准化。

目前已采纳的标准包括：

●介质访问控制（MAC）标准：

由于该子层定义物理层向高层协议通信的方法，因而这一标准基本上保持不变。

●10BASE5：

即所谓“粗缆以太网”，这是因为它使用了直径0.404英寸的50欧姆同轴电缆。

●10BASE2：

有时称为“细缆以太网”，因为它使用了直径0.2英寸50欧姆的同轴电缆。

●10BROAD36：

运行在闭路电视系统之上，通常采用各种尺寸的75欧姆的同轴电缆。

●1BASE5：

该标准发源于AT&T公司的StarLAN，它使用一个集线器以及非屏蔽双绞线（UTP）的铜电缆（电视线）。

在这种配置下，一个站点与集线器之间在250米之内可以存在一条相连的链路。

●10BASE-T：

与1BASE5相类似，10BASE-T通过集线器使用非屏蔽双绞线，但是它的运行速率是802.3规范最初规定的10Mb/s；它的局限性在于，站点与其相连的集线器之间的最大距离只有100米。

这种实现方法很快就成为802.3最流行的布线方法。

●10BASE-F：

这是最新的光纤以太网标准。

其中定义了三类规范：

10BASE-FB，用于扩展主干系统的基于同步中继器的有源光纤集线器；10BASE-FP，用于通过光纤集线器连接工作站的无源集线器设备；10BASE-FL，更新并扩充了老FOIRL规范中的光纤链路规范。

●100BASE-T：

这是IEEE对包括所有双绞线和光纤快速以太网介质系统的整个100Mb/s以太网系统的简略标识符。

●100BASE-X：

这是IEEE对100BASE-TX和100BASE-FX介质系统的简略标识符。

这两