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无线局域网WLAN

无线局域网提供了移动接入的功能，这就给许多需要发送数据但不能坐在办公室的人提供了方便。其次局域网络管理的主要工作之一就是铺设电缆或是检查电缆是否断线这种耗时的工作，很容易令人烦躁，也不容易在短时间内找出断线所在。由于配合企业及应用环境不断的更新与发展，原有的企业网络必须配合重新布局，需要重新安装网络线路。虽然电缆本身并不贵，可是请技术人员来配线的成本很高，尤其是老旧的大楼，配线工程费用就更高了。而用无线局域网则比较容易。在局域网刚刚问世后的一段时间，无线局域网的发展比较缓慢，其原因是价格贵、数据传输率低、安全性较差，以及使用登记手续复杂（使用无线电频率必须得到有关部门的批准）。但自20世纪80年代末以来，由于人们工作和生活节奏的加快以及移动通讯技术的飞速发展，无线局域网络也就逐步进入市场。无线局域网简称WLAN（Wireless Local Area Networks）。

无线局域网可分为两大类，第一类是有固定基础设施的，第二类是无固定基础设施的。所谓“固定基础设施”是指预先建立起来的，能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。大家经常使用的蜂窝移动电话就是利用移动电信公司预先建立的覆盖全国的大量固定基站来接通用户手机拨打打电话。

无线局域网拓扑结构概述：基于IEEE802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM频段中的2.4GHz或5GHz射频波段进行无线连接。它们被广泛应用，从家庭到企业再到Internet接入热点。

简单的家庭无线WLAN：在家庭无线局域网最通用和最便宜的例子，如图1所示，一台设备作为防火墙，路由器，交换机和无线接入点。这些无线路由器可以提供广泛的功能，例如：保护家庭网络远离外界的入侵。允许共享一个ISP（Internet服务提供商）的单一IP地址。可为4台计算机提供有线以太网服务，但是也可以和另一个以太网交换机或集线器进行扩展。为多个无线计算机作一个无线接入点。通常基本模块提供2.4GHz802.11b/g操作的Wi-Fi，而更高端模块将提供双波段Wi-Fi或高速MIMO性能。

双波段接入点提供2.4GHz802.11b/g/n和5.8GHz802.11a性能，而MIMO接入点在2.4GHz范围中可使用多个射频以提高性能。双波段接入点本质上是两个接入点为一体并可以同时提供两个非干扰频率，而更新的MIMO设备在2.4GHz范围或更高的范围提高了速度。2.4GHz范围经常拥挤不堪而且由于成本问题，厂商避开了双波段MIMO设备。双波段设备不具有最高性能或范围，但是允许你在相对不那么拥挤的5.8GHz范围操作，并且如果两个设备在不同的波段，允许它们同时全速操作。家庭网络中的例子并不常见。该拓扑费用更高但是提供了更强的灵活性。路由器和无线设备可能不提供高级用户希望的所有特性。在这个配置中，此类接入点的费用可能会超过一个相当的路由器和AP一体机的价格，归因于市场中这种产品较少，因为多数人喜欢组合功能。一些人需要更高的终端路由器和交换机，因为这些设备具有诸如带宽控制，千兆以太网这样的特性，以及具有允许他们拥有需要的灵活性的标准设计。

1.IEEE 802.11

对于第一类有固定基础设施的无线局域网，1997年IEEE制定出无线局域网的协议标准802.11[W-IEEE802.11]系列标准。802.11a是802.11原始标准的一个修订标准，于1999年获得批准。2003年5月，我国颁布了WLAN的国家标准，该标准采用了ISO/IEC 8802-11系列国际标准，并针对WLAN的安全问题，把国家对密码算法和无线电频率的要求纳入进来。有关无线局域网的IEEE标准都可以从因特网下载[W-IEEE802].

802.11是个相当复杂的标准。但简单地说，802.11是无限以太网的标准，它使用星型拓扑，其中心叫做接入点AP（Access Point），在MAC层使用CSMA/CA协议。凡使用

802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi（Wireless-Fidelity，意思是“无线保真度”）[W-WiFi]。因此在许多文献中，Wi-Fi几乎成了WLAN的同义词。

802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS（Basic Service Set）。一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS意外的站通信时都必须通过本BSS的基站。当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID（Service Set IDentifier）和一个信道。SSID其实是指使用该AP的无线局域网的名字。一个基本服务集BSS所覆盖的地理范围叫做一个基本服务区BSA（Basic Service Area）。基本服务区BSA的范围直径一般不超过100米。

一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个分配系统DS（Distribution System），然后再连接到另一个基本服务集，这样就构成了一个扩展的服务集ESS（Extended Service Set）。（图1）分配系统的作用就是使扩展的服务集ESS对上层的表现就像一个基本服务集BSS―样。分配系统可以使用以太网（这是最常用的）、点对点链路或其他无线网络。扩展服务集ESS还可为无线用户提供到802.X局域网（也就是非802.11无线局域网）的接入。这种接入是通过叫做Portal（门户）的设各来实现的。Portal是802.11定义的新名词，其实它的作用就相当于一个网桥。在一个扩展服务集内的几个不同的本服务集也可能有相交的部分。在图1中的移动站A如果要和另一个基本服务集中的移动站B通信，就必须经过两个接入点AP1和AP2，即A→AP1→AP2→B。我们应当注意到，从AP1到AP2的通信是使用有线传输的。

图1 IEEE802.11的基本服务集BSS和扩展服务集ESS

图1还画出了移动站A从一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（图中的A′），而仍然可保持与另一个移动站B的通信，但A在不同的基本服务集所使用的接入点AP改变了。基本服务集的服务范围是由移动站所发射的电磁波的辐射范围确定的，在图1中用一个椭圆来表示基本服务集的服务范围，当然实际上的服务范围可能是很不规则的几何形状。

802.11标准并没有定义如何实现漫游，但定义了一些基本的工具。例如，一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与此接入点建立关联（association）。建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网，并和这个接入点AP之间创建了一个虚拟线路。只有关联的AP才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的AP才能向其他站点发送数据帧。这和手机开机后必须和某个基站建立

关联的概念是相似的。

若移动站使用重建关联（reassociation）服务，就可把这种关联转移到另一个接入点。当使用分离（dissociation）服务时，就可终止这种关联。移动站与接入点AP建立关联的方法有两种。一种是被动扫描，即移动站等待接收接入点AP周期性发出的（例如每秒10次或100次）信标帧（beacon frame）。信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符SSID以及支持的速率等）。另一种是主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧（probe request frame），然后等待从接入点发回的探测晌应帧（probe response frame）。

由于无线局域网己非常普及，因此现在无论是笔记本电脑或台式计算机，其主板上都己经有了内置的无线局域网适配器（也就是无线网），因而不需要再插入外置的无线网卡了。无线局域网的适配器能够实现802.11的物理层和MAC层的功能。只要在无线局域网信号覆盖的地方，用户就能够通过接入点AP连接到因特网由于无线信道的使用日益增多，囚此现在也出现了无线因特网服务提供者WISP（Wireless Internet Service Provider）这一名词。用户可以通过无线信道接入到WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。

若无线局域网不提供免费接入，那么用户就必须在和附近的接入点AP建立关联时，键入已经在网络运营商注册登记的用户密码（这时的通信是加了密的）。如键入正确，才能和在该网络中的AP建立关联。在无线局域网发展初期，这种接入加密方案称为WEP（Wired Equivalent Privacy，意思是“有线等效的保密”），它曾经是19”年通过的IEEE802.11b的标准中的一部分。然而WEP的加密方案相对比较容易被破译，囚此现在的无线局域网普遍采用了保密性更好的加密方案WPA（WiFi Protected Access），意思是“无线局域网受保护的接入”或其第二个版本WPA2。

2.移动自组网络

另一类无线局域网是无囿定基础设施的无线局域网，它又叫做自组网络（ad hoc network。这种自组网络没有上述基本服务集中的接入点AP，而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络（图2）。图中还画出了当移动站A和E通信时，是经过A→B，B→C，C→D和最后D→E这样一连串的存储转发过程。因此，在从源结点A到目的结点E的路径中的移动站B，C和D都是转发结点，这些结点都具有路由器的功能。由于自组网络没有预先建好的网络固定基础设施（基站），因此自组网络的服务范围通常是受限的，而且自组网络一般也不和外界的其他网络相连接。移动自组网络也就是移动分组无线网络。

转发结点

转发结点

C DB目的结点

E

自组网络

A F

图2由处于平等状态的一些便携机构成的白组网络

自组网络通常是这样构成的：一些可移动的设备发现在它们附近还有其他的可移动设

各，并且要求和其他移动设备进行通信。另一个重要问题是多播。在移动自组网络中往往需要将某个重要信息同时向多个移动站传送。这种多播比固定结点网络的多播要复杂得多，需要有实时性好而效率又高的多播协议。在移动自组网络中，安全问题也是一个更为突出的问题。

近年来，移动自组网络中的一个子集——无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）引起了入们广泛的关注。无线传感器网络是由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。无线传感器网络的应用就是进行各种数据的采集、处理和传输，一般并 不需要很高的带宽，但是在大部分时间必须保持低功耗，以节省电池的消耗。由于无线传结点的存储容量受限，因此对协议栈的大小有严格的限制。此外，无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。

据统计，全球98%的处理器并不在传统的计算机中，而是处在各种家电设备、运输工具以及工厂的机器中。如果在这些设各上能够嵌入合适的传感器和无线通信功能，就可能 移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络和移动IP并不相同，即使在和因特网相连时，移动自组网络也是以残桩网络（stub network）方式工作的。

根据物理层的不同（如工作频段、数据率、调制方法等），802.11无线局域网可再细分为不同的类型。现在最流行的无线局域网是802.11b，而另外两种（802.11a和802.11g）的产品也广泛存在。2009年还颁布了新的标准802.11n。表1是这四种无线局域网标准的简单比较。在今后的几年内可能还会有一些更高速率的无线局域网在市场上流行。

表1 几种常用的80211无线局域网

无线局域网最初还使用过跳频扩频FHSS （Frequency Hopping Spread Spectrum）和红外技术IR（InfraRed），但现在已经很少使用了。

以上四种标准都使用共同的媒体接入控制协议，都可以用于有固定基础设施的或无固定基础设施的无线局域网。

对于最常用的802.11b无线局域网，所工作的2.4~2.485GHz频率范围中有85MHz的带宽可用。802.11b定义了11个部分重叠的信道集，但仅当两个信道由四个或更多信道隔开时它们才无重叠。其中，信道1，6和11的集合是唯一的三个非重叠信道的集合。因此，在同一个位置上可以设置三个AP，并分别给它们分配信道1，6和11，然后用一个交换机把这三个AP连接起来，这样就可以构成一个最大传输速率为33Mb/s的无线局域网。 在无线局域网中，在发送数据之前先对媒体进行载波监听。如发现有其他站在发送数据，就推迟发送以免发生碰撞。这样做是合理的。但问题是 “碰撞检测”（CD）在无线环境下却不能使用。理由如下:

（1）“碰撞检测”要求丁个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道。一旦检测到碰撞，就立即停止发送。但由于无线信道的传输条件特殊，其信号强度的动态范围非常大，因此在8⒆。11适配器上接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度（信

号强度可能相差百万倍）。如要在无线局域网的适配器上实现检测到碰撞，在硬件上需要的花费就会过大。

（2）更重要的是，即使我们能够在硬件上实现无线局域网的碰撞检测功能，我们仍然无法避免碰撞的发生。这就表明，无线局域网不需要进行碰撞检测。

“无线局域网不需要进行碰撞检测”是由无线信道本身的特点决定的。我们知道，无线电波能够向所有的方向传播，且其传播距离受限。当电磁波在传播过程中遇到障碍物时，其传播距离就会受到限制。如图9-4所示的例子表示了无线局域网的特殊问题。图中给出两个无线移动站A和B，以及接入点AP。我们假定无线电信号传播的范围是以发送站为圆心的一个圆形面积。 错误!

图3无线局域网中的特殊问题

图3（a）表示站点A和C都想和B通信。但A和C相距较远，彼此都听不见对方。当A和C检测到信道空闲时，就都向B发送数据，结果发生了碰撞。G6BK-1114P-US-5V这种未能检测出信道上其他站点信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem）。 图3（b）给出了另一种情况。站点B向A发送数据。而C叉想和D通信。但C检测到信道忙，于是就不敢向D发送数据，其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据（如果这时不是B向A发送数据而是A向B发送数据，则当C向D发送数据时就会干扰B接收A发来的数据）。这就是暴露站问题（exposed station problem）。在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个移动站进行通信。这点与有线局域网有很大的差别。

由此可见，无线局域网可能出现检测错误的情况:检测到信道空闲，其实并不空闲;而检测到信道忙，其实并不忙。

我们知道，CSMA/CD有两个要点，一是发送前先检测信道，信道空闲就立即发送，信道忙就随机推迟发送;二是边发送边检测信道，一发现碰撞就立即停止发送。因此，偶尔发生的碰撞并不会使局域网的运行效率降低很多。但无线局域网不能使用碰撞检测，只要开始 发送数据，就一定把整个帧发送完毕。由此可见，如果在无线局域网的发送过程中，一旦发生了碰撞，那么整个信道资源在这段时间就白白浪费了。因此，无线局域网应当尽量减少碰撞的发生。

802.11局域网就使用CSMA /CA协议。CA表示Collision Avoidance，是碰撞避免的意思，或者说，协议的设计是要尽量减少碰撞发生的概率。

802.11局域网在使用CSMA/CA的同时，还使用停止等待协议。这是因为无线信道的通信质量远不如有线信道的，因此无线站点每通过无线局域网发送完一帧后，要等到收到对方的确认帧后才能继续发送下一帧。这叫做链路层确认。

802.11标准设计了独特的MAC层（图4）。它通过协调功能（Coordination Function）来确定在基本服务集BSS中的移动站，在什么时间能发送数据或接收数据。802.11的MAC层在物理层的上面，它包括两个子层。