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1、无线网络设计技术实验指导书（V2.0） 编号： 版本： 编制： 审核: 生效: 关于本文：版 本日 期作者审 核 者备 注V1.02013.03.01梁梦凡10级通信专业专用4个实验V2.02013.06.01梁梦凡12级通信专业教改课程实验目录实验一：网络协议分析4实验二：无线局域网组建8实验三：无线传感器网络通信与组网技术17实验四：Zigbee Sensor实验21实验一：网络协议分析【实验目的】1、熟悉Ethereal软件，设置过滤规则； 2、学会对捕获的数据包进行协议分析，并结合数据在各个层次的首部的结构来对数据进行详细的分析。【实验内容】1、Ethereal的安装2、捕获数据包3、
2、数据包分析 （1）Ethernet 帧分析 （2）IP数据报分析 （3）TCP报文段分析 （4）UDP数据报分析 （5）DNS报文分析 （6）QQ即时通信工具工作过程分析【实验仪器】1、计算机2、网络3、Ethereal软件【实验原理及相关知识】在实际应用中，可以利用Ethereal来研究各种网络协议和网络现象的详细过程。比如，分析ftp下载数据的过程，分析局域网中arp的工作过程，分析客户端浏览网页服务器的整个过程，分析QQ即时通信聊天工具的工作过程。图1.1 DNS应答报文当用Ethereal捕获数据包时，可以将其捕获的数据包分为轻流量数据包和重流量数据包两种类型。比如，DNS, arp等
3、就是轻流量数据包，其数据量很小；而像ftp等就属于重流量数据包。图1.1显示的就是DNS应答报文；图1.2显示的就是ftp重流量数据包。可以看到ftp服务器端(源端)在大流量地给客户端(目的端)发送数据。图1.2 ftp重流量数据包图1.3所示为arp的工作过程。192.168.1.1要和192.168.1.122通信，但不知道对方的网卡地址，通过发arp广播询问报文，192.168.1.122收到该广播报文后，给192.168.1.1 arp应答，告诉自己的网卡地址。图1.3 arp的工作过程假如客户端浏览网站服务器。首先，客户端192.168.1.122向本地DNS服务器(202.103.
4、24.68)请求得到的IP地址，本地DNS服务器(202.103.24.68)回复客户端，解析出的IP地址是220.181.6.18(大型门户网站的域名都有多个IP地址，客户端从其中选择一个连接使用)；然后，客户端就开始和服务器220.181.6.18建立通信联系。因为浏览网页在应用层使用的是HTTP协议，在传输层使用的是TCP协议，所以客户端和服务器220.181.6.18需要由TCP的“三次握手”来建立连接。连接建立成功后，客户端192.168.1.122给服务器220.181.6.18发送HTTP的GET请求报文，服务器用TCP给客户端传递报文，用HTTP应答，客户端对服务器进行确认，直
5、到数据全部传递完毕。图1.4所示为详细的浏览网页的抓包过程。图1.4 浏览网页抓包过程以QQ为例，QQ和外界相互传递消息，用Ethereal来捕获QQ数据包，如图1.5所示。可以看到，QQ客户端192.168.1.122登录腾讯的QQ服务器58.60.14.33，在应用层使用的是ICQ协议。因为UDP是无连接的，即时性好、速度快、开销小，所以QQ即时通信聊天在传输层一般采用UDP协议。通过抓包工具分析，QQ客户端登录服务器有三种方式，分别如下。(1) UDP方式。QQ的服务器端口为8000并保持不变，QQ的客户端端口为4000。如果登录两个QQ，客户端使用的端口号就分别是4000和4001；如
6、果再登录多个QQ，其新登录的QQ端口号就依次是4002, 4003, 。这个系列的服务器最多，速度也是最快的。QQ上线会向这若干个服务器发送UDP数据包，选择回复速度最快的一个作为连接服务器。图1.5 捕获到QQ的数据包(2) TCP方式。服务器使用HTTP端口80，客户端端口不固定。(3) TCP方式。服务器使用HTTP安全连接443端口，主要是面向VIP会员。结合上述分析，对于部分从事网络管理的人员，当需要对某些网络软件或游戏进行控制时，就需要用Ethereal来分析其使用的协议、端口号和服务器IP地址等，然后再利用访问控制或防火墙等其他技术来达到对网络用户进行控制和管理的目的。例如，如果
7、知道QQ客户端和服务器端使用的端口分别是4000和8000，则可以在访问控制列表中设置不允许这两个端口的数据通过，这样就达到了禁止QQ的目的。如果不允许使用HTTP协议来浏览网页，则可以在防火墙中禁止HTTP协议的数据包通过。如果不允许用户浏览某IP地址，则可以在防火墙中设置该IP地址过滤。如果要禁止用户使用网络游戏，则可以通过该抓包工具分析出该游戏使用的固定端口号或IP地址，然后禁用即可。【实验任务】1分析网络各层协议，使用Ethereal软件对数据包进行抓取；2观察TCP协议3次握手过程；3分析TCP上传下载文件时ARP的工作过程；【实验报告】1分析TCP协议3次握手过程；2解释ARP协议
8、工作的原理；实验二：无线局域网组建【实验目的】1. 学习使用无线设备，进行网络互联2. 学习基础结构Infrastructure和对等结构Adhoc无线局域网的组网【实验内容】1. 选择无线网络设备2. 进行无线网络设备的安装与设置3. 网络互联测试【实验仪器】 1. 无线路由器2. USB无线网卡3. 计算机【实验原理及相关知识】1无线局域网络简介无线局域网络(Wireless Local Area Networks；WLAN)是相当便利的数据传输系统，它利用射频(Radio Frequency；RF)的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络，使得无线局域网络能利
9、用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。对于局域网络管理主要工作之一，对于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。再者，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。因此，架设无线局域网络就成为最佳解决方案。2. 无线局域网的拓扑结构WLAN 的拓扑结构可从几方面分类。根据物理拓扑可分为单区网和多区网；根据逻辑拓扑可分为对等式、基础结构式和线型、星型、环型等；根据控制方式可
10、分为无中心分布式和有中心集中控制式两种；根据与外网的连接性可分为独立 WLAN 和非独立WLAN。 BSS是WLAN 的基本构造模块，有两种基本拓扑结构或组网方式:分布对等式拓扑、基础结构集中式拓扑。单个 BSS称单区网，多个BSS通过DS互联构成多区网。l 分布对等式拓扑分布对等式网络AdHoc是一种独立 BSS(IBSS），至少有两个站。它是一种典型的自治方式单区网。通信范围内的任意站之间可直接通信而无需依赖 AP转接，如图1所示。由于没有AP，站之间是对等、分布式或无中心的。图1 分布式对等工作模式由于 IBSS 网络不必预先计划，可按需要随时构建，因此该模式被称为自组织网络。这种结构中
11、各站点竞争公用信道。站点数过多时，信道竞争会影响网络性能。因此，较适合小规模、小范围的 WLAN,多用于临时组网和军事通信中。注意 IBSS 是一种单区网，但单区网并不一定就是IBSS。另外IBSS不能接入DS。l 基础结构集中式拓扑一个基础结构Infrastructure除DS外，至少要有一个AP。只包含一个AP的单区基础结构网络如图2所示。AP是BSS的中心控制站，其他站在该中心站的控制下互相通信。与IBSS 相比，基础结构BSS的可靠性较差，如AP遭破坏，整个BSS就会瘫痪。此外，中心站AP的复杂度较大，成本也较高。图2 基础结构BSS工作模式 在Infrastructure BSS中，
12、如一个站想与向一BSS内的另一站通信，须经源站 AP目标站的两跳过程，由 AP予以转接。需较多的传输容量，增加了传输时延，但比各站直接通信仍具备以下优势 ：(1) BSS内的所有站都需在 AP通信范围之内，而对各站间的距离无限制，即网络中的站点布局受环境限制较小。(2) 由于各站不需保持邻居关系，其路由的复杂性和物理层实现复杂度较低。(3) AP作为中心站，控制所有站点对网络的访问，当网络业务量增大时网络吞吐和时延性能的恶化并不剧烈。(4) AP可对BSS内站点进行同步、移动和节能管理等，可控性好。(5) 为接入DS或骨干网提供了一个逻辑接入点，并有较大的可伸缩性。可采用增加AP数量、选择 A
13、P位置等方法扩展容量和覆盖区域，即将单区 BSS扩展成为多区ESS。【实验过程及主要步骤】1搭建基础结构Infrastructure WLAN1）将无线路由放置在合适的位置，连接好电源，打开无线路由电源，启动计算机,通过有线网络设置路由器。2）配置无线路由用网线将计算机与路由器的LAN口相连，打开IE，在地址栏中输入http:/192.168.1.1，然后在弹出的对话框里面输入你设置的用户名和密码（默认用户名：admin 密码：admin）登入到路由器配置界面(不同品牌的路由器配置界面稍有不同，但配置内容基本一致)，可以按照左侧“设置向导”一步步进行，也可以单击左侧各配置项. 网络参数LAN口
14、设置,设置路由器在局域网内的IP地址和子网掩码 网络参数WAN口设置，设置拨号上网账号和密码 无线设置-基本设置,设置你想要搭建的无线网络的网络名SSID 无线设置-无线安全设置,设置你想要搭建的无线网络的访问密码。 DHCP服务器-DHCP 服务，设置WLAN允许的IP范围。3)计算机安装无线网卡双击电脑右下角任务栏驱动图标出现下图：单击左上角第二个按钮,重新扫描 刷新网络如下图：（刷新时多刷新几次网络就越多）单击刷新后网络表中信号最好已知密码的网络名（这里选择223），双击该网络，然后单击上图中第二个按钮，此处需构建基础架构式无线网络，“网路型态”处选择“架构式-连接到基地台”，加入连线设
15、定后出现如下图：单击下一步图标出现如下图，输入正确的密码，输入密码时要正确的输对密码（注：路由器未设置密码时，可以直接连接），注意大小写字母。错误的密码输入会造成不能连接网络或者不能自动获取IP地址。再次单击上图中下一步图标，实现网络连接。4）打开计算机，在装好的在计算机上分别查看机子的有线IP地址和无线IP地址，将有线网络选择禁用，仅保留无线网络连接，双击电脑右下方无线网络连接的图标，查看“常规”选项卡-属性-Internet 协议（TCP/IP）-属性-自动获得IP地址-确定。再次双击，查看“支持”选项卡，比对此时计算机获得的IP地址是否在路由器自动分配的IP地址范围内。检查WLAN中各主
16、机之间的连通性，如果能互相ping通，则表示基础结构BSS工作模式WLAN搭建成功。5）验证局域网之间的相互通信。net send命令用于给局域网内主机发送消息，是windows自带的功能。右键单击“我的电脑”，在弹出的“管理”窗口中依次单击“服务应用程序”“服务”，在右侧窗口中双击“Messenger”，在弹出的窗口中将“启动类型”选为“手动”，点击“应用”“启动”“确定”。在命令模式下，输入“net send + 主机名或IP地址+信息”，可以将想要发送的信息发送到相应的主机或者IP地址的主机上。如果需要给局域网的所有主机发送群消息，把主机名换成“*”即可。如下图所示：2搭建分布对等式Ad
17、hoc工作模式WLAN 1）安装USB无线网卡2）用3台主机做自组网测试。设置PC1的无线网络连接的 IP地址和子网掩码 右键点击“无线网络连接”，选择“属性”，弹出“无线网络连接属性”窗口。 在“无线网络连接属性”窗口，选择“Internet 协议（TCP/IP）”，然后点击“属性”，弹出相关窗口； 设置 IP 地址和子网掩码，如下图所示。 进入无线网卡的属性选项：在“无线网络配置”一栏中，点击“高级”按钮，选择“仅计算机到计算机”模式，在“无线网络配置”一栏中，点击“添加”按钮，添加一个新的SSID为kegan01，网络验证为“开放式”；数据加密为“已禁用”。(注：如右键“无线网络连接”，
18、点击属性，只有两个选项卡，即“常规”和“高级”，没有“无线网络配置”，那么：a.“开始”“运行”，输入“services.msc”然后点击“确定”，打开 Windows的服务列表；b.在服务列表中找到并双击Wireless Zero Configuration,将启动类型改为“自动”，点击“应用”“启动”-“确定”；c.再次右键单击“无线网络连接”，图框中就会有三个选项卡，分别是“常规”、“无线网络配置”和“高级”，进入“无线网络配置”选项卡，在“用Windows配置我的无线网络设置”前的框中打勾，然后点击“确定”) 配置PC2和PC3的相关属性 PC2、PC3的配置方法与PC1完全一致，但P
19、C2的IP地址要设置为192.168.0.2，PC,3的IP地址要设置为192.168.0.3，PC2和PC3的默认网关要设置为PC1的Ip地址192.168.0.1。 测试PC2与PC1的连通性查看无线网络：禁用其他非无线网卡，在PC1上ping PC2或ping PC3，如果能ping通，则分布式对等工作模式WLAN搭建成功。3. 扩展实验：如何在只有一个有线端口没有无线AP的情况下实现多台机子无线共享上网1）设置有线端口连接的电脑的有线连接属性，打开网上邻居，在空白处点右键选择属性，找到“本地连接”，右键“本地连接”属性高级Internet连接共享“允许其他网络用户通过此计算机的Inte
20、rnet连接来连接”打钩选中；2）设置有线端口上网的IP地址、子网掩码及DNS服务器相关参数；2）设置有线端口连接的电脑的无线连接属性及其他多台带无线网卡的机子的无线连接属性，操作方法参考“2搭建分布对等式Adhoc工作模式WLAN”，要注意的是，连接外网的情况中，每一台机子需要设置DNS服务器地址。【实验任务】1认识实际的无线网络设备2将无线网络设备与计算机互连3配置无线路由的相关参数，搭建Infrastructure WLAN4. 无AP情况下，配置至少3台主机参数，搭建AdHoc WLAN5测试网络的连通性6. 完成拓展实验【实验报告】1画出自己设计的无线网络的拓扑结构2在Infrast
21、ructure工作模式WLAN中，如果计算机的IP地址不是自动获取，是手工分配的，并且分配的地址不在路由器DHCP服务器分配的IP地址范围内，检查该主机是否属于该WLAN，是否能与其他主机ping通。3. 检验带WiFi功能的手机是否能登陆到实验搭建的WLAN中？4若能连接外网的IP地址为 172.17.39.*，子网掩码为255.255.0.0，默认网关为172.17.1.1，DNS服务器为202.103.24.68，试设置Infrastructure WLAN中无线路由器的相关参数，使WLAN中的主机能共享连接外网。5心得及其他实验三：无线传感器网络通信与组网技术【实验目的】 掌握基于协议
22、栈的远距离测量传输【实验内容】1 熟悉CC2530片上系统；2 了解ZigBee无线网络原理；【实验仪器】1 ZigBee网络模块；2 计算机；【实验原理及相关知识】ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，CC2530是理想ZigBee专业应用。支持新RemoTI的ZigBee RF4CE ，这是业界首款符合ZigBee RF4CE兼容的协议栈，和更大内存大小将允许芯片无线下载，支持系统编程。此外，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF
23、收发器与一个8051微处理器，8 kB的RAM ，32/64/128/256 KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。 CC2530提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集 包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO，以及更多。除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，CC2530还 可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI，Z-Stack，或SimpliciTI）来简化开发，使你更快的获得市场。CC2530可以用于的应用包括远程控制、 消费型电子
24、、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。CC2530特性描述：l 强大的无线前端 2.4 GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器。 出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。 可编程输出功率为4.5 dBm，总体无线连接102dbm。 极少量的外部元件。 支持运行网状网系统，只需要一个晶体。 6毫米6毫米的QFN40封装。 适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：欧洲电信标准协会ETSI EN300 328和EN 300 440（欧洲），FCC的CFR47第15部分（美国）和ARIB STD-T-66 （日本）。l 低功耗 接收模式：24毫安 发送模式1dBm：29毫安 功
25、耗模式1（4微秒唤醒）：0.2毫安 功率模式2（睡眠计时器运行）：1微安 功耗模式3（外部中断）：0.4微安 宽电源电压范围（ 2 V3.6V）l 微控制器 高性能和低功耗8051微控制器内核 32 /64 / 128 /或256 /kB系统可编程闪存 8KB的内存保持在所有功率模式 硬件调试支持l 外设 强大五通道DMA IEEE 802.15.4标准的MAC定时器，通用定时器（一个16位， 2个8位）。 红外发生电路 32KHZ的睡眠计时器和定时捕获 CSMA/CA硬件支持。 精确的数字接收信号强度指示/ LQI支持 电池监视器和温度传感器 8通道 12位ADC在，可配臵分辨率 AES加密
26、安全协处理器 两个强大的通用同步串口 21个通用I / O引脚 看门狗定时器【实验过程及主要步骤】1. 安装ZStack-CC2530-2.2.2-1.3.0.exe协议栈；2. 将源文件放入协议栈的工程文件中，路径如下图所示，再通过IAR打开源文件；打开IAR751openworkspace3. 选择“SimpleApp.eww”目录，并打开SimpleApp工程文件；4. 在Workspace处选择“SimpleCollectorEB”，然后直接debug，这样被debug了后的模块是采集器模块。5. 另外一个模块，在workspace处选择SimpleSensorEB，然后直接debug
27、，那么这样被debug了后，就是传感器模块。6. 对模块操作：模块跳帽图：a.（采集器跳帽图）：b.（传感器跳帽图）：操作步骤：1）安装usb转串口驱动，双击光盘根目录下的-软件工具HL-340 USB转串口驱动下的“HL-340.EXE”文件，会弹出安装对话框，点击对话框中的INSTALL按钮即可，稍等一会即可完成安装。2）将采集器模块用usb转串口板连接到电脑，并打开电脑的串口调试助手，设置波特率为38400，com口改为usb转串口线占用的com口。3）打开采集器模块电源，此时采集器模块的LED2以一秒的间隔闪烁，此时按下up键，则LED3常亮。4）打开传感器模块的电源，此时传感器模块的
28、LED2以一秒的间隔闪烁，此时按下传感器模块的up键，则LED3会快速闪烁。5）再按下采集器模块的up键，则采集器模块的LED1常亮，过几秒钟，传感器模块的LED1也快速闪烁。过几秒钟，会在电脑的串口调试助手里看见有数据送出来了。【实验任务】1熟悉CC2530操作环境；2配置采集器和传感器模块；3测试设备的连通性；【实验报告】1画出操作CC2530过程流程图；2 如果有多台传感器和多台采集器，会有何现象？如果需要分别出各传感器，该如何操作？3连通性测试结果；4心得及其他实验四：Zigbee Sensor实验【实验目的】 了解无线个域网组网过程中的基本构建【实验内容】 采用TI的sensor软件
29、与硬件进行构建无线传输网络，如何进行区分协调器、路由器、传感器节点的组网分布与各自的在系统中的作用。【实验仪器】1 ZigBee网络模块；2 计算机；【实验过程及主要步骤】1. 下载程序：1）先安装光盘根目录下的-软件工具Flash Programmer 1.11.1里面的“Setup_SmartRFProgr_1.11.1.exe”软件，双击它，一路默认安装即可完成安装。2）在程序菜单打开“SmartRF Flash programmer”该软件。如下图：3）在窗口界面的上边，把标签切换到“System-on-Chipflash image”处选择如下,点击右边有三个小点的按钮，定位到资料光
30、盘根目录相关目录下的Exe文件夹，并打开里面的CollectorEB.Hex文件。4）在Actions处选择“Erase, program and verify”如图：5）点击软件下面的“Perform actions”按钮，过一会会显示安装成功；这个模块就是采集器模块。6)另外一个模块也如法炮制，只不过在选择hex文件的 时候是定位到资料光盘根目录相关目录下的Exe文件夹里面的SensorEB.Hex文件，然后“Perform action”，完成之后，这个模块就是传感器模块。2. 操作模块：1）安装ZigBee Sensor Monitor 1.2.0。进入光盘根目录下的-软件工具ZigB
31、ee Sensor Monitor 1.2.0文件夹下，双击里面的安装文件，一路默认安装即可完成安装。2）先将采集器模块通过usb转串口板连接到电脑，连接图如下：3) 在程序菜单里打开ZigBee Sensor Monitor软件，这里usb转串口板占用的是COM1按钮，点击软件左上角上的绿色向右箭头。之后，变化如下图：4）再打开传感器模块的电源开关，此时采集器和传感器模块都是LED1、LED2闪烁，那么先那下采集器模块的up键，之后，采集器模块的LED2闪烁，LED1、LED3一直亮，而传感器的LED1、LED2、LED3一直快速闪烁，此时再按下采集器模块的RT键也就是右键，采集器的LED2会一直亮，然后，在按下传感器模块的down键，也就是下键，那么Zigbee Sensor 软件变化如下图：5）这个试验中，传感器模块采集到的温度好像比较准确，可能是这个软件已经修正了采集的温度。 【实验任务】1熟悉TI Sensor软件；2配置采集器和传感器模块；3测试设备的连通性；【实验报告】1按实验指书中的实验步骤，写出自己的配置参数3连通性测试结果4心得及其他