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1、第十章无线局域网(WLAN)10.1 10.1 无线局域网的概述无线局域网的概述10.2 10.2 无线网络的逻辑结构无线网络的逻辑结构10.3 10.3 无线局域网的标准无线局域网的标准10.4 WLAN10.4 WLAN网络结构网络结构10.5 10.5 无线安全协议的特性及性能无线安全协议的特性及性能10.6 10.6 影响影响WLANWLAN信号的因素信号的因素10.1 10.1 无线局域网的概述无线局域网的概述 无线局域网Wireless LAN(WLAN)以无线电波radio frequencies(RFs)、红外线为传输媒介无线数据通信不仅可以作为有线数据通信的补充及延伸，而且还
2、可以与有线网络环境互为备份，或者替代有线网络WLAN看起来就像一个基于HUB连接的以太网络.它们都通过两次握手完成,用相同的频率发送和接收数据.10.1.1 无线局域网的特点无线局域网的特点移动性：不受时间、空间的限制，用户可在网络中漫游灵活性：不受线缆的限制，可以随意增加和配置工作站低成本：不需要大量的工程布线，同时节省了线路维护的费用易安装：组建、配置和维护更为容易10.1.2 10.1.2 标准化组织标准化组织ISO 国际标准化组织FCC 美国联邦通信委员会IEEE 电器和电子工程师协会WECA 无线以太网兼容联盟ETSI 欧洲通信标准协会10.1.3 无线频谱无线频谱因为WLAN局域网
3、通过无线电波进行传输,所以它们被一些相关的法规管制。FCC负责管制对无线产品的使用。IEEE在从FCC为公共使用开放的频段上制定标准。FCC开放了三个无须许可的频段为公共使用：900MHz(工业),2.4GHz(科学),and5.7(医学)GHz在使用除以上三个无须许可的公共频段时，需要从FCC得到一个特定的License无线频谱无线频谱AM广播FM广播红外线可见光X光ISM频段频段U-NII频段频段90292824002483.557255850MHzI频段S频段M频段5.155.255.355.7255.825GHz低频段高频段中频段10.2 无线网络的逻辑结构无线网络的逻辑结构物理层数据
4、链路层网络层传输层会话层表示层应用层无线网络无线网络WirelessWANWirelessLAN终端用户B物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层终端用户A10.2.1 WLAN10.2.1 WLAN物理层选择方案物理层选择方案 在目前的众多协议中，WLAN物理层的选择方案概括起来有5种。这五种物理层选择方案是分别基于红外线（IR）传输和基于微波传输的。基于IR的物理层具有更好的安全性和更高的数据传输速率，但是，目前存在的基于IR的产品并不多。基于微波传输的选择方案包括跳频扩频调制、直接序列扩频调制、窄带调制和正交频分复用（OFDM）。扩频和OFDM技术在克服衰落（衰落是无线传输中占主导
5、地位的传播特性）方面提供了出众的性能。扩频技术的这种优越性是以牺牲带宽为代价的，它只能提供中等的数据传输速率。而另一方面，窄带调制则能够提供比扩频调制更高的数据传输速率，但是它会受到衰落的影响，而引起性能恶化。1、红外（IR）传输红外无线局域网由于采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，它的使用不受无线电管理部门的限制。如今使用IR传输技术的WLAN产品运行在波长为850nm的附近。IR信号可以由半导体激光器二极管产生，也可以由LED产生。物理层采用红外传输方案的优势在于：可以提供比其它的物理实现方案更高的数据传输能力；在这一波段发送机和接收机的硬件实现更便宜，大气所带来的信号衰减更少；红外信号
6、要求视距传输，检测和窃听困难，对邻近区域的类似系统也不会产生干扰。2、微波传输电磁频谱的微波无线部分跨越了1071011MHz的范围。如今大部分WLAN产品运行在ISM（Industrial，Scientific，and Medical，工业、科学和医药设备）波段（902928MHz，24002483.6MHz以及57255850MHz）。这些波段的特性大不相同。最明显的特点在于波段的频率越高，范围越宽，则通常能够提供更多的带宽，因此具有更高潜力提供高的数据传输速率。但是，波段的频率越高，用于通信的设备的实现越具有挑战性，价格也越昂贵。在传输所能达到的范围方面，波段的频率越低，它所能到达的范围
7、越广。3、扩频技术目前很流行的WLAN使用RF扩频技术。扩频技术最初是为军事应用开发的。它的基本思想是将发送的信息扩展在更广的带宽上，这会使信息的拦截和人为干扰更加困难。扩频技术在克服衰落的影响方面非常成功。由于衰落具有频率选择性，扩频信号的频率范围很广，因此，衰落仅会对一小部分的信号造成影响。跳频扩频技术跳频扩频技术（FHSSFHSS，Frequency Hopping Spread SpectrumFrequency Hopping Spread Spectrum）使用这项技术时，信号在看似随机的一套频率信道上广播，并且在连续的时间间隔内不断地从一个频率跳到另一个频率。接收机处理相同的调频
8、序列，同时保持着与发送机的同步，这样就可以接收到发送的数据了。由于FHSS WLAN所采用的信道方式，它们对窄带具有很好的抗干扰能力。直接序列扩频技术直接序列扩频技术（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）在使用直接序列扩频调制的情况下，原始信号中每一个比特由扩频信号中的多个比特来表示。这项技术将信号在频段上扩展，扩展的宽度与扩频因子（码片速率和数据速率之间的比值被称作扩频因子，在现代的商用系统中，扩频因子通常的取值位于10-100之间）是成比例的。尽管DSSS技术看起来有点浪费带宽，但是它具有极其强大的能力将信号从窄带干扰和噪声中抽取出来，这就可减少重传，
9、从而提高了吞吐量。窄带微波技术扩展频谱的另一种方案是窄带调制。直到最近，所有的窄带WLAN产品只能使用无线频谱中授予许可的部分。但是，如今的产品既可以使用频谱新释放的部分，也可以使用ISM波段而不需要执行频谱的扩展。窄带WLAN更容易受到衰落的影响。但是，在授予了许可的波段中运行WLAN的情况下，干扰并不是很常见。正交频分复用(OFDM)OFDM是多载波传输的一种形式，它将可用频谱分成了许多载波，每个载波都使用PSK调制技术以较低速率的数据流调制。OFDM与FDMA相比，OFDM的信道间隔更近，获得了更高的频谱利用率。这是通过将所有的载波与其它的载波相互正交（载波正交是为了避免紧密相邻的两个载
10、波之间的干扰）实现的。因此OFDM可以有效地克服符号间干扰。10.2.2 WLAN MAC层的选择方案层的选择方案MAC协议大致可以分成三种：固定分配协议（例如TDMA、FDMA），随机接入协议（例如ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA）和需求分配协议（例如轮询、令牌环、PRMA）。在WLAN的两种主要标准IEEE802.11和HIPERLAN中均采用了CSMA/CA机制，这会减少发生冲突的概率。10.3 无线局域网的标准无线局域网的标准Wi-Fi(WirelessFidelity，无线保真技术)联盟致力于解决无线局域网互操作性。厂家的产品只有完全满足Wi-Fi标准，并通过Wi-Fi认证
11、，才可以在其产品上打Wi-Fi标签。Wi-Fi标签是WECA（无线以太网兼容性联盟）注册的商标，只有通过WECA的授权，厂家才可以使用该商标。因此，用户只需认准Wi-Fi标签，便可保证他们所购买的无线基站、PC卡、手持设备、Internet电话以及其他任何无线局域网产品都能很好地协同工作。Wi-Fi联盟通过了不同厂商的IEEE802.11产品互操作性的认证。10.3.1IEEE802.11标准族IEEE802.11IEEE802.11bIEEE802.11aIEEE802.11gIEEE802.16a(wiMAX)IEEE802.20IEEE802.11dIEEE802.11eIEEE802.
12、11fIEEE802.11hIEEE802.11i1IEEE802.11标准使用2.42.4835GHz频带速率最高为2Mbps定义有FHSS和DSSS两种扩频方式802.11是IEEE最早制订的WLAN标准，在1997年提出，它使用2.42.4835GHz频带，提供1Mbps和2Mbps两个速率，它定义了有FHSS和DSSS两种扩频方式，但大部分使用FHSS扩频方式，使用FSK（FrequencyShiftKeying频移键控）做为调制方式。2IEEE802.11b标准使用2.4GHz的频带采用DSSS(直接序列扩频技术直接序列扩频技术)扩频方式传输速率可以在11Mbps、5.5Mbps、2
13、Mbps、1Mbps之间自动的调整3IEEE802.11b+标准使用2.4GHz的频带兼容IEEE802.11b标准采用PBCC调制技术传输速率可以在22Mbps、11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间自动的调整IEEE802.11b+标准由TI（TexasInstruments）公司提出，采用2.42.4835GHz频带和DSSS扩频技术。该标准使用了PBCC（PacketBinaryConvolutionalCode分组二进制卷积码）调制技术，因此可提供22Mbps的数据速率，同时增加了3dB编码增益，扩大了其覆盖范围。4IEEE802.11a标准规定该层使用5GHz的频
14、带采用正交频分复用（OFDM）调制数据传输速率范围为6Mbps54Mbps 802.11a 标准扩充了标准的物理层，工作在5GHz U-NII(unlicensed national information infrastructure)频带，采用正交频分复用（OFDM）的调制技术，传输速率为6Mbps-54Mbps，物理层速率可达54 Mb/s，传输层可达25Mbps，支持速率为6、9、12、18、24、36、48、54Mbps。传输距离较802.11b短，与802.11b、802.11不兼容。2.4GHz频带是较早开放的一个频带，除了802.11b无线局域网设备外，有些家用电器，如无绳电话
15、、微波炉都使用这个频带，因此在这个频带上比较容易产生干扰，802.11a标准解决了这个问题。但是802.11a标准与现有的802.11b标准的设备不兼容，因此并没有得到比较广泛的应用。5IEEE802.11g标准使用频带为2.42.4835GHz使用OFDM调制技术提供54Mbps的传输速率兼容802.11b802.11g标准使用了与802.11a标准相同的调制技术OFDM，因此能达到54Mbps的传输速率。802.11g标准也使用2.4GHz频带，可以兼容现有的802.11b标准。6IEEE802.16a标准中文名称：定点宽带无线接入系统空中接口研发初衷：工作于10GHz到66GHz频段的最
16、后一英里无线宽带接入技术2003年1月，IEEE通过了工作于2GHz至11GHz频段下的802.16a标准最远传输距离：48公里最大传输速率：75Mbps（传输距离35公里）兼容802.11b7IEEE802.20标准中文名称：移动宽带无线接入（MBWA）研发初衷：2002年11月成立相关工作组，致力于为移动用户开发一个标准为以250km/h速度移动的移动用户提供高达1Mbit/s的高带宽数据传输最大传输速率：3Mbps兼容802.11b无线技术比较802.11b802.11a802.11gBand(GHz)2.42.48355.155.352.42.4835Data RateMbps1,2,
17、5.5,116,12,18,24,36,48,541,2,5.5,11,22,36,54Range100M50M100MModulationDSSSOFDMOFDMModulationBPSK,QPSK,CCKBPSK,QPSK,16QAMBPSK,QPSK,CCK,PBCCSecurityWEPWEPWEPMACCSMA/CACSMA/CACSMA/CAError CorrectionCRC32FECCRC32,FEC10.3.2其他无线标准HomeRF是专门为家庭用户设计的。HomeRF利用跳频扩谱方式，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持语音通信，
18、又能通过载波监听多重访问/冲突避免协议提供数据通信服务。同时，HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。BlueTooth(蓝牙技术)具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。总的来讲，802.11比较适于办公室中的企业无线网络，HomeRF可应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，但是有可能引起干扰等问题，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合，而其中最有竞争力的就是蓝牙技
19、术。10.4WLAN网络结构无中心网络有中心网络10.4.1无中心网络无中心网络(无AP网络)也称对等网络或Ad-hoc网络，它覆盖的服务区称IBSS。对等网络用于一台无线工作站（STA,Station）和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。这是最简单的无线局域网结构。一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计算机要有相同的工作组名、ESSID和密码。对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型网络在管理和预先调协方面没有任何要求。对等网络中的一个节点必需能同
20、时看到网络中的其他节点，否则就认为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4至8个用户，并且他们离得足够近。无中心网络10.4.2有中心网络有中心网络也称Infrastructure网络。它由无线AP、无线工作站（STA）以及DSS构成，覆盖的区域分BSS和ESS。无线访问点也称无线AP或无线Hub，用于在无线STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线AP通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米BSS(基本服务区)BSS由一个无线访问点以及与其关联（associate）的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝
21、区域就是基本服务区。无线工作站与无线访问点关联采用AP的BSSID，在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。ESS(扩展服务区)扩展服务区ESS是指由多个AP以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络，所有AP必需共享同一个ESSID，也可以说扩展服务区ESS中包含多个BSS。分布式系统在IEEE802.11标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。扩展服务区只包含物理层和数据链路层，网络结构不包含网络层及其以上各层。因此，对于高层协议比如IP来说，一个ESS就是一个IP子网。有中心网络无线接入点（无线接入点（Access Point）无线接入点负责楼层无线客户端的无线接入，将其所关联的
22、无线客户端的流量汇聚到楼层中心交换机。就目前来看，工作在2.4GHz的支持IEEE802.11g的企业级无线接入点是目前企业级无线局域网的主要选择。当然从整体网络性能出发，最好选用同时也支持SuperG108Mbps的无线局域网产品。SSID（ServiceSetIdentifier）SSID（ServiceSetIdentifier）也可以写为ESSID，用来区分不同的网络，最多可以有32个字符，无线网卡设置了不同的SSID就可以进入不同网络，SSID通常由AP广播出来，通过系统自带的扫描功能可以相看当前区域内的SSID。出于安全考虑可以不广播SSID，此时用户就要手工设置SSID才能进入相
23、应的网络。简单说，SSID就是一个局域网的名称，只有设置为名称相同SSID的值的电脑才能互相通信10.5 无线安全无线安全默认情况下，无线在AP和客户端上是没有安全可言的10.5.1OpenAccess所有的WiFi认证的WLAN产品都是工作在OpenAccess模式下。OpenAccess模式可以工作在一些公共场所中。在企业环境中部署WLAN时，Security(安全)需要被打开。10.5.2SSID认证SSID是一个在WLAN中设备的公共网络名称。SSID将阻止一个没有相同SSID的客户端进入WLAN。默认时，SSID通常由AP广播出来，通过系统自带的扫描功能可以相看当前区域内的SSID。
24、即使关闭SSID的广播，但还是可能当一个客户端发起请求回应时被发现10.5.3WEPWEP是WiredEquivalentPrivacy的简称，802.11b标准里定义的一个用于无线局域网(WLAN)的安全性协议。WEP的安全性和SSID认证差不多，但是WEP就应用得更广泛。采用共享密钥认证。所有AP和无线客户端都用相同的密钥。入侵者仍然可以侦听到一个明文传输的密钥。WEP的KEY由40或128位组成。由管理员静态地在WLAN设备中指定，工作量大。10.5.4客户端MACAddress认证将客户端的MAC地址静态的增加到AP中，任何在地址过滤表中不存在的MAC地址都将被拒绝访问。但是MAC地址
25、欺骗(spoof)可能导致无法过滤10.5.5WPA(Wi-FiProtectedAccess)WPA加密特性决定了它比WEP更难以入侵，所以如果对数据安全性有很高要求，那就必须选用WPA加密方式了。WPA在每个客户端建立连接时采用动态加密的密钥WPA是目前最好的无线安全加密系统，它包含两种方式：WPA和WPA2Pre-sharedKey(PSK)10.6影响WLAN信号的因素1 1、无线信号的干扰无线信号的干扰 一些突发的同频段的无线设备的射频干扰而受到影响。如微波炉、蓝牙手机信号都处在2.4G频段。还有一个干扰是来自WLAN的本身，那就是同频段不同信道的干扰。相邻的无线AP设备之间应使用无
26、干扰的不同信道。如：802.11b、802.11g使用相差五个频段的信道即可消除干扰，典型的无干扰信道的设置方式为分别为1、6、11信道。2.2.无线信号覆盖及穿透无线信号覆盖及穿透 一般的无线局域网设备都能传输距离在100米以上。微波的最大特点就是近乎直线传播，绕射能力非常弱，因此身处在障碍物后面的无线接收设备会接到很微弱的信号，或没有收到信号。要提高无线信号的穿透隔墙的能力，有效的办法是提高天线(antenna)的增益。金属物体的障碍物，不仅阻挡微波无线信号，它还能把电磁的能量给吸收掉，生成弱电流泄流掉，因此，无无线信号在家庭环境中最大的金属物体的障碍物是内有钢筋网的楼板，这个方向的信号几乎没有穿透的可能。要能穿透，信号也是非常的弱。这么大尺寸的的障碍物，微波的绕射更是不可能。若天线设备的天线放在屋中央，则无线信号只能从开阔的通路从窗户直线发射出去。3.3.无线局域网的性能无线局域网的性能 无线AP设备是一个“无线共享器”，它们共同接入无线客户端设备，运行的是以太网的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测），明白的说它是一个“共享”的网络，象以前的网络集线器相同的网络工作原理，只是抛弃了集线器的线缆，而改为无线而已。建议是一台无线路由器或无线AP最多只能接入30台无线客户端。超过的话，网络的传输性能将会大大下降。The End