Wireless Local Area Network

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1、VLAN 和WLANMain ContentsnVLANnWLANn體系結(jié)構(gòu)n隱蔽站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)nCSMA/CAn虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組。n這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。n每一個(gè) VLAN 的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這個(gè)幀的工作站是屬于哪一個(gè) VLAN。nVLAN（Virtual Local Area Network）的中文名為）的中文名為“虛虛擬局域網(wǎng)擬局域網(wǎng)”。VLAN是一種將局域網(wǎng)設(shè)備從邏輯上劃分成是一種將局域網(wǎng)設(shè)備從邏輯上劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的新興數(shù)據(jù)交換技術(shù)。一個(gè)個(gè)網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的新興數(shù)據(jù)交換技術(shù)。nVLA

2、N的特點(diǎn)：一個(gè)的特點(diǎn)：一個(gè)VLAN內(nèi)部的廣播和單播流量都不會(huì)轉(zhuǎn)內(nèi)部的廣播和單播流量都不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到其他發(fā)到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設(shè)備投資、中，從而有助于控制流量、減少設(shè)備投資、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。4.5 虛擬局域網(wǎng)4.5.1 虛擬局域網(wǎng)的概念VLAN技術(shù)技術(shù)交換機(jī)收到廣播幀后，只轉(zhuǎn)發(fā)到屬于同一交換機(jī)收到廣播幀后，只轉(zhuǎn)發(fā)到屬于同一VLAN的其他端口。的其他端口。1203交換機(jī)交換機(jī)廣播幀廣播幀廣播域廣播域廣播幀廣播幀廣播域廣播域。22123以太網(wǎng)交換機(jī)A4B1以太網(wǎng)交換機(jī)VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)

3、交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 以太網(wǎng)交換機(jī)A4B1以太網(wǎng)交換機(jī)VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 當(dāng) B1 向 VLAN2 工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作站 B2 和 B3 將會(huì)收到廣播的信息。以太網(wǎng)交換機(jī)A4B1以太網(wǎng)交換機(jī)VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 B1 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作站 A1,A2 和 C1都不會(huì)收到 B1 發(fā)

4、出的廣播信息。以太網(wǎng)交換機(jī)A4B1以太網(wǎng)交換機(jī)VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的構(gòu)成 虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因傳播過多的廣播信息(即“廣播風(fēng)暴”)而引起性能惡化。n虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個(gè) 4 字節(jié)的標(biāo)識(shí)符，稱為 VLAN 標(biāo)記(tag)，用來指明發(fā)送該幀的工作站屬于哪一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。4.5.2 虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式 802.3MAC 幀字節(jié)66246 15004MAC 幀目地地址源地址長度/類型數(shù) 據(jù)FCS長度/類型=802.1

5、Q 標(biāo)記類型 標(biāo)記控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字節(jié)2 字節(jié)插入 4 字節(jié)的 VLAN 標(biāo)記4用戶優(yōu)先級(jí)CFIVLAN類型類型n基于端口分類n基于MAC地址分類n基于IP地址分類基于端口的VLAN基于MAC地址的VLAN基于IP地址的VLAN注意nVLAN成員的實(shí)質(zhì)含義不是指物理設(shè)備，而是與物理相關(guān)的某種屬性。n物理設(shè)備因?yàn)榫哂辛诉@種屬性才成為VLAN的成員。4.8 無線局域網(wǎng)4.8.1 無線局域網(wǎng)的組成n有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集 BSS擴(kuò)展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集 BSSAB漫游接入點(diǎn) AP接入點(diǎn) AP分配系統(tǒng) DS門橋門

6、橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)n有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴(kuò)展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn) AP接入點(diǎn) AP分配系統(tǒng) DS門橋門橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)一個(gè)基本服務(wù)集 BSS 包括一個(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)站，所有的站在本 BSS 以內(nèi)都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信時(shí)都要通過本 BSS 的基站。n有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴(kuò)展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn) AP接入點(diǎn) AP分配系統(tǒng) DS門橋門橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)基本服務(wù)集中的基站叫做接入點(diǎn) AP(Access Point)其作用和網(wǎng)橋相似。擴(kuò)展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集BSS基

7、本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn) AP接入點(diǎn) AP分配系統(tǒng) DS門橋門橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)一個(gè)基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點(diǎn) AP連接到一個(gè)主干分配系統(tǒng) DS(Distribution System)，然后再接入到另一個(gè)基本服務(wù)集，構(gòu)成擴(kuò)展的服務(wù)集ESS(Extended Service Set)。擴(kuò)展的服務(wù)集 ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn) AP接入點(diǎn) AP分配系統(tǒng) DS門橋門橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)ESS 還可通過叫做門橋(portal)為無線用戶提供到非 802.11 無線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)）的接入。門橋的作用就相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)橋。擴(kuò)展的服務(wù)集 ESS基本

8、服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn) AP接入點(diǎn) AP分配系統(tǒng) DS門橋門橋802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)移動(dòng)站 A 從某一個(gè)基本服務(wù)集漫游到另一個(gè)基本服務(wù)集，而仍然可保持與另一個(gè)移動(dòng)站 B 進(jìn)行通信。無固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)自組網(wǎng)絡(luò)(ad hoc network)自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)n自組網(wǎng)絡(luò)沒有上述基本服務(wù)集中的接入點(diǎn) AP 而是由一些處于平等狀態(tài)的移動(dòng)站之間相互通信組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 n在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動(dòng)站的戰(zhàn)士可利用臨時(shí)建立的移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。n這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機(jī)群

9、。n當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時(shí)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)利用移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)的通信往往很有效的4.8.2 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的物理層n1997 年 IEEE 制訂出無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，802.11。在1999年又制訂了剩下的兩部分，802.11a 和 802.11b。n802.11 的物理層有以下三種實(shí)現(xiàn)方法：n跳頻擴(kuò)頻 FHSSn直接序列擴(kuò)頻 DSSSn紅外線 IR 4.8.3 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的 MAC 層1.CSMA/CA 協(xié)議 n無線局域網(wǎng)卻不能簡(jiǎn)單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。這里主要有兩個(gè)原因。nCSMA/CD 協(xié)議要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)還必須不間斷地檢測(cè)信道，但在無線局

10、域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能就花費(fèi)過大。n即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測(cè)的功能，并且當(dāng)我們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。A 的作用范圍無線局域網(wǎng)的特殊問題 C 的作用范圍ABCD當(dāng) A 和 C 檢測(cè)不到無線信號(hào)時(shí)，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。這種未能檢測(cè)出媒體上已存在的信號(hào)的問題叫做隱蔽站問題(hidden station problem)B 的作用范圍無線局域網(wǎng)的特殊問題 C 的作用范圍ADCB？B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，而 C 又想和 D 通信。C 檢測(cè)到媒體上有信號(hào)，于是就不敢向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。其實(shí) B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響 C 向

11、D 發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposed station problem)CSMA/CA 協(xié)議 n無線局域網(wǎng)不能使用 CSMA/CD，而只能使用改進(jìn)的 CSMA 協(xié)議。n改進(jìn)的辦法是將 CSMA 增加一個(gè)碰撞避免(Collision Avoidance)功能。n802.11 就使用 CSMA/CA 協(xié)議。而在使用 CSMA/CA 的同時(shí)還增加使用確認(rèn)機(jī)制。n下面先介紹 802.11 的 MAC 層。802.11 的 MAC 層 MAC 層無爭(zhēng)用服務(wù)爭(zhēng)用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Poin

12、t Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集 BSS 中的移動(dòng)站在什么時(shí)間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。802.11 的 MAC 層在物理層之上包括兩個(gè)子層 MAC 層無爭(zhēng)用服務(wù)爭(zhēng)用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Func

13、tion)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11DCF 子層在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用 CSMA 機(jī)制的分布式接入算法，讓各個(gè)站通過爭(zhēng)用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此 DCF 向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。MAC 層無爭(zhēng)用服務(wù)爭(zhēng)用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distribute

14、d Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11PCF 子層使用集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站從而避免了碰撞的產(chǎn)生 MAC 層無爭(zhēng)用服務(wù)爭(zhēng)用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Co

15、ordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11幀間間隔 IFS n所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間的通稱是幀間間隔 IFS(InterFrame Space)。n幀

16、間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級(jí)幀需要等待的時(shí)間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，但低優(yōu)先級(jí)幀就必須等待較長的時(shí)間。n若低優(yōu)先級(jí)幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級(jí)幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級(jí)幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)。三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭(zhēng)用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送SIFS，即短(Short)幀間間隔，長度為 28 s，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對(duì)話的各幀。一個(gè)站應(yīng)當(dāng)能夠在這段時(shí)間內(nèi)從

17、發(fā)送方式切換到接收方式。使用 SIFS 的幀類型有：ACK 幀、CTS 幀、由過長的 MAC 幀分片后的數(shù)據(jù)幀，以及所有回答 AP 探詢的幀和在 PCF 方式中接入點(diǎn) AP 發(fā)送出的任何幀。三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭(zhēng)用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送PIFS，即點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔（比 SIFS 長），是為了在開始使用 PCF 方式時(shí)（在 PCF 方式下使用，沒有爭(zhēng)用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS 的長度是 SIFS 加一個(gè)時(shí)隙(slot)長度（其長

18、度為 50 s），即78 s。時(shí)隙的長度是這樣確定的：在一個(gè)基本服務(wù)集 BSS 內(nèi)當(dāng)某個(gè)站在一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)接入到媒體時(shí)，那么在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，其他站就都能檢測(cè)出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭(zhēng)用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送DIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長的 IFS），在 DCF 方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS 的長度比 PIFS 再增加一個(gè)時(shí)隙長度，因此 DIFS 的長度為 128 s。CSMA/CA 協(xié)議的原理 n欲

19、發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測(cè)信道。在 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理層的空中接口進(jìn)行物理層的載波監(jiān)聽。n通過收到的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度是否超過一定的門限數(shù)值就可判定是否有其他的移動(dòng)站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。n當(dāng)源站發(fā)送它的第一個(gè) MAC 幀時(shí)，若檢測(cè)到信道空閑，則在等待一段時(shí)間 DIFS 后就可發(fā)送。為什么信道空閑還要再等待 n這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級(jí)的幀要發(fā)送。n如有，就要讓高優(yōu)先級(jí)幀先發(fā)送。假定沒有高優(yōu)先級(jí)幀要發(fā)送 n源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。n目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時(shí)間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀 ACK。n若源站在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀 ACK（由重傳計(jì)時(shí)器控制這段時(shí)間），就必須重傳

20、此幀，直到收到確認(rèn)為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。虛擬載波監(jiān)聽 n虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)的機(jī)制是讓源站將它要占用信道的時(shí)間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需的時(shí)間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時(shí)間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。n這樣就大大減少了碰撞的機(jī)會(huì)。n“虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。虛擬載波監(jiān)聽的效果 n這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。n所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個(gè)字段“持續(xù)時(shí)間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時(shí)間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認(rèn)幀所需

21、的時(shí)間。A 的作用范圍B 的作用范圍2.對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 n802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。ACBDERTSRTS源站 A 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個(gè)短的控制幀，叫做請(qǐng)求發(fā)送 RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應(yīng)的確認(rèn)幀）所需的持續(xù)時(shí)間。A 的作用范圍B 的作用范圍2.對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 n802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個(gè)響應(yīng)控制幀，叫做允許發(fā)送 CTS(Clear To Send)，它包括這次通信所需的持續(xù)時(shí)間（從 RTS 幀中將此持續(xù)時(shí)間復(fù)制到 CTS 幀中）。A 收到 CTS 幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。