收稿日期:2002-03-04作者简介:张晓敏,女,副教授,1988年毕业于北京邮电学院,获硕士学位.主要研究方向:数据通信、计算机网络.󰀁文章编号:1672-3961(2003)02-0168-04

无线局域网与IEEE802󰀁11协议

张晓敏(山东大学󰀁信息科学与工程学院,󰀁山东󰀁济南󰀁250100)

摘要:简要介绍IEEE802󰀁11工作组制定的无线局域网协议,分析无线局域网组网面临的主要问题,对IEEE802󰀁11协议提出相关解决方案.关键词:网络分析;无线电信号;计算机网络中图分类号:TN925󰀁󰀁󰀁文献标识码:AWirelessLANandIEEE802.11protocolZHANGXiao-min(SchoolofInform.Sci.andEng.,ShandongUniv.,Jinan250100,China)Abstract:ThepaperanalyzesthechallengesconfrontedinWLAN󰀁saccomplishment,brieflydescribestheWLANprotocolsproposedbyIEEE802󰀁11workinggroup,anddiscussesthesolutionsintheprotocols.Keywords:networkanalysis;radiosignals;computernetworks

0󰀁引言随着需求的增长和技术的发展,无线局域网(WLAN:WirelessLAN)的应用越来越广,它的作用不再局限于有线网络的补充和扩展,已经成为计算机网络的一个重要组成部分.WLAN技术是目前国内外无线通信和计算机网络领域的一大热点,并且正在成为一个新的经济增长点,对WLAN技术的研究、开发和应用也正在国内兴起.WLAN具有方便、灵活组网方式和广泛的适用环境,然而无线介质上信号传播的开放性和变参信道的传输特性以及站点的移动特性等因素给WLAN的设计与实现带来诸多特殊问题,这些问题能否解决将直接影响网络的性能.IEEE802󰀁11协议提出了一个WLAN的完整解决方案,已被业界广泛接受,也是目前应用最为广泛的WLAN标准.1󰀁WLAN面临的主要问题无线局域网与有线网络的主要区别在于无线传输信道和可移动站点,采用无线传输介质为特殊应用环境下的组网和计算机移动通信提供了方便.但是,信道的开放特性和站点的可移动性也使WLAN组网技术面临若干问题,主要包括以下几个方面:(1)干扰问题:信号传播的开放性使WLAN系统容易受到来自周围环境的各种干扰.这些干扰会造成传输中的误码或阻塞数据的发送,使系统中的误码率和延迟增加,降低可靠性.(2)安全问题:开放的传输介质使无线网络不具备有线的物理封闭性,在网络覆盖范围内,只要使用兼容设备便可能接入网络,接收网上信息,因此无线第33卷󰀁第2期2003年󰀁4月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁山󰀁东󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁(工󰀁学󰀁版)JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCE)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.33󰀁No.2󰀁Apr.2003网容易遭受非法用户侵入,网上信息容易被窃听.(3)站点隐藏问题:无线网络的动态拓扑结构无法保证网络的全连接性(fullconnectivity),网络内的某些站因彼此之间的距离超出信号的传播范围而接收不到对方的信号,即某些站彼此󰀁隐藏󰀁.󰀁隐藏󰀁站点可能造成信号冲突,干扰数据接收.(4)电源管理问题:无线移动设备在许多应用环境下只能靠电池供电,而电池的供电量是有限的.这些问题的存在影响着数据传输的有效性、可靠性和安全性,必须从网络结构、信号传输和控制机制等多方面采取相应措施,保证WLAN的网络性能.2󰀁IEEE802󰀁11协议及其解决方案󰀁󰀁IEEE802󰀁11协议规定了无线局域网的基本网络结构和基本传输介质,定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)的规范[1].继IEEE802󰀁11之后,IEEE802󰀁11工作组又制定了IEEE802󰀁11a协议[2]和IEEE802󰀁11b协议[3],分别提出了两种高速物理层新标准,以满足对无线高速数据和多媒体应用日益增长的需求.2󰀁1󰀁IEEE802󰀁11LAN的拓扑结构IEEE802󰀁11网络结构由多个组件构成,它们相互作用形成一个无线LAN,并支持相对于高层透明的站点移动.IEEE802󰀁11LAN的基本组件是基本服务集(BSS:basicserviceset),如图1所示,它可以看作是一个覆盖区域.区域内的各个站可以互相通信,站在区域内可以自由移动.由BSS可以构成两种不同类型的网络结构:独立基本服务集(IBSS:Indepen-dentBSS)和扩展服务集(ESS:Extendedserviceset).

图1󰀁基本服务Fig.1󰀁Basicserviceset󰀁󰀁IBSS是一个独立的BSS,它是IEEE802󰀁11LAN的基本结构类型,一个IBSS最少可以包括两个站.这一类型的LAN通常仅在需要时组成,不必预先规划,因而被称为特定网络(adhocnetwork).由于无线介质的传输特性限制了站点之间直接通信的距离,所以IBSS的覆盖范围有限.ESS由两个或多个BSS通过分布系统(DS:dis-tributedsystem)互边而成,这一网络结构能满足大范围覆盖的需求,图2是BSS通过接入点(AP:accesspoint)与DS连接构成的ESS.AP是提供接入DS功能的站,是BSS站点到DS的接口,它除了具有一般站的通信功能还提供DS服务.IEEE802󰀁11没有规定DS的结构,典型的DS是一个有线主干局域网,DS通过提供目的地址映射和多BSS无缝连接所必需的逻辑服务来支持无线站点移动.位于同一ESS的各站可以互相通信,移动站可以在ESS内从一个BSS移动到另一个BSS,移动对于LLC层透明,这种网络结构又称为基础网络(infrastructurenetwork).

图2󰀁扩展服务集Fig.2󰀁Extendedserviceset2󰀁2󰀁IEEE802󰀁11协议体系结构IEEE802󰀁11协议定义了WLAN的物理层(PHY)和数据链路层的介质访问控制(MAC)子层.2󰀁2󰀁1󰀁物理层IEEE802󰀁11工作组在相继推出的协议中定义了五种不同的物理层标准.IEEE802󰀁11定义了三种:波长为850~950nm的红外(IR)传输物理层标准、2󰀁4GHz频段的直接序列扩频(DSSS)传输物理层标准、2󰀁4GHz频段的跳频扩频(FHSS)传输物理层标准,这三种物理信道的传输速率均为1Mb/s和2Mb/s.IEEE802󰀁11b定义了在2󰀁4GHz频段上将传输速率提高到5󰀁5Mb/s和11Mb/s的高速直接序列扩频(HR/DSSS)物理层标准.该物理层具有动态速率转换功能,传输速率可以在1Mb/s、2Mb/s、5󰀁5Mb/s和11Mb/s之间转换,以适应不同的应用环境.802󰀁11b采用补码键控(CCK:ComplimentaryCode󰀁第2期张晓敏:无线局域网与IEEE802󰀁11协议169󰀁󰀁Keying)实现5󰀁5Mb/s和11Mb/s的高速传输,采用与IEEE802󰀁11相同的DSSS方案实现1Mb/s和2Mb/s传输,因而可与IEEE802󰀁11的DSSS物理层兼容.IEEE802󰀁11a定义了在5G频段上提供54Mb/s的数据速率的高速物理层标准.它采用了对脉冲噪声、多径传播和频率选择性衰落等无线传输干扰抵抗能力强的正交频分复用(OFDM)技术,从而大幅度提高了数据传输速率.2󰀁2󰀁2󰀁MAC层迄今,IEEE802󰀁11工作组共定义了五种物理层标准,但MAC层是统一的,都采用IEEE802󰀁11中定义的MAC标准.IEEE802󰀁11的MAC层提供对无线共享介质的访问控制,除此之外,还提供支持无线传输和站点移动所必需的网络连接(association)、认证(authentication)、保密(privacy)和电源管理等功能.2󰀁3󰀁IEEE802󰀁11介质访问控制IEEE802󰀁11定义了两种介质访问控制方式:称为分布协调功能(DCF:DistributedCoordinationFunc-tion)的竞争访问控制方式和建立在DCF之上的称为点协调功能(PCF:PointCoordinationFunction)的无竞争访问控制方式.DCF支持突发的异步业务,PCF支持限时或实时业务.DCF是IEEE802󰀁11的基本访问控制方式,是强制功能,PCE是可选择功能.MAC层结构如图3所示:

图3󰀁IEEE802󰀁11MAC层结构Fig.3󰀁IEEE802.11MAClayerstructure󰀁󰀁DCF使用避免冲突的载波监听多点访问(CS-MA/CA:CSMAWithCollisionAvoidance)协议.按照CSMA规则,各站通过监听信道来竞争信道的占用权,由于传播时延等因素的存在,仍可能产生冲突.有线网络在CSMA引入冲突检测机制来减少冲突持续时间,而无线信道很难通过检测技术发现冲突,因此IEEE802󰀁11采用尽冲突避免机制.在CSMA过程中,信道刚刚由占用转为空闲时是冲突发生的高峰时刻,CSMA/CA利用󰀁随机退避时间󰀁控制此时各等待点的发送,以期减少产生冲突的机会.PCF方式是由AP中的点协调器(PC:pointcoor-dinator)以轮询方式控制各站的访问.在选择了PCF的系统中,DCF竞争期(CP:contentionperiod)和PCF无竞争期(CFP:contention-freeperiod)交替占用信道,进入CFP之前,PC在DCF方式下竞争介质访问控制权.进入CFP后PC对可轮询站进行轮询,各站在被轮询后可以进行发送.2󰀁4󰀁IEEE802󰀁11的可靠性措施为克服无线传输和站点移动对数据传输性能的影响,除了在物理层采用扩频和高效调制方式提高信号的抗干扰能力,IEEE802󰀁11还在介质访问层采取了相应的控制措施提高系统的可靠性.2󰀁4󰀁1󰀁MAC层的确认和重发鉴于无线传输干扰和冲突造成较高的误码率和丢失率,IEEE802󰀁11在MAC层使用确认和重发机制:目的站接收到正确的数据帧后,向源站发送确认(ACK)帧;发送站发出数据后,如果在规定时间内没有收到ACK,则启动重发,直至收到ACK或当重发次数达到系统限定的最大值后放弃.2󰀁4󰀁2󰀁虚拟载波监听(virtualcarrier-sense)IEEE802󰀁11在MAC层引入虚拟载波监听机制对CSMA/CA基本功能进行扩充:源站竞争到发送权后,在发送数据帧之前首先与目的站交换短控制帧RTS(reques-tto-send)和CTS(clear-to-send);源站在发送的RTS中付上数据帧所需的󰀁传输时间󰀁,目的站在响应的CTS帧中复制RTS中的󰀁传输时间󰀁;在源站和目的站交换RTS/CTS期间,其它站监听信道接收RTS和(或)CTS,获得信道将被占用的时间.在此后的这段时间内,除源站以外的其它各站将不再试图占用信道.利用RTS/CTS的数据发送之前󰀁预约󰀁信道占用时间,可以减少数据传输中的冲突,同时,RTS/CTS又能有效解决󰀁站点隐藏󰀁问题.源站的󰀁隐藏站点󰀁可以通过接收目的站发出的CTS获知信道将被占用的信息,避免󰀁站点隐藏󰀁导致的冲突.󰀁170󰀁山󰀁东󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁(工󰀁学󰀁版)第33卷󰀁