IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（2）

2019-11-05 02:35:32

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　　BSS由一個無線訪問點以及與其關聯（associate）的無線工作站構成，在任何時候，任何無線工作站都與該無線訪問點關聯。換句話說，一個無線訪問點所覆蓋的微蜂窩區域就是基本服務區。無線工作站與無線訪問點關聯采用AP的BSSID，在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（2）（圖一）

　　圖1.6 ESS網絡結構
　　
　　擴展服務區ESS是指由多個AP以及連接它們的分布式系統組成的結構化網絡，所有AP必需共享同一個ESSID，也可以說擴展服務區ESS中包含多個BSS。分布式系統在IEEE802.11標準中并沒有定義，但是目前大都是指以太網。擴展服務區只包含物理層和數據鏈路層，網絡結構不包含網絡層及其以上各層。因此，對于高層協議比如ip來說，一個ESS就是一個IP子網。(結構如圖1.5)
　　
　　四、 IEEE802.11無線局域網的操作
　　
　　WLAN網絡的操作可分為兩個主要工作過程：工作站加入一個BSS，工作站從一個BSS移動到另一個BSS，實現小區間的漫游。一個站點訪問現存的BSS需要幾個階段。首先，工作站開機加電開始運行，過后進入睡眠模式或者進入BSS小區。站點始終需要獲得同步信號，該信號一般來自AP接入點。站點則通過主動和被動掃頻來獲得同步
　　
　　主動掃頻是指STA啟動或關聯成功后掃描所有頻道；一次掃描中，STA采用一組頻道作為掃描范圍，假如發現某個頻道空閑，就廣播帶有ESSID的探測信號；AP根據該信號做響應。被動掃頻是指AP每100毫秒向外傳送燈塔信號，包括用于STA同步的時間戳，支持速率以及其它信息，STA接收到燈塔信號后啟動關聯過程。
　　
　　WLAN為防止非法用戶接入，在站點定位了接入點，并取得了同步信息之后，就開始交換驗證信息。驗證業務提供了控制局域網接入的能力，這一過程被所有終用來建立合法介入的身份標志
　　
　　站點經過驗證后，關聯（Associate）就開始了。關聯用于建立無線訪問點和無線工作站之間的映射關系，實際上是把無線變成有線網的連線。分布式系統將該映射關系分發給擴展服務區中的所有AP。一個無線工作站同時只能與一個AP關聯。在關聯過程中，無線工作站與AP之間要根據信號的強弱協商速率，速率變化包括：11Mbps, 5.5Mbps, 2Mbps和1Mbps（以802.11b為例）。
　　
　　工作站從一個小區移動到另一個小區需要從新關聯。重關聯（Reassociate）是指當無線工作站從一個擴展服務區中的一個基本服務區移動到另外一個基本服務區時，與新的AP關聯的整個過程。重關聯總是由移動無線工作站發起。
　　
　　IEEE802.11無線局域網的每個站點都與一個特定的接入點相關。假如站點從一個小區切換到另一個小區，這就是處在漫游（Roaming）過程中。漫游指無線工作站在一組無線訪問點之間移動，并提供對于用戶透明的無縫連接，包括基本漫游和擴展漫游。基本漫游是指無線STA的移動僅局限在一個擴展服務區內部。擴展漫游指無線SAT從一個擴展服務區中的一個BSS移動到另一個擴展服務區的一個BSS，802.11并不保證這種漫游的上層連接。近年來,無線局域網技術發展迅速，但無線局域網的性能與傳統以太網相比還有一定距離，因此如何提高和優化網絡性能顯得十分重要。
　　
　　五、無線局域網的優化方式：移動IP, IEEE802.11e 與雙頻多模WLAN
　　
　　近年來,無線局域網技術發展迅速，但無線局域網的性能與傳統以太網相比還有一定距離，因此如何提高和優化網絡性能顯得十分重要。
　　
　　5.1網絡層的優化：移動IP
　　
　　移動IP概述
　　由于Internet使用域名來轉換成IP地址，一個發給一個地址的分組總是路由到同一個地方，因此，IP地址是與一個物理網絡的位置相對應，傳統的IP鏈接方式不能經受任何地址的變化。移動IP的引入解決了WLAN跨IP子網漫游的問題，是網絡層的優化方案。可以把移動IP歸結為一句話：假如用戶可以憑一個IP地址進行不間斷跨網漫游，就是移動IP（RFC2002）。如前文所述，802.11無線局域網只規定了MAC層和物理層。為了保證移動站在擴展服務區之間的漫游，需要在其MAC層之上引入Mobile IP技術。
　　
　　移IP的無線局域網
　　移動主機（MN）在外地通過外地代理（FA）向位于家鄉的家鄉代理（HA）注冊,從而使HA得知MN當前的位置，從而實現了移動性。有了移動IP，主機就可以跨越IP子網實現漫游。如圖１所示，ＩＰ子網的網關路由器旁連接一個FA，FA負責其下無線網段用戶的注冊認證。FA不斷地向本地子網發送代理通告，當移動終端進入子網Ａ時，接收到ＦＡ的代理廣播，獲得當地FA的信息，通過當地FA向HA注冊,經過認證后可以被授權接入，訪問Internet。終端在本子網內部移動時，不斷監測AP和FA的信號質量，通過一定的算法得出當前所有FA的優先級，再根據指定的切換策略適時發起切換。假如只是在同一網段的AP間切換，因所處IP子網未變，不需要重新注冊，AP的功能可以支持這種二層的漫游。當終端在跨網段的AP間切換時，所處IP子網發生改變,此時必須通過新的FA向HA重新注冊，告知當前位置,以后的數據就會被ＨＡ轉發至新的位置。移動IP技術大大擴展了WLAN接入方案的覆蓋范圍,提供大范圍的移動能力，使用戶在移動中時刻保持Internet連接。
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（2）（圖二）

　　圖1.7 無線局域網移動IP的網絡結構
　　
　　WLAN實現移動IP的問題
　　為實現移動IP，無線局域網要解決一些技術問題：
　　IP地址分配：用戶將獲得唯一的IP地址，如同使用移動電話時有一個唯一號碼。
　　應用透明性：無論上層應用采用何種上層協議都感覺不到移動的影響，這要求無縫移動
　　性在IP層實現。
　　基礎設施：為保證服務品質不受影響，用戶在漫游時，帶寬和服務質量要有保證。
　　協議軟件：包括網絡側和用戶側的軟件，客戶端軟件須向服務器端軟件報告自己的信
　　息，網絡側軟件則負責解析用戶的實際位置，鑒定用戶身份、分配權限，并
　　提供預定的業務。
　　
　　5.2 MAC層優化：IEEE802.11e協議
　　
　　概述
　　隨著用戶的增多，有線網絡中提出的業務要求，如視頻、語音等實時業務在WLAN中也將得到滿足。這些實時業務要求WLAN的MAC層能夠提供可靠的分組傳輸，傳輸時延低且抖動小。為此，IEEE 802.11工作組的媒體訪問控制(MAC-Medium access Control)改進任務組(即E任務組)著手對目前802.11 MAC協議進行改進，使其可以支持具有QoS(Quality of Service)要求的應用。
　　
　　IEEE802.11MAC協議
　　普通的802.11無線局域網MAC層有兩種通訊方式，一種叫分布式協同式（DCF），另一種叫點協同式。分布式協同（DCF）基于具有沖突檢測的載波偵聽多路存取方法(CSMA/CA)，無線設備發送數據前，先探測一下線路的忙閑狀態，假如空閑，則立即發送數據，并同時檢測有無數據碰撞發生。這一方法能協調多個用戶對共享鏈路的訪問，避免出現因爭搶線路而誰也無法通信的情況。它對所有用戶都一視同仁，在共享通訊介質時沒有任何優先級的規定。
　　
　　點協同方式（PCF）是指無線接入點設備周期性地發出信號測試幀，通過該測試幀與各無線設備就網絡識別、網絡治理參數等進行交互。測試幀之間的時間段被分成競爭時間段和無競爭時間段，無線設備可以在無競爭時間段發送數據。由于這種通訊方式無法預先估計傳輸時間，因此，與分布式協同相比，目前用得還比較少。
　　
　　IEEE802.11e的EDCF機制
　　無論是分布式協同還是點協同，它們都沒有對數據源和數據類型進行區分。因此，IEEE對分布式協同和點協同在QoS的支持功能方面進行增補，通過設置優先級，既保證大帶寬應用的通訊質量，又能夠向下兼容普通802.11設備。
　　
　　對分布式協同（DCF）的修訂標準稱為增強型分布式協同（EDCF）。增強型分布式協同（EDCF）把流量按設備的不同分成8類，也就是8個優先級。當線路空閑時，無線設備在發送數據前必須等待一個約定的時間，這個時間稱為"給定幀間時隙"(AIFS)，其長短由其流量的優先級決定：優先級越高，這個時間就越短。不難看出，優先級高的流量的傳輸延遲比優先級低的流量小得多。為了避免沖突，在8個優先級之外還有一個額外的控制參數，稱為競爭窗口，實際上也是一個時間段，其長短由一個不斷遞減的隨機數決定。哪個設備的競爭窗口第一個減到零，哪個設備就可以發送數據，其它設備只好等待下一個線路空閑時段，但決定競爭窗口大小的隨機數接著從上次的剩余值減起。
　　
　　對點協同的改良稱為混和協同(HCF)，混和查詢控制器在競爭時段探測線路情況，確定發送數據的起始時刻，并爭取最大的數據傳輸時間。
　　
　　5.3物理層優化：雙頻多模無線局域網
　　
　　雙頻多模WLAN的引入
　　IEEE802.11工作組先后推出了802.11a、802.11b，和802.11g物理層標準。豐富多樣的標準提升了無線局域網的性能，同時帶來了新的問題。如前文所述802.11a和802.11b分別工作在不同頻段（802.11a工作在5GHz，而802.11b工作在2.4GHz），采用不同調制方式（802.11a采用OFDM，而802.11b采用CCK方式）。一個采用802.11b標準設備工作站進入一個802.11a標準的小區中（其AP節點采用802.11a的標準設備），無法與AP節點進行聯系。因此，其必須更換為同比標準的網絡設備，才能正常工作。這就是由不同物理層標準，引起的網絡兼容性問題。
　　　 IEEE802.11無線局域網研究及發展報告（2）（圖三）

　　圖1.8 雙頻多模無線局域網結構示意圖
　　
　　為了解決上述問題，使不同標準的網絡設備可以更為自由的移動，出現了一種無線局域網的優化方式："雙頻多模"的工作方式。如同有線網的發展進程，現在有線網絡主要工作在多模方式下，例如10Mbps/100Mbps混合的局域網加速了有線網絡的發展，成為有線局域網的主要工作方式

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