802.11协议标准详解

IEEE802.11系列协议标准的发展


802.11，定义微波和红外线的物理层和MAC子层（2.4GHz，2Mbit/s，1997） 802.11a，定义了微波物理层及MAC子层（5GHz，54Mbit/s，1999） 802.11b，物理层补充DSSS（2.4GHz，11Mbit/s，1997） 802.11b+，物理层补充PBCC（2.4GHz，11Mbit/s，2002） 802.11c，关于802.11网络和普通以太网之间的互通协议（2000） 802.11d，关于国际间漫游的规范（2000） 802.11e，对服务等级QoS的支持（2004） 802.11f，基站的互联性（2003） 802.11g，物理层补充OFDM（2.4GHz，54Mbit/s，2003） 802.11h，扩展物理层和MAC子层标准（5GHz，欧洲，2003） 802.11i， 安全和鉴权方面的补充（2004） 802.11j，扩展物理成和MAC子层标准（5GHz，日本，2004） 802.11k，基于无线局域网的微波测量规范（2005） 802.11m，基于无线局域网的设备维护规范（2006） 802.11n，导入MIMO（多输入输出）技术（2.4G/5GHz，100300Mbit/s,2007）
IEEE802.11的工作方式

802.11定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常 是通过一台PC机器加上一块无线网络接口卡构成的， 另一个称为无线接入点（Access Point，AP），它的 作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接 入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口 （802.3接口）构成，桥接软件符合802.1d桥接协议。 接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线 的接入站聚合到有线的网络上。无线的终端可以是 802.11 PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口，或者是在非 计算机终端上的嵌入式设备。




IEEE802.11的物理层

IEEE802.11无线网络标准规定了3种物理层传输介质方 式。其中2种物理层传输介质工作方式在微波频段（根据 各国当地法规或规定不同，频段的具体定义也有所不 同），采用扩频传输技术进行数据传输，包括跳频序列 扩频传输技术（FHSS）和直接序列扩频传输技术 （DSSS）。另一种方式以光波段作为其物理层，也就是 利用红外线光波传输数据流。
(1) 接入：无线站点通过无线接入设备访问企业网络 (2) 中继：利用无线信道作为企业网的干线，利用大楼（LAN） 与大楼（LAN）之间的数据传输
WLAN协议——IEEE802.11
在实际使用上，通常会将WLAN和现有的有线网络结合，不但增 加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围，目前最热门 的WLAN技术就是IEEE的802.11及其相关标准。 IEEE 802.11(1997.6)， 数据速率最高为1或2Mbps， 工作在2.4GHz频段或使用红外(Infrared Spectroscopy, IR) IEEE 802.11a(1999),数据速率最高为54Mbps， 12个信道，最多8个互不重叠，工作在5GHz频段 IEEE 802.11b(1999.9),数据速率最高为11Mbps ， 11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段（最常用） IEEE 802.11g(2003.6),数据速率最高为54Mbps， 11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段
帧间间隔IFS（InterFrame Space）



所有的站在完成发送后，必须在等待一段很短的时间 （继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称为帧 间间隔IFS 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先 级帧需要等待的时间较短。因此可优先获得发送权， 但有线级帧就必须等待较长的时间。 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧 已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就 只能在推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。
帧间间隔IFS


EIFS，即延长幀间间隔（最长的 IFS），站点在进行 幀重发时所必须等待的时间。EIFS的长度至少等于 DIFS再增加一个时隙长度。 SIFS<PIFS<DIFS<EIFS 时隙长度：
在一个基本服务集BBS中，当某个站在一个时隙开始接入 到信道时，那么在下一个时隙开始时，其他站就能检测出信道已 转变到忙态，就选定该长度作为时隙长度。
WLAN

WLAN (Wireless Local Area Network ) 是指传输 范围在 100米左右的无线网络，可用于单一建筑 物或办公室之内，需要使用WLAN的场合主要包 括：
(1) 不方便架设有线网络的环境; (2) 使用者时常需要移动位置; (3) 临时性的网络。

802.11WLAN主要面向两种应用类型：
IEEE802.11的MAC层
无线局域网虽然也是多个站点共享无线信道，却 不能简单的搬用以太网的CSMA/CD协议，这里主要 有两个原因： CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时 好必须不简短地检测信道，但在无线局域网的设备中 要实现这种全双工花费就会过大。 即使我们能够在发送的同时实现冲突检测的功能，并 且当我们在发送数据检测到信道是空闲的，在接受端 仍然有可能发生冲突。


IEEE802.11的MAC层

802.11标准设计独特的MAC层。它通过协调功能（Coordination Function）来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发 送数据或接受数据。802.11的MAC包括两个子层。
无争用服务（选用）
点协调功能PCF （Point coordination function）
扩频传输技术


跳频扩频（FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum）使用了传统的窄带数据传输技术，但传输 频率将发生周期性的切换。系统在一个扩频或宽波段 的信道上使用不同的中心频率，以预先安排好的顺序 在固定的时间间隔内进行跳频。跳频现象可以使 FHSS系统避免受到信道内窄带噪音的干扰。 直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum ）系统则将要传输的数据流通过扩展码调 制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪 声信号，接收机也可以无错误地接受数据。
使用扩频技术的好处


扩频是一种在信号的带宽进行扩展的技术。采用扩频 的好处是： 抗干扰。若使用窄频，容易受到使用相同频率的通信 干扰导致完全无法通信。 对于非特定的目的的接收器，扩展了带宽的信号混在 背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据资料的人不易判 别真正的信号，避免他人的截听。 提供了供多个用户使用同一传输波段的方法，保证了 无线设备在频段上的可用性和可靠的吞吐量，也保证 了使用同一频段的设备不互相影响。
虚拟载波监听
虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)： 源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回 确认帧所需时间）在其 MAC 帧首部字段“持续时间” 中填入指示给所有其他站，其他所有站会在这段时间 都停止发送数据, 这样大大减少了冲突的机会。 “虚拟”是指其他站并没有真正监听信道，而是 检测到源站发送幀中的“持续时间”才不发送数据， 这种效果好像是其他站都监听了信道。 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部 的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)，NAV指出了信道 处于忙状态的持续时间
争用服务（必须实现）
MAC层
分布协调功能DCF (Distributed coordination function) (CSMA/CD)
PHY层
802.11的MAC层使用DCF或PCF


分布协调功能DCF ——争用服务 DCF在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入 算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF向上提供争用服务。 点协调功能PCF ——无争用服务 PCF使用AP集中控制的接入算法将发送数据权轮 流交给各个站从而避免了冲突的产生。
帧间间隔IFS



SIFS，即短帧间间隔，它是最短的帧间间隔，用来分 隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时 间内从发送方式切换到接收方式。 PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为 了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用， 没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS的长度是 SIFS加一个时隙长度。 DIFS，即分布协调功能帧间间隔，在 DCF 方式中用 来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增 加一个时隙长度。
IEEE802.11协议
IEEE802.11 协议标准

概述 IEEE802.11系列协议标准的发展 IEEE802.11的工作方式 无线局域网（WLAN） IEEE802.11的物理层 IEEE802.11的MAC层
概述

802.11是IEEE是最初制定的一个无线局域网标准，这 也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协 议。主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与 用户终端的无线介入，业务主要限于数据存取，速率 最高只能达到2Mbps。由于802.11在速率和传输距离 上不能满足人们的需要。因此，IEEE小组又相继推出 了802.11b和802.11a两个新标准。三则之间技术上的 主要差别在于MAC子层和物理层。