无线局域网:IEEE802.11标准

1.IEEE802.11标准概述

IEEE802.11标准的逻辑结构如图1所示，每个站点所应用的802.11标准的逻辑结构包括一个单一MAC层和多个PHY中的一个。



图1 802.11MAC层支持三个分离的PHY


MAC层在LLC层的支持下为共享介质PHY提供访问控制功能（如寻址方式、访问协调、帧校验序列生成的检查，以及LLC PDU定界等）。MAC层在LLC层的支持下执行寻址方式和帧识别功能。802.11标准MAC层采用CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突检测）协议控制每一个站点的接入。

1992年7月，802.11工作组决定将无线局域网的工作频率定为2.4GHz的ISM频段，用直接序列扩频和跳频方式传输。因为2.4GHz的ISM频段在世界大部分国家已经放开，无须无线电管理部门的许可。在美国，FCC规定ISM频段的天线增益最大为6dBi，发射功率不超过100mW。

1993年3月，802.11标准委员会接受建议，制定一个直接序列扩频物理层标准。经过多方讨论，直接序列物理层规定两个数据速率：

●利用差分四进制相移键控（DQPSK）调制的2Mbit/s。

●利用差分二进制相移键控（DBPSK）调制的1Mbit/s。

在DSSS中，将2.4GHz的频宽划分成14个22MHz的信道(Channel)，临近的信道互相重叠，在14个频道内，只有3个频道是互相不覆盖的，数据就是从这14个频段中的一个进行传送而不需要进行频道之间的跳跃。在不同的国家信道的划分是不相同的。

与直接序列扩频相比，基于802.11的跳频PHY利用无线电从一个频率跳到另一个频率发送数据信号。跳频系统按照跳频序列跳跃，一个跳频序列一般被称为跳频信道（Frequency Hopping Channel）。如果数据在某一个跳跃序列频率上被破坏，系统必须要求重传。

802.11委员会规定跳频PHY层利用GFSK调制，传输的数据速率为1Mbit/s。该规定描述了已在美国被确定的79信道中心频率。

红外线物理层描述了采用波长为850到950nm的红外线进行传输的无线局域网，用于小型设备和低速应用软件。

2.介质访问控制（MAC）层

802.11无线局域网的所有工作站和访问节点都提供介质访问控制（MAC）层服务，MAC服务是指同层LLC（逻辑链路控制层）在MAC服务访问节点（SAP）之间交换MAC服务数据单元（MSDU）的能力，包括利用共享无线电波或红外线介质进行MAC服务数据单元的发送。

MAC层具有三个主要功能：

●无线介质访问

●网络连接

●提供数据验证和保密

无线介质访问

在IEEE802.11标准中定义了两种无线介质访问控制的方法，它们是：

●分布式访问方式（DCF）

分布式访问方式类似于IEEE802.3有线局域网的介质访问控制协议，它采用具有冲突避免的载波侦听多路访问。

分布式访问控制方式是物理层兼容的工作站和访问节点（AP）之间自动共享无线介质的主要的访问协议。802.11网络采用CSMA/CA协议进行无线介质的共享访问，该协议与802.3以太网标准的MAC协议（CSMA/CD）类似。载波侦听可以让MAC层监测介质是处于繁忙还是空闲状态。物理层（PHY）提供信道的物理检测，把物理信道评估结果发送到MAC层，作为确定信道状态信息的一个因素。

MAC控制机制利用帧中持续时间字段的保留信息实现虚拟监测协议，这一保留信息发布（向所有其他工作站）本工作站将要使用介质的消息。MAC层监听所有MAC帧的持续时间字段，如果监听到的值大于当前的网络分配矢量（NAV）值，就用这一信息更新该工作站的NAV。NAV工作起来就像一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间字段值，然后倒计时到0。当NAV的值为0，且PHY控制机制表明有空闲信道时，这个工作站就可以发送帧了。

●中心网络控制方式（PCF）

中心网络控制方式是一个无竞争访问协议，它是一种基于优先级别的访问，适用于节点安装有点控制器的网络。

PCF方式提供可选优先级的无竞争的帧传送。在这种工作方式下，由中心控制器控制来自工作站的帧的传送，所有工作站均服从中心控制器的控制，在每一个无竞争期的开始时间设置它们的NAV（网络分配矢量）值。当然，对于无竞争的轮询（CF-Poll帧），工作站可以有选择地进行回应。

在无竞争期开始，中心控制器首先获得介质的控制权，并遵循PIFS对介质进行访问；因此，中心控制器可以在无竞争期保持控制权，等待比工作在分布式控制方式下更短的发送间隔。

网络连接

当工作站接通电源之后，首先通过被动或主动扫描方式检测有无现成的工作站和访问节点可供加入。加入一个BSS（基本服务组）或ESS（扩展服务组）之后，工作站从访问节点接收SSID、时间同步函数（TSF：Timer Synchronization Function）、计时器的值和物理（PHY）安装参数。

在被动扫描模式下，工作站对每一个信道都进行一段时间的监听，具体时间的长短由ChannelTime参数确定。该工作站只寻找具有本站希望加入的SSID的信标帧，搜索到这个信标后，继而便分别通过认证和连接过程建立起连接。

在主动扫描方式下，工作站发送包含有该站希望加入的SSID信息的探询（Probe）帧，然后开始等待探询响应帧（Probe Reponse Frame），探询响应帧将标识所需网络的存在。

认证和加密

IEEE802.11标准提供两种认证服务，以此来增强网络的安全性：

（1）开放系统认证（Open System Authentication）

这是系统缺省的认证服务。不需要对发送工作站进行身份认证时，一般采用开放系统认证。如果接收工作站通过MIB中的aAuthenticationType参数指明其采用开放系统认证模式，那么采用开放系统认证模式的发送工作站可认证任何其他工作站和AP。

（2）共享密钥认证（Shared Key Authentication）

与开放系统认证相比，共享密匙认证方式提供更高的安全检查级别。采用共享密匙认证的工作站必须执行WEP。

（3）加密

802.11规范定义了可选的WEP，以使无线网络具有和有线网络相同的安全性。如果要避免网络受到安全威胁攻击，就必须同时实施WEP和认证服务。

3.物理层

无线局域网物理层由三部分组成：

●物理层管理（Physical Layer Management）：为物理层提供管理功能，它与MAC层管理相连。

●物理层汇聚子层（PLCP）：MAC层和PLCP通过物理层服务访问点（SAP）利用原语进行通信。MAC层发出指示后，PLCP就开始准备需要传输的介质协议数据单元（MPDUs）。PLCP也从无线介质向MAC层传递引入帧。

PLCP为MPDU附加字段，字段中包含物理层发送和接收所需的信息，802.11标准称这个合成帧为PLCP协议数据单元（PPDU）。PLCP将MAC协议数据单元映射成适合被PMD传送的格式，从而降低MAC层对PMD层的依赖程度。PPDU的帧结构提供了工作站之间MPDU的异步传输，因此，接收工作站的物理层必须同步每个单独的即将到来的帧。

●物理介质依赖（PMD）子层：在PLCP下方，PMD支持两个工作站之间通过无线介质实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功能，PMD需直接面向无线介质（大气空间），并对数据进行调制和解调。PLCP和PMD之间通过原语通信，控制发送和接收功能。

在802.11标准中规定了无线局域网物理层实现的功能：

●载波侦听：判断介质的状态是否空闲。无线局域网的物理层通过PMD子层检查介质状态来完成载波侦听功能。

发送：发送网络要传输的数据帧。PLCP在接收到MAC层的发送请求（PHY-TXSTART.request原语）后将PMD转换到传输模式。同时，MAC层将与该请求一道发送字节数（0-4095）和数据率指示。然后，PMD通过天线在20微秒内发射帧的前同步码。

●接收：接收网络传送过来的数据帧。如果载波侦听检测到介质繁忙，同时有合法的即将到来帧的前同步码，则PLCP就开始监视该帧的适配头。当PMD监听到的信号能量超过85dBm，它就认为介质忙。如果PLCP测定适配头无误，目的接收地址是本地地址，它将向MAC层通知帧的到来（发送PHY-RXSTART.indication原语）。同时还发送帧适配头的一些信息（如字节数、RSSI和数据率）。

PLCP根据PSDU（PLCP服务数据单元）适配头字段长度的值，来设置字节计数器。计数器跟踪接收到的帧的数目，使PLCP知道帧什么时间结束。PLCP在接收数据的过程中，通过PHY-DAT .indication信息向MAC层发送PSDU的字节。接收到最后一个字节后，它向MAC层发送一条PHY-RXEND.indication原语，声明帧的结束。