1、IEEE802.11/IEEE802.15.4協(xié)議,2020/8/28,1,目錄,IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 概述 物理層解析 MAC層解析 IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 概述 物理成解析 MAC層解析,2,IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),概述 802.11系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 無線局域網(wǎng)（WLAN） 物理層 MAC層,3,概述,IEEE802.11是最初制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到2Mbps。由于802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE小組又相繼推出了802.11b和

2、802.11a兩個新標(biāo)準(zhǔn)。三者之間技術(shù)上的主要差別在于MAC子層和物理層，隨后又推出了802.11g和802.11n標(biāo)準(zhǔn)。,IEEE802.11,4,802.11系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,802.11，定義微波和紅外線的物理層和MAC子層（2.4GHz，2Mbit/s，1997） 802.11a，定義了微波物理層及MAC子層（5GHz，54Mbit/s，1999） 802.11b，物理層補充DSSS（2.4GHz，11Mbit/s，1997） 802.11b+，物理層補充PBCC（2.4GHz，11Mbit/s，2002） 802.11c，關(guān)于802.11網(wǎng)絡(luò)和普通以太網(wǎng)之間的互通協(xié)議（2000）

3、802.11d，關(guān)于國際間漫游的規(guī)范（2000） 802.11e，對服務(wù)等級QoS的支持（2004） 802.11f，基站的互聯(lián)性（2003） 802.11g，物理層補充OFDM（2.4GHz，54Mbit/s，2003） 802.11h，擴展物理層和MAC子層標(biāo)準(zhǔn)（5GHz，歐洲，2003） 802.11i， 安全和鑒權(quán)方面的補充（2004） 802.11j，擴展物理成和MAC子層標(biāo)準(zhǔn)（5GHz，日本，2004） 802.11k，基于無線局域網(wǎng)的微波測量規(guī)范（2005） 802.11m，基于無線局域網(wǎng)的設(shè)備維護規(guī)范（2006） 802.11n，導(dǎo)入MIMO技術(shù)（2.4G/5GHz，100-3

4、00Mbit/s,2007）,IEEE802.11,5,IEEE802.11在無線網(wǎng)絡(luò)中的位置,IEEE802.11,6,WLAN,WLAN (Wireless Local Area Network ) 是指傳輸范圍在 100米左右的無線網(wǎng)絡(luò)，它的推動聯(lián)盟為 Wi-Fi Alliance （目前都以 Wi-Fi 產(chǎn)品的稱呼來形容 802.11 的產(chǎn)品），可用于單一建筑物或辦公室之內(nèi)，需要使用WLAN的場合主要包括： (1)不方便架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境; (2)使用者時常需要移動位置; (3)臨時性的網(wǎng)絡(luò)。,802.11 WLAN主要面向兩種應(yīng)用類型： (1) 接入：無線站點通過無線接入設(shè)備訪問企業(yè)

5、網(wǎng)絡(luò) (2) 中繼：利用無線信道作為企業(yè)網(wǎng)的干線，用于大樓(LAN)與大 樓(LAN)之間的數(shù)據(jù)傳輸,IEEE802.11,7,WLAN 協(xié)議 - IEEE 802.11,在實際使用上，通常會將WLAN和現(xiàn)有的有線局域網(wǎng)結(jié)合，不但增加原本網(wǎng)絡(luò)的使用彈性，也可擴大無線網(wǎng)絡(luò)的使用范圍，目前最熱門的 WLAN 技術(shù)就是 IEEE的802.11及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 802.11(1997.6)， 1或2Mbps， 工作在2.4GHz頻段或使用紅外(IR) IEEE 802.11a(1999), 54Mbps， 12個信道，最多8個互不重疊，工作在5GHz頻段 IEEE 802.11b(1999.9

6、), 11Mbps ， 11個信道，最多3個互不重疊，工作在2.4GHz頻段 IEEE 802.11g(2003.6), 54Mbps， 11個信道，最多3個互不重疊，工作在2.4GHz頻段 （802.11g兼容802.11b）,IEEE802.11,8,802.11b/g 互不重疊信道的選擇,中國規(guī)定使用111信道。由上圖可知，某信道的信號傳送時會與相 鄰的多個信道產(chǎn)生重疊，若在同一個空間建立多個BSS/IBSS時，要讓它們所用的信道不會互相重疊而產(chǎn)生干擾。在同一個空間最多只能使用1、6、11這三個信道，若選用其他信道，最多只能有2個互不干擾的信道。,IEEE802.11,9,同一空間多信道

7、的使用增加了帶寬,IEEE802.11,10,WLAN 的組成,兩種類型的 WLAN ： 1. Infrastructured 網(wǎng) （有固定基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)） 2. Ad Hoc 網(wǎng) （特定網(wǎng)絡(luò)，或稱自組網(wǎng)絡(luò)，無固定基礎(chǔ)設(shè)施）,IEEE802.11,11,BSS（基本服務(wù)集）,IEEE802.11,12,ESS（擴展服務(wù)集）,屬 Infrastructured 網(wǎng) ( DS:分配系統(tǒng)，AP：接入點， SSID：ESS擴展服務(wù)集標(biāo)識符。一個移動節(jié)點使用某 ESS 的 SSID 加入到該擴展服務(wù)集中，一旦加入ESS，移動節(jié)點便可實現(xiàn)從該ESS的一個BSS到另一個BSS的漫游),IEEE802.11,

8、13,WLAN、LAN、Internet 連接,Portal：門橋(作用相當(dāng)于網(wǎng)橋) DS：分配系統(tǒng)(可以是以太網(wǎng)、點對點鏈路或其它無線網(wǎng)),IEEE802.11,14,移動自組網(wǎng) (Mobile Ad hoc network),移動自組網(wǎng)（MANET），無基礎(chǔ)設(shè)施，沒有基本服務(wù)集中的接入點 AP， 而是由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網(wǎng)絡(luò)。移動自組網(wǎng)絡(luò)中的每一個移動設(shè)備都具有路由器的轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能。,自組網(wǎng)絡(luò),A,E,D,C,B,F,源結(jié)點,目的結(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,IEEE802.11,15,IEEE802.11的物理層,WLAN 傳輸方式有 紅外線 (Inf

9、ra Red, IR) 和 無線電射頻 兩種 紅外系統(tǒng)的優(yōu)點：不受無線電干擾；視距傳輸，檢測和竊聽困難，保密性好。缺點是：對非透明物體的透過性極差，傳輸距離受限；易受日光、熒光燈等干擾；半雙工通信。 無線電射頻系統(tǒng)采用 擴頻 (Spread Spectrum) 技術(shù)進行調(diào)制。擴頻技術(shù)的頻率范圍開放在 ISM 頻段，此頻段不需申請： Industry: 902 928 Mhz (26MHz) Science: 2.42.4835 GHz (83.5MHz) Medicine: 5.155.35 GHz and 5.7255.825 GHz (300MHz) 擴頻技術(shù)主要又分為 跳頻 和 直接序列

10、 兩種技術(shù)。,IEEE802.11,16,FHSS （跳頻擴頻）,IEEE802.11,17,FHSS 的發(fā)送與接收,IEEE802.11,18,DSSS（直接序列擴頻）,IEEE802.11,19,DSSS 的發(fā)送與接收,IEEE802.11,20,使用擴頻技術(shù)的好處,擴頻是一種在信號傳輸前先將信號的帶寬進行擴展的技術(shù)。采用擴頻的好處是： 抗干擾。若使用窄頻，容易受到使用相同頻率的通信 干擾導(dǎo)致完全無法通信(“蓋臺”) 對于非特定的目的接收器，擴展了帶寬的信號混在背 景噪聲中，讓蓄意想偵聽竊取數(shù)據(jù)資料的人不易判別 真正的信號，避免了他人的截聽 提供了供多個用戶使用同一傳輸波段的方法，保證了

11、無線設(shè)備在頻段上的可用性和可靠的吞吐量，也保證 使用同一頻段的設(shè)備不互相影響。,IEEE802.11,21,IEEE 802.11 PHY,IEEE802.11,22,距離越遠(yuǎn)、信號越弱、速率越低,802.11b 采用了動態(tài)速率漂移 技術(shù)，可以根據(jù)環(huán)境噪聲變化對 傳輸速率進行自動調(diào)整。 在理想情況下，發(fā)送節(jié)點以最 高速率11Mb/s進行發(fā)射。當(dāng)設(shè)備 移動到覆蓋范圍之外，或者出現(xiàn) 重大干擾時，發(fā)送節(jié)點將自動逐 次降低速率，以 5.5Mb/s、2Mb/s 或1Mb/s等速率 進行發(fā)射。 類似地，如果無線設(shè)備從低速 率環(huán)境進入高速率環(huán)境，發(fā)射速 率將會隨之自動逐次提高。這種 動態(tài)速率漂移技術(shù)對上層協(xié)

12、議是 透明的。,使用不同的調(diào)制方法，得到不同的速率。,IEEE802.11,23,802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的 MAC層,無線局域網(wǎng)雖然也是多個站點共享無線信道，卻不能簡單地搬用以太網(wǎng)的 CSMA/CD 協(xié)議，這里主要有兩個原因： CSMA/CD 協(xié)議要求一個站點在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實現(xiàn)這種全雙工功能花費過大； 即使我們能夠在發(fā)送的同時實現(xiàn)沖突檢測的功能，并且當(dāng)我們在發(fā)送數(shù)據(jù)時檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生沖突。,IEEE802.11,24,802.11 MAC,MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集 BSS 中的移動站在什么時間能發(fā)送數(shù)

13、據(jù)或接收數(shù)據(jù)。,IEEE802.11,25,802.11 MAC 使用 DCF 或 PCF,分布協(xié)調(diào)功能 DCF -爭用服務(wù)（必選項） ( Distributed Coordination Function ) DCF 在每一個結(jié)點使用 CSMA 機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此 DCF 向上提供爭用服務(wù)。 點協(xié)調(diào)功能 PCF -無爭用服務(wù)（可選項） ( Point Coordination Function ) PCF 使用 AP 集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個站從而避免了沖突的產(chǎn)生,IEEE802.11,26,802.11 MAC: CSMA,802

14、.11 CSMA 發(fā)送站： - 如監(jiān)聽到信道空閑, 經(jīng)DIFS 時間后則發(fā)送整個幀（發(fā)送時不用沖突檢測） -如果監(jiān)聽到信道忙，則堅持監(jiān)聽到不忙時，經(jīng)DIFS 時間后進入競爭期，進行二進制指數(shù)退避（第 i 次退避時，在 2i+2 個時隙中隨機選擇一個），退避后重新嘗試發(fā)送 -如果發(fā)后未收到ACK(超時)，則重發(fā)幀 802.11 CSMA 接收站： - 如果接收正確，則在SIFS時 間后應(yīng)答一個 ACK幀,其它站點： 聽到信道上在發(fā)送數(shù)據(jù)，則推遲訪問信道 NAV(Network Allocation Vector)時間,IEEE802.11,27,802.11 MAC： CSMA,IEEE802.

15、11,28,802.11 MAC Q B發(fā)送CTS; A收到CTS后發(fā)送數(shù)據(jù); C監(jiān)聽到CTS，知道有節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，A和B數(shù)據(jù)傳輸時間C不會發(fā)數(shù)據(jù)包。,IEEE802.11,40,暴露終端問題解決方式,1、發(fā)送者發(fā)送 RTS。 2、接收者返回 CTS。 3、鄰居節(jié)點： 如果收到 CTS則保持安靜，不能傳輸數(shù)據(jù)。 如果只收到 RTS 而沒收到 CTS,可以傳輸數(shù)據(jù)。,IEEE802.11,41,802.11 MAC: CSMA/CA,計算隨機退避時 間(2i+2個時隙選 一）以再次重新 試圖接入信道,IEEE802.11,42,二進制指數(shù)退避 (Binary Backoff),當(dāng)信道從忙態(tài)變?yōu)?/p>

16、空閑時，任何一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不僅都必須等待一個 DIFS 間隔， 而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道， 這樣就減少了發(fā)生沖突的概率（當(dāng)多個站都打算占用信道時） 以下情況不使用退避算法： 當(dāng)一個站要發(fā)送的是它的第一個數(shù)據(jù)幀時， 并檢測到信道為空閑。 其余情況下，都必須使用退避算法。即： 在發(fā)送第一個幀之前檢測到信道為忙 在每一次的重傳后 在每一次的成功發(fā)送后,IEEE802.11,43,Binary Backoff,802.11使用的二進制指數(shù)退避算法（Binary Backoff）如下： 第 i 次退避時，在 2i+2 個時隙中隨機選擇一個。 例 第1次退

17、避在8個時隙中隨機選擇一個（而不是象以太網(wǎng)那樣第1次沖突后在2個時隙中選）； 第2次退避在16個時隙中隨機選擇一個（而不是象以太網(wǎng)那樣第2次沖突后在4個時隙中選）。 。 然后根據(jù)該時隙數(shù)設(shè)置一個退避計時器進行減1計時，當(dāng)計時器時間減小到0時就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。若時間還未減到0信道又變?yōu)槊?，則凍結(jié)該計時值重新等待信道變?yōu)榭臻e、再經(jīng)過時間DIFS后，繼續(xù)啟動退避計時器（從剩下的時間開始）。這樣規(guī)定有利于該繼續(xù)啟動計時器的站更早地接入信道中。,IEEE802.11,44,點協(xié)調(diào)功能 PCF （選項）,前面講的是： 分布協(xié)調(diào)功能 DCF CSMA/CA, 爭用服務(wù)（必選項） 所有的 AP 、STA都須具有

18、此功能 IEEE 802.11 還有： 點協(xié)調(diào)功能 PCF 無爭用服務(wù)（可選項） ( Point Coordination Function ), 某些 AP 有此功能。 具有該功能的 AP 使用集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個站，從而避免了沖突的產(chǎn)生。 可以用在時間敏感的服務(wù)場合，如音頻、視頻傳輸時； AP 通過使用短的幀間間隔 PIFS，可獲得優(yōu)先發(fā)送權(quán)； AP 有了優(yōu)先發(fā)送權(quán)，就可以輪流向各個無線站點發(fā)送查詢請求，從而控制無線介質(zhì)的訪問。,IEEE802.11,45,無線接入過程,STA (工作站）啟動初始化、開始正式使用 AP 傳送數(shù)據(jù)幀前，要經(jīng)過三個階段才能接入: (1)

19、掃描(SCAN) (2) 認(rèn)證(Authentication) (3) 關(guān)聯(lián)(Association),IEEE802.11,46,無線接入過程,無線接入第一階段 : 掃描（ SCAN ) 階段 若無線站點 STA 設(shè)成 Ad-hoc 模式： STA先尋找是否已有 IBSS（與STA所屬相同的SSID）存在，如有，則參加（join）；若無, 則會自己創(chuàng)建一個IBSS，等其他站來 join。 若無線站點 STA 設(shè)成 Infrastructure 模式： 1、主動掃描方式（特點：能迅速找到） STA 依次在11個信道發(fā)出 Probe Request 幀，尋找與STA所屬有相同SSID的AP，若找

20、不到有相同 SSID 的 AP，則一直掃描下去 2、被動掃描方式（特點：找到時間較長，但STA節(jié)電） STA被動等待AP 每隔一段時間定時送出的 Beacon 信標(biāo)幀，該幀提供了AP及所在BSS相關(guān)信息： “我在這里”,IEEE802.11,47,無線接入第二階段 : 認(rèn)證（Authentication）階段 當(dāng) STA 找到與其有相同 SSID 的 AP，在 SSID 匹配的 AP 中，根據(jù)收到的 AP 信號強度，選擇一個信號最強的 AP，然后進入認(rèn)證階段。只有身份認(rèn)證通過的站點才能進行無線接入訪問。802.11提供幾種認(rèn)證方法，有簡單有復(fù)雜，如采用802.1x/EAP認(rèn)證方法時大致為： S

21、TA向AP發(fā)送認(rèn)證請求 AP向認(rèn)證服務(wù)器發(fā)送請求信息要求驗證STA的身份 認(rèn)證服務(wù)器認(rèn)證完畢后向AP返回相應(yīng)信息 如果STA身份不符，AP向STA返回錯誤信息 如果STA身份相符，AP向STA返回認(rèn)證響應(yīng)信息,無線接入過程,IEEE802.11,48,無線接入第三階段 : 關(guān)聯(lián)（Association）階段 當(dāng) AP 向 STA 返回認(rèn)證響應(yīng)信息、身份認(rèn)證獲得通過后， 進入關(guān)聯(lián)階段。 STA 向 AP 發(fā)送關(guān)聯(lián)請求 AP 向 STA 返回關(guān)聯(lián)響應(yīng) 至此，接入過程才完成， STA 初始化完畢，可以開始向 AP 傳送數(shù)據(jù)。,無線接入過程,IEEE802.11,49,無線接入過程示意圖,Authen

22、tication Server,AP,STA,Probe Request,Probe Response, ,Probe Request,Probe Response,SSID,比較,Authentication Request,Authentication Response,Association Request,Association Response,掃描,認(rèn)證,關(guān)聯(lián),Y,IEEE802.11,50,802.11協(xié)議定義三類幀,數(shù)據(jù)幀 控制幀-RTS幀、CTS幀、ACK幀等 管理幀-Probe Request / Response幀(主動掃描時) Beacon幀(信標(biāo)幀, 被動掃描時 AP

23、 發(fā)出) Authentication Request / Response幀、 DeAuthentication幀(去掉認(rèn)證) Association Request / Response幀、 Disassociation幀(去掉關(guān)聯(lián)) ReAssociation Request / Response幀(從 ESS的一個BSS漫游到另一個BSS進行 重新關(guān)聯(lián)，以便新AP聯(lián)系老AP取得 原來的關(guān)聯(lián)信息),IEEE802.11,51,Data Frame Format,IEEE 802.11 無線MAC數(shù)據(jù)幀格式,IEEE802.11,52,Data Frame Format,FC:包括協(xié)議版本

24、、類型、子類型、去往DS、來自 DS、多分段標(biāo)記、重傳、功率管理、多數(shù)據(jù)標(biāo)記、WEP和排序 SC:包括序列號和分段號，其作用是指示MSDU或MMPDU的序列編號和內(nèi)部每個分段的編號 FCS:與以太網(wǎng)相同，由32位的CRC校驗碼組成，由MAC頭和幀體的全部字段計算得到,IEEE802.11,53,Addressing Mechanism: Case 1 ,A、B in the same IBSS，AB （ Ad hoc 無線自組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)幀的地址格式）,IEEE802.11,54,Addressing Mechanism: Case 2 ,從 AP 發(fā)出的無線數(shù)據(jù)幀中的地址格式,IEEE802.

25、11,55,Addressing Mechanism: Case 3 ,發(fā)到 AP 的無線數(shù)據(jù)幀中的地址格式,IEEE802.11,56,Addressing Mechanism: Case 4 ,通過無線分配系統(tǒng)傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)幀中的地址格式,IEEE802.11,57,IEEE 802.11 MAC/PHY 小結(jié),IEEE802.11,58,IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),概述,59,概述,802.15, 即IEEE用于無線個人域網(wǎng)(WPAN)的物理層和媒體接入控制層規(guī)范 IEEE 802.15 802.15.1為BlueTeeth（藍(lán)牙） 802.15.2為共存性 802.15.3為高數(shù)據(jù)傳輸率的WPAN 802.15.4為低數(shù)據(jù)傳輸率的WPAN IEEE802.15.4,IEEE802.15.4,60,802.15.4在無線網(wǎng)絡(luò)中的位置,61,802.15.4簡介,802.15.4強調(diào)的是省電、簡單、成本又低的規(guī)格。802.15.4的物理層（