网络通信

1．IEEE 802.11标准

    1997年，IEEE 802.11无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。IEEE802.11 标准除了介绍无线局域网的优点及各种不同性能外，还使得各种不同厂商的无线产品得以互联。另外，标准使核心设备执行单芯片解决方案，降低了采用无线技术的造价。IEEE802.11 标准的颁布，使得无线局域网在各种有移动要求的环境中被广泛接受。

    IEEE802.11 标准在1997 的版本中主要对网络的物理层和媒质访问控制层(MAC) 进行了规定，其中对MAC 层的规定是重点。各厂商的产品在同一物理层上可以互操作，而逻辑链路控制层(LLC) 是一致的，即MAC 层以下对网络应用是透明的。

    在MAC 层以下，IEEE802.11 规定了三种发送及接收技术：两种采用射频技术——扩频(Spread Spectrum) 技术和窄带(Narrow Band) 技术，频带为2400～2483.5MHz；另一种是红外(Infrared)技术，用红外光来传输。而扩频又分为直接序列扩频技术(DSSS) 和跳频(Frequency Hopping, FH) 扩频技术。

    2000年8月，802.11标准得到了进一步的完善和修订，并成为IEEE/ANSI 和ISO/IEC 的一个联合标准。ISO/IEC 将该标准定为ISO 8802 11。这次802.11标准的修订内容包括用一个基于SNMP 的MIB 来取代原来基于OSI 协议的MIB。另外，还增加了两项新内容：
（1）IEEE802.11a。它扩充了标准的物理层，规定该层使用5GHz 的频带。该标准采用正交频分调制数据，传输速率范围为6～54Mb/s。这样的速率既能满足室内的应用，也能满足室外的应用。
（2）IEEE802.11b。它是IEEE802.11 标准的另一个扩充，它规定采用2.4GHz 频带，调制方法采用补偿码键控(CKK)。CKK来源于直接序列扩频技术，多速率机制的介质接入控制(MAC)确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限时，传输速率能够从11Mb/s 自动降到5.5Mb/s，或者根据直接序列扩频技术调整到2Mb/s和1Mb/s。

    IEEE802.11b对无线局域网通信的最大贡献是可以支持两种速率——5.5Mb/s和11Mb/s。要做到这一点，就需要选择DSSS作为该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反FCC规定的前提下，采用跳频技术无法支持更高的速率。这意味着IEEE802.11b系统可以与速率为1Mb/s和2Mb/s的IEEE802.11 DSSS系统交互操作，但是无法与1Mb/s 和2Mb/s的IEEE802.11 FHSS系统交互操作。

    5GHz频带的IEEE802.11a不是使用2.4GHz频带的扩展频谱技术，而是已发展到名叫正交频分多路复用(OFDM)的复杂技术，该技术可帮助提高速度和改进信号质量，并可克服干扰。扩展频谱技术必须以直接序列发送信号，而OFDM技术与之不同，它可打破无线信道，将其分成以低数据速率并行传输的分频率。OFDM技术然后可把这些频率一起放回接收端。这一方法可大大提升无线局域网的速度和整体信号质量。

    扩频技术是扩展频谱技术的简称，它早在40年代就提出来了，但真正对该技术的研究是50年代中期从美国开始的。同目前在无线通信中应用最多的短波或超短波窄带无线通信相比，窄带无线通信抗干扰性差，信息传输速率慢，而扩频技术具有抗干扰性强、通信速率高等优点。

    扩频技术是利用开放的ISM 2.4GHz 频段。也正是由于这个2.4 ～2.484GHz 频段无需申请许可证( 但发射功率受限制)，因而此频段很拥挤，微波噪声最大，采取何种发送及接收技术，都将直接影响到微波传输的速率和质量。

    如上文所述，扩频技术最常用的有两种：直接序列扩频技术和跳频扩频技术。比较而言，直扩采取主动占有方式，跳频是被动适应。直扩技术同时使用整个子频段，信号被扩展多次而无损耗；跳频技术是连续间断跳跃使用多个频点，当跳跃至某个频点时，判断该频点是否有噪声干扰，若无则传输信号，若有则依据算法跳至下一频点继续判断。直序扩频技术具有如下技术特性： A ，抗干扰能力强 ，任何窄带干扰或单频干扰进入这种接收机后,都因受本地码“扩展”变成宽频带信号而被抑制。因此,扩展信号带宽B2与信息滤波器带宽B1的比值越大,对干扰的抑制越强。 B，抗多径干扰能力强 ，无线电波遇到各种反射体会产生反射波和折射波,这些反射波与折射波会使原信号产生波形展宽、波形重迭和畸变,这些被称为多径干扰。多径干扰是常规通信难以解决的问题，直扩技术具有很强的抗多径干扰能力。 C，多址通信能力强，常用的通信多址方式有频分多址通信(FDMA)、时分多址通信(TDMA)和使用扩频技术的码分多址通信(CDMA)。扩频通信发射占用很宽的频带,要提高频带利用率,就必须提高扩频通信的多址能力,扩频码分多址是各用户使用相互正交的或接近正交的扩频编码,实现多址通信。 D，有很强的隐蔽性和保密性 ，干扰容限是扩频系统能在多大干扰环境下还能正常工作的能力,只要干扰信号不超过干扰容限,系统就能保证可靠的信号接收。DSSS系统信号电平可以完全淹没在噪声电平之中,即直扩系统可以工作在负信噪比环境下,因此该系统发射功率可以很小,信号很微弱,这样微弱的扩频信号也就很难被发现,同时系统又采用了难以被破译的很特殊的扩频码,所以该系统有很好的隐蔽性和保密性。 E，安全机制 ，IEEE802.11b提供了MAC层的访问控制和加密机制，这就是所谓的有线等价保密，其目标是为无线局域网提供与有线网络相同级别的安全保护。在数据加密方面，IEEE802.11b标准提供了可选的RSA 40 位长的共享密钥RC4 PRNG算法。

2．IEEE 802.11协议的重要规定

    由于无线局域网传输介质（微波、红外线）的限制，客观上存在一些全新的技术难题，为此，IEEE 802.11 规定了一些至关重要的技术机制。
（1）CSMA/CA 协议
    总线型局域网在MAC 层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此IEEE802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/ 避免冲撞（CSMA/CA）。一方面，载波侦听查看介质是否空闲；另一方面，通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，则优先发送。不仅如此，为了系统更加稳固，IEEE802.11 还提供了带确认帧ACK 的CSMA/CA。
（2）RTS/CTS 协议
    RTS/CTS 协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端“问题。
（3）信包重整
    当传送帧受到严重干扰时，必定要重传。因此若一个信包越大，所需重传的耗费也就越大；这时，若减小帧尺寸，把大信包分割为若干小信包，即使重传，也只是重传一个小信包，耗费相对小的多。这样就能大大提高无线网在噪声干扰地区的抗干扰能力。
（4）多信道漫游
    传输频带是在接入设备AP（Access Point）上设置的，基站不须设置固定频带，并且基站具有自动识别功能。基站动态调频到AP 设定的频带，这个过程称之为扫描。IEEE 802.11 定义了两种模式：被动扫描和主动扫描。被动扫描是指基站侦听AP 发出的指示信号，并切换到给定的频带；主动扫描是指基站提出一个探试请求，接入点AP 回送一个含频带信息的响应包，基站就切换到给定的频带。

3．802.11技术的优点

（1）可靠的通信。该技术抗射频干扰性能强，具有理想的接收灵敏度，宽范围天线能够提供强大的、可靠的无线传输；
（2）低成本。使用无线局域网可以避免安装线缆的高成本费用、租用线路的月租费用以及当设备需要移动而增加的相关费用；
（3）灵活性。由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲地增加工作站或重新配置工作站；
（4）移动性。无线局域网设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，不需要指定明确的访问地点，因此用户可以在网络中漫游；
（5）高吞吐量。无线局域网也可以实现11Mbps 的数据传输速率，这个数字高于T1、E1 线路的速率；
（6）快速安装。无线局域网的安装工作非常简单，它无需施工许可证，不需要布线或开挖沟槽，安装时间只有安装有线网络时间的零头。

4．HiperLAN2标准

    基于IEEE802.11标准的无线局域网产品所提供的带宽从1Mb/s到11Mb/s不等。但是，现在这些无线网络产品在性能上还远远不能与传统的固定网络产品相比，这就使得如今的无线网络在性能方面与采用GSM、AMPS等技术的广域蜂窝网络似乎并没有实质性的区别。尽管也支持一些速率较低的数据通信，但这些无线网络的最主要的应用还是支持话音服务。

    为了满足未来的Internet/Intranet访问的需求，业界正在开发新一代的WLAN和蜂窝网络技术，这些新一代的技术将在QoS、安全及性能方面进行改进。HiperLAN2最引人注目之处是它能够在5GHz的频段上运行，而传统的无线局域网技术大多使用IEEE802.11标准的2.4GHz频段。另外，HiperLAN2和IEEE 802.11a具有相同的物理层，因此它们可以共享相同的部件，从而降低成本。HiperLAN2标准已经在2000年底被最终确定下来。

    欧洲电信标准协会（ETSI）正在开发HiperLAN标准，包括四种标准：HiperLAN1、HiperLAN2、设计用于户内无线骨干网的HiperLink 以及设计为用于固定户外应用访问有线基础设施的HiperAccess。HiperLAN1提供了一条实现高速无线局域网连接、减少无线技术复杂性的快捷途径，并采用了在GSM蜂窝网络和CDPD中广为人知并广泛使用的高斯最小移频键控（GMSK）调制技术。HiperLAN2 则采用了正交频分复用（OFDM）的技术。

5．HiperLAN2功能

    HiperLAN2定义了检测功能和转换信令，以支持许多无线网络功能，包括动态频率选择（DFS）功能、链路自适应、无线信元转换、多束天线和功率控制等。

（1） 动态频率选择
    该功能允许几个网络提供商共享可用的频谱，并且可以用来避免频率之间的相互干扰。每个AP(访问点)是通过由AP以及和它相关的MT(移动终端)执行的过滤干扰计量来进行频率选择的。

（2）链路自适应
    为了满足各种无线传输服务质量的需要，在信扰比（C/I）方面，HiperLAN2使用了一个链路自适应方案。C/I的变化范围根据HiperLAN2 系统部署的位置而定，而且，根据周围无线信元中的通信状况，C/I可以进行变化。链路自适应方案根据链路的质量计量它适应物理层的程度。因此，网络可以动态地为每一个被发射的MAC帧选择SCH（短传输信道）和LCH（长传输信道）。

（3）天线
    HiperLAN2中支持多束天线，这样可以增加无线网络的C/I比，提高无线网络的性能。HiperLAN2中的MAC协议和帧结构允许使用7束天线。

（4）转换
    转换方案是由MT启动的，也就是说，每一个MT 都对周围的AP进行必要的检测，并选择最适合的AP进行通信。转换检测方法并没有在HiperLAN2标准中进行定义，因此，有的厂商根据信号的强度进行转换，也有的厂商根据其他的质量标准进行转换。HiperLAN2标准定义了必要的信令来完成这种转换。

（5）功率控制
    HiperLAN2在MT（上行链路）和AP（下行链路）中都支持发射机功率控制。MT功率控制主要用于简化AP接收机的设计。AP功率控制是HiperLAN2标准的一部分。

6． HiperLAN2的主要特点

HiperLAN2技术的主要特点包括以下几个方面：
（1）高传输速率
    HiperLAN2具有很高的传输速率，它的物理层传输速率最高可达到54Mbps，第三层的传输速率最高可达到25Mbps。为了实现这样高的速率，HiperLAN/2利用OFDM的调制方法来发射模拟信号。OFDM在时间分散的环境（如办公室中）是非常有效的，这些地方发射的无线信号可能会被许多点反射，使得它们在最终到达接收方以前会产生不同的传播时间。在物理层上面，HiperLAN2使用了全新的媒体控制层（MAC）协议，它使用一种动态时分双工技术来最有效地利用无线资源。

（2）面向连接
    传统的无线网络都是非连接的。在HiperLAN2网络中，需要先使用HiperLAN/2控制板的信令功能，在MT和AP之间建立连接，然后才能进行数据传输。连接是使用无线接口时分多址复用技术建立的。HiperLAN2中使用的连接有两类，即点对点的连接和单点对多点的连接。点对点连接是双向的，而单点对多点的连接是单向的，即只指向移动终端MT。除此之外，还有一个专用的广播信道用于从一个AP将数据发射到所有的终端MT。

（3）QoS支持
    HiperLAN2面向连接的特性使它很容易满足QoS要求，可以为每个连接分配一个指定的QoS，确定这个连接在带宽、延迟、拥塞比特错误率等方面的要求。在HiperLAN2中还有可能使用一个更加简单的方法，即每个连接可以分配一个不同的优先级标记。这种QoS支持与高传输速率一起保证了不同的数据序列（如视频、话音和数据等）可以同时进行高速传输。

（4）自动频率分配

    在HiperLAN2网络中，不需要像在蜂窝网络那样手工规划频率。无线基站（在HiperLAN2中被称为访问点AP）本身支持为每个AP 在覆盖范围内进行的传输选择最适当的无线信道。每一个AP都监视邻近的AP以及HiperLAN2环境中的其他无线资源，并且根据无线信道已经被其他AP占用和把对无线网络环境的干扰降到最低这两个原则，选择最适当的传输信道。

（5）安全支持
    HiperLAN2支持认证和加密。通过使用认证机制，AP和MT可以相互进行认证，以确保对网络的授权访问（从AP的角度看），或者确保对有效的网络提供商的访问（从MT的角度看）。HiperLAN2中的认证机制要依赖一些其他支持功能（如目录服务等），但这些支持功能本身并不包括在HiperLAN2技术里。用户在已经建立的连接上进行通信时，可以使用加密技术来防止实时窃听和中间人的攻击。

（6）移动性支持
    MT将能够自动从最近的AP发射和接收数据。更确切地讲，MT使用的AP所提供的无线信号具有最佳的信噪比。因此，当用户和MT移动时，MT 有可能检测到有另外一个比当前正在使用的AP具有更好的无线传输性能的AP。此时，MT将自动转换到这个AP上。所有原来已经建立的连接都将被转移到这个新的AP上，使得MT仍然处于HiperLAN2网络上，因此不会导致通信的中断。不过，在转换期间可能会发生一些丢包现象。
    如果一个MT在某段时间里超出了无线HiperLAN2 的覆盖范围，MT可能断开与HiperLAN2网络的联系，这会使得所有原有的连接都被释放出来。

（7）网络和应用独立
    HiperLAN2协议栈具有一个灵活的结构，因此很容易与多种固定网络进行适配和集成。如一个HiperLAN2网络可以被用于一个交换式以太网的最后一段，但它也可能被用于其他的配置，如作为对第三代蜂窝网络的一个访问网络。所有今天可以在固定网络中运行的应用都可以在HiperLAN2网络中运行。

（8）功耗低
    在HiperLAN2中，MT节省功耗的机制是基于MT 启动的休眠期状态。MT可以在任意时刻请求AP进入一种低功率休眠状态，而且可以确定这一状态的时间。当协商好的休眠期满时，MT搜索是否有AP发出的唤醒指示。如果没有搜索到唤醒指示，MT将重新转换到低功率状态进入下一个休眠期。在休眠期间，AP将延迟所有等待的数据传输任务，直到MT中结束相应的休眠期为止。HiperLAN/2支持不同的休眠时间，这样可以满足用户对短延迟或低功率等不同的需求。

（9）自动频率管理
    HiperLAN2的一项特别具有创新精神的特性是自动频率管理，这一特性大大简化了部署。为提供连续的覆盖区域，接入点需要有重叠覆盖区域。服务区域范围一般在室内为30米，在无障碍环境中为150米。接入点对周围的HiperLAN无线信道进行监控，并自动选择未使用的信道，这一特性消除了对频率规划的需要，使部署变得相对简单。无线局域网的应用、标准的制定、技术的进步，都是为了更好的应用。无线网的应用很广，当布线有困难，或租用专线感到太贵和不方便时，就可以考虑使用无线网。

一般说来，无线局域网有以下几种组网方式： A，对等方式 ，对等方式下的局域网，不需要单独的具有总控接转功能的接入设备，所有的基站都能对等地相互通信。 B，接入方式 ，这种方式以星型拓扑为基础，以接入点为中心，所有的基站通信要通过接入点接转，相当于以无线链路作为原有的基干网或其中一部分。相应地在MAC 帧中，同时有源地址、目的地址和接入点地址。通过各基站的响应信号，接入点能在内部建立一个像路由表那样的桥接表，将各个基站和端口一一联系起来。当接转信号时，接入点就通过查询桥接表进行。 C，中继方式， 中继是建立在接入原理之上的，它以两个点对点链接。由于独享信道，这种方式较适合两个局域网的远距离互连（架设高增益定向天线后，传输距离可达到几十公里），局域网既可以是有线，也可以是无线。

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