「计网」08-无线局域网
Chapter8 - 无线局域网
本章最重要的内容是：
(1) 无线局域网的组成，特别是分配系统DS (Distribution System)和接入点AP (Access Point)的作用。
(2) 无线局域网使用的CSMA/CA协议(弄清与载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD的区别)和无线局域网MAC帧使用的几种地址。
(3) 移动用户在移动时怎样保持IP地址不变。
(4) 蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择问题。
8.1 概述
IEEE802系列局域网标准
- IEEE 802.1a 综述与体系结构
- IEEE 802.1b 寻址、互联、管理
- IEEE 802.2 逻辑链路控制(LLC)
- IEEE 802.3 CSMA/CD介质访问控制(MAC)与物理层技术规范
- IEEE 802.3u 快速以太网(Fast Ethernet)
- IEEE 802.3z 千兆以太网(Gigabit Ethernet)
- IEEE 802.4 Token Bus介质访问控制与物理层技术规范
- IEEE 802.5 Token Ring介质访问控制与物理层技术规范
- IEEE 802.11 无线局域网介质访问控制与物理层技术规范
802.11网络有两种使用模式
- 基础设施模式/有架构模式(Infrastructure mode)
- 每个客户端与一个接入点(AP—Access Point)连接，接入点与其他网络连接
- 几个接入点可通过有线网络连接形成扩展的802.11网络
- 自组织网络模式(ad hoc mode)
- 多台计算机相互连接形成网络，相互间发送帧
- 无接入点
- 基础设施模式/有架构模式(Infrastructure mode)
一、基础设施模式/有架构模式
基础设施模式/有架构模式(Infrastructure mode)
- 基本服务集(BSS, Basic Service Set)：
- 一个基站(即AP) + 若干个移动站
- BSS内的站之间可通信，与BSS外的通信需通过基站进行
- 每个AP分配一个 ≤32 字节的服务集标识符SSID和一个信道
- SSID: Sevice Set Identifier ，相当于该基本服务集的名字
- 一个基本服务集BSS所覆盖的地理范围叫做一个基本服务区BSA (Basic Service Area)
- 基本服务区BSA和无线移动通信的蜂窝小区相似。无线局域网的基本服务区BSA的范围直径一般不超过100米。
- 基本服务集(BSS, Basic Service Set)：
关联(association)：移动站与AP建立连接，加入该基本服务集
移动站与AP建立关联的方法
- 被动扫描
- 移动站等待接收AP周期性发出的信标帧(beacon frame)
- 信标帧中包含有若干系统参数(如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等)
- 主动扫描
- 移动站主动发出探测请求帧(probe request frame)，等待 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)
- 被动扫描
重新关联(Reassociation)：移动站改变其首选AP，即加入另一BSS
- 移动站从一个BSS漫游至另一个BSS时
二、Wi-Fi与802.11
- Wi-Fi 是 Wireless fidelity(无线保真)的缩写，是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)拥有。
- 目的是改善基于IEEE 802.11的无线网络产品之间的互通性
- 一般认为，使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为Wi-Fi
- 热点(Hotspot)
- 在公共场所提供Wi-Fi接入Internet服务的地点
8.2 IEEE802.11的物理层
- 802.11协议栈 (与其他IEEE802协议类同)
- 客户端和AP的协议相同
- MAC子层决定如何分配信道
- LLC子层屏蔽IEEE802协议之间的差异，同时承上启下
- 无线频段
- 多数无线频段由政府管理和分配，需license才可使用
- 预留了无需许可即可免费使用的频段
- ISM频段：ISM—Industrial, Scientific, Medical
- 限制：发射功率 < 1Watt (WLAN一般不超过50mW)
- 802.11物理层的几种实现方法：
- 红外IR
- 早期，已很少使用
- 2.4GHz跳频扩频FHSS
- 早期，已很少使用
- 直序扩频DSSS
- IEEE80211b，速率11Mbps，广泛应用
- 正交频分复用(OFDM)
- 2003年，IEEE802.11g，速率54Mbps
- 多入多出(MIMO)+OFDM
- 2009年，IEEE802.11n，速率600Mbps
- 红外IR
8.3 IEEE802.11的MAC层
- 虽然CSMA/CD协议已成功地应用于使用有线连接的局域网，但无线局域网不能简单照搬CSMA/CD协议.
- 无线网络适配器的接收信号强度远小于发送信号强度，像CSMA/CD协议那样进行碰撞检测(边发送边听)比较困难
- 无线信号覆盖范围有限，即使能够进行碰撞检测，也可能检测不到碰撞。（隐蔽站问题）
WLAN使用CSMA/CA协议
- CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
- 由于无线网络的特性，难以像有线网络那样检测冲突，因此着眼于避免冲突
- 比CSMA/CD复杂得多
802.11的MAC层提供两种服务
- 分布协调功能 DCF：各站按照CSMA/CA协议竞争使用信道
- DCF需要考虑的问题：如何尽可能减少冲突
- 点协调功能 PCF：集中控制方法，由AP逐个轮询各站发送数据，避免了碰撞的产生
- 分布协调功能 DCF：各站按照CSMA/CA协议竞争使用信道
802.11的载波监听机制
- 物理载波监听：简单地检查信道看是否存在有效的信号
- 虚拟载波监听：802.11特有的机制
- 发送站将它要占用信道的时间放在发送帧中，其他站在收到该信息后，将不在这一段时间内发送数据，冲突概率大大减少
- 该时间放置在MAC帧 “**持续时间(Duration)**”字段
- 本帧结束后还要占用信道多少时间(单位: 微秒)，包括确认帧所需时间
- “虚拟载波监听”的意思是：其他站并没有监听信道，而是在收到发送站的通知后才不发送数据
- 网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)
- 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 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。
使用CSMA/CA的虚拟信道监听
- RTS/CTS机制与NAV配合使用，防止隐藏站在同一时间发送，减少冲突
- A向B发送数据帧之前，先发送一个RTS帧(请求发送，Ready to send)
- B如果收到此请求，返回一个CTS帧(允许发送，Clear to send)
- A开始发送数据帧，并启动一个ACK计时器
- B收到数据帧后，返回一个ACK
- 如果ACK计时器超时而未收到ACK，则认为发生了冲突，后退后重新启动发送
- 如果C、D是隐藏站，就会收到RTS或CTS，由此更新自己的NAV，并在此段时间内停止发送
帧间间隔(InterFrame Space)
- IEEE 802.11e，2005年，扩展了CSMA/CA
- 一帧发出后，需要保持一段时间的空闲，任何站才可以发送帧
- 为不同类型的帧定义了不同的时间间隔
- SIFS: Short IFS，短帧间间隔，用于CTS、ACK等帧
- DIFS: DCF IFS，DCF帧间间隔，用于DCF模式下数据帧
- AIFS1/AIFS4: Arbitration IFS，不同优先级的帧
- EIFS: Extended IFS，收到坏帧时报告问题
- 帧间间隔机制使得在竞争式发送时，高优先级帧可以优先发送
CSMA/CA的退避算法
- 一个站要发送数据时，检测到信道空闲后，退避一段时间再检测信道并发送 (注：退避时间与帧间间隔不同)
- 使用二进制指数退避算法：
- 第i次退避：在 $2^{2+i}$个时隙中随机选择，即：{0, 1, …, $2^{2+i}-1$ }
- 第1次退避：退避时间0—7个时隙
- 第2次退避：退避时间0—15个时隙
- 站点每过一个时隙就检测一次信道：
- 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时
- 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时
- CSMA/CA主要特性总结
- 发送前退避
- 同时检测到信道空闲的站退避时间长度不同
- 发送站/接收站之间RTS/CTS握手
- 使隐藏站得知数据传输
- 虚拟载波监听与NAV配合使用
- 等待站无须持续监听信道
- 接收站正确接收数据帧后，需返回ACK帧
- 使发送站知道是否发生冲突
- 不同类型的帧设置不同的帧间间隔
- 控制帧等高优先级帧能更快地发送出去
- 发送前退避
8.4 IEEE802.11的帧结构
- 802.11的帧分为三种类型：数据帧、控制帧、管理帧
- 802.11的数据帧由以下三大部分组成：
- MAC首部，共30字节。帧的复杂性都在帧的MAC首部。
- 帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312字节。
- 帧检验序列FCS是MAC尾部，共4字节。
一、关于 802.11 数据帧的地址
- 帧控制(Frame control)：包含11个子字段
- Version: 协议版本
- Type和Subtype: 帧类型(数据、控制、管理)和子类型(如RTS、CTS等) – To DS和From DS: 该帧是发送到或是来自于AP连接的网络
- More Fragment: 分片传输用
- Retry: 是否是重传帧
- Power management: 指明发送方进入节能模式
- More data: 发送方还有更多的帧需要发送
- Protected frame: 该帧数据部分是否被加密
- Order: 告诉接收方高层是否按顺序处理帧序列
- 持续时间(Duration)
- 本帧及ACK帧将占用信道时间(单位:微秒)
- 其它站根据该字段调整NAV，进行虚拟载波监听
- 地址(Address)：
- 连续3个字段，802标准地址(即MAC地址)
- 网内两个站之间通信需通过AP，涉及三个地址
二、序号控制字段、持续期字段和帧控制字段
- 帧序号(Sequence)：2字节，用于重复帧的检测
- 数据(Data)：帧的有效载荷
- 帧中数据最多2312字节
- 一般小于1500字节
- 帧校验(Frame check sequence)：32位CRC校验
- 管理帧格式与数据帧相同，数据内容依管理帧类型而不同
- 控制帧较短，只有一个地址，没有数据
8.5 IEEE802.11的安全性
第一代安全协议：WEP(Wired Equivalent Privacy)
- 各方面安全性都存在缺陷
- 通过异或操作加密数据，密钥分配较弱导致输出经常重复
- 通过32位CRC实现完整性保护，防攻击能力很弱
- 2002年被首次攻破
- 目前使用免费软件可在很短时间内破解WEP
- 各方面安全性都存在缺陷
在此背景下，802.11i组仓促上马
- 2003年推出WPA(WiFi Protected Access)
- 2004年推出WPA2，成为正式标准
- WPA是802.11i的子集
同一时期，中国推出了WAPI(Wireless LAN Authentication and Privacy Infrastructure)，强制性国家标准，原理与802.11i相似
移动站在通过AP发送帧之前须进行认证(authentication)
- 如果802.11网络是开放(open)的，可直接通信，无需认证
- 否则必须进行认证
WPA2的两种认证方式
- 有认证服务器
- 配置认证服务器，存有用户名和口令数据
- 使用802.1x实现认证
- 适用于企业
- 无认证服务器
- 移动站和AP间使用预共享密钥(preshared key)进行认证
- 适用于家庭和小型应用场合
- 有认证服务器
认证握手过程：4次握手
- AP发出一个随机数(nonce)用于识别(nonce: 仅使用一次的临时值)
- 客户端选取自己的临时值nonce，并用其nonce、MAC地址、AP的MAC地址、主密钥作为参数计算会话密钥KS ，客户端将自己的临时值和消息完整性检查值(MIC)发送给AP
- AP分发一个组密钥KG，用于后续的广播和组播
- 客户端确认组密钥
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