CCNA_640-802新增无线部分[802.11无线局域网组网方式与移动性分析]

802.11 无线局域网组网方式与移动性分析 【摘要】本文讨论了 802.11 标准定义的无线局域网的两种组网结构 IBSS 和 ESS 的工 作原理，分析了它们的多地址帧结构在组网中的功能和作用，讨论了 MAC 协议对无线站点 的移动性支持方面的不足，以及在组建多跳无线网时需要进一步解决的问题。 【关键词】WLAN AP IBSS ESS BSSID SSID 802.11 无线局域网组网方式与移动性分析 Mao Yuming， Duan Jingshan， Yang Ning （School of Communication and Information Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054） 【Abstract】This paper describes the architecture and the operation of the IBSS and ESS adopted by IEEE 802.11 Standard, analyses the effect and the function of the multi-addresses frame structure to be used in networking, then discusses the insufficiency of the mobility of the MAC protocol and the future resolution should be adopted in multi-hop wireless network. 【Keywords】AP DS IBSS ESS BSSID SSID 1. 引言 无线互联网用户站点的自由移动始终是无线网络追寻的目标之一。本文主要讨论 802.11 标准规定的两种组网方式和站点的操作过程，分析 802.11 的 MAC 子层协议对无线站点移动 性的支持技术。通过本文的描述、讨论和分析，希望能对 802.11 标准的组网结构、工作过 程，特别是对无线站点移动的支持方面勾画出比较清晰的“图样”，对于采用 802.11 标准搭 建无线通信平台的无线多跳网络的研究将有所帮助，有所借鉴。 2. IEEE 802.11 标准简介 和其他的 IEEE 802.x 标准一样，802.11 标准着重定义物理层和介质访问控制（MAC） 子层。标准制定的物理层规范有三种：2.4GHz 频段的跳频扩频、2.4GHz 频段的直接序列扩 频和红外线。它们都具有 1Mpbs 和 2Mbps 的数据传输速率，并都服从同一个 MAC 层规范。 近年来 802.11 标准又扩展出 802.11b、802.11a、802.11g 等系列，这些扩展标准采用不同的 物理层技术，使通信速率提高到 11Mbps、22Mbps 至 54Mbps，但它们对于 MAC 层协议没 有重大改变。因此不论使用哪种物理层规范，符合 IEEE 802.11 标准的无线局域网在组网结 构、站点工作过程等方面都是相同的。 IEEE 802.11 标准（以下简称标准）定义了两种组网结构：独立基本服务组 IBSS （Individual Basic Service Set）和扩展服务组 ESS。独立基本服务组是一种对等网络形式， 所有站点在网络中通信的地位是平等的，也称为 Ad Hoc 组网形式。扩展服务组由多个基本 1 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie Administrator 下划线 Administrator 高亮 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 服务组（BSS）构成，每个 BSS 都有一个无线访问点 AP（Access Point）提供通信服务，类 似于以太网中的集线器（HUB），因此又被称为基础设施（infrastructure）网络，简称为 ESS 网络（Extended Service Set）。不同 BSS 通过 AP 之间的分布系统 DS（Distribution System） 互连，站点可以在多个 BSS 之间移动。 ＡＰ ＡＰ IBSS 组网 ESS 组网 BSS1 BSS2 DS 图 1 IEEE802.11 的两种组网方式 标准在介质访问方式方面定义了两种技术：分布式协调功能 DCF（Distributed Coordination Function）和点协调功能 PCF（Point Coordination Function）。DCF 是一种竞争 式共享信道技术，PCF 则是以协调点轮询的方式共享信道。IBSS 中的站点必须以 DCF 方式 访问信道，而 ESS 中的站点可以以 DCF 方式或在 AP 的协调下以 PCF 方式访问信道。不同 的介质访问方式对本文重点讨论的站点工作过程和移动支持没有重大影响。 IEEE802.11 的帧格式与以太网的帧格式相似，上层协议可以把 WLAN 当做以太网来使 用。而在无线信道上传送时，在以太网帧格式基础上进行了扩展，以适应无线信道工作方式。 IBSS 和 ESS 的帧扩展方式不一样，它们之间不能通信。 除了组网结构和介质访问方式外，标准还针对认证、保密、关联和管理等方面制定了规 范，其中管理、关联和帧格式对于组网和站点的工作过程将产生较大影响。 3. IBSS 网络 802.11 标准规定一个 IBSS 内的站点间的通信通过无线信道直接实现，不能直接通信时 使可以经由其他站点中继（多跳 Ad Hoc 组网），但标准没有定义中继站点的行为，认为该 行为不属于 MAC 子层功能的范围，应该由网络层来解决。因此，802.11 标准定义的 IBSS 结构的网络只能组成一个单跳的 Ad Hoc 网。所有站点应该全部处于相互的无线覆盖范围， 才能保证站点通过无线信道直接通信。 BSSID 在IBSS结构中，每个IBSS网络用一个BSSID来标识，每个站点属于一个IBSS，不同IBSS 的站点之间不能相互通信。在帧格式中，将常规的两地址结构扩展成了三地址结构，BSSID 作为第三个地址填写在MAC帧头中，如图 2所示。 DA SA BSSID Address1 Address2 Address3 DA SA BSSID Address1 Address2 Address3 2 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie 图 2 IBSS 帧地址字段格式 无线环境中不可能像有线信道那样不同的网络单元间具有明显的界限，必须依靠帧中的 BSSID 来区分不同 IBSS 的站点，这是一种从逻辑上区分不同基本网络单元的方法。站点只 接收具有相同 BSSID 的 MAC 帧，拒绝所有其它的 MAC 帧。所以，在组建多跳无线网络时， 需要将所有站点的 BSSID 设置为同一个值，否则当站点中继数据时，将会因为 BSSID 不同 而拒绝中继。 BSSID 的生成 当站点初始化后没有扫描到可以加入的网络时，站点将独自生成一个 BSSID，并等待 其它站点的加入。 BSSID 的同步 标准提供了站点之间自动协商 BSSID 的过程，即 BSSID 的同步（Synchronization）。该 过程一般发生在站点初始化或移动后准备加入一个新的 IBSS 中时。IBSS 中的站点定期发送 类型为 Beacon 的管理帧，其中包含一个 SSID 字段，内容为 0~32 字节的字符串。SSID 可 以看作是用户或网络管理员为网络取的名字，站点只能加入同名的网络。站点收到同名网络 的 Beacon 帧，就将 Beacon 帧的 BSSID（见上图）作为自己的 BSSID，这个同步过程也称 为被动扫描过程。站点也可以主动询问网络的 BSSID：站点主动发出具有 SSID 信息的 Probe Request 类型的管理帧；收到 Probe Request 帧并具有相同 SSID 的站点响应一个 Probe Response 帧，先前的站点可以从响应的 Probe Response 帧中提取 BSSID。 多跳环境下 BSSID 的同步 在多跳移动环境下BSSID的同步变得有些复杂。在大部分实现中，站点生成的BSSID就 是该站点的MAC地址，而一般情况下管理员是不能更改BSSID的，只能通过设置站点的SSID 来区分不同的IBSS，各站点需要利用SSID通过被动扫描或主动询问的方式同步BSSID。如 果站点之间形成链式拓扑，则BSSID的同步过程也有一个链式反应过程，如图 3。 1 2 3 4 5 6 BSSID 创建者 1 2 3 4 5 6 BSSID 创建者 图 3 链式拓扑链式反应 图 3中IBSS的创建者①生成了BSSID，它的相邻站点②首先获得这个BSSID，然后②通过发 送Beacon帧让自己的相邻站点③得到BSSID，这个过程逐渐扩散到远处。站点距离BSSID创 建者太远时，有可能等不到BSSID传递过来，就决定自己创建一个BSSID，此时一个IBSS的 网络中将有两个BSSID。此外，当两个原本不相连的同名IBSS移动到可以相连时，或者原本 相连的站点移动脱离网络后创建了自己的BSSID，随后又移动回来时，都有可能在多跳环境 中形成两个不同的BSSID。在一个IBSS中，相邻的具有不同BSSID的站点通过Beacon帧中的 时戳和自己的TSF（Timing Synchronization Function）定时器来更新BSSID，然后利用Beacon 帧逐步扩散，如图 4。 3 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie 1 2 3 4 5 6 BSSID 更新 1 2 3 4 5 6 BSSID 更新 图 4 BSSID 的更新 更新 BSSID 的延时是不确定的。每个 Beacon 间隔内（一般为 0.1 秒）信道上会出现一 个 Beacon 帧，但 Beacon 帧由 IBSS 内的站点竞争发送，竞争机制与 CSMA/CA 协议很类似。 可能有些站点在连续多个 Beacon 间隔内都无法发送 Beacon 帧，BSSID 的更新也就随之滞 后了。 图 5 Beacon的竞争[1] 假设平均每个站点能收听 3 个站点，理想状态下，各站点轮流发送 Beacon 帧，单个站 点发送 Beacon 帧的间隔为： 3×0.1＝0.3s＝300ms 一条具有 4 跳的拓扑链，最后一个站点更新 BSSID 的延时可能为： 0.3×4=1.2s 在这段时间里，由于 BSSID 不一致，MAC 层丢弃了需要中继的数据帧。 可以看出，初始化过程和站点的移动都可能造成 BSSID 的不一致，需要较长的时间过 程才能达到 BSSID 的同步，在此期间，IBSS 网络上的通信是不正常的。 同信道中继与帧地址格式 在 BSSID 协商一致的 IBSS 多跳网络环境中，802.11 标准没有提供对中继功能的支持。 如果需在 MAC 子层进行中继，只能在一些非常特殊环境下可以实现，无法在一般环境下实 现中继，更无法提供对移动的支持。中继功能只能在 MAC 子层之上来实现。 MAC 子层无法实现中继的原因是 MAC 的帧格式适用于固定网络而不适用于拓扑结构 动态变化中的网络，如 Ad Hoc 多跳网络情况。 4 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie A B C A B C （a ） A B D C （b） （c） A B C A B C （a ） A B D C （b） （c） 图 6 模糊中继 图 6（a）所示，让B固定为A和C之间的数据提供中继是可行的，但若存在移动时就无法工 作了，例如B和C互换位置，就无法工作了。 如果站点有一点点移动发生，形成图 6（b）的情况，那么，B站再提供中继就是没有 必要的。除非A和C站仍坚持采用B的中继来通信。 如果是图 6（c）情况，网络就会瘫痪。B在为A-C中继的同时，也会收到D为A-C中继 的帧，并继续中继，D也一样。形成B-D间的中继循环。 只要在网络上有移动存在，MAC 层就无法确定如何中继（本文中称这个现象为“模糊 中继”，即中继行为无法确定）。因此，要实现中继，就需要 B 能够“知道”A、C 之间是否 可以直接通信，对于这种非本地链路的认知显然应该是网络层的路由协议来维护。目前大多 数多跳无线网络的实现中都采用阻断链路层中继，在网络层由路由方法来实现中继。每个节 点其实就是一个路由器，在网络层完成网络拓扑结构的感知、选路和中继功能。 因此，802.11 标准定义的 IBSS 组网方式，提供的只是 Ad Hoc 组网的基础通信手段， 只能组成单跳的 Ad Hoc 网，多跳 Ad Hoc 网络、对站点的移动性支持，仅靠 802.11 是无法 实现的。 4. ESS 结构与工作原理 AP AP BSS1 BSS2 ESS DS 移动 AP AP BSS1 BSS2 ESS DS 移动 图 7 ESS 结构 ESS 网络中，每个 BSS 内设置了一个无线访问点 AP（Access Point），站点之间不直接 通信，而是通过 AP 的中继来实现，即使它们在相互的无线覆盖范围内。这是 ESS 与 IBSS 的基本差别，同时在帧格式上也与 IBSS 不同，因而 IBSS 和 ESS 的站点在无线信道上不能 互通。 在一个 ESS 网络中可以有多个 BSS 存在， AP 在分布式系统 DS 支持下，实现不同 BSS 站点间的通信，并支持站点从一个 BSS 移动到另一个 BSS 中。ESS 可以组成多个覆盖区域 的较大型的无线局域网系统。分布式系统需要的是一种与 ESS 本身无关的网络环境，一般 5 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie 为以太网或其他有线网络来支撑。 ESS 网络中的站点只需和 AP 保持直接的通信关系。因此，802.11 标准所保证的在一个 AP 下 ESS 网络中站点间的通信关系、工作过程、帧格式等与 IBSS 环境不同，增加了关联 （A BSSID 的同步和关联过程 ）和 BSSID 来组织。SSID 是 ESS 网络的“名字”，不同网 络名 BSSID 同步。 越区切换 个 AP 下移动到另一个 AP 下时，通过检测两个 AP 的信号强度，决定是否 切换 Reassociation Request 管理帧时，除了发送应答以外，还应 AP 之间的分 布式 AP 中继与帧地址格式 式系统之间提供数据帧的链路层中继，同样会存在模糊中继问 题， 为适应ESS通信方式，对MAC帧结构作了如图 8所示的扩展，地址扩展到了四地址结构。 在源 无线环境下发出的 MAC 帧可能会被多个站点接收到，因此需要在 MAC 移动范围是 AP 的覆盖半径（R）。 ssociation）和重新关联（Reassociation）过程以支持站点在不同 AP 下的移动。 ESS 网络依靠网络名（SSID 字不相同。而 BSSID 用于标识 ESS 网络中不同的无线接入点，使站点在移动时能够感 知无线接入点是否发生变化的重要信息。BSSID 通常是各个 AP 的 MAC 地址。AP 定期发 送 Beacon 帧，其中包含网络名和 BSSID。需要加入网络的站点监测到 Beacon 帧中的 SSID 和自己预设的网络名相同，就可以加入这个 BSS。当站点收听到多个 AP 的 Beacon 帧时， 将选择其中的一个加入。加入过程由站点主动发起，发出 Association Request 管理帧启动关 联过程，该帧中指明了希望加入的 BSS 的 BSSID，相应的 AP 应答 Association Response 管 理帧。站点到 AP 之间的通信关系随即建立起来。 ESS 网络能够组建多跳无线网络，并且不要求全网 当站点从一 AP 关联的切换（越区切换，hand-off）。如果新 AP 的 SSID 与站点不符，站点不会进 行越区切换。发生越区切换时，站点向新的 AP 发出 Reassociation Request 管理帧，如果收 到 AP 的 Reassociation Response 管理帧，则认为越区切换成功，并获得新的 BSSID，可以在 新 AP 的中继下与其它站点通信。 AP 在收到 系统发生了重新关联，这样原来的 AP 放弃与移动站点的关联关系，改由通过 DS 中继。 遗憾的是 802.11 没有规范 AP 之间重新关联的动作，因此不同厂商的 AP 产品之间不能有效 沟通重新关联信息，造成站点在不同厂商的 AP 产品之间不能有效的越区切换。（802.11f 扩 展协议正在着手制定相关规范） AP 要在无线站点和分布 因此 ESS 网络阻断了站点之间的直接通信关系，同一个 BSS 内的站点不管它们如何接 近，它们之间的数据都要通过 AP 中继。AP 的中继算法是：如果目的地址在本地关联，就 将该帧从原路（AP 与无线用户站点之间的信道）发送出去，否则将该帧转发到 DS 所在的 信道上。 站A与目的站B通信时，应该指明通过某个AP进行中继，因此需要第三个地址；再经AP 到AP的中继时，还需要指明下一个AP，故而设置了第四个地址。 需要指出的是， 6 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie 帧中 前两个地址字段是接收者地 个地址字段在不同情况下有不 同的 802.11 接口 信道有 4 种空中接口形式，分别为对等站点间的接口A、用户到AP 的接 接口A是双向对称接口，用于 信； AP和用户站点间的空中接 口是 1 地址字段内容[2] 接口 Address s 3 Address 4 明确指明接收方地址，尽管接收方不一定就是目的方，这一点与有线网络有很大的差异。 802.11 标准在 MAC 帧格式中定义了 4 个地址字段： 图 8 802.11 标准帧格式 址和发送者地址，第三和第四 解释。 空中 IBSS和ESS的无线 口B、AP到用户的接口C和AP-AP间接口D，如图 9所示。 图 9 802.11 的空中接口 IBSS网络中对等站点间通 非对称的，用B、C分别表示下行和上行接口。接口D是AP到AP的双向对称接口。地址 格式上，接口A、B、C三种使用三地址结构，接口D比较特殊，使用了 4 地址结构。地址结 构和各地址域的含义如表 1所示。 表 1 Address 2 Addres A DA SA BSSID N/A B DA B SSID SA N/A C B SSID SA DA N/A D RA TA DA SA 其中： 源地址（Source Address）；DA 表示目的地址（Destination Address）； ress）。 上，作为站点识别网络的依据。 或第 2 个地址 域上 D 中前两个地址都是 AP 的地址（两个不同的 BSSID），后两个地址才是 MAC 帧 的始 SA 表示 TA 表示发送者地址（Transmitter Address）；RA 表示接收者地址（Receiver Add N/A 表示该地址字段不在帧中出现。 接口 A 的 BSSID 固定在第三个地址域 接口 B 和 C 中 BSSID，作为标识发出或接收 MAC 帧 AP，会出现在第 1 。 接口 发站地址和最终目的地址。RA 为下一跳 AP 地址，TA 为当前发送方 AP 地址，DA 和 SA 为帧的最终目的地址和始发源站地址。当多个 AP 之间采用无线信道形成 DS 时，必须 Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Control Address 4 Frame 6 6 6 62 0~2312 2 Duration/ AddressFrame BodyID Control 4 A AP AP B C D 2 7 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie 采用四地址格式。与 IBSS 网络相似，AP 到 AP 之间采用无线通信时仍然会遇到无线路由问 题，在 MAC 层内无法解决。而采用以太网方式通信时，则不需要四地址格式，直接采用两 地址方式（DA，SA）的标准以太网帧格式。 ESS 网络的移动性 是用户站点的移动性。ESS 网络是一个由多个 AP 组成的多无线覆 盖区 ESS BSS 也可以各不相同， 站点 AP 的 Beacon 帧， 效率 DS 实现在 AP 之 间转 必须指出，ESS 网络的无线多跳环境必须至少保证有一台 AP 能够正常工作，没有 AP 的情 5. 结论 E 1 标准实现了无线局域网站点之间的单跳通信，可以提供在有线连接多个 AP 下， 802.11 标准只涉及了物理层和 MAC 子层，通信、中继、移动和切换等 都是 ESS 网络最大的优点 域的无线网络环境，通过切换关联的 AP，获得新的 AP 的 BSSID，通信可以利用新的 AP 来进行，从而实现了在多个 AP 的覆盖范围内移动和通信。 网络中对各个 工作的信道没有限制，既可以使用相同信道， 的切换都能正常进行。BSS 工作信道的配置会影响站点发生切换的时机，从而影响到用 户在移动中的通信是流畅的还是有间断的。 当 ESS 网络中所有的 BSS 在同一信道工作时，用户站点可以接收到多个 直接可以判断是否应该进行切换，能够实现快速流畅的切换，切换的时间约为 100ms。 如果 BSS 的信道不同时，只有在用户站点移动出了 AP 的无线覆盖范围，通信中断来，用 户站点才会启动切换动作。而此时，站点要扫描所有可能的工作信道，找出合适的 AP，开 始新的关联请求。这种信道配置方式会使用户的切换过程变得很长，约为几秒到几十秒。 所有 BSS 工作在同一个信道上，切换的速度快，代价是使 BSS 间出现干扰，降低信道 。而 BSS 工作在不同信道上，切换的速度慢，但可以提高每个 BSS 的效率。不同的应 用场合，可以根据需要选择信道的配置方式。 DS 是 ESS 网络的一个重要环节。用户站点发生越区切换时，需要由 发 MAC 帧，为切换的用户站点提供跨 AP 的通信。但是，在 802.11 标准中，没有涉及 到 DS 的内容。一种简单的方法是将所有的 AP 连接在一个以太网上，借助于以太网的通信 实现了简单的 DS。这是目前所有的 ESS 网络采用的无线移动网络，而且需要同一厂商 的、支持越区切换的 AP 才能实现。 况下，站点之间无法通信。 IEE 802.1 无线用户站点的较大范围移动。IEEE 802.11 标准不是为无线多跳环境设计的，在利用 该标准组建无线多跳网络时，应该清楚地了解标准的能力和局限。采用 IBSS 结构组网， BSSID 的同步可能造成麻烦和更大的延时，其帧结构中简单的地址信息也不能帮助完成同 信道中继。采用 ESS 结构组网，BSSID 由 AP 负责同步，整个 ESS 不需同步到一个 BSSID 上，减少了因移动而带来同步上的困难。AP 通过多地址结构，实现了借助于 DS 的移动和 越区切换。 需要指出的是， 在 MAC 实现的，因而具有较大的局限性。如果在网络层上（如使用 IP 协议）对 AP 在 寻址路由等功能作进一步扩充，使 AP 成为无线 IP 路由器，可以在组建多跳无线环境时不 对无线用户站点产生任何影响，实现平滑升级，这是 Ad Hoc 方式无法实现的。 8 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie 9 誉天CISCO技术论坛 HTTP://BBS.yutianedu.com windecember.cn 雅虎群组：CISCO频道.CCIE讨论区http://club.cn.yahoo.com/ccie