Outline
Introduction
IP Address & MAC Address
TCP/UDP/ICMP
IP Gateway, Network Mask, TTL
Routing Protocol
Network Address Translation (NAT)
Domain Name System (DNS)
Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) / Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)
HyperText Transfer Protocol (HTTP)
Virtual Private Network (VPN)
Firewall
Wireless Networks
CYUT NC 無線網路導論
Overview of Wireless
Networks
1.1 Why?
整個世界逐漸走向行動化，傳統網路連線方式已 無法應付新生活型態。
無線網路提供人們行動性(mobility)
無線網路
部署快速
避免佈線影響美觀
隨時隨地(any time, any place)可連結至網路
1.2 無線頻譜：關鍵資源
無線設備被限定在某個特定的頻段(frequency
band)上操作。
每個頻段都有相應的頻寬(bandwidth)
無線電頻譜(radio spectrum)的使用受到主管 機關透過核發使用執照方式嚴格控管。
美國：聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission, FCC)
歐洲：歐洲無線通訊局(European Radiocommunications Office, ERO)
其他：國際電訊聯盟(International Telecommunications Union, ITU)
美國地區常用頻段
13.4-14, 15.7-17.7 GHz Ku-Band Radar(警用)
12-18 GHz Ku-Band
8.5-10.55 GHz X-Band Radar(警用/氣象)
8-12 GHz X-Band
5.925-6.425 GHz C-Band satellite uplink
5.725-5.875 GHz C-Band ISM
5.25-5.925 GHz C-Band Radar(氣象)
3.7-4.2 GHz C-Band satellite downlink
4-8 GHz C-Band
2.4-2.5 GHz S-Band ISM
2-4 GHz S-Band
902-928 MHz UHF ISM
頻率範圍 頻段
ISM (Industrial Scientific Medical)頻段
是保留給產業、科學或醫療設備使用
不必經過授權使用(license-free)
無線網路的限制
速度受限於可用頻寬
無線媒介本身並不可靠(packet loss)
多重路徑干擾(multipath interference)
安全問題(易竊聽)
覆蓋範圍十分模糊
1.3 各式無線網路
藍芽(Bluetooth)
第三代行動電話(3G)
IEEE 802.11
WiFi (wireless fidelity)
54 Mbps (Max.) 11 Mbps
5.5 Mbps
54 Mbps (Max.) 2 Mbps
1 Mbps
速度
2.4 GHz 802.11g
2.4 GHz 802.11b
5 GHz 802.11a
2.4 GHz 802.11
IEEE標準 頻段
藍芽
Bluetooth
藍芽的運作原理是在2.45 GHz的頻帶上傳輸，
除了資料外，也可以傳送聲音。每個藍芽技術連
接裝置都具有根據IEEE 802標準所制定的48-
bit地址；可以一對一或一對多來連接，傳輸範圍最遠在10公尺。藍芽技術不但傳輸量大，每秒
鐘高達1MB，同時可以設定加密保護，每分鐘變
換頻率一千六百次，因而很難截收，也不受電磁
波干擾。
藍芽的技術規格
採用2.4GHz的公用頻段，頻寬為1 MHz
採用跳頻式展頻技術（FHSS），跳頻的頻率為 每秒1600次
藍芽技術元件的傳輸功率為1mW（0dBm）或
100mW(20dbm)
傳輸速率為1Mbps，實際資料有效速率最高可達
721kbps
傳輸距離在0dBm功率時約為10公尺，若加大功
率至20dBm則可提供至少50至100公尺
2.1 802.11網路概論
IEEE 802家族
802.3 (Ethernet)
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access network with Collision Detection：載波偵側多重存取/碰撞偵側)
802.5 (Token Ring)
802.11
IEEE 802.11訂定了OSI (Open System Interconnection)7層通訊架構中的實
體層(Physical Layer)及資料連結層 (Data Link Layer)中的媒介存取控 制(Medium Address Control;
MAC)子層之規範。 Data link
layer
IEEE 802.11
Spread Spectrum Technology
IEEE 802.11：
直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
• 14 channels
• PN-code長度為11-bit
• 展頻寬度為5 MHz
跳頻展頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
• 78 hop sequences (頻道2~79)
• 頻帶範圍為1MHz，
準隨機雜訊碼(PN codes, Pseudorandom noise codes)
Channel 1 has a center frequency of 2.401GHz Channel 2 has a center frequency of 2.402GHz
…
Channel 95 has a center frequency of 2.495GHz 但只開放Channel 2~79
Channel 1 has a center frequency of 2.412GHz Channel 2 has a center frequency of 2.417GHz
…
Channel 11 has a center frequency of 2.462GHz
…
Channel 14 has a center frequency of 2.484GHz 但只開放Channel 1~11
Direct-sequence transmission
將RF能量之一種精確控制的方式分散至某個寬頻
頻段。接收器透過correlation process還原
DSSS抗干擾
干擾突波只在特定頻段，經還原後能將其分離
Channel energy spread
每個頻道中心頻率之間至少必須相隔22MHz，
故每個網路至少必須相隔5個頻道才能避免干擾
Frequency-Hopping Transmission
快速變換傳輸頻率
傳送與接收端必須同步
每個頻率只用一小段時間，稱為停駐時間(dwell time)
跳頻用戶對主要用戶只會造成瞬間干擾。
第四個時槽傳輸損毀，但 其它三個時槽都成功傳送
正交跳頻序列可使傳輸量達到最高
正交：彼此不相重疊的跳頻序列
{2,8,4,7}
{6,3,7,2}
{2, 8, 4, 7}
{6, 3, 7, 2}
展頻技術的比較角度：
抗干擾能力
網路容量及可變度
系統傳輸績效
可移動性及安全性等。
發展趨勢：DHSS往高速無線區域網路系統發
展，適合辦公室環境使用；FHSS會往低價網路
應用發展，提供SOHO及家庭應用、或周邊設備
之無線網路連結。
2.2 相關術語
Distribution System(傳輸系統): a logical component of 802.11 used to forward frames to their destinations
Access Points(基地台/存取器): perform the wireless-to-wired bridging function
Wireless Medium(無線媒介)
Stations(工作站)
2.2.1 網路類型
Independent networks (indep. basic service set, IBSS), also known as ad hoc networks.
Infrastructure networks
基本服務組合(BSS):由一組 彼此通訊的工作站所構成
Two advantages for infrastructure networks
The mobile stations need not to maintain neighbor relationships.
Access points assist with stations attempting to save power.
In an infrastructure network, stations must associate with an AP to obtain network services. (equivalent to plug in the network cable)
An extended service set (ESS) is created by chaining BSSs together with a backbone network.
ESS
ESS
延伸服務組合(ESS):利用骨幹 網路將將幾個BSS串連在一起
屬同一個ESS的工作站可以互相 通訊(不同BSS或在ESS內移動)
bridge
2.2.2 傳輸系統(Distribution System)
傳輸系統必須負責將資料傳遞給服務該行動工作站 的基地台
骨幹乙太網路是傳輸系統的媒介，但並非傳輸系統 的全部
大部分基地台都是扮演橋接器(bridge)的角色
基地台至少具備一個無線介面及一個乙太網路介面
基地台間協定
(Inter-Access Point Protocol, IAPP)AP4 and AP1 exchange associated stations information for frame forwarding.
2.2.3 網路界限(Network Boundaries)
802.11網路的界限相當模糊
區域重疊可讓工作站轉換BSS成功率提高
提供高層次網路覆蓋率
當AP3 fails Æ 覆蓋區域為連續區域
當AP2 fails Æ覆蓋區域分成兩個區域(ESS內移動會斷線)
BSS 1 BSS 2
2.3.1 網路服務(Network Services)
802.11總共可提供九種服務
1. 傳輸(Distribution): 基地台接收到訊框，就會 用傳輸服務將訊框送至目的地(Send function;
Deliver the fame)
2. 整合(Integration): 讓傳輸系統得以連至非
IEEE 802.11網路(Allow the connection to a non-IEEE 802 networks)
3. 聯結(Association):行動工作站與基地台聯 結。傳輸系統可根據登錄資訊判定哪部行動 工作站該使用哪部基地台
4. 重新聯結(Re-association):移動時隨時
評估訊號強度，在必要時切換所聯結之
基地台
5. 解除聯結(Dis-association):結束現有聯結。
6. 身份認證(Authentication):因WLAN無法提供實體 保證，故要依賴額外的認證程序，以保證存取網 路的使用者已獲得授權。身份認證是聯結前的必 要前題。
7. 解除認證(De-authentication):終結一段認證關係 8. 私密性(Privacy): 提供有線等級隱私(Wired
Equivalent Privacy, WEP)。將藉由空氣傳送的 訊框加密。
9. MSDU傳送(MAC Service Data Unit, MSDU, delivery): 負責將資料傳送給真正的接收端
(Getting data to the recipient)
Mobility Support
Mobility can cause one of three types of transition
No Transition (In the same AP)
BSS transition (IAPP)
ESS transition (Mobile IP)
In case of TCP/IP, Mobile IP is required to seamlessly support an ESS transition.
3. 802.11 MAC
802.11 採用載波偵側多重存取/避免碰撞的機
制(Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)
MAC所面臨之挑戰
射頻鏈路品質(RF link quality): 802.11b使用不須執照 的ISM頻段，所以會存在有訊號干擾的問題
故802.11採用正面回應(positive
acknowledge)機制。即所有傳送出去的訊框
都必須得到回應，只要有任何一個環節失敗，該
訊框即視為已經遺失。
3.1 The Hidden Node Problem
Node 1與Node 3距離過遠，無法直接通訊
Node 1與Node 2可直接通訊
同一時間，Node 3與Node 2直接通訊
造成訊框碰撞，Node 2無法辨識作何資料，但
Node 1與Node 3仍不知發生碰撞
由於隱藏節點所導致的碰撞問題難以偵測，因為 無線收發器(wireless transceiver)通常只 有半雙工(half-duplex，即無法同時收送資料)
為防止碰撞產生，802.11允許工作站使用RTS
(Request to Send)與CTS (Clear toSend)訊框來淨空傳送區域
RTS:(來源端發出)
預約無線鏈路(radio link)的使用權
要求收到此一訊框的其他工作站停止發送
CTS: (目的端發出)
收到RTS訊框後以CTS訊框回應
CTS訊框會使其他非來源端工作站停止發送
Ex:
RTS
CTS Frame
ACK
RTS threshold
在802.11網路卡驅動程式中，使用者可透過調整RTS threshold來控制RTS/CTS程序
當frame大於RTS threshold，則啟動RTS/CTS機制
反之，則將frame直接傳送
MAC存取模式與時機
無線媒介的存取是由協調功能(coordination
function)所控管
在CSMA/CA中，MAC存取模式可分為兩類
分散式協調功能(Distributed Coordination Function, DCF)
中樞協調功能(Point Coordination Function, PCF)
Distributed coordination function (DCF):
與Ethernet一樣，在傳送資料前會先查檢radio link是 否為淨空狀態
當某個傳送者佔據頻道時，工作站會隨機為每個訊框 選定一段延後時間(random backoff)
可利用用 CTS/RTS減少碰撞發生的可能性
Point coordination function (PCF):
只提供於infrastructure network
免競爭服務(Contention-free services)
有一個特別的工作站(稱為中樞協調單元，point
coordinator，通常位於基地台內)用來確保可不必透過 競爭即可使用媒介
Point coordinator是來仲裁DCF與PCF分配的時間
在PCF期間，得到Point coordinator允許的工作站才能 傳送資料(利用polling list來輪流詢問聯結之工作站是 否有資料要傳輸)
載波偵測功能(Carrier-Sensing Functions)
載波偵測主要是用來判斷媒介是否處於可用狀態
802.11具備兩種載波偵測功能
實體載波偵測(physical carrier-sensing)
虛擬載波偵測(virtual carrier-sensing)
只要其中一個偵測功顯示媒介處於忙線狀態，
MAC就會將此狀況回報給較高層的協定
實體載波由實體層所提供，取決於所使用的媒介 與調變方式。(十分昂貴且hidden node到處 可見，不易偵測)
虛擬載波是由網路配置向量(Network
Allocation Vector, NAV)所提供網路配置向量(Network Allocation Vector)
802.11的訊框包含有一個duration(持續期間)
的欄位，用來預定一段媒介使用時間。
NAV本身其實是一個計時器，用來指定預計佔用
媒介多少時間。
使用中(傳送資料)的工作站會設定預計使用媒介 時間，其它工作站會由NAV倒數至零。只要
NAV不為零，則代表媒介為忙線狀態。反之，則
為閒置狀態。
NAV會存在RTS, CTS, Beacon, Probe, Association等訊框內
NAV可保證atomic operation不被中斷
訊框間隔(Interframe Spacing)
不同的訊框間隔，會為不同類型的傳輸產生不同
的優先次序(間隔短，優先權高)
Short interframe space (SIFS): 用於最
高優先權的傳輸場合(e.g. RTS, CTS)
PCF interframe space (PIFS):在免競爭
期間，有資料待傳的工作站可以等待PIFS時間 後加以傳送
DCF interframe space (DIFS):競爭式服
務中，如果媒介閒置時間長於DIFS，工作站可 以立即對媒介進行存取
Extended interframe space (EIFS): 非
固定的時間間隔，只有在訊框發生錯誤時才會用
到
省電程序(power-saving)
在RF系統中，放大器是最耗電的元件，由它負責 將所送出的訊號放大，以及將所收到的訊號放大 至可處理準位。
802.11工作站可以關閉無線電波收發器，並且
定期進入休眠狀態，以維持最長的電池使用時 間。
