1

Chapter 5 LAN & MAC Sub layer

5.1 传统 LAN 的基本概念 5.2 多路访问协议 5.3 局域网的数据链路层 5.4 以太网的 MAC 协议 5.5 无线 LAN 5.6 网桥 5.7 交换式局域网 5.8 虚拟局域网

2

5.1 传统 LAN 的基本概念 5.1.1LAN 的定义

局域网（ LAN ）是在一个小区域范围内对各种数据通信设备提供了互连的信息网。

局域网的典型特性： 高数据传输速率（ 10M-1000Mbps ） 短距离（ 0.1-10km) 低误码率（ 10-8-10-11 ）

决定局域网特性的主要技术： 用以传输数据的传输媒体 用以连接各种设备的拓扑结构 用以共享资源的媒体访问控制方法

3

OSI LAN

Network Layer

Data Link Layer

Physical Layer

LLC

MAC

Physical

传统的 LAN 大多是共享媒体的 LAN （即采用广播信道），不需要路由选择功能，因此只具备 OSI 的第 1 、 2 层功能。在数据链路层，重点要解决媒体访问控制功能，所以，数据链路层又分为逻辑链路控制子层（ LLC ）和媒体访问控制子层（ MAC ）。

4

IEEE 802 Architecture

5

5.1.2LAN 的传输媒体 双绞线 同轴电缆 光纤 无线电波 红外

6

5.1.3 局域网的拓扑结构 星型（ Star ） 环型（ Ring ） 总线型（ Bu

s ） 树型（ Tree ） Ring network

Bus network

Centralserver

Concentrator (or hub)

Network backbone

7

星型（ Star ）拓扑结构

特点： 集中控制 中心交换节

点功能复杂，但其他通信节点负荷相对较轻。

建设成本较大

可扩展性好

Centralserver

8

环型（ Ring ）

由一组转发器通过点对点连接成环路构成。

有源网络 分散控制 常采用令牌方

式控制媒体访问

单个节点的故障有可能波及全网

Ring network

9

总线型（ Bus ） 通信网络只是传

输媒体 成本低 无源网络 分散控制 常采用 CSMA/C

D 或 Token 方式进行媒体访问控制

广播型网络 Bus network

对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和媒体访问控制协议很重要。设计一个好的媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、有效的通道利用率、对用户的公平合理。

对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和媒体访问控制协议很重要。设计一个好的媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、有效的通道利用率、对用户的公平合理。

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树型

Concentrator (or hub)

Network backbone

11

其它网络拓扑结构 - 网状（ Mesh ）

12

Star Layout - Bus Topology

13

Star layout - Ring Topology

14

5.2 多路访问协议 对于广播信道，需要解决信道分配问题，信道的分

配方案有： 静态分配：如传统的 FDM 或 TDM ，如果有 N 个用户，

把带宽或时间分成 N 份，每个用户静态地占用一个。缺点是不能有效地处理突发数据，有的用户无通信量时白白浪费资源。

动态分配：异步时分多路复用。分为两种： 随机访问（争用， contention ）：只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。

控制访问：发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。主要有轮转（ round-robin ）和预约（ reservation ）两种方式。

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争用协议一： ALOHA 协议 20世纪 70年代，美国夏威夷大学的 ALOHA 网通

过无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络。

有两个版本： 纯 ALOHA 协议（ Pure ALOHA ）：每个站点只要有数

据就可发送；通过监听信道来发现是否发生冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送。

时隙 ALOHA 协议（ Slotted ALOHA ）：将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧。一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的开始才能发送。与纯 ALOHA 相比信道的利用率提高一倍。

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争用协议二： CSMA 协议 载波侦听多路访问（ Carrier Sense Multiple Acce

ss ）协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即“讲前先听”

常见的四种 CSMA 协议： 1-坚持式 CSMA （ 1-persistent CSMA ） 非坚持式 CSMA （ non-persistent ） p-坚持式 CSMA （ p-persistent CSMA ） 带有冲突检测的 CSMA （ CSMA with Collision Detecti

on ）

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1-坚持式 CSMA 当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若

信道忙，就坚持监听，一旦发现信道空闲，就立即发送数据（发送数据的概率为 1 ）。若发生冲突，就等待一随机长时间，再重新开始监听信道。

两种发生冲突的可能： 信号传输的延迟造成的冲突。 对个站点在监听到信道空闲时，同时发送。

此协议的性能高于 ALOHA 协议。

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非坚持式 CSMA 当一个站点要发送数据时，首先监听信

道，若信道忙，就随机等待一段时间后再开始监听信道（非坚持）；一旦发现信道空闲，就立即发送数据。

此协议的信道利用率高于 1-坚持式 CSMA 协议。

网络的延迟增大。

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p-坚持式 CSMA 用于时隙信道。当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙则等到下个时间片再开始监听信道；若信道空闲便以概率 p 发送数据，而以概率 q=1-p推迟到下个时间片再重复上述过程，直到数据被发送。

概率 p 的目的就是试图降低 1-坚持式协议中多个站点同时发送而造成冲突的概率。

采用坚持监听是试图克服非坚持式协议中造成的时间延迟。

p 的选择直接关系到协议的性能。

20

CSMA/CD

CS 协议的“讲前先听”对 ALOHA系统进行了有效的改进，但在发送过程中若发生冲突，仍要将剩余的无效数据发送完，既浪费了时间又浪费了带宽。

CD 协议的“边讲边听”可对 CSMA作进一步的改进。发送过程中，仍然监听信道，通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将之与发送的信号作比较，就可判断是否发生冲突。一旦发生冲突，立即取消发送，等待一随机时间后再重新尝试发送。

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无冲突（ collision-free ）协议 顾名思义无冲突协议就是不会产生冲突

的协议。 两种无冲突协议：

位图（ bit-map ）协议也叫比特映像协议 二进制倒计数（ binary countdown ）协议也叫二进制地址相加协议

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位图协议 假设有 N 个站点（编号为 0 ~ N-1 ），下图中 N=8 。 将信道时间划分成一系列交替的预约周期（位图）和

数据传输周期： 一个预约周期由 N 个 1比特的竞争时隙组成，每个时隙对应

一个站点。任何一个站点有数据发送时，必须在它的竞争时隙期间发送“ 1”进行预约。

预约周期结束后，预约过的站点按编号顺序进行发送，永不冲突。最后一站点发完数据后，开始新一轮的预约周期。

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二进制倒计数协议 每个站点的地址用等长的二进制数表示。每个要发送数据的站

点先广播发送它们的二进制地址（按高位到低位的顺序）。这些地址在信道上被按位相加（逻辑或）。各站点在发送地址时监听信道，当发现自己地址中的某个“ 0”在信道上变为“1”时，即退出竞争。最后参与竞争的地址最高的站点获得发送权。发送结束后，重新进入下一轮竞争。

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有限争用（ limited-contention ）协议

争用协议在轻负荷时延迟特性好，但重负荷时信道效率低；而无冲突协议在轻负荷时延迟特性差，但重负荷时信道效率高。

将争用协议和无冲突协议结合起来，在轻负荷时使用争用策略，而在重负荷时使用无冲突策略，即有限争用协议。

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无线局域网（Wireless LAN ）协议

WLAN 中通过有线介质将一些基站（ base station ）连接起来，每个基站通过微波或红外信号与移动的计算机进行通信，一个基站同时只能与一台计算机通信。

WLAN最基本使用 CSMA 协议，但由于各个站点发出的信号范围有限（不像有线网络中一个站点发出的信号可到达所有的站点），因此会造成：

隐藏站点问题（ hidden station problem ）：图 (a) 中， A向 B 发送时，由于 C听不到误以为可发送数据，造成 B 接收失败。

暴露站点问题（ exposed station problem ）：图 (b) 中， B向 A 发送时， C听到信道忙误认为它不能向 D 发送数据，实际上并不影响 A 和 D两站的接收。

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CSMA with Collision Avoidance 协议 CSMA/CA （避免冲突的 CSMA 协议）是WLAN

采用的介质访问控制协议，其相应的国际标准为 IEEE 802.11 。

发送方先激发（ RTS ）接收方发送一个短帧（ CTS ），使接收方周围的站点不会在即将到来的数据帧期间发送数据而导致冲突（避免冲突）。

当多个站点同时向一个站点激发时仍会发生冲突，在预定时间内没有收到 CTS 的发送方采用二进制指数退避算法，在等待一随机时间后再次重试。

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CSMA/CA 的分析

A首先向 B 发送一包含后继数据帧长度的 RTS 短帧（ 30字节）。 B回复一个也包含数据帧长度（从 RTS 中得到）的 CTS 短帧。 A 一旦收到 CTS ，就开始发送数据。

侦听到 RTS 的其它站点均向 A关闭，并保持足够长的沉默时间使 A 可无冲突地收到 CTS 。侦听到 CTS 的其它站点均向 B关闭，并在后继数据到来期间（从 CTS 中可知）保持沉默。

C位于 A 范围内， B 范围外：听不到 CTS ，可随意地在 A 发送数据帧时发送自己的帧。

D 和 E 都位于 B 范围内：听到 CTS后，关闭所有的发送，直到 A到 B 的帧被认为发送完毕。

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5.3 局域网中的数据链路层 局域网的数据链路层

逻辑链路控制子层（ LLC ） 必须提供某些属于第 3 层的功能 必须能支持链路的多路访问特性 可利用 MAC 子层来摆脱与底层有关的某些操作，如拓扑

结构、媒体、媒体访问控制访问 媒体访问控制子层（ MAC ）

根据网络的拓扑结构，不同的局域网采用不同的媒体访问控制方法

成帧 CRC校验

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LLC 的功能 提供三种服务：

无连接的服务 面向连接的服务 复用

差错控制与流量控制 类似于 HDLC 协议

30

Typical Frame Format

LLC - Logical Link ControlPDU - Packet Data UnitDSAP - Destination Service Access PointSSAP - Source Service Access PointSAP indicates the user

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控制字段 类似于 HDLC 协议，定义了三种格式：

信息帧 监控帧 无编号帧

32

信息帧控制字段的格式（以 2字节为例）

33

监控帧控制字段格式

34

无编号帧控制字段格式

35

Operation of higher layers over LAN

36

5.4 以太网的 MAC 协议 传输媒体 拓扑结构 媒体访问控制方法

简单 有效的通道利用率 公平合理

决定了传统局域网的响应时间、吞吐量和效率

37

5.4.1 IEEE 802.3 CSMA/CD History

Developed by Bob Metcalfe and others at Xerox PARC in mid-1970s

Standardized by Xerox, DEC, and Intel in 1978 LAN standards define MAC and physical layer connectivity

IEEE 802.3 (CSMA/CD - Ethernet) standard – originally 2Mbps IEEE 802.3u standard for 100Mbps Ethernet IEEE 802.3z standard for 1,000Mbps Ethernet

CSMA/CD: Ethernet’s Media Access Control (MAC) policy CS = carrier sense

Send only if medium is idle MA = multiple access CD = collision detection

Stop sending immediately if collision is detected

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CSMA/CD 技术

Two nodes transmitat the same time

1 Node detect therehas been a collision

2

Nodes transmit ajamming signal

3 Nodes wait a randomperiod before retransmitting

4

All computers have access toa common bus at the same time

是一种随机争用的媒体访问控制方法

39

CSMA/CD 流程图

40

碰撞检测

41

退避时间 从发送数据帧到能检测出是否碰撞的最大所需

时间 。称为间隙时间ح 2 退避时间 =r 间隙时间， r 是随机整数，在（ 0 ，

2k ）区间内均匀取值， k=Min （尝试次数， 10 ）。

对于 10BASE-5 局域网，规定网段的最大长度500米，允许最多 4 个中继器延长，最长 2500米，间隙时间为 51.2微秒。

对 10Mbps 的以太网，能检测出碰撞的最小帧长为 10Mbps*51.2微秒 =512bit=64字节。

42

Binary Backoff

43

802.3帧格式

Others:4 bytes for the CRC (32 bits) and 2 bytes for the LLC length (16 bits). The LLC part may be up to 1500 bytes long.

Others:4 bytes for the CRC (32 bits) and 2 bytes for the LLC length (16 bits). The LLC part may be up to 1500 bytes long.

Preamble (seven bytes) precedes the Ethernet 802.3 frame. Each byte of the preamble has a fixed binary pattern of 10101010 and each node on the network uses it to synchronise their clock and transmission timings. It also informs nodes that a frame is to be sent and for them to check the destination address in the frame.Start delimiter field (SDF) is a single byte (or octet) of 10101011. It follows the preamble and identifies that there is a valid frame being transmitted.

Preamble (seven bytes) precedes the Ethernet 802.3 frame. Each byte of the preamble has a fixed binary pattern of 10101010 and each node on the network uses it to synchronise their clock and transmission timings. It also informs nodes that a frame is to be sent and for them to check the destination address in the frame.Start delimiter field (SDF) is a single byte (or octet) of 10101011. It follows the preamble and identifies that there is a valid frame being transmitted.

Source/destination addresses (2 or 6 bytes, Most Ethernet systems use a 48-bit MAC address for the sending and receiving node. Each Ethernet node has a unique MAC address, which is normally defined as hexadecimal digits, such as:

4C-31-22-10-F1-32 (4C31 : 2210: F132)

A 48-bit address field allows 248 different addresses (or approximately 281474976710000 different addresses).

Source/destination addresses (2 or 6 bytes, Most Ethernet systems use a 48-bit MAC address for the sending and receiving node. Each Ethernet node has a unique MAC address, which is normally defined as hexadecimal digits, such as:

4C-31-22-10-F1-32 (4C31 : 2210: F132)

A 48-bit address field allows 248 different addresses (or approximately 281474976710000 different addresses).

IP TCP HTTP DataE.g.

Preamble(7B)

Startdelimiter (1B)

Dest.address (6B)

Src.Address (6B)

Len(2B)

FCS(4 B)

Data field(Logical link control)

0 to 1500 bytes

Pad

0 to 46 bytes

44

Ethernet MAC Address

45

Baseband IEEE 802.3

46

(a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T

47

IEEE 802.3与 Ethernet帧格式的比较

48

Frame Reception

49

5.4.2Fast Ethernet

IEEE 802.3u工作组规范 (1995,6) 特点：

采用 CSMA/CD 媒体访问控制方式和 802.3帧格式

100BASE-TX采用两对 5类双绞线 100BASE-T4 采用四对 3类双绞线 网络最大长度 250m （ 10M 以太网是 2500

m ， 51.2x10-6x10x106=512bits ）

50

51

5.4.3 Gigabit Ethernet IEEE 802.3z(1998) 和 802.3ab工作组规范 问题：

在采用 CSMA/CD 的 MAC 子层中，碰撞检测时间与网络的最大距离成正比，在 10BASE-5 中，最大距离为 2500m ，间隙时间为 51.2微秒，最小帧长为 512比特。在 100BASE-T 中，最大距离为 250m ，帧格式不变，即间隙时间为 5.12微秒。按此规律，千兆比以太网的最大距离为 25m ，这显然不行。

解决方案 载波扩展：

最小帧长为 512字节 网络最大距离 200m

帧突发功能：允许在一定时间内连续发送多个 MAC帧，最大突发长度为8192字节。

全双工

52

Gigabit Ethernet 的物理规范

53

5.5 无线 LAN 802.11 ， Adopted in 1997. Defines:

MAC sublayer MAC management protocols and services Physical (PHY) layers, 1M,2Mbps

IR 红外 : FHSS跳频扩频： 79 信道，每个信道宽 1MHz，从 2.4GHz开始往上

DSSS直接序列扩频：

54

Channel Overlapping

55

IEEE 802.11 Protocols 规范名 概要

I EEE802. 11b 2. 4GHz LAN现行 频带的无线 物理层基本规范

I EEE802. 11g 2. 4GHz LAN频带的无线 物理层高速化规范

5GHz LAN频带的无线 物理层基本规范I EEE802. 11a

I EEE802. 11h 追加在欧洲能够使用的功能

I EEE802. 11d 追加在世界各国能够使用的规范

I EEE802. 11c 追加作为网桥工作所需的功能

I EEE802. 11e QoS追加 功能

I EEE802. 11f AP不同厂商的 间的互联性的保证

I EEE802. 11i 强化安全功能

与物理层相关规范

2. 4GHz频带

5GHz频带

其他

MAC与 相关规范

规范名 概要

I EEE802. 11b 2. 4GHz LAN现行 频带的无线 物理层基本规范

I EEE802. 11g 2. 4GHz LAN频带的无线 物理层高速化规范

5GHz LAN频带的无线 物理层基本规范I EEE802. 11a

I EEE802. 11h 追加在欧洲能够使用的功能

I EEE802. 11d 追加在世界各国能够使用的规范

I EEE802. 11c 追加作为网桥工作所需的功能

I EEE802. 11e QoS追加 功能

I EEE802. 11f AP不同厂商的 间的互联性的保证

I EEE802. 11i 强化安全功能

与物理层相关规范

2. 4GHz频带

5GHz频带

其他

MAC与 相关规范

MAC层

物理层

物理层头标格式

电波频率

调制方式＃

（编码方式）

协议层次

＃表示最大传输速率下使用的调制方式

I EEE802. 11b( 11Mb/ s)最高

PBCC现行的 方式( 22Mb/ s)最高

I EEE802. 11g( 54Mb/ s)最高

I EEE802. 11a( 54Mb/ s)最高

Hi SWANA( 54Mb/ s)最高

Hi SWANa的MAC层I EEE802. 11 MAC的

I EEE802. 11b的物理层头标 I EEE802. 11a的物理层头标

Hi SWANa的物理层头标

CCK PBCC OFDM

2. 4GHz频带 5GHz频带

MAC层

物理层

物理层头标格式

电波频率

调制方式＃

（编码方式）

协议层次

＃表示最大传输速率下使用的调制方式

I EEE802. 11b( 11Mb/ s)最高

PBCC现行的 方式( 22Mb/ s)最高

I EEE802. 11g( 54Mb/ s)最高

I EEE802. 11a( 54Mb/ s)最高

Hi SWANA( 54Mb/ s)最高

Hi SWANa的MAC层I EEE802. 11 MAC的

I EEE802. 11b的物理层头标 I EEE802. 11a的物理层头标

Hi SWANa的物理层头标

CCK PBCC OFDM

2. 4GHz频带 5GHz频带

HR-DSSS

IEEE 802 .11 Terminology

Basic Service Set (BSS):

A set of stations controlled by a single “Coordination Function” (=the logical function that determines when a station can transmit or receive)

Similar to a “cell” in pre IEEE terminology

A BSS can have an Access-Point, or can run without Access-Point

Diameter of the cell is twice the coverage-distance between two wireless stations

BSS

IEEE 802 .11 Terminology

Independent Basic Service Set (IBSS):

A Basic Service Set (BSS) which forms a self-contained network in which no access to a Distribution System is available

A BSS without an Access-Point

One of the stations in the IBSS can be configured to “initiate” the network and assume the Coordination Function

Diameter of the cell determined by coverage distance between two wireless stations

IBSS

IEEE 802 .11 Terminology

Extended Service Set (ESS): A set of one or more Basic Service Sets interconnected

by a Distribution System (DS) Traffic always flows via Access-Point

Distribution System (DS): A system to interconnect a set of Basic Service Sets

Integrated; A single Access-Point in a standalone network

Wired; Using cable to interconnect the Access-Points Wireless; Using wireless to interconnect the Access-

Points

Extended Service Set (ESS) BSS’s with wired Distribution System (DS) BSS

BSS

Distribution

System

BSS

BSS

Distribution

SystemExtended Service Set (ESS) BSS’s and wireless Distribution System (DS)

61

Overview, 802.11 Architecture

STASTA

STA STA

STASTASTA STA

APAP

ESS

BSS

BSSBSS

BSS

Existing Wired LAN

Infrastructure Network

Ad Hoc Network

Ad Hoc Network

IEEE 802 .11 Terminology

Basic Service Set Identifier (BSSID)

“cell identifier”

6 octets long (MAC address format)

Similar to NWID in pre-IEEE WaveLAN systems

One BSS has one SSID

Value of BSSID is the same as the MAC address of the radio in the Access-Point

802.11 MAC 子层

the problem“Hidden stations”

BA C

A sends to BC doesn’t detect that, so C might also start sending to BCollision of messages at B: both messages lost

“Hidden stations” the solution

IEEE 802.11 defines: MAC level RTS/CTS protocol (Request to Send / Clear to Send) Can be switched off to reduce overhead (when no hidden nodes exist) More robustness, and increased reliability No interruptions when large files are transmitted

A B

RTS: I want to send to B 500 bytes

CTS: OK A, go ahead, so everybody quiet

Data: the 500 bytes of data from A to B

ACK: B received the data OK, so an ACK

C

65

802.11支持的两种操作模式 点协调功能（ PCF, Point Coordination

Function) 由基站周期性地广播一个信标帧（ beacon f

rame) ，邀请站点申请服务 分布式协调功能 (DCF, Distributed Coordination Function) CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance)

DCF 是必须的， PCF 是可选的

66

DIFSContention Window

Slot time

Defer Access

Backoff-Window Next Frame

Select Slot and Decrement Backoff as long as medium is idle.

SIFS

PIFSDIFS

Free access when medium

is free longer than DIFS

Busy Medium

Operational processesInter-Frame Spacing

Inter frame spacing required for MAC protocol traffic SIFS = Short interframe space ，发送控制帧或下一个分片的间隔 PIFS = PCF interframe space ， PCF帧发送间隔 DIFS = DCF interframe space ， DCF帧发送间隔 EIFS = Extended interframe space ，坏帧的报告间隔

Back-off timer expressed in terms of number of time slots

802.11MAC帧格式

FrameControl

DurationID Addr 1 Addr 2 Addr 3 Addr 4Sequence

Control CRCFrameBody

2 2 6 6 6 62 0-2312 4

802.11 MAC Header

Bytes:

ProtocolVersion

Type SubTypeToDS

RetryPwrMgt

MoreData

WEP Rsvd

Frame Control Field

Bits: 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1

DSFrom More

Frag

•Control Frames •Management Frames•Data Frames

RTS or CTS

重发帧？ 休眠 or 唤醒

加密？

分片编号持续时间，表示该帧和其确认帧所占用时间

Address Field Description

Addr. 1 = All stations filter on this address.Addr. 2 = Transmitter Address (TA), Identifies transmitter to address the ACK frame to.Addr. 3 = Dependent on To and From DS bits.Addr. 4 = Only needed to identify the original source of WDS (Wireless Distribution System) frames

ProtocolVersion

Type SubTypeToDS

RetryPwrMgt

MoreData

WEP Rsvd

Frame Control Field

Bits: 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1

DSFrom More

Frag

To DS

0

0

1

1

From DS

0

1

0

1

Address 1

DA

DA

BSSID

RA

Address 2

SA

BSSID

SA

TA

Address 3

BSSID

SA

DA

DA

Address 4

N/A

N/A

N/A

SA

69

AP的作用

70

无线网络标准

WANIEEE 802.20(in process)

3GPP EDGE(GSM)

LANIEEE 802.11Wireless LAN

ETSIHiperLAN

IEEE 802.15Bluetooth

PANETSI

HiperPAN

MANIEEE 802.16WirelessMAN

ETSI HiperMAN&HIPERACCESS

71

0.1 1 10 100+

传输速率(Mbps)

10m

100m

1km

10km

cell

ular

范围

802.15.3a(UWB)Bluetooth

802.16a

802.20 802.16e

802.16

2G/2

.5G

cel

lula

r

3G c

ellu

lar

802.11b802.11a

几种无线标准的传输速率与范围比较