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无线网桥技术的全面介绍与综述

2017-7-12 21:09:53

    无线网桥是一种应用在无线网络领域中的桥接技术。网桥(Bridge)主要用于OSI参考模型第二层,它可控制数据流量、处理传输错误、提供物理编址以及管理物理介质的访问等功能。
无线网桥的用途
    网桥的用途在于互连不同的局域网,由于物理上的原因,若采取有线方式不方便,则可利用无线网桥的方式实现二者的点对点连接,无线网桥不仅提供二者之间的物理与数据链路层的连接,还可为两个网络的用户提供较高层的路由与协议转换.可以看出,无线网桥的优点是非常灵活,在中、短距离时支持高速率数据传输,在长距离时支持低速率数据传输。
无线网桥的技术实现与标准
    无线网桥的技术实现是由IEEE 802.l1、IEEE 802.ld生成树协议等国际标准协议定义的。
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兼容。该标准规定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成本。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。该标准在1997的版本中主要对网络的物理层和MAC层(媒质访问控制层)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实现互操作,而逻辑链路控制层(LLC)是一致的,即MAC层以下对网络应用来讲是透明的。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2400MHz ~2483.5MHz;另一种是红外(Infrared)技术,用红外光来作为传输媒介。而扩频又分为直接序列扩频技术(DSSS)和跳频(FH Frequency Hopping)扩频技术。
    2000年8月,IEEE802.11标准得到了进一步的完善和修订,并成为IEEE/ANSI 和ISO的一个联合标准。ISO将该标准定为ISO8802.11。这次IEEE802.11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,即IEEE802.11a与IEEE802.11b。
IEEE 802.1d标准
    网桥有三种典型的方式:透明桥、源路由桥与源路由透明桥。网桥典型地连接两个用同样介质存取控制方法的网段,IEEE 802.1d规范(此规范是为所有的802介质存取方法开发的)定义了透明桥。源路由桥是由IBM公司为它的令牌环网络开发的;而源路由透明桥则是透明桥和源路由桥的组合。桥两边的网段分属于不同的冲突域,但却属于同一个广播域。
    在一个桥接的局域网里,为了增强可靠性,必然要建立一个冗余的路径,网段会用冗余的网桥连接。但是,在一个透明桥桥接的网络里,存在冗余的路径就能建立一个桥回路,桥回路对于一个局域网是致命的。
    生成树协议是一种桥嵌套协议,在IEEE 802.1d规范里定义,可以用来消除桥回路。它的工作原理是这样的:生成树协议定义了一个数据包,叫做桥协议数据单元BPDU(Bridge Protocol Data Unit)。网桥用BPDU来相互通信,并用BPDU的相关机能来动态选择根桥和备份桥。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在,所以桥回路被消除。
    在一个生成树环境里,桥不会立即开始转发功能,它们必须首先选择一个桥为根桥,然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥ID的将变成一个根桥,全部的生成树网络里面只有一个根桥。根桥的主要职责是定期发送配置信息,然后这种配置信息将会被所有的指定桥发送。这在生成树网络里面是一种机制,一旦网络结构发生变化,网络状态将会重新配置。
    当选定根桥之后,在转发数据包之前,它们必须决定每一个网段的指定桥,运用生成树的这种算法,根桥每隔2秒钟从它所有的端口发送BPDU包,BPDU包被所有的桥从它们的根端口复制过来,根端口是接根桥的那些桥端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST,网络管理员分配端口的COST到所有的桥端口,当根桥发送BPDU的时候,根桥设置它的端口值为零。然后沿着这条路径,下一个桥增加它的配置端口COST为一个值,这个值是它接收和转发数据包到下一个网段的值。这样每一个桥都增加它的端口的COST值为它所接收的BPDU的包的COST值,所有的桥都检测它们的端口的COST值,拥有最低端口的COST值的桥就变为了指定的桥。拥有比较高端口COST值的桥置它的端口进入阻塞状态,变为了备份桥。在阻塞状态,一个桥停止了转发,但是它会继续接收和处理BPDU数据包。
无线网桥的连接方式 
    无线网桥可以无缝地将远程网络连接在一起,创建一个统一的局域网,在简单的网络中,网桥连接到局域网中的一个集线器或交换机上,通过电缆、天线相连接;如果局域网中包括多个子网,无线网桥要首先连接到路由器。
在无线网桥连接之前,需要注意以下事项:
    1. 将要连接的建筑物必须要能保持空阔,高大的树木和建筑物等障碍物都会直接影响无线电波的传输。
    2. 在减少带宽的情况下,可以增加建筑物之间的传输距离,进行远距离传输。目前,无线传输的距离在无障碍的情况下最长可以达到80公里,但是在应用中,实际距离可能会远小于80公里,因此在多山地区,或者有障碍物的时候,距离不宜过长,实在需要的话,可以在中间设立中继中转站,绕过障碍。
    3. 无线局域网近距离传输时,为了获得最大的带宽,可以将无线网桥连接到支持冗余通道的路由器上,这样就可将三个无线网桥集成在一起,并且天线高度基本没有影响。由于无线局域网连网设备大都要求“视距”传输,因此天线高度的设定很重要。如果天线的高度不够,靠增加功率放大或增大天线增益的方法得到的效果将非常有限。
    4. 在无线覆盖区域内,规划并选择一个不会与其他无线通信干扰的信道。
    5. 如果通过无线局域网跨路连接建筑物时,天线可以安装在屋顶上,利用小型天线保持电波的集中,并避免来自其他企业的干扰。
    6. 尽管无线网络利用了跳频技术,使得频率载波很难被检测到(即安全性能很好),但是,为了预防万一,还可以在接入点设置网络ID号,这样只有当双方无线适配器设置了同样的ID号,才能和接入点同步并接到网络中。此外,在传输的数据中进行加密是提高安全性的进一步手段。
    无线网桥的应用主要有以下几种结构:点对点型、点对多点型和混合型。三种结构都有不同的适用场合,用户可根据实际应用选择:
点对点型
    这种类型常用于固定的要连网的两个位置之间,是无线连网的常用方式,使用这种连网方式建成的网络,优点是传输距离远,传输速率高,受外界环境影响较小。
点对多点型
    该类型常用于有一个中心点、多个远端点的情况下。其最大优点是组建网络成本低、维护简单。其次,由于中心使用了全向天线,设备调试相对容易。该种网络的缺点也是因为使用了全向天线,波束的全向扩散使得功率大大衰减,网络传输速率低,对于较远距离的远端点,网络的可靠性不能得到保证。此外,由于多个远端站共用一台设备,网络延迟增加,导致传输速率降低,且中心设备损坏后,整个网络就会停止工作。其次,所有的远端站和中心站使用的频率相同,在有一个远端站受到干扰的情况下,其他站都要更换相同的频率,如果有多个远端站都受到干扰,频率更换更加麻烦,且不能互相兼顾。
混合型
    这种类型适用于所建网络中有远距离的点,近距离的点,还有建筑物或山脉阻挡的点,在组建这种网络时,综合使用上述两种类型的网络连接方式。对于远距离的点使用点对点方式,近距离的多个点采用点对多点方式,有阻挡的点使用中继。
无线网桥的行业应用
    从国外应用的情况来看,无线网桥几乎在各行各业都能得到应用,凡是在连接无线局域网的地方,几乎都能看到它的“身影”,应用的几个典型行业分析如下:
企业/办公区域:
    当一个中大型公司有几个分支机构分布在同一个城市中,而布线又特别困难时,利用无线网桥连接这几个分支机构实现企业Intranet是一个不错的解决方案,其他分支内的员工可以使用无线局域网络产品,不管他们在办公室的任何一个角落,就能随意地收发电子邮件、分享文件及上网络浏览。
教育行业:
    在高校中,利用无线网桥架构一个无线校园网,学校师生无论在学校的任何地方,任何时候都可以方便地利用无线网络访问学校的图书馆、随意地收发电子邮件、网上聊天等。
医疗行业:
    在大型的医院里,利用无线网桥可架构一个无线的医疗网络,使用手提式计算机可取得实时信息,医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业、单据循环的迟延及误诊等,从而提升医院的服务水平。
林业:
    在广袤的林区,可利用无线网桥架构一个廉价的林业防护网,用于远距离信息的传输,如在林区进行火灾、病虫害等信息的传送等;
交通运输业:
    利用无线网桥架构的公安交通管理网,执法公安交警可随时对违章的司机通过手持无线终端及时处罚,进行交通管理等。
出租业:
    出租行业可利用无线网桥架构一个无线出租城域网,出租管理部门可利用全球定位系统减少出租车的空载率,出租车司机则可以在出租车上安装一个无线上网终端,让客人随时上网收发电子邮件,上网聊天,移动办公等,提高出租行业的服务质量。
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