《计算机网络原理（谢希仁）》 笔记[8]——第 9 章 无线网络

 

第 9 章  无线网络

无线局域网

一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时 ，都要通过本 BSS 的基站。

基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。当网络管理员安装 AP 时，必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个信道。 一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。ESS 还可通过叫做门户(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（到 A¢ 的位置），仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。

 

与接入点 AP 建立关联(association)

一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点建立关联。

建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。

只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧。

 

移动站与 AP 建立关联的方法

被动扫描，即移动站等待接收接入站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，即移动站主动发出探测请求帧(probe request frame)，然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)。

 

移动自组网络

自组网络是没有固定基础设施（即没有 AP）的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。

 

无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network)

由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。

无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集、处理和传输，一般并不需要很高的带宽，但是在大部分时间必须保持低功耗，以节省电池的消耗。

由于无线传感结点的存储容量受限，因此对协议栈的大小有严格的限制。

无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。

 

移动自组网络和移动 IP 并不相同

1.移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。

2.移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。

3.移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。 

 

802.11 局域网的 MAC 层协议

CSMA/CA 协议

无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。

1.CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。

2.即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。 

这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) 。当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem)

B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。

 

CSMA/CA 协议的原理

欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。

通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。

当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。 

 

为什么信道空闲还要再等待

这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。

如有，就要让高优先级帧先发送。

 

假定没有高优先级帧要发送

源站发送了自己的数据帧。

目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。

若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

 

虚拟载波监听

虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。

“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。

 

对信道进行预约

源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。

 

802.11 局域网的 MAC 帧

802.11 帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。

数据帧的三大部分

1.MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在帧的首部。

2.帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312 字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过 802.11 帧的长度通常都是小于 1500 字节。

3.帧检验序列 FCS 是尾部，共 4 字节

802.11 数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址 4 用于自组网络。

 

无线个人区域网 WPAN (Wireless Personal Area Network)

在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点 AP。

整个网络的范围大约在 10 m 左右。它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段。

 

蓝牙系统(Bluetooth)

最早使用的 WPAN 是 1994 年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是 IEEE 802.15.1 。

蓝牙的数据率为 720 kb/s，通信范围在 10 米左右。

 

低速 WPAN

低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。

ZigBee 技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10 ~ 80 m），传输数据速率低，并且成本低廉。

 

高速 WPAN

高速 WPAN 用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持11 ~ 55 Mb/s的数据率。

 

无线城域网 WMAN

WiMAX 常用来表示无线城域网 WMAN，这与Wi-Fi 常用来表示无线局域网 WLAN 相似。

 

几种无线网络的比较