Wi-Fi 概论

简介

IEEE 802.11 标准的无线网络俗称 Wi-Fi，Wi-Fi 用于有限的地址范围，比如家庭，办公室，校园等等，信号通过空气传输，在此情况下，Wi-Fi 设计的主要难点是对共享通信介质的协调访问。和 Ethernet 相比，Wi-Fi 支持额外的电源管理模式和安全机制。

1. Wi-Fi 隐藏节点问题
   以太网中的节点在接收其他节点数据时，能够同时发送数据。与以太网不同，无线网络中的节点不具备该特性，这使得在无线网络中的冲突检测非常复杂。无线网络中节点通常不能同时收发数据，一个无线节点可能因为太远而不能接收其他节点的传输，这类情况非常复杂。

   
   
   

   无线网络
   
   

   由于传输媒介和传输范围的影响，Wi-Fi 存在一个隐藏节点问题。假设 A,B,C,D这 4 个节点都只能跟左右邻居节点传送和接收数据。
   1、B 可以和 A,C 这 2 个节点传送和接收数据，但不能和 D 节点通信
   2、C 可以和 B,D 这 2 个节点传送和接收数据,但不能和 A 节点通信

假设节点 A 和节点 C 都想和节点 B 通信，A 和 C 各自传送一个信息给 B，因为 A 和 C 都在各自的传输范围之外，所以 A 和 C 无法感知对方正在和 B 通信，又因为节点 B 无法同时接收 2 个信号，所以这个时候 A 和 C 的信号会在 B 发生碰撞，和以太网不同的是，A 和 C 都无法侦听到信号碰撞。节点 A 和节点 C 被称作彼此的 隐藏节点。如下图所示。

隐藏节点

2. Wi-Fi 暴露节点问题
   Wi-Fi 除了一个隐藏节点问题也存在另一个相关的暴露节点问题。如下图所示，假设节点 B 要传送信息给节点 A，节点 C 因为听得到节点 B 正在传送信息而发现了节点 B 和节点 A 的通信。节点 C 了解到 B 正在传送，但是下了一个错误的判断，认为节点 C 自己不能传送信息给任何节点。如果此时节点 C 想传送信息给节点 D 是可以，不会造成问题，因为 C 传送给 D 并不会干扰到 A 接收 B 的信息。

暴露节点

3. CSMA/CA
   以太网对于信号冲突的问题有一个 CSMA/CD 的算法来处理，CD 是冲突检测（监听链路的空闲状态，当链路成为空闲状态之后再传输，如果信号发生碰撞则退避），而 Wi-Fi 也有遵循一个与以太网的 CSMA/CD 类似的算法。由于存在隐藏节点和暴露节点的问题，Wi-Fi 采用 CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多路访问/碰撞避免）解决这两个问题。 以太网采用的是 CSMA/CD，。
   载波监听：在发送 frame 之前，监听信道中是否有信号在传输，如果没有就发送。由于存在隐藏节点的问题，仅仅没有监听到其他节点的信号并不能保证在接收端不会发生冲突。基于此，CSMA/CA 要求接收方成功接收了 frame ，则接收方必须给发送方发送一个 ACK ，如下图所示。

   
   
   

   不支持冲突检测

4. RTS-CTS 机制
   如果发生了冲突，那么 frame 将变得无效。所以 802.11 设计了一个 RTS-CTS 机制，这个机制可以在一定程度上解决隐藏节点的问题。

RTS-CTS 机制

如上图所示，发送端传送资料之前，先和接收端先彼此交换控制 frame,这次交换是用来告知附近所有的节点传送即将要开始了。发送端先送出 RTS(Request to Send,RTS) frame 给接收端，接收端收到 RTS 之后回送一个 CTS(Clear to Send,CTS) frame 。其中 RTS frame 和 CTS frame 包含发送端和接收端想要保留传输媒介多长时间的信息。
任何可以听到 CTS frame 的节点表示节点离接收端很近，所有可以听到 CTS frame 的节点在 CTS 指定的时间内都不可以传送数据，防止信号碰撞。
任何可以听到 RTS frame 的节点表示节点离发送端很近，所有可以听到 RTS frame 的节点在 RTS 指定的时间内都不可以传送数据,防止信号碰撞。在指定时间到达后，经过一个小的时间间隔，信道变为可用，其他节点可以尝试发送数据。如果多个节点同时侦测到线路是闲置的且同时去尝试发送 RTS frame,那么这些节点的 RTS 会发生信号碰撞，一段时间后，当节点没有收到 CTS frame，节点就会知道信号发生了碰撞。每个节点就会随机等待一段时间再尝试一次，等待时间由 exponential backoff algorithm （指数退避算法）决定，这点和以太网一样。

分布式系统

网络中所有的节点并不是完全相同的，有些节点可以移动（笔记本电脑，手机），有些节点连接到有线网络基础设施上,802.11称这些基站为接入点（Access Point,AP），多个 AP 通过分布式系统（distribution system，DS）彼此相连，一个 DS 连接多个 AP，一个节点只和一个 AP 相连。分布式网络运行在ISO架构的第2层链路层，它与无线链路在同一个协议层运行。分布式系统如下图所示。

分布式系统

每个节点与各自的一个 AP 相连接，如果 2 个节点彼此可达，那么它们就能够直接通信，如下图所示。
节点 A 要传送数据给节点 C，那么传送线路 A --> AP1 --> C。
节点 A 要传送数据给节点 E，那么传送线路 A --> AP1 --> DS --> AP3 --> E 。

分布式系统传输路径

1. 扫描
   在 802.11 中，节点如何选择它们的 AP 呢？若节点从一个 AP 的传输范围移动到另一个 AP 的传输范围，那么这个时候节点又是怎么选择 AP 呢？
   
   

   扫描
   
   如上图所示，节点选择 AP 的技术称为 扫描（scanning）, 节点通常在想要加入一个网络或者想要更换其他 AP 的时候执行扫描过程，扫描过程有 4 个步骤。
   1)节点发送 Probe frame，
   2)所有收到 Probe 的 AP 会回传 Probe Response frame,
   3)节点从中选择一个 AP，然后发送一个 Association Request frame,
   4)AP 通过 Association Response frame 来应答。

2. 主动扫描 （Active Scanning）

   
   
   

   主动扫描
   
   

   如上图所示，如果节点 C 从 AP1 的服务范围移动到 AP2 的服务范围，在节点 C 移动的时候，节点 C 会先发送出 Probe frame, AP2 会回送 Probe Response frame,在某个位置时，AP2 对于节点 C 的信号强度强于 AP1,节点 C 连上了 AP2。从节点的角度来看，节点主动寻找 AP 的过程称为主动扫描。

3. 被动扫描 （Passive Scanning）
   

   

   image.png
   
   AP 定期发送 Beacon frame,用于广播 AP 的能力（Beacon frame 里面包含 AP 的传输速度），从节点的角度来说，这属于被动扫描，节点可以根据 Beacon frame 的内容然后发送 Association Request frame 给此 AP,达到切换 AP 的目的。

Frame 格式

Frame 格式

1、来源和目的地址 Addr1,Addr2,Addr3,Addr4 各 48 bit
2、Data,最多 2312 bytes
3、CRC 错误检查码 32 bit
4、控制栏位 Frame Control 16 bit。Type 和 Subtype 栏位描述这个 Frame 是 RTS 或 CTS 或者是扫描演算法正在使用的，接着的 2 个 bit 栏位描述 Frame 前往 DS 和来自 DS
5、Frame 包含 4 个地址，这 4 个地址的解读依赖于 Frame Control 里面的 To DS 和 From DS 这 2 个栏位的设定值。

最简单的例子，当 frame 被一个节点直接传送到另一个节点，To DS 和 From DS 这 2 个 1 bit 栏位都设置为 0 ，此时 Add1 表示目的地节点，而 Addr2 表示来源节点。最复杂的是 To DS 和 From DS 这 2 个 1 bit 栏位都设置为 1，此时表示 frame 从一个无线节点 --> DS --> 另一个无线节点。

下图是 To DS 和 From DS 的设置值对应的各个 Addr 节点。

Addr 节点

总结

作为网络方面的简单入门内容，文章主要是介绍 Wi-Fi 的简单知识。这篇博客内容总结于黄能富教授的《CS01060 2017-秋季-計算機網路概論》课程，博客截图来源于课程 PPT。

参考

1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BD%BD%E6%B3%A2%E4%BE%A6%E5%90%AC%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E8%AE%BF%E9%97%AE
2. https://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi
3. http://www.sharecourse.net/sharecourse/course/view/courseInfo/1246
4. https://book.douban.com/subject/26417896/