无线局域网WLAN

一、无线局域网的组成

• 无线局域网WLAN：指采用无线通信技术的局域网

• 特点

  • 1. 提供了移动接入的功能
    2. 节省投资、建网速度较快
    3. 支持便携设备联网

• 便携站与移动站的区别

  • 便携站：便于移动，工作时位置不变
  • 移动站：能移动，且在移动中可通信

• 无线局域网WLAN可分两类：

  • 有固定基础设施的WLAN

  • 无固定基础设施的WLAN

    • 固定基础设施：预先建立起来的、能覆盖一定地理范围的一批固定基站

1. IEEE 802.11

• 是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准
• 相当复杂。是以太网的标准：
  • 使用星型拓扑，其中心为 接入点AP
  • 在MAC层使用 CSMA/CA 协议
• 凡使用 802.11 系列协议的局域网又称为 Wi-Fi：无线保真度
• 最小构件：基本服务集BSS，包括：
  • 一个基站
  • 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以外的站通信时必须通过本BSS的基站
• 接入点AP：基本服务集内的基站
  • 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和一个通信信道
  • SSID：该AP无线局域网的名字
• 基本服务区：基本服务集BSS所覆盖的地理范围（直径一般不超过100米），由移动站所发射的电磁波的辐射范围确定
• 一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个分配系统DS，然后再连接到另一个基本服务集——构成扩展的服务集
• 门户：802.11定义的新名词，作用相当于一个网桥，提供到802.x局域网的接入
• 分配系统作用：使扩展的服务集ESS对上层的表现就像一个基本服务器BSS
• 没有定义如何实现漫游，但定义了一些基本的工具
  • 建立关联：
    • 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才能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
  • 重建关联和分离
    • 若移动站使用重建关联服务，就可以把这种关联转移到另一个接入点
    • 当使用分离服务时，就可终止这种关联
  • 移动站与AP建立关联的方法
    • 被动扫描：移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧，信标帧中包含有若干系统参数
    • 主动扫描：移动站主动发出探测请求帧，然后等待从AP发回的探测响应帧
  • 热点
    • 接入Wi-Fi的地点，是公众无线入网点
    • 热区：由许多热点和AP连接起来的区域
    • 用户可以通过无线信道接入到无线互联网服务提供者，然后再经过无线信道接入到互联网
  • 接入安全
    • 无线局域网用户在和附近的接入点AP建立关联时，一般还要键入用户密码
    • 初期的接入加密方案称为WEP：有线等效的保密
    • 现在的接入加密方案称为WPA：无线局域网受保护的接入或WPA2

2. 移动自组网络

• 无固定基础设施的无线局域网
  • 没有上述基本服务集中的接入点AP，而是由一些处于平等状态的移动站相互通信组成的临时网络
• 服务范围受限，不和外界的其他网络相连接
• 移动分组无线网络
• 无线传感器网络WSN是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
• 特点：
  • 不需要很高的带宽、必须保持低功耗
  • 对协议栈的大小有严格的限制
  • 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
• 传感器结点的组成：电池、CPU、无线收发器、存储器、传感器硬件
• 无线传感器网络应用于：组成各种物联网IoT
• 移动自组网络不同于移动IP
  • 移动IP技术使漫游的主机可以用多种方式连接到互联网
  • 移动IP技术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器选择协议
  • 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，并且可以不和互联网相连

几种不同的接入：

• 固定接入：在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变
• 移动接入：用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信，但发生切换时，通信仍然是连接的
• 便携接入：在要用的网络覆盖面积中，用户设备能够以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力
• 游牧接入：用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变，如用户设备移动了位置，则两次进行通信时可能还要寻找最佳的基站

二、802.11局域网的物理层

物理层的不同（工作频段、数据率、调制方法等），对应的标准不同

标准	频段	数据速率	物理层	优缺点
802.11b （1999年）	2.4GHz	最高11Mbit/s	扩频	最高数据率较低，价格最低，信号传播距离最远，且不受阻碍
802.11a （1999年）	5GHz	最高54Mbit/s	OFDM	最高数据率较高，支持更多用户同时上网，价格最高，信号传播距离较短，且易受阻碍
802.11g （2003年）	2.4GHz	最高54Mbit/s	OFDM	最高数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远，切不易受阻碍，价格比802.11b贵
802.11n （2009年）	2.4/5GHz	最高600Mbit/s	MIMO OFDM	使用多个发射和接收天线达到更高的数据传输速率，当使用双倍带宽（40MHz）时速率可达600Mbit/s

802.11 的物理层有以下几种实现方法：

1. 直接序列扩频DSSS
2. 正交频复用OFDM
3. 跳频扩频FHSS（已很少用）
4. 红外线IR（已很少用）

三、802.11局域网的MAC层协议

1. CSMA/CA协议

• 无线局域网不能简单地搬用CSMA/CA协议
  • “碰撞检测”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，但接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度，在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大
  • 即使能够实现碰撞检测的功能，并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候，在接收端仍然有可能发送碰撞
• 无线局域网的特殊问题
  • 隐蔽站问题：未能检测出媒体上已存在的信号的问题
  • 暴露站问题：发送前检测到媒体上有信号，但实际上不影响数据发送，却没发
• 改进CSMA/CA协议
  • 把CSMA增加一个碰撞避免CA功能
  • 802.11 使用CSMA/CA协议，同时增加使用停止等待协议

(1) 802.11的MAC层

• MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据
• 分布协调功能（争用功能必须实现）：DCF子层在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获得发送权，因此DCF向上提供争用服务
• 点协调功能（无争用功能，选用）：PCF子层使用集中控制的接入算法把发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生
  • 自组网络就没有PCF子层

(2) 帧间间隔IFS

• 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的统称是帧间间隔IFS
• 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，可优先获得发送权
• 若低优先级帧还没有来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会
• 常用的帧间间隔
  • SIFS：短帧间间隔。长度为28μs，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式
    • 使用SIFS 的帧类型：ACK帧，CTS帧，由过长的MAC帧分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧和在PCF方式中接入点AP发送出的任何帧
  • DIFS：分布协调功能帧间间隔，长度为128μs，用来发送数据帧和管理帧

(3) 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
• 通过接收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判断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DISF后，信道若仍然空闲就可发送
• 目的站若正确收到帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK

信道空闲还需等待的原因

• 考虑可能有其他站有高优先级的帧要发送
  • 如有，就要让高优先级帧先发送
• 假如没有高优先级帧要发送
  • 源站发送了自己的数据帧
  • 目的站若正确接收到帧，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，直到收到却确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送

(4) 虚拟载波监听

• 机制：让源站将他要占用信道的时间（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
• 其他站实际上没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据
• 源站的通知：源站在其MAC帧首部中的第二个字段”持续时间“中填入了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

(5) 网络分配向量

• 当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的”持续时间“字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV
• NAV指出：必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态

(6) 争用窗口

• 信道从忙态变为空闲，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入一个争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道
• 在信道从忙态转为空闲时，为了避免几个站同时发送数据（一旦发送就要把一帧发送完，不能中途停止），各站就要执行退避算法，以减少发生碰撞的概率
• 802.11 使用二进制指数退避算法

二进制指数退避算法

• 第 i 次退避就在 22+i 个时隙中随机地选择一个，即：第 i 次退避是在时隙 {0, 1, …, 22+i – 1} 中随机地选择一个。

• 第 1 次退避是在 8 个时隙中随机选择一个。

• 第 2 次退避是在 16 个时隙中随机选择一个。

• 当时隙编号达到 255 时（这对应于第 6 次退避）就不再增加了。

• 这里决定退避时间的变量 i 称为退避变量。

退避计时器

• 站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。

• 这可能发生两种情况：

  1. 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。

  2. 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲，并再经过时间 DIFS 后，从剩余时间开始继续倒计时。当退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。

冻结退避计时器剩余时间的做法是为了使协议对所有站点更加公平。

退避算法的使用情况

• 仅在下面的情况下才不使用退避算法：
  检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。

• 除此以外的所有情况，都必须使用退避算法：

  1. 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。

  2. 在每一次的重传后。

  3. 在每一次的成功发送后。

(7) CSMA/CA算法归纳

1. 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，在等待时间 DIFS 后，就发送整个数据帧。

2. 否则，站点就要等检测到信道空闲并经过时间 DIFS 后，执行 CSMA/CA 协议的退避算法，启动退避计数器。在退避计数器减少到零之前，一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。一旦信道空闲，退避计时器就进行倒计时。

3. 当退避计时器时间减少到零时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个的帧并等待确认。

4. 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧，就要从上面的步骤 (2) 开始，执行 CSMA/CA 协议的退避算法，随机选定一段退避时间。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 （再次使用 CSMA/CA 协议争用接入信道），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。

2. 对信道进行预约

为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。

• 使用 RTS 帧和 CTS 帧会使整个网络的通信效率有所下降。但与数据帧相比，开销不算大。

• 相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。

• 虽然如此，协议还是设有三种情况供用户选择：

  1. 使用 RTS 帧和 CTS 帧；

  2. 只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用 RTS 帧和 CTS 帧（显然，当数据帧本身就很短时，再使用 RTS 帧和 CTS 帧只能增加开销）；

  3. 不使用 RTS 帧和 CTS 帧。

• 虽然协议经过了精心设计，但碰撞仍然会发生。

四、802.11局域网的MAC帧

802.11 帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧。

• MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在帧的首部。

• 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 帧的长度通常都小于 1500 字节。

• 帧检验序列 FCS 是尾部，共 4 字节 。

数据帧地址：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

去往 AP	来自 AP	地址 1	地址 2	地址 3	地址 4
0	1	目的地址	AP 地址	源地址	——
1	0	AP 地址	源地址	目的地址	——

• 地址1：该帧的下一站地址
• 地址2：该帧的本次发送的地址
• 地址3：该帧的去往或者来自的真正地址