无线局域网技术概述（Wireless LANs）——802.11协议

无线通信是目前通信领域中最快速发展的技术之一，对于不使用线缆来进行设备连接的需求在各个地方都在不断的增长，无线局域网在大学校园，办公楼和很多的公共区域都随处可见。以下部分主要关于两种无线局域网技术：IEEE 802.11(也被称为无线以太网)和蓝牙(Bluetooth)。

一、IEEE 802.11

IEEE定义的无线局域网的规格，称之为IEEE 802.11，其覆盖物理层和数据链路层。

1、架构

标准定义了两种类型的服务：基本服务集（BSS）和扩展服务集（ESS）

基本服务集（BSS）：

IEEE 802.11定义的基本服务集（BSS）作为无线LAN的构建模块，基本服务集由移动或固定的无线station和可选的中心基站（称之为接入点（Access Point），简称AP）。如下图显示了标准中的两种基本服务集情况，

其中，没有AP的BSS是作为单独的一个网络，所以它不能发送数据到其他的BSS——该架构称为ad hoc架构，在该架构中，station形成网络不需要AP；station之间可以定位对方，同一作为BSS的一部分。

伴有AP的BSS有时称之为infrastructure网络。

扩展服务集（ESS）：

扩展服务集有两个或更多个伴有AP的BSS组成，在该情况，BSS之间通过分布式系统（通常是有线LAN）连接起来。分布式系统连接BSS中的AP。IEEE 802.11中没有限制分布式系统，它可以是任何的IEEE LAN网络，像以太网。

注意在ESS中，使用两种类型的station：移动的和固定的。移动station在BSS中是正常的station，而固定的station就是作为有线LAN一部分的AP station。下图展示了ESS架构

当BSS连接起来后，在同一BSS中，station之间可以通信，且可以不需要使用AP，然而，当两个通信的station属于不同的BSS时，则需要通过两个BSS中的AP。

2、station类型

IEEE 802.11在无线局域网中基于station的移动性定义了三种类型的Station：

no-transition

BSS-transition

ESS-transition

对于一Station，若其移动性为no-transition，则说明该Station要么是固定的（没有移动），那么仅在BSS内部移动。

若其移动性为BSS-transition，则说明可以从一个BSS移动到另一个BSS，但是这种移动只限制在一个ESS内。

若其移动性为ESS-transition，则说明可以从一个ESS移动到另一个ESS。

3、MAC子层

在协议中有两种不同的MAC子层，大部分时间使用的MAC子层是基于CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance，载波侦听冲突避免机制)，下图展示了流程框图

无线局域网不能实现CSMA/CD(载波侦听冲突检测)有如下三个原因：

1）对于冲突检测，station必须在同一时间发送数据和接收冲突信号，这意味着需要昂贵的station和增加带宽需求

2）可能会因为隐藏station问题，而无法检测到冲突，

3）station之间的举例可能会非常大，信号衰减可能会导致在一端的station无法侦听到另一个端的冲突。

帧交换时间线

下图展示了适时的数据帧和控制帧的交换

1）在发生一帧数据之前，源station通过检测载波频率的能量来侦听媒介

a）信道使用伴随回退的持续策略，直到信道为空，

b）当station发现信道为空时，station等待DIFS时间（Distributed interframe space）；然后station发送一个RTS(Request to Send)控制帧。

2）当接收到RTS，等待SIFS(Short interframe space)后，目的station发送一CTS（Clear to Send）控制帧到源station，该控制帧表明目的station准备接收数据。

3）当源station等待了SIFS时间后，开始发送数据

4）目的station在等待了SIFS时间后，发送确认帧（Ack），以表示源station发送的数据已收到，在802.11协议中，需要ACK来确认数据已收到，因为station没有任何方法检测数据是否成功到底目的station，另一方面，CSMA/CA中没有冲突也是表示到达目的station的一种方式。

网络分配矢量（Network Allocation Vector， NAV）

当一个station请求访问信道时，如果推迟其他station发送数据？换句话，就是协议是如何完成冲突避免的？关联的特性就是NAV。

当一个station发送一个RTS帧，它包含了它占用信道的持续时间，其他收到影响的station会创建一个称为网络分配矢量（NAV）的定时器，该NAV显示了其他station需要等待多少时间才允许来检测信号是否是空闲的。每次，一个station访问系统并发送一个RTS帧，其他的station启动它们的NAV，换句话就是，各个station在开始侦听物理媒介之前，先检测各自的NAV是否已经终止。上图中右图展示了NAV的思想。

当在RTS或CTS控制帧交互的时间（常称之为handshaking peroid，握手期间）发生了冲突会出现什么情况？两个或更多个station可以同时发送RTS帧，这些控制帧可能会发生冲突，然而，由于没有机制来检测冲突，发送者会假设若没有从接收者那里接收到CTS帧，那么就当前就存在冲突，此时就采用回退机制，然后发送者在继续发送。

分段（Fragmentation）

无线环境是非常嘈杂的。因此，一个发送失败的帧需要重传。802.11协议建议分段——把大的帧分为较小的帧，发送小帧比发送大的帧更加有效。

帧格式（Frame Format）

MAC层帧有9个域组成，如下图所示：

1）Frame Control（FC）：2个字节，定义了帧类型和一些控制信息，表3.5描述了子域。

2）D：在一个控制帧中，该域定义了帧的ID，其他所有的帧类型中，该域定义了发送持续时间（该值用来设置NAV值）。

3）Address：有四个地址域，各个地址为6个字节，各个地址的意义依赖于To DS和From DS子域的值。

4）Sequence control：该域定义了用于流控制的帧序列号

5）Frame Body：该域，在0到2312字节之间，包含了基于FC域中定义的类型和子类型的信息。

6）FCS：该域为4字节，包含CRC-32错误检测序列。

帧类型

802.11协议定义的无线LAN有三种类别的帧：管理帧，控制帧，和数据帧

管理帧：用于station和AP之间的初始化通信

控制帧：用于访问信号和ACK帧，下图实现了控制帧格式

对于控制帧，type域的值为01，subtype域的值如下表所示

数据帧：用于运载数据和控制信息

4、寻址机制

IEEE 802.11协议寻址机制指定了四种情况，通过FC域中的两个标志位的值来定义的，To DS和From DS。各标志位为0或1，产生四种不同的情况，MAC帧中的四种地址（Address1到Address4）的解释依赖于这些标志位的值，如下标所示：

主导到address 1总是下一个设备的地址，address 2总是前一个设备的地址，address 3若没有被address 1定义，那么它就是最后的目的station的地址。address 4若与address 2不相同，那么它就是源station的地址。

隐藏和暴露station问题

前面部分已提及，此处讨论该问题以及其影响

隐藏station问题：下图展示了隐藏结点的问题，

station B的发送范围如左边椭圆所示；在该范围的每个station能侦听到station B发送的信号，station C的发送范围如右边的椭圆所示，在该范围的station能侦听到station C发送的任何信号。station C在station B的发送范围外，同样的，station B也在station C的发送范围外。然而，station A在B和C共同覆盖的区域，其可以侦听到B或C发送的任何信号。

假设station B正在发送数据给station A，在发送中间，station C也发送数据给station A，然而，station C在B的发送范围外，B发送的信号无法到达C。因此C认为媒介是空闲的。station C发送数据给A，这将在A处导致冲突。由于station A同时接收B和C的数据，对于这种情况，称station B 和station C对于station A说形成隐藏结点。隐藏结点将会降低网络的性能。由于碰撞的存在。

解决隐藏结点问题的方法就是使用握手帧（RTS和CTS）。下图展示了B到A的RTS，但无法到达C，然而，由于B和C在A的范围内，所以A发送的CTS信号（其中包含从B到A的数据的发送持续时间）会到达C。

station C知道了某些隐藏station正在使用信道，station C将会禁止发送直到B发送数据的持续时间结束。

在CSMA/CA握手中CTS帧可以防止隐藏station的冲突。

暴露station问题：

现在考虑前一个问题的相反情况，暴露station问题，在该问题中，station禁止使用信道，而实际上确是可用的，下图，station A正在发送到station B，station C有一些数据发送到station D，在从A到B的发送中不能干扰C到D的数据发送。然而，station C暴露给A，它侦听到A正在发送数据，因此禁止发送数据，换句话，C太保守，以致浪费了信号的容量。

在这种情况下，握手信号RTS和CTS也不起作用，下图显示了该情况

station C侦听到来自A的RTS，但是它侦听不到来自B的CTS。station C侦听到来自A的RTS，等待一段时间以致B发送的CTS到达A；然后station C发送RTS到D表示需要与D进行通信，station B和staion A可能都能侦听到RTS，但是station正处于发送状态，而不是接收状态，然而，station B响应一CTS，问题就在这里，若station A已经开始了发送数据，station C由于冲突不能侦听到来自D的CTS，它将不能发送数据到D，它将保持暴露的，直到A完成数据发送。