無線局域網

廣義說 是利用無線通信技術，在一定的局部範圍內建立的局域網。這種定義涵蓋了諸如IEEE802.11系列、Bluetooth等各種類型的無線網絡技術。狹義說是采用了IEEE802.11系列無線局域網標準的局域網

無線局域網的組成

• 站（STA） 指以無線方式接入無線局域網的設備，是無線局域網的基本組成單元。也稱移動主機（MH，Mobile Host）。

• 無線介質

  • 紅外線，紅外線局域網采用小於1微米波長的紅外線作為傳輸媒體，有較強的方向性。紅外信號要求視距傳輸，並且竊聽困難，對鄰近區域的類似系統也不會產生幹擾。
  • 無線電波，無線電波是無線局域網最常用的無線傳輸媒體。這主要是因為無線電波的覆蓋範圍較廣，已有的應用技術較成熟。

• 無線接入點AP（基站）

  無線接入點AP(Access Point)是無線局域網的重要組成單元，除了具備站的基本功能外，可以為其它站提供無線網絡接入服務的設備。它的基本功能有：

  • 作為無線接入點，完成其它非AP的站對分布式系統的接入訪問和不同站間的通信連接。
  • 作為無線網絡和分布式系統的橋接點，完成橋接功能。
  • 作為基本服務集BSS的控制中心，完成對其它非AP的站的控制和管理。

• 基本服務集BSS

  • 無線局域網的最小構件是基本服務集BSS(Basic Service Set)

  • 一個BSS一般包括一個無線接入點和若幹個無線終端組成

  • 所有終端在BSS內部可以直接通信，但若要和本BSS外的其它終端通信則必須經過本BSS的基站(接入點AP）

  • 一個BSS所覆蓋的地理範圍稱為一個基本服務區BSA，BSA通常在100M以內

  

• 分布式系統DS

  分布式系統DS(Distribution System)是用來連接不同的基本服務區BSA(Basic Service Area)的，可以是有線網絡(例如采用IEEE 802.3協議的局域網)，也可以是可通過AP間的無線通信構成的無線網絡。

• 擴展服務集ESS

  • 一個基本服務區BSA覆蓋的範圍有限，為了覆蓋更大的區域，需要把多個BSA通過分布式系統連接起來，形成一個跨站服務區ESA，而通過DS互連起來的屬於同一個ESA的所有主機組成ESS
  • 一個ESS中的每個BSS都分配了一個標識號BSSID。如果一個網絡由多個ESS組成，則每個ESS也分配一個標識號ESSID
  • 只擁有一個BSS的WLAN叫做單區網，擁有多個通過分布式系統相連的BSS所構成的ESS，稱為多區網

無線局域網的拓撲結構

• 無中心分布式的結構

  

  無中心分布式結構是一種以自發方式構成的網絡，是獨立的BSS工作模式，簡稱為IBSS工作模式。在IBSS中，至少擁有兩個站，任意站之間可直接通信而無需AP轉接但要求每個結點必須處於一個或多個其它結點的通信範圍內

• 有中心集中控制式結構

  

  有中心集中控制式結構中，一個BSS至少包含一個AP。

  在上圖中，ESS還可通過叫做門橋(portal)為無線用戶提供到非802.11無線局域網（例如，到有線連接的因特網）的接入。門橋的作用就相當於一個網橋。

IEEE802.11定義的MAC層支持7種局域網物理層協議

• IEEE802.11跳頻（FSSS）物理層，在2.4Ghz頻段上提供1M—2M的傳輸速率
• IEEE802.11直接序列擴頻（DSSS）物理層，在2.4Ghz頻段上提供1M-2M的傳輸速率
• IEEE802.11紅外線（IR）物理層，提供1M-2M的傳輸速率
• IEEE802.11a物理層，在2.4Ghz頻段上提供6M-54M的傳輸速率
• IEEE802.11b物理層，在2.4Ghz頻段上提供1M-11M的傳輸速率
• IEEE802.11g物理層，在2.4Ghz頻段上提供54M的傳輸速率
• IEEE802.11n物理層，在2.4Ghz和5Ghz頻段上提供108M-340M的傳輸速率

IEEE 802.11協議體系

• IEEE802.11在物理層定義兩種傳輸方式，即無線電射頻方式和紅外線方式，其數據傳輸速率分別是1Mbps和2Mbps,其中無線電射頻方式又分為

  • 采用跳頻擴頻技術FHSS
  • 采用直接序列擴頻技術DSSS

• IEEE 802.11b技術使用最為廣泛的一種無線局域網標準，又被稱為Wi-Fi技術。2.4GHz ISM頻段，此頻段主要是開放給工業、科學、醫學三個主要機構使用，屬於Free License，無需授權許可。

• IEEE 802.11a工作在5GHz的免授權國家信息設施UNII頻段。需要註意的是，不同國家和地區的UNII頻段範圍並不完全一樣

• IEEE 802.11g標準解決應用廣泛的IEEE802.11b標準數據傳輸速率低問題，兼容IEEE 802.11b標準，雖然它們采用了不同的信號調制方法（它使用正交頻分復用的多載波信號調制技術OFDM）,但它們可以直接與其數據通信。

• IEEE802.11n無線局域網標準的基本目標是在兼容已有的IEEE802.11系列協議的前提下，提供與主流高速以太網技術同一水平的帶寬、QoS等性能。

802.11 常見幀格式和數據幀

• 物理層會聚程序PLCP：獨立與物理層的方式提供特定的物理層信息
• 幀控制：識別幀的類型，幀有三種類型分別為管理幀，控制幀，數據幀

剩下的字段看具體的幀類型決定

管理幀

管理幀是用於創建，維持終止站與接入點之間的連接，也被用於確定是否采用加密，傳輸網絡名稱SSID或者ESSID，支持哪種傳輸速率，以及采用的數據數據庫。

在我們手機和電腦上的掃描實際上是一個站發現可用的網絡以及相關配置信息的過程，當掃描到一個臨近的接入點事，管理幀會被用於提供必要的信息。

控制幀

控制幀和幀確認被用於流量控制方式。幀確認有助於發送方知道哪些幀已正確接收。

802.11網絡有支持可選的請求發送/明確發送（RTS/CTS），當啟用RTS/CTS機制的時候，一個站在發送數據幀之前，先發送一個RTS幀，如果對方願意接收額外的流量時，就會響應一個CTS幀，然後發送站就會開啟一個時間窗口（在CTS幀中標識），用於向確認接收站發送數據幀。RTS/CTS交換有助於解決隱藏終端問題。

在無線媒體中，由於多徑傳播的原因，信號強度的減少按照距離的指數規律變化。只有在發射機一定距離範圍內的用戶才能夠偵聽到信道上的載波。這種依賴位置的載波偵聽會在協議中產生下列現象：

• 隱藏終端（Hidden Terminal）

所謂隱藏終端問題，指由於地理障礙的影響，使網絡中某些站接收不到其它站發射的信號，從而無法通信。

隱藏終端位於準備接收的站點範圍之內，而在發送站點的範圍之外。如圖，對於A來說C就是隱藏終端，當A想B發送數據的時候，C未能偵測到，也向B發送數據，那樣就會發生碰撞。

• 暴露終端（Exposed Terminal）

暴露終端在發射站點的範圍之內但在接收站點的範圍之外

B 向 A 發送數據，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，於是就不敢向D發送數據。如果這時不是B向A發送數據而是A向B發送數據，則當C向D發送數據時就會幹擾B接收A發來的數據。

其實 B 向 A 送數據並不影響C向D發送數據這就是暴露站問題

閥值： 一般情況下，AP會提供一個稱為分組大小閥值得配置選項，超過這個閥值的幀會導致要給RST幀先於數據幀發送，如果將RTS閥值設置很大，可以禁用RTS/CTS

為了解決幀交付出錯問題，802.11采用了重傳/確認機制，對於單播幀和一組幀，會對其進行確認，而組播和廣播幀則沒有確認，防止出現ACK爆炸問題

數據幀

數據幀顧名思義就是攜帶數據的幀，802.11n支持幀分片和幀聚合。

幀分片：當使用幀分片的時候每一個分片都有自己的MAC頭部和尾部CRC，獨立於其他分片處理。順序控制字段包含一個分片號（4位）和一個序列號（16位），一個幀的所有分片都是同一個序列號值，每個相鄰的分片的分片號只差為1，最多只能分15個分片，最後一個分片將相對應的位設置了0

幀聚合：

• 聚合的MAC服務數據單元（A-MSDU）

  A-MSDU使用一個FCS聚合多個幀

• 聚合的MAC協議數據單元（A-MPDU）

  A-MPDU在聚合每一個802.11幀之間使用一個4字節的分隔符，每一個子幀擁有自己的FCS，並可以使用ACK確認。

802.11介質訪問控制

802.11標準采用了三種方法控制共享的無線介質：

• 點協調功能（PCF）
• 分布式協調功能（DCF）
• 混合協調功能（HCF）

HCF被納入了802.11規範，在802.11e中支持QoS它也被用於802.11n

在802.11的MAC層中分為了兩個字層：PCF和DCF

1. DCF子層在每一個結點使用CSMA機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發送權。因此 DCF 向上提供爭用服務。802.11協議規定，所有的實現都必須有DCF功能。

   CSMA/CA 協議的原理

   • 先檢測信道。若檢測到信道空閑，則等待一段時間DIFS後就發送整個數據幀，並等待確認。
   • 目的站若正確收到此幀，則經過時間間隔SIFS後，向源站發送確認幀ACK。
   • 所有其他站都設置網絡分配向量NAV，表明在這段時間內信道忙，不能發送數據。
   • 當確認幀ACK結束時，NAV也就結束了。在經歷了幀間間隔之後，接著會出現一段空閑時間，叫做爭用窗口，表示在這段時間內有可能出現各站點爭用信道的情況。

2. PCF 子層使用集中控制的接入算法將發送數據權輪流交給各個站從而避免了碰撞的產生。PCF是可選項。對於時間敏感的業務，如分組語音，就應使用提供無爭用服務的點協調功能PCF。

DCF實現

虛擬載波監聽

虛擬載波監聽讓源站把它要占用的信道時間（包括目的站發回確認幀所需時間）寫入到所發送的數據幀中，（即在首部中的“持續時間”字段中寫入需要占用信道時間，一直到目的站把幀確認完為止），以便使其他所有的站在這一段時間都不要發送數據 。

“虛擬載波監聽”的意思是其他各站並沒有監聽信道，而是由於這些站都知道了源站正在用信道才不發送數據。這種好像是其他站都監聽了信道。

網絡分配向量NAV本地計數器

NAV被用與估計介質傳輸時間當前幀所需的時間，以及嘗試下一次傳輸之前需要等待的時間，當一個站偵聽到一個持續時間大於自己的NAV時，它將自己的NAV更新為這個值。

當本地的NAV不為0時，介質被認為是繁忙的，在收到一個ACK後，本地NAV復位為0

物理載波監聽

每一個802.11PHY規範需提供一種評估信道是否空閑的功能，基於能量和波形識別，這稱為空閑信道評估(CCA)，用於了解介質是否繁忙的物理載波監聽功能，常與NAV結合使用

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