哈工大计算机网络课程局域网详解之：无线局域网

本节介绍一下平时经常使用的一个无线局域网技术，也就是通常我们使用的wifi。

IEEE 802.11无线局域网

wifi是IEEE 802.11这样一个系列标准所定义的无线局域网。作为802.11局域网来说，实际上存在很多版本：

• 802.11b

  • 2.4-2.5GHz免费频段（unliebensed spectrum）
  • 最高速率：11Mbps
  • 物理层采用直接序列扩频（DSSS）技术。所有主机使用相同的码片序列。

• 802.11a

  • 5-6G频段
  • 最高速率：54Mbps

• 802.11g

  • 2.4-2.5GHz频段
  • 最高速率：54Mbps

• 802.11n（多天线MIMO）

  • 2.4-2.5GHz频段
  • 最高速率：600Mbps

虽然有多个802.11的无线局域网标准，但是作为802.11无线局域网在链路层解决介质访问控制时，都使用CSMA/CA多路访问控制协议。 并且，802.11无线局域网在组网过程中都支持两种类型的网络模式：

• 基础设施模式（基站模式）

  所有的无线主机都是通过无线方式与基站通信，基站通常再利用有线的方式连接到现有的基础设施网络上去，比如Internet网络。

• 特定网模式（自组网模式）

  在自组网模式中，网络中没有基站，都是一些无线主机，在一定区域内动态的构成区域性网络。

下表给出了802.11局域网各种标准的特性，可供参考：

802.11体系结构

上面的体系结构示意图，就是典型的802.11基础设施模型的网络结构，也是大家平时接触的无线局域网最典型的网络结构。在这个结构中，可以看到这样几部分：

• 无线主机与基站通信

  • 基站（base station）= 访问点（access point - AP）
  • 作为基站，可以进一步的连接到集线器、交换机或路由器上，从而进一步连接到Internet网络上。

• 在每一个基站的覆盖范围内，这些无线主机都可以跟该基站进行连接，通过基站进行通信。这个覆盖范围，通常称为一个基本服务集BSS（Basic Service Set），也称为单元（cell）。

  • 基础设施网络模式：一个基本服务集包含AP:基站和无线主机。

  • 自组网模式：一个基本服务集只包含主机。

802.11：信道与AP关联

接下来我们继续看一下，802.11无线局域网中的主机是如何与AP进行关联的，以及如何使用它所占用的频率带宽。

以802.11b标准为例，它使用的频带是2.4-2.482GHz，在这个频段中，频谱被划分为11个不同频率的信道。

• 作为AP，每个AP在运行时在这个11个不同频率的信道中选择（或由网络管理员指定）一个频率来工作。

• 由于在实际网络构成中，有很多距离相近的AP存在，而这些AP的频率选择并没有一个硬性的标准来约束，因此很有可能出现，相邻的两个AP之间所选择的频率相同或相邻。因此，在802.11无线局域网中，一定会存在一些干扰问题

任何一个主机，在802.11无线局域网中，要想进行通信，必须要与某个AP进行关联。 关联过程大致如下：

• 任何一个主机都可以通过扫描这11个信道，来探测有哪些AP工作在这些信道上。事实上不管是哪个AP，只要在某一信道上工作的话，就会在相应的信道上定期发送或广播一个叫信标（beacon）帧。这个信标帧里就包含了这个AP所属的服务集标识符-SSID，以及这个AP的MAC地址。监听包含AP名称（服务集标识符-SSID）和MAC地址的信标（beacon）帧。

• 选择一个AP关联

  因此作为某一个主机，可能在某个地点可以搜索到多个AP（比如打开Wi-Fi，可以看到有很多个Wi-Fi可以连接）。这种情况下，主机可以手动选择一个AP，也可以让系统自动选择AP（比如wifi自动连接）。当主机选定一个AP之后，就会与该AP进行关联。

• 身份认证

  提供认证信息，比如用户名或密码，通过认证后，才能成功进行关联。

• 典型场景：运行DHCP获取IP地址

  在现在Internet网络环境下，主机关联AP之后，通常还会利用DHCP协议来动态获取IP地址信息，完成主机的IP地址配置后，才真正地可以进行网络通信。

在主机与AP关联时，可以分为两种模式：被动扫描与主动扫描

被动扫描：

• 各AP发送信标帧
• 主机（H1）向选择的AP发送关联请求帧
• AP向主机（H1发送关联响应帧）
  

主动扫描：

• 主机（H1）主动广播探测请求帧（Probe Request Frame）
• AP发送探测响应帧（Probe Response Frame）
• 主机（H1）向选择的AP发送关联请求帧
• AP向主机（H1）发送关联响应帧