从基础到进阶：无线局域网技术解析

在局域网刚刚问世后的一段时间内，无线局域网的发展比较缓慢，其原因是价格贵、数据传输速率低、安全性较差。但自20世纪80年代末以来，由于人们工作和生活节奏的加快，以及移动通信技术的飞速发展，无线局域网逐步进入市场。无线局域网（WLAN, Wireless Local Area Network）提供了移动接入的功能，这就给许多需要发送数据但又不能坐在办公室的工作人员提供了方便。

无线局域网的优势：当一个工厂跨越的面积很大时，若要将各个部门用电缆连接成网，其费用可能很高。但若使用无线局域网，不仅节省了投资，而且建网的速度也会较快。另外，当大量持有便携式计算机的用户在一个地方同时要求上网时（如在图书馆或购买股票的大厅里），若用电缆连网，恐怕连铺设电缆的位置都很难找到，而用无线局域网则比较容易。

无线局域网的组成

无线局域网可分为两大类：第一类是有固定基础设施的，第二类是无固定基础设施的。固定基础设施是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。

有固定基础设施的无线局域网
- IEEE802.11无线局域网：1997年IEEE制定出无线局域网的协议标准802.11。ISO/IEC也批准了这一标准，其编号为ISO/IEC8802-11。802.11是个非常复杂的标准，在MAC层使用CSMA/CA协议。
- Wi-Fi联盟：1999年成立的非营利性国际组织，对无线局域网产品进行无线兼容性认证，对通过其测试的产品发给“Wi-Fi”认证标记。现在Wi-Fi几乎成了无线局域网WLAN的同义词。
- 基本服务集（BSS） ：无线局域网的最小构件是基本服务集。一个BSS包括一个接入点（AP）和若干个移动站。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）和一个无线信道。一个BSS所覆盖的地理范围叫作一个基本服务区（BSA）。
- 扩展服务集（ESS） ：一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点连接到一个分配系统（DS），然后再连接到另一个基本服务集，构成扩展服务集。图3-42展示了BSS和ESS的结构。

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无固定基础设施的无线局域网
- 自组网络（ad hoc Network） ：这种网络没有固定的AP，而是一些处于平等状态的移动站相互通信组成的临时网络。自组网络支持结点间的多跳存储转发，图3-43展示了自组网络的多跳路由功能。
- 移动自组网络：这种组网方式在军事和民用领域都有很好的应用前景。战场上携带移动站的战士可以利用临时建立的移动自组网络进行通信，作战的地面车辆群、坦克群、舰艇群、机群也可以利用这种网络。

802.11无线局域网的物理层

802.11标准中物理层相当复杂，可再细分为不同的类型。表3-2展示了6种常用的802.11无线局域网的物理层标准。为了便于推广，2018年Wi-Fi联盟决定使用Wi-Fi 4/5/6作为802.11n/ac/ax的别名。

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802.11无线局域网的MAC协议

既然CSMA/CD协议已成功地应用于有线局域网，无线局域网能不能也使用CSMA/CD协议呢？在无线局域网中，仍然可以用CSMA“发送前先监听”的方法避免冲突，即在发送数据之前先对传输媒体进行载波监听。如发现有其他站在发送数据，就推迟发送以免发生冲突。但在无线局域网中进行“冲突检测”存在以下问题：

信号衰减：无线信号衰减非常快，信号强度的动态范围非常大，检测冲突对硬件的要求非常高。
隐蔽站问题：如图3-44所示，当A和B都检测不到对方的无线信号时，可能会同时向AP发送数据，导致冲突。

CSMA/CA协议

信号衰减：无线信号衰减非常快，信号强度的动态范围非常大，检测冲突对硬件的要求非常高。
隐蔽站问题：如图3-44所示，当A和B都检测不到对方的无线信号时，可能会同时向AP发送数据，导致冲突。

为了尽可能避免冲突，802.11标准使用CSMA/CA协议，即载波监听多址接入冲突避免。该协议在CSMA的基础上增加了一个冲突避免功能，而没有实现冲突检测功能。以下是CSMA/CA协议的关键机制：

确认机制和帧间间隔：所有站点必须在持续检测到信道空闲一段指定时间后才能发送帧。高优先级帧需要等待的时间较短，低优先级帧需要等待较长的时间。以下是常用的两种帧间间隔：
- SIFS（Short InterFrame Space） ：是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站点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的帧类型有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AP发送出的任何帧。
- DIFS（DCF InterFrame Space） ：它比SIFS长得多，在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。
CSMA/CA协议的确认机制如图3-45所示。源站先检测信道，若检测到信道空闲，则在等待DIFS时间后发送。目的站若正确收到此帧，则经过SIFS时间后，向源站发送ACK。若源站在规定时间内没有收到ACK（由超时计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到ACK为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。
退避算法：为了尽可能避免各种可能的冲突，CSMA/CA采用了一种不同于CSMA/CD的退避算法。图3-45指出，当信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧，不仅都必须等待一个DIFS时间，而且还要退避一段随机的时间以后再次重新试图接入信道。在执行退避算法时，站点为退避计时器（Backoff Timer）设置一个随机的退避时间，当退避计时器的时间减小到零时，就开始发送数据。若退避计时器的时间还未减小到零信道又转变为忙态，这时就冻结退避计时器的时间，重新等待信道变为空闲，再经过DIFS时间后，继续启动退避计时器（从剩下的时间开始）。显然，当退避计时器的时间减小到零时，信道一定处于空闲状态。
信道预约和虚拟载波监听：为尽可能降低冲突的概率和减少冲突的影响，802.11标准允许要发送数据的站点对信道进行预约。如图3-46所示，源站在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫作请求发送（RTS）帧，它包含源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。若目的站正确收到RTS帧且信道空闲，则发送一个响应控制帧，叫作允许发送（CTS）帧。源站收到CTS帧后，再等待SIFS时间后，就可发送其数据帧。若目的站正确收到了数据帧，在等待SIFS时间后，向源站发送ACK。

虚拟载波监听机制：不仅RTS帧和CTS帧会携带通信需要持续的时间，数据帧也会携带通信需要持续的时间。这就是802.11无线局域网的虚拟载波监听（Virtual Carrier Sense）机制。帧中有一个持续时间字段，允许发送帧的站点把它要占用信道的时间通知所有其他站点。当一个站点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指示了信道将被占用的时间，即使站点在这段时间内可能检测不到信道忙，也不能访问信道。

802.11无线局域网的MAC帧

802.11无线局域网的MAC帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧。图3-47展示了数据帧的结构。MAC帧的特殊之处在于有4个地址字段，具体内容取决于帧控制字段中的“到DS”和“从DS”字段的值。

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地址字段：
- 地址1：通常为目的地址。
- 地址2：通常为源地址。
- 地址3：在有AP的BSS中，该地址字段可用于携带AP的MAC地址，指明帧的中继AP。
- 地址4：在某些情况下（如帧通过多个AP转发时），该字段用于指示最终源或目的地址。
表3-3展示了802.11数据帧地址字段的4种使用情况。
序号控制字段：用于实现802.11无线局域网的可靠传输。在停止等待协议中，要对数据帧进行编号，当接收方的ACK丢失时，发送方会进行超时重传，接收方可以用序号来区分重复接收到的帧。
持续期字段：用于实现信道预约和虚拟载波监听功能。在RTS帧、CTS帧或数据帧中，该字段用于指出将要占用信道的时间。
帧控制字段：是最复杂的字段。其中“到DS”和“从DS”字段已经介绍了。类型和子类型字段用于区分不同类型的帧。802.11数据帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧，而每种类型又分为若干种子类型。例如，控制帧包括RTS、CTS和ACK等。

无线个人区域网

无线个人区域网（WPAN） 就是在个人工作的地方把个人使用的电子设备（如便携式计算机、蜂窝电话等）用无线技术连接起来，整个网络的范围大约为10m。WPAN可以供一个人使用，也可以供若干人共同使用。

蓝牙：最早流行的WPAN是1994年爱立信公司推出的蓝牙（Bluetooth）系统。蓝牙技术发展很快，目前最新的版本是2020年发布的蓝牙5.2。
低速WPAN：ZigBee是这种技术的商业化名称，基本数据率是250kbit/s，传输距离可达到134m，支持大规模组网。
高速WPAN：IEEE 802.15.3标准用于便携式多媒体设备之间短距离传送数据，支持11～55Mbit/s的数据率。IEEE 802.15.3a工作组提出了超宽带（UWB）技术，可支持高达480Mbit/s的数据率，传输距离达10m。