9.1 无线局域网 WLAN

9.1.1 无线局域网的组成

1. 无线局域网 WLAN (Wireless Local Area Network)

2. IEEE 802.11

3. 移动自组网络

9.1.2 802.11 局域网的物理层

9.1.3 802.11 局域网的 MAC 层协议

1. CSMA/CA 协议

2. 时间间隔 DIFS 的重要性

3. MAC两个子层：DCF 和 PCF

4. 争用信道的过程

5. 对信道进行预约

9.1.4 802.11 局域网的 MAC 帧

1. 802.11 帧三种类型

2. 802.11 数据帧的三大部分

3. 802.11 数据帧的地址

4. 序号控制字段、持续期字段和帧控制字段

9.2 无线个人区域网 WPAN

9.3 蜂窝移动通信网

9.4 移动 IP

9.1 无线局域网 WLAN

9.1.1 无线局域网的组成

1. 无线局域网 WLAN (Wireless Local Area Network)

采用无线通信技术的局域网

1）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

通过无线局域网接入到互联网已成为当今上网的最常用方式，便携站和移动站表示的意思不一样。

便携站：便于移动，但在工作时，其位置是固定不变的。

移动站：不仅能够移动，还可以在移动的过程中进行通信。

2）可分为两大类：

① 有固定基础设施的 WLAN

② 无固定基础设施的 WLAN

所谓“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。

2. IEEE 802.11

IEEE 802.11 是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准

1）使用星形拓扑，中心叫做接入点 AP (Access Point)

AP 是无线局域网的基础设施，也是一个链路层的设备；

AP 也叫做无线接入点 WAP (Wireless Access Point)；

无线局域网中的站点对网内或网外的通信都必须通过 AP。

2）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 ；

 基本服务集 BSS 是无线局域网的最小构件，一个 BSS 包括一个接入点 AP 和若干个移动站。必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID (Service Set IDentifier) （即该 AP 的无线局域网的名字）和一个通信信道。

 一个 BSS 所覆盖的地理范围叫做一个基本服务区 BSA (Basic Service Area)。

 每个 AP 有一个唯一的 48 位 MAC 地址，名称是基本服务集标识符 BSSID ；在无线局域网中传送的各种帧的首部中，都必须有节点的 MAC 地址（即 BSSID，但不是 SSID）；用户通常都知道所连接的无线局域网 SSID，但可以不知道其 BSSID。

 一个 BSS 可以通过 AP 连接到一个分配系统 DS (Distribution System)，然后再连接到另一个 BSS，构成了一个扩展服务集 ESS (Extended Service Set)。

 ESS 也有个标识符，是不超过 32 字符的字符串名字 (不是地址)，叫做扩展服务集标识符ESSID

 分配系统DS 的作用：使 ESS 对上层的表现就像一个 BSS 一样； DS 可以使用以太网（最常用）、点对点链路或其他无线网络。

 ESS 还可为无线用户提供到 802.x 局域网（非802.11无线局域网）的接入。通过门户 (Portal) 设备实现。门户相当于一个网桥。

 移动站 A 如果要和另一个 BSS 中的移动站 B 通信，就必须经过两个接入点 AP1 和 AP2，即 A→AP1→AP2→B。

 移动站 A 漫游到位置 A1 时，选择和信号较强的一个 AP 联系。当漫游到位置 A2 时，就只能和 AP2 联系了。BSS 的服务范围是由 AP 所发射的电磁波的辐射范围确定的。移动站只要能够和其中一个 AP 联系上，就可以一直保持与另一个移动站 B 的通信。一个移动站若要加入到一个 BSS，就必须先与某个 AP 建立关联。

3）建立关联：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。一个移动站可以同时进行主动扫描和被动扫描。

(1) 被动扫描

 AP 周期性发出信标帧 (beacon frame)，其中包含 SSID 、速率等系统参数。

 移动站 A 扫描 11 个信道，选择加入到 AP2 所在的基本服务集 BSS2，向 AP2 发出关联请求帧

 AP2 同意移动站 A 发来的关联请求，向移动站A发送关联响应帧

（2）主动扫描

 移动站 A 发出广播的探测请求帧，让所有能够收到此帧的接入点知道有移动站要求建立关联。

 两个 AP 都回答探测响应帧 (Probe Response frame)。

 移动站 A 向 AP2 发出关联请求帧 (Association Response frame)

 AP2 向移动站 A 发送关联响应帧，与移动站 A 建立关联。

（3）重建关联 (reassociation) 和分离 (dissociation)

移动站使用重建关联 (reassociation) 服务，可把这种关联转移到另一个接入点。

当使用分离 (dissociation) 服务时，可终止这种关联。

（4）安全地建立关联

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。

初期加密方案：有线等效的保密 WEP (Wired Equivalent Privacy)。

现在加密方案：无线局域网受保护的接入 WPA (WiFi Protected Access) 或 WPA2 。

3. 移动自组网络

服务范围受限，一般不和外界的其他网络相连接；移动自组网络也就是移动分组无线网络。

（1）优点：方便灵活、生存性非常好。

（2）例子：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 无线传感器网络主要的应用领域：组成各种物联网 IoT (Internet of Things) ，例如：环境监测与保护；战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控；医疗中对病房的监测和对患者的护理；在危险的工业环境中的安全监测；城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。

（3）移动自组网络和移动 IP的区别

（4）几种不同的接入方式：

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。当发生切换时，通信仍然是连续的。

便携接入：在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在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，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站。

9.1.2 802.11 局域网的物理层

802.11 标准中物理层相当复杂。

根据物理层的不同（如工作频段、数据率、调制方法等），对应的标准也不同。

802.11 的物理层有以下几种实现方法：

① 扩频

② 多入多出 MIMO (Multiple Input Multiple Output)

③ 正交频分复用 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

④ 调频扩频 FHSS （已很少用）

⑤ 红外线 IR （已很少用）

9.1.3 802.11 局域网的 MAC 层协议

必须解决共享信道上的碰撞问题

1. CSMA/CA 协议

（1）无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。因为：

① 碰撞检测（CD）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。 ② 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生碰撞。

（2）无线局域网的隐蔽站问题：由于无线信号覆盖范围和穿透能力有限，A 和 C 检测不到彼此的无线信号，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是不敢向 D 发送数据。其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据，这就是暴露站问题(exposed station problem)

无线局域网的适配器无法实现碰撞检测；检测到信道空闲，其实信道可能并不空闲；即使能够在硬件上实现无线局域网的碰撞检测功能，也无法检测出隐蔽站问题带来的碰撞。

（3）CSMA/CA 协议

① 改进： 增加碰撞避免 CA (Collision Avoidance) ：尽量减少碰撞发生的概率。

② 使用 CSMA/CA 的同时，使用停止等待协议：链路层确认，解决碰撞后重传。

图 802.11 的 MAC 层

③ CSMA/CA 协议的要点

2. 时间间隔 DIFS 的重要性

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。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。

两种常用的帧间间隔： 分布协调功能帧间间隔 DIFS、短 (Short) 帧间间隔 SIFS

DIFS 很重要：A 监听信道，若信道在时间间隔 DIFS 一直都是空闲的，A 就可以在 t0 时间发送数据帧 DATA。B 收到数据帧后进行 CRC 检验。若检验无差错，再从接收状态转为发送状态。经过时间间隔 SIFS 后，向 A 发送确认帧 ACK。从 A 发送数据帧 DATA 开始，到收到确认 ACK 为止的这段时间 (DATA + SIFS + ACK) 内，必须不允许任何其他站发送数据，这样才不会发生碰撞。

避免发生碰撞的两种机制

3. MAC两个子层：DCF 和 PCF

通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站何时可以发送或接收数据。

① 802.11 的 MAC 层：分布协调功能 DCF

DCF 子层：不采用任何中心控制。每个节点使用 CSMA/CA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务，所有实现都必须有 DCF 功能。

② 802.11 的 MAC 层：点协调功能 PCF

PCF 子层：可选。使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把发送数据权轮流交给各个站，从而避免碰撞。自组网络没有 PCF 子层。对时间敏感的业务，如分组话音，应使用提供无争用服务的 PCF。

4. 争用信道的过程

① 在站点 A 和 B 通信的过程中，站点 C 和 D 也要发送数据。但 C 和 D 检测到信道忙，因此必须推迟接入(defer access)，以免发生碰撞。

② 在等待信道进入空闲状态后，都经过规定的时间间隔 DIFS 再同时发送数据必然产生碰撞。因此CSMA/CA 规定：所有推迟接入的站都必须在争用期执行统一的退避算法开始公平地争用信道。

③ 争用期也叫做争用窗口 CW (Contention Window)。争用窗口由许多时隙 (time slot) 组成。例如，争用窗口 CW = 15 即窗口大小是 15 个时隙。

④ 时隙长度的确定

方法：在下一个时隙开始时，每个站点都能检测出在前一个时隙开始时信道是否忙（这样就可采取适当对策）。时隙长短在不同 802.11 标准中可以有不同数值。例如：802.11g 一个时隙时间为 9us； SIFS = 10 us； DIFS = SIFS + (2 * Slot time) = 28us。

⑤ 退避算法

站点在进入争用期时，应在 0 ~ CW 个时隙中随机生成一个退避时隙数，并设置退避计时器 (backoff timer)。当几个站同时争用信道时，计时器最先降为零的站首先接入媒体，发送数据帧。这时信道转为忙，而其他正在退避的站则冻结其计时器，保留计时器的数值不变，推迟到下次争用信道时接着倒计时。这样的规定对所有的站是公平的。

⑥ “推迟接入”和“退避 (backoff)”的区别

推迟接入： 发生在信道处于忙的状态，为的是等待争用期的到来，以便执行退避算法来争用信道。这时退避计时器处于冻结状态。

退避： 是争用期各站点执行的算法，退避计时器进行倒计时。这时信道是空闲的，并且总是出现在时间间隔 DIFS 的后面。

⑦ 争用窗口

⑧ 退避算法的使用场景

要发送数据时检测到信道忙；

已发出的数据帧未收到确认，重传数据帧；

接着发送后续的数据帧（为了防止一个站长期垄断发送权）

当站点想发送数据，检测信道连续空闲时间超过 DIFS 时，即可立即发送数据，不必经过争用期。

5. 对信道进行预约

① 假设：B 站正好在 A 占用信道时要发送数据。B 检测到信道忙，于是推迟到争用信道时与 A 一起争用信道。但正巧 A 和 B 又生成了同样大小的随机退避时隙数。结果就发生了碰撞，A 和 B 都必须再重传。为进一步减少碰撞，还需要再采用一些措施：信道预约。

② 隐蔽站问题：A 站或 B 站向接入点 AP 发送数据时， C 站接收不到这些信号。C 站向 AP 发送的信号也传播不到远处的 A 站或 B 站。以下措施使得 A 站和接入点 AP（以及 A 站和 B 站）的通信过程中，发生碰撞的概率大大降低，特别是减少了隐蔽站的干扰问题。

③ 信道预约：使用 RTS 帧和 CTS 帧会使整个网络的通信效率有所下降，多浪费信道的时间 [RTS + SIFS + CTS + SIFS]。但与数据帧相比，开销不算大。这两种控制帧都很短，其长度分别为 20 字节和 14 字节。而数据帧最长可达 2346 字节。若不使用这种控制帧，一旦发生碰撞而导致数据帧重发，浪费的时间就更多。

④ 信道预约不能完全避免碰撞

即使使用了 RTS 和 CTS 对信道进行预约，但碰撞也有可能发生。例如：有的站可能在时间 t1 或 t2 就发送了数据（这些站可能是没有收到 RTS 帧或 CTS 帧或 NAV），结果必定与 RTS 帧或 CTS 帧发生碰撞。 A 站若收不到 CTS 帧，就不能发送数据帧，而必须重传 RTS 帧。 A 站只有正确收到 CTS 帧后才能发送数据帧。

⑤ 信道预约不是强制的

信道预约不是强制性规定。各站可以自己决定使用或不使用信道预约。只有当数据帧的长度超过某一数值时，使用 RTS 帧和 CTS 帧才比较合适。因为无线信道的误码率比有线信道的高得多，所以，无线局域网的 MAC 帧长一般应当短些，以便在出错重传时减小开销。

9.1.4 802.11 局域网的 MAC 帧

1. 802.11 帧三种类型

控制帧、数据帧、管理帧

2. 802.11 数据帧的三大部分

MAC 首部：共 30 字节。复杂。

帧主体：数据部分，不超过 2312 字节。802.11 帧的长度通常都小于 1500 字节。

帧检验序列 FCS：尾部，共 4 字节。

3. 802.11 数据帧的地址

数据帧有四个地址字段：地址 1 是接收地址（即直接接收数据帧的节点地址），地址 2 是发送地址（即实际发送数据帧的节点地址）。地址 3 和地址 4 取决于数据帧中的“来自AP”和“去往AP”这两个字段的数值。注意：上述地址都是 MAC 地址，即硬件地址，而 AP 的 MAC 地址是 BSSID。