《计算机网络 第7版》第9章 无线局域网的物理层和MAC层
1 无线局域网络WLAN
1.1 无线局域网络的分类
无线局域网络WLAN（Wireless Local Area Network）分为：
- 有固定基础设施的WLAN
- 无固定基础设施的WLAN
1.2 802.11协议
IEEE 802.11 是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准，也就是无线以太网的标准。
凡使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi（Wireless-Fidelity），该协议特点如下：
- 使用星型拓扑，其中心点叫做接入点AP（Access Point）
- 在MAC层使用CSMA/CA协议
1.3 有固定基础设施的WLAN
有固定基础设施的WLAN示意图如下：
- 基本服务集合BSS，椭圆形的区域，即无线局域网络信号覆盖的范围
- 基站（接入点AP）：椭圆形的区域中顶部的稍大一点的设备，无线路由器使用AP模式时就是一个AP设备
- 移动站（工作站STA）：椭圆形的区域中底部的稍小一点的设备，接入无线局域网络的手机、电脑等就是一个移动站
- 服务集标识符SSID：无线局域网络的名称，不能超过32个字节
- 分配系统DS：连接两个基本服务集构成一个更大的扩展服务集，使得扩展服务器对上层的表现就像一个基本服务集一样，分配系统可以使用以太网、点对点链路或其它无线网络
- 扩展服务集ESS：黄色的区域，包含了两个基本服务集
- 门户Portal：相当于网桥，可以将无线局域网络连接到另一个有线的局域网络
- 路由器Router：可以将无线局域网络连接到互联网
一个移动站要加入到一个基本的服务集BSS，需要选择一个接入点AP，并与该接入点建立关联（association）
移动站与AP建立关联的方法：
- 被动扫描
- 移动站等待接入点AP周期性发出信标帧（beacon frame）
- 信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符SSID以及支持的速率等）
- 主动扫描
- 移动站主动发出探测请求帧（probe request frame），然后等待从AP返回的探测响应帧（probe response frame）
1.4 无固定基础设施的WLAN
无固定基础设施的WLAN示意图如下：
- 无固定基础设施的WLAN又称为移动自组织网络，简称自组网络（ad hoc network）
- 自组网络中没有接入点AP，全是移动站，称为结点，各结点的状态平等
- 自组网络的服务范围受限，一般也不和其它外界网络相连
- 无线传感网络WSN（wireless sensor network）是一种有代表性的自组网络，是自组网络的子集
- 无线传感网络WSN通过大量传感器结点构成，对低功耗和协议栈大小有严格要求
2 802.11协议的物理层
无线局域网中流行的协议标准有：802.11b（1999）、802.11a（1999）、802.11g（2003）、802.11n（2009）、802.11ac（2013）等等
802.11协议中的物理层方法有以下几种实现方法：
- 直接序列扩频 DSSS（802.11b使用）
- 正交频分复用 OFDM（802.11a/g/n使用，现为主流）
- 多入多出MIMO（802.11n使用，现为主流）
- 跳频扩频 FHSS（早期使用，现很少使用）
- 红外线IR （早期使用，现很少使用）
3 802.11协议的MAC层
通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据
- 点协调功能 PCF（选用） → 无争用服务，AP通过集中控制算法，把发送数据权轮流交给各个站
- 分布式协调功能 DCF（必须实现）→ 争用服务，通过CSMA/CA协调各站的发送权
802.11协议的MAC层如下图所示
4 帧间间隔 IFS
所有站在发送数据后，必须再等待一段很短的时间才能发送下一帧，这段时间称为帧间间隔 IFS（Inter Frame Space）
- 短帧间间隔 SIFS，长度为28us，用来分隔属于一次对话的各帧，一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式
- 分布协调功能帧间间隔 DIFS，长度为128us，在DCF方式中，用来发送数据帧和管理帧
使用SIFS帧的类型有：ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧、回答AP探寻的帧、在PCF方式中AP发送出的任何帧
802.11协议发送数据的帧间间隔如下图所示
5 CSMA/CA（载波监听多点接入/碰撞避免）协议
不能使用CSMA/CD（Collision Detection）的原因：
- 碰撞检测要求一个站点在发送数据时，还必须不间断地检测信道，但在无线网络中，信号衰减很快，接收到的信号强度已经远远小于信号发出时的强度，如果此时还要实现不间断地检测信道的功能，会在硬件设计上花费较多的额外成本
- 即使能够实现碰撞检测的功能，但在接收端仍然无法避免碰撞的发生
无线局域网的问题：
- 隐蔽站问题：检测到信道空闲，未必是真的空闲
- 暴露站问题：检测到信道忙，未必是真的忙
隐蔽站问题如下图所示：
CSMA/CA（Collision Avoidance）协议机制：
- 欲发送数据的站先检测信道
- 通过收到的信号强度是否超过一定的门限数值来判断信道是否空闲
- 当源站发送第一个MAC帧时，若检测到信道空闲，则等待一段时间DIFS后（考虑到可能有其它站有更高优先级的帧要发送），发送数据帧
- 目的站正确收到该帧后，经过时间间隔SIFS后向源站发送确认帧ACK
- 使用CSMA/CA协议时还需要增加使用停止等待协议
- 无线局域网只要开始发送数据，就不能中途停止发送，而一定要把整个帧发生完毕，因此一旦发生碰撞，对信道资源的浪费比较严重，所以无线局域网络应当尽量避免碰撞的发生，这也是CSMA/CA协议设计的目的
虚拟载波监听（Virtual Carrier Sense）机制：让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需要的时间）通知给所有其它站，以便使其它所有站在这一段时间都停止发送数据，这样可以大大减少碰撞的几率。
“虚拟”：其它站并没有监听信道，而是收到了“源站的通知”才不发送数据，这种效果看起来是其它站都监听了信道
“源站的通知”：源站在其MAC帧首部的第二个字段“持续时间”中填入了在该帧结束后还要占用信道多少时间（以微妙为单位）
网络分配向量（Network Allocation Vector）：当一个站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指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。
信道预约：为了解决隐蔽站问题带来的碰撞问题，802.11允许要发送数据的站对信道进行预约，即使进行信道预约，但仍然有可能发生碰撞
争用窗口
- 信道从忙变为空闲时，任何一个站要发送数据前，不仅要等待一个DIFS的间隔，而且要进入争用窗口，并计算随机退避时间，减少发生碰撞的概率，
- 802.11使用二进制指数退避算法
退避机制
CSMA/CA（Collision Avoidance）协议步骤：
- 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧。
- 否则，站点就要等检测到信道空闲并经过时间DIFS后，执行CSMA/CA协议的退避算法，启动退避计数器。在退避计数器减少到零之前，一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。一旦信道空闲，退避计时器就进行倒计时。
- 当退避计时器时间减少到零时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个的帧并等待确认。
- 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧，就要从上面的步骤(2)开始，执行CSMA/CA协议的退避算法，随机选定一段退避时间。若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧（再次使用CSMA/CA协议争用接入信道），直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。
参考课件：中国大学MOOC-计算机网络与通信技术-北京交通大学-刘彪，王保华，聂晓波，黄彧
参考书籍：谢希仁编著. 计算机网络 第7版. 北京：电子工业出版社, 2017.01.
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