1. 无线局域网组成

基本服务集BSS：包含一个基站AP和若干个移动站STA，所有的STA在本BSS内可以直接通信，要和其他BSS的STA通信时需要通过本BSS的基站。

AP：Access Point，接入点。安装AP时，会为AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID和一个信道，SSID就是平常说的WiFi名称。

一个基本服务集BSS可以时孤立的，也可以通过AP连接到主干分配系统DS（Distribution System），然后再接入另外一个基本服务集BSS，从而构成扩展服务集ESS（Extended Service Set）。

图1 BSS组成

如上图，ESS可以通过Portal（门户）连接到非802.11无线局域网（有线internet），Portal就相当于网桥。

漫游：终端A从一个BSS移动到另一个BSS（A’），但仍然保持和B的连接。

STA和AP建立连接（association），STA选择一个BSS建立关联，加入这个AP所属的子网，STA才能和AP或其他STA发送数据帧，进行通信。

STA和AP建立连接的方法：

被动扫描：STA被动等待接收AP周期性发出的信标帧（beacon frame），beacon帧中包含服务集标识符SSID和支持的速率等。
主动扫描：STA主动发出探测请求帧（probe request frame），然后等待AP回复探测响应帧（probe reques frame）。

移动自组网络（ad hoc network），是没有固定的基础设备（没有AP）的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的STA之间相互通信组成的临时网络。主要用在军事，抢险救灾时利用自组网络进行及时的通信。

图2 自组网络

2. 802.11的phy层

IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax标准，物理层有以下几种实现方法：

直接序列扩频DSSS
正交频分复用OFDM
正交频分多址复用OFMDA
调频扩频FHSS（已很少用）
红外线IR（已很少用）

3. 802.11的mac层

无线局域网为什么不能简单地搬用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议）协议。CSMA/CD广泛应用在以太网中。

CSMA/CD 协议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，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。
即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。

隐蔽站问题

这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题（hidden station problem）。

图3 隐蔽站

在图3中，当A和C都检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，所以都向B发送数据，结果发生碰撞。

暴露站问题

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)。

图4 暴露站

B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒介上有信号，导致C不能向D发送数据。

MAC层怎么确定什么时间发送和接收数据？

MAC层通过协调功能来确定BSS中的STA在什么时候能发送数据或接收数据。

图5 DCF和PCF

如图85所示，在MAC有两种服务，一种是基于竞争的分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)，另外一种是基于无竞争服务的点协调功能 PCF(Point Coordination Function)。其中，DCF是必须实现的，PCF是可选的。

DCF：DCF子层中每个STA使用CSMA/CA机制，让STAs通过竞争信道来获取发送数据的权力，因此DCF是一种向上提供竞争的服务。

PCF：PCF子层使用集中控制的接入算法把发送数据的权力轮流交给各个STA，从而避免了碰撞的产生。

帧间间隔IFS

所有的站在完成发送后，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 (Inter Frame Space)。

帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。

若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

SIFS(Short Inter Frame Space，短帧间间隔)

SIFS，用来分隔开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。

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 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。

图6 IFS

PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比 SIFS 长，是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。

时隙长度：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。

DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度。

CSMA/CA协议的原理

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，即带有冲突避免的载波侦听多路访问）是一种数据传输是避免各站点之间数据传输冲突的算法，其特点是发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。

想要发送数据的站需要先检测信道。在802.11标准中规定了在物理层的空中接口进行载波监听。通过收到的信号强度是否超过门限值，来判断是或否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个MAC帧时，若检测到信道空闲，则再等一个DIFS后就可以发送数据。

为什么信道空闲之后，还要再等待，而不是直接发送？

这是考虑到可能有其他站具有更高优先级的帧需要发送，如果有，就让更高优先级帧先发送。

假如没有高优先级帧发送的情况下：

源站发送了数据帧
目的站若正确收到该数据帧，则经过SIFS之后，向源站发送确认帧ACK。
如果源站在规定时间内没有收到确认帧ACK（规定时间是由重传计时器来控制），就必须重传此帧，直到收到确认帧ACK为止。如果经过若干次的重传失败后，放弃发送。

虚拟载波监听

虚拟载波监听（Virtual Carrier Sense），让源站将它要占用信道的时间通知给所有其他站，从而让其他所有站在这段时间内都停止发送数据。其中占用信道的时间包括目的站发送确认帧ACK所需的时间。这样就大大减少了碰撞的机会。“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。这种效果好像其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。

网络分配向量NAV

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（Network Allocation Vector）。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。

竞争窗口

信道从忙态转变为空闲时，任何一个站要发送数据时，都必须先等到一个DIFS的间隔，然后进入竞争窗口，并计算退避时间以便再次重新重新接入信道。在信道从忙态转为空闲时，每个站就要执行退避算法。这样做的目的是为了减少碰撞的概率。802.11使用二进制指数退避算法。

图7 退避机制

如图7中，A发送数据帧，再经过DIFS之后，进入竞争窗口，BCDE开始退避，C最先退避到0，此时C可以发送数据，BDE开始冻结退避时间。C发送完数据帧，经过DIFS之后，再次进入竞争窗口，BDE开始退避，这次D开始退避到0，D开始发送数据帧，BE冻结退避时间。D发送完数据帧，经过DIFS之后，BE开始退避，E先退避到0，E开始发送数据帧，B冻结退避时间。E发送完数据帧，经过DIFS之后，进入竞争窗口，B开始退避，B退避为0，B开始发送数据帧。

二进制指数退避算法

第i次退避就在22 + i个时隙中随机地选择一个，即：第i次退避是在时隙{0, 1, …, $2^{2 + i - 1}$ } 中随机地选择一个。

第 1 次退避是在8个时隙（而不是2个）中随机选择一个。

第 2 次退避是在16个时隙（而不是4个）中随机选择一个。

退避计时器

站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况。
- 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。
- 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS 后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。
仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。
初次之外的所有情况，都必须使用退避算法。
- 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。
- 在每次的重传之后。
- 在每一次的成功发送之后。

RTS/CTS机制

源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS（Request To Send），它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

图8 RTS帧

如图8，802.11允许要发送数据的站通过RTS帧对信道进行预约。

若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS（Clear To Send），它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。A收到CTS帧之后就可以发送数据。

图9 CTS帧

图10 RTS和CTS帧以及数据帧和ACK帧的传输时间关系

如图10，源站经过DIFS之后，向目的站发送RTS帧，此时其他站也会收到来自源站的RTS帧，并将RTS帧中的duration时间拷贝到自己的NAV中。目的站经过SIFS之后，给源站回复CTS帧，源站在收到CTS帧后，再经过SIFS之后，发送数据给目的站。目的站收到数据，再经过SIFS之后，回复源站ACK帧。经过DIFS之后，其他站可以进入竞争窗口，开始退避，竞争发送数据的机会。

802.11的mac帧

802.11 mac帧有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。

下面是数据帧的格式：

图11 MAC数据帧格式

MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在帧的首部。
帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312 字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过 802.11 帧的长度通常都是小于 1500 字节。
帧检验序列 FCS 是尾部，共 4 字节

数据帧的地址

数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址4用于自组网络。

图12 数据帧的地址

图13 A向B发送数据

到DS=1，从DS=0：表示A向AP1发送数据帧。

到DS=0，从DS=1：表示AP1向B发送数据帧。

序列控制字段、持续期字段和帧控制字段

序号控制字段占 16 位，其中序号子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。
持续期字段占 16 位。
帧控制字段共分为 11 个子字段。
- 协议版本字段现在是 0。
- 类型字段和子类型字段用来区分帧的功能。
- 更多分片字段置为 1 时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。
- 有线等效保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。

图14 分片发送

如图14，源站向目的站发送RTS帧，目的站和其他站都收到RTS帧，其他站将RTS帧中的duration时间拷贝到NAV中，目的站收到RTS帧后，再经过SIFS之后，回复源站CTS帧，此时其他站也会收到CTS帧，并将CTS中的duration时间拷贝到NAV中。源站收到CTS帧后，经过SIFS之后，将长帧划分为分片1、分片2和分片3，然后依次发送给目的站。

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