《分布式系统：概念与设计》一3.5.2　IEEE 802.11无线LAN

3.5.2　IEEE 802.11无线LAN

本节将总结无线LAN技术中必须解决的无线网络的特殊特征，同时解释IEEE 802.11是如何处理这些特征的。IEEE 802.11（WiFi）标准扩展了以太网（IEEE 802.3）技术采用的载波侦听多路复用（CSMA）原理以适应无线通信的特征。802.11标准旨在支持距离在150m之内以最高54Mbps的速度进行的计算机间通信。
图3-24是包含无线LAN的企业内部网的一部分。几个移动无线设备通过基站和企业内部网的其他设备通信，这里基站是有线LAN的接入点。通过接入点与传统LAN连接的无线网络称为基于基础设施的无线网络。

无线网络的另一种配置方式称为自组织网络。自组织网络不包括接入点或基站。它们通过同一邻域的无线接口检测到彼此的存在，然后在运行中建立起网络。当同一房间内的两个或者多个笔记本电脑用户发起与任何可用站点的连接时，就会形成一个自组织网络。它们可以通过在某台机器上启动文件服务器进程来共享文件。
IEEE 802.11网络在物理层采用无线电频率信号（利用免牌照使用的2.4GHz和5GHz波段）或者红外线作为传输介质。标准中的无线电版本在商业上广受注意，下面我们将介绍它。IEEE 802.11b标准是第一个广泛使用的派生标准。它在2.4GHz波段运行，支持高达11Mbps的数据通信。它从1999年起在许多办公室、家庭和公共场所与基站一起被安装，使笔记本电脑和PDA能访问局域网设备或互联网。IEEE 802.11g是对802.11b最近的更新，它仍使用2.4GHz波段但使用不同的信号技术从而获得高达54Mbps的速度。最后，802.11a派生标准工作在5GHz波段，在更短范围内带宽可达54Mbps。所有的派生标准采用不同的频率选择或者跳频技术，以避免外部干扰以及独立的无线LAN之间的相互干扰（后者我们不准备详细讨论）。我们重点讨论对CSMA/CD机制做的修改，这些修改是802.11的所有版本的MAC层所需要的，并使得广播数据传输可以用到无线电传输中。
和以太网一样，802.11MAC协议为所有的站点提供相同的机会使用传输通道，站点之间可以直接传输。但MAC协议控制不同站点对通道的使用。对以太网而言，MAC层起到了数据链路层和网络层的作用，它负责将数据包发送到网络的主机上。
使用无线电波（而非电线）作为传输介质会产生一些问题。这些问题源于以太网使用的载波侦听和冲突检测机制仅在整个网络的信号强度大致相同时才有效这一事实。
我们回忆一下，载波侦听的目的是确定发送工作站和接收工作站间的所有结点上的介质是否空闲，冲突检测的目的为确定在接收者邻域内的介质是否空闲，以免在传输时受到干扰。由于无线LAN操作的空间内信号强度不均匀，所以载波侦听和冲突检测可能出现如下几种错误：
工作站隐藏：载波侦听没能检测到网络上另一个工作站正在传输。图3-24可以说明这一点，掌上电脑D正在向基站E传输，由于图中所示的无线电屏障，笔记本电脑A可能发现不了D的信号。于是A开始传输，若不采取手段防止A传输，将在E点造成冲突。
信号衰减：由于电磁波传输遵循反平方规则衰减，因此随着和传输者距离的增加，无线电信号强度迅速衰减。一个无线LAN内的某个工作站可能在其他工作站的范围之外。如图3-24所示，虽然笔记本电脑A或C可以成功地向B或E传输信号，但A却可能检测不到C的传输。信号衰减使得载波侦听和冲突检测都失效。
冲突屏蔽：遗憾的是，以太网中用来检测冲突的侦听技术在无线电网络中并不是十分有效。因为上面提到的平方衰减规律，本地产生的信号总是比其他地方产生的信号强很多，极大地覆盖了远程传输。因此，笔记本电脑A和C可能同时向E传送，它们都没有检测到冲突，但E却只收到了乱码。
尽管如此，IEEE 802.11网络中并没有废弃载波侦听，而是通过在MAC协议中加入时隙保留机制对载波侦听机制进行加强。这种方案称为具有冲突避免的载波侦听多路复用（CSMA/CA）。
在工作站准备发送消息时，它侦听介质。如果没有检测到载波信号，它假设以下条件之一为真：
1）介质可用。
2）范围之外的工作站正在请求获得一个时隙。
3）范围之外的工作站正在使用以前保留的时隙。
时隙保留协议包括在发送者和接收者之间交换一对短消息（帧）。首先是发送者给接收者发一个请求发送（RTS）帧，RTS消息指定了需要的时隙长度。接收者回复清除发送（CTS）帧，并重复时隙的长度。这种交换的效果如下：

发送者范围内的工作站将获得RTS帧，并记录时隙长度。
接收者范围内的工作站将获得CTS帧，并记录时隙长度。
结果，发送者和接收者范围内的所有工作站在规定的时隙内都不传输，留出空闲通道给发送者，使之能传输一定长度的数据帧。最后，接收者对数据帧的成功传输发出确认信息，以帮助处理通道的外部干扰问题。MAC协议的时隙保留特征在以下几个方面有助于避免冲突:
CTS帧有助于避免工作站隐藏和信号衰减问题。
RTS和CTS帧很短，所以冲突的风险也很小。如果检测到冲突或者RTS没有得到CTS回复，则像以太网那样，使用一个随机后退周期。137
如果正确地交换了RTS和CTS帧，那么随后的数据和确认帧应当没有冲突，除非间歇性的信号衰减导致第三方没有接收到RTS帧或者CTS帧。
安全性　通信的私密性和完整性显然是无线网络中必须关注的问题。处于范围内且配有发送器/接收器的任何一个工作站都可能加入这个网络，如果失败，它也可能窃听其他工作站之间的传输。第一个试图为IEEE 802.11解决安全问题的是WEP（有线等价私密性）。遗憾的是，WEP并没有达到它名字所隐含的目标。它的安全设计在几个方面都有漏洞，使得它很容易被破坏。我们将在11.6.4节描述它的弱点，并总结当前的改进情况。