無線局域網的組成

無線局域網 WLAN (Wireless Local Area Network) 指采用無線 通信技術的局域網。

便攜站和移動站表示的意思并不一樣。

• 便攜站：便于移動，但在工作時，其位置是固定不變的 。
• 移動站：不僅能夠移動，還可以在移動的過程中進行通信。

無線局域網 WLAN 可分為兩大類：

有固定基礎設施的 WLAN

無固定基礎設施的 WLAN

所謂“固定基礎設施”是指預先建立起來的、能夠覆蓋一定地理范圍 的一批固定基站。

無線局域網IEEE 802.11系列標準

IEEE 802.11 是一個有固定基礎設施的無線局域網的國際標準。

• 它使用星形拓撲，其中心叫做接入點 AP (Access Point)
• 在MAC層使用 CSMA/CA 協議

凡使用 802.11 系列協議的局域網又稱為 Wi-Fi (Wireless Fidelity，意思是“無線保真”。）

BBS（考點√）

• 無線局域網的最小構建是基本服務集（BSS Basic Service Set）：一個基本服務集 BSS 包括一個基站和若干個移動站，一個站無論要和本 BSS 的站進行通信，還是要和其他 BSS 的站進行通信，都必須通過本 BSS 的基站。
• 基本服務集內的基站叫做接入點 AP (Access Point)其作用和網橋相似。
• 一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點 AP 連接到一個主干分配系統 DS (Distribution System)，然后再接入到另一個基本服務集，構成擴展的服務集 ESS (Extended Service Set)。
• ESS 還可通過門戶 (portal) 為無線用戶提供到非 802.11 無線局域網（例如， 到有線連接的互聯網）的接入。門戶的作用就相當于一個網橋。

?hot spot

熱點就是公眾無線入網點。 由許多熱點和 AP 連接起來的區域叫做熱區 (hot zone)。

用戶可以通過無線信道接入到無線互聯網服務提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider) ，然后再經過無線信道接入 到互聯網。

移動自組網絡（考點△）

自組網絡是沒有固定基礎設施（即沒有 AP）的無線局域網。

這種網絡是由一些處于平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡。

?一般用于軍事。

子集-無線傳感器網絡WSN（考點√）

無線傳感器網絡 WSN (Wireless Sensor Network) 是由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡。 無線傳感器網絡的應用是進行各種數據的采集、處理和傳輸。

特點:(√）

• 不需要很高的帶寬，必須保持低功耗。
• 對協議棧的大小有嚴格的限制。
• 對網絡安全性、結點自動配置、網絡動態重組等方面有一定的要求。

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802.11局域網的MAC層

通過協調功能來確定BSS中的移動站在什么時間可以發送或接受數據。

• DCF 子層在每一個結點使用 CSMA 機制的分布式接入算法 ，讓各個站通過爭用信道來獲取發送權。因此 DCF 向上提 供爭用服務。
• PCF 子層使用集中控制的接入算法把發送數據權輪流交給各個站從而避免了碰撞的產生。自組網絡就沒有 PCF 子層。

幀間間隔 IFS（考點★△）

所有的站在完成發送后，必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才 能發送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔 IFS (InterFrame Space)。

幀間間隔長度取決于該站欲發送的幀的類型（也可以說優先級）。高優先級幀需要等待的時間較短，因此可優先獲得發送權。若低優先級幀還沒來得及發送而其他站的高優先級幀已發送到媒體， 則媒體變為忙態，因而低優先級幀就只能再推遲發送了。這樣就減少了發生碰撞的機會。

SIFS

SIFS，即短 (Short) 幀間間隔，長度為 28 us，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個站應當能夠在這段時間內從發送方式切換到接收方式。(ACK幀，CTS幀）

DIFS

DIFS，即分布協調功能幀間間隔，它比 SIFS 的幀間間隔要長得多，長度為 128 us 。在 DCF 方式中，DIFS 用來發送數據幀和管理幀。

802.11局域網的MAC層協議（考點★）

無線局域網不能簡單地搬用 CSMA/CD 協議的原因：

• “碰撞檢測”要求一個站點在發送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但接收到的信號強度往往會遠遠小于發送信號的強度，在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大
• 即使能夠實現碰撞檢測的功能，并且在發送數據時檢測到信道是空閑的時候，在接收端仍然有可能發生碰撞。

隱蔽站問題

未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hidden station problem)

?AC信號互不可達，當 A 和 C 檢測不到無線信號時，都以為 B 是空閑的， 因而都向 B 發送數據，結果發生碰撞。

暴露站問題

?B 向 A 發送數據，而 C 又想和 D 通信。 C 檢測到媒體上有信號，于是就不敢向 D 發送數據。引發暴露站問題(exposed station problem)。

CSMA/CA 協議

改進的辦法是把 CSMA 增加一個碰撞避免 CA (Collision Avoidance) 功能。

802.11 就使用 CSMA/CA 協議。在使用 CSMA/CA 的同時，還增加使用停止等待協議。

CSMA/CA 協議原理

• 欲發送數據的站先檢測信道。在 802.11 標準中規定了在物理層的空中接口進行載波監聽。
• 通過收到的相對信號強度是否超過一定的閾值就可判定是否有其他的移動站在信道上發送數據。
• 當源站發送它的第一個 MAC 幀時，若檢測到信道空閑，則在等待一段時間 DIFS 后就可發送。（為了讓高優先級幀先發送）
• 目的站若正確收到此幀，則經過時間間隔 SIFS 后，向源站發 送確認幀 ACK。
• 若源站在規定時間內沒有收到確認幀 ACK（由重傳計時 器控制這段時間），就必須重傳此幀，直到收到確認為 止，或者經過若干次的重傳失敗后放棄發送。

載波偵聽

CSMA/CA的基礎是載波偵聽，IEEE802.11根據WLAN的戒指特點提出了兩種載波檢測方式。一種是基于物理層的載波檢測方式，另一種是虛擬的載波檢測方式。

（1）基于物理層的載波檢測方式。從接收到的射頻或天線信號來檢測信號能量，或者是根據接收信號的質量來估計信道的忙閑狀態；

（2）虛擬載波監聽 (Virtual Carrier Sense)檢測方式。通過MAC報頭RTS/CTS中的的網絡分配向量NAV（Network allocation vector）來實現。機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發送數據。這樣就大大減少了碰撞的機會。

• 當一個站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續時間”?段時，就調整自己的NAV。NAV 指出：必須經過多少時間才能完成數據幀的這次傳輸，才能使信道轉入到空閑狀態。

爭用窗口

信道從忙態變為空閑時，可能有多個站同時要求發送數據。

?如何避免幾個站同時發送數據？

任何一個站要發送數據幀時，不僅都必須等待一個 DIFS 的間隔，而且還要進入爭用窗口 。所謂爭用窗口，即計算一個隨機退避時間 。待發生數據的站等待這個隨機時間后再試圖接入到信道。802.11 使用二進制指數退避算法。

?CSMA/CA 協議原理圖

?退避計時器 (backoff timer)

站點每經歷一個時隙的時間就檢測一次信道。 這可能發生兩種情況：

若檢測到信道空閑退避計時器就繼續倒計時。

若檢測到信道忙，就凍結退避計時器的剩余時間

重新等待信道變為空閑

經過時間 DIFS 后，從剩余時間開始繼續倒計時

當退避計時器的時間減小到零時，就開始發送整個數據幀。

?僅在下面的情況下才不使用退避算法：

檢測到信道是空閑的，并且這個數據幀是要發送的第一個數據幀 。

除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。

CSMA/CA算法歸納（考點★△）

?① 若站點最初有數據要發送（而不是發送不成功再進行重傳），且檢測到信道空閑，在等待時間 DIFS 后，就發送整個數據幀。

② 否則，站點就要等檢測到信道空閑并經過時間 DIFS 后，執行 CSMA/CA 協議的退避算法，啟動退避計數器。在退避計數器減少到零之前，一旦檢測到信道忙，就凍結退避計時器。一旦信道空閑，退避計時器就進行倒計時。

③ 當退避計時器時間減少到零時（這時信道只可能是空閑的），站點就發送整個的幀并等待確認。

④ 發送站若收到確認，就知道已發送的幀被目的站正確收到了。這時如 果要發送第二幀，就要從上面的步驟 (2) 開始，執行 CSMA/CA 協議的退避算法，隨機選定一段退避時間。若源站在規定時間內沒有收 到確認幀 ACK，就必須重傳此幀（再次使用CSMA/CA協議爭用接入信道），直到收到確認為止，或者經過若干次的重傳失敗后放棄發送。

碰撞避免: RTS/CTS預約信道（考點△）

解決隱蔽站，暴露站帶來的碰撞問題。請求發送RTS(包括源地址，目的地址，所需時間），允許發送CTS（包括所需時間）。

減少隱蔽站問題

A準備向B發送數據，A發送請求RTS幀，CB收到幀后，B獲取RTS幀的信息，發送CTS幀；這樣D就會檢測到信道繁忙，不會繼續發送。減少了隱蔽站問題。

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?減少暴露站問題

A準備發送信息給C，AB為暴露站，B可能會誤以為信道繁忙而不敢向D發送數據。因此A發送RTS后，B查到RTS幀中目的地址是C，就放心了，可以發送數據給D，不會造成碰撞。

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協議設有三種情況供用戶選擇：

• 使用 RTS 幀和 CTS 幀；
• 只有當數據幀的長度超過某一數值時才使用 RTS 幀和 CTS 幀 （顯然，當數據幀本身就很短時，再使用 RTS 幀和 CTS 幀只 能增加開銷）；
• 不使用 RTS 幀和 CTS 幀。

802.11 局域網的 MAC 幀

802.11 幀共有三種類型：控制幀、數據幀和管理幀。

?數據幀的三大部分

• MAC 首部，共 30 字節。幀的復雜性都在幀的首部。
• 幀主體，也就是幀的數據部分，不超過 2312 字節。這個數值比以 太網的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都小于 1500 字節。
• 幀檢驗序列 FCS 是尾部，共 4 字節 。

總結

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