无线局域网

Posted 2020-10-18 菜鸟也有高飞的时候

无线局域网

广义说 是利用无线通信技术，在一定的局部范围内建立的局域网。这种定义涵盖了诸如IEEE802.11系列、Bluetooth等各种类型的无线网络技术。狭义说是采用了IEEE802.11系列无线局域网标准的局域网

无线局域网的组成

• 站（STA） 指以无线方式接入无线局域网的设备，是无线局域网的基本组成单元。也称移动主机（MH，Mobile Host）。

• 无线介质

  • 红外线，红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性。红外信号要求视距传输，并且窃听困难，对邻近区域的类似系统也不会产生干扰。
  • 无线电波，无线电波是无线局域网最常用的无线传输媒体。这主要是因为无线电波的覆盖范围较广，已有的应用技术较成熟。

• 无线接入点AP（基站）

  无线接入点AP(Access Point)是无线局域网的重要组成单元，除了具备站的基本功能外，可以为其它站提供无线网络接入服务的设备。它的基本功能有：

  • 作为无线接入点，完成其它非AP的站对分布式系统的接入访问和不同站间的通信连接。
  • 作为无线网络和分布式系统的桥接点，完成桥接功能。
  • 作为基本服务集BSS的控制中心，完成对其它非AP的站的控制和管理。

• 基本服务集BSS

  • 无线局域网的最小构件是基本服务集BSS(Basic Service Set)

  • 一个BSS一般包括一个无线接入点和若干个无线终端组成

  • 所有终端在BSS内部可以直接通信，但若要和本BSS外的其它终端通信则必须经过本BSS的基站(接入点AP）

  • 一个BSS所覆盖的地理范围称为一个基本服务区BSA，BSA通常在100M以内

  

• 分布式系统DS

  分布式系统DS(Distribution System)是用来连接不同的基本服务区BSA(Basic Service Area)的，可以是有线网络(例如采用IEEE 802.3协议的局域网)，也可以是可通过AP间的无线通信构成的无线网络。

• 扩展服务集ESS

  • 一个基本服务区BSA覆盖的范围有限，为了覆盖更大的区域，需要把多个BSA通过分布式系统连接起来，形成一个跨站服务区ESA，而通过DS互连起来的属于同一个ESA的所有主机组成ESS
  • 一个ESS中的每个BSS都分配了一个标识号BSSID。如果一个网络由多个ESS组成，则每个ESS也分配一个标识号ESSID
  • 只拥有一个BSS的WLAN叫做单区网，拥有多个通过分布式系统相连的BSS所构成的ESS，称为多区网

无线局域网的拓扑结构

• 无中心分布式的结构

  

  无中心分布式结构是一种以自发方式构成的网络，是独立的BSS工作模式，简称为IBSS工作模式。在IBSS中，至少拥有两个站，任意站之间可直接通信而无需AP转接但要求每个结点必须处于一个或多个其它结点的通信范围内

• 有中心集中控制式结构

  

  有中心集中控制式结构中，一个BSS至少包含一个AP。

  在上图中，ESS还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非802.11无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。

IEEE802.11定义的MAC层支持7种局域网物理层协议

• IEEE802.11跳频（FSSS）物理层，在2.4Ghz频段上提供1M—2M的传输速率
• IEEE802.11直接序列扩频（DSSS）物理层，在2.4Ghz频段上提供1M-2M的传输速率
• IEEE802.11红外线（IR）物理层，提供1M-2M的传输速率
• IEEE802.11a物理层，在2.4Ghz频段上提供6M-54M的传输速率
• IEEE802.11b物理层，在2.4Ghz频段上提供1M-11M的传输速率
• IEEE802.11g物理层，在2.4Ghz频段上提供54M的传输速率
• IEEE802.11n物理层，在2.4Ghz和5Ghz频段上提供108M-340M的传输速率

IEEE 802.11协议体系

• IEEE802.11在物理层定义两种传输方式，即无线电射频方式和红外线方式，其数据传输速率分别是1Mbps和2Mbps,其中无线电射频方式又分为

  • 采用跳频扩频技术FHSS
  • 采用直接序列扩频技术DSSS

• IEEE 802.11b技术使用最为广泛的一种无线局域网标准，又被称为Wi-Fi技术。2.4GHz ISM频段，此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于Free License，无需授权许可。

• IEEE 802.11a工作在5GHz的免授权国家信息设施UNII频段。需要注意的是，不同国家和地区的UNII频段范围并不完全一样

• IEEE 802.11g标准解决应用广泛的IEEE802.11b标准数据传输速率低问题，兼容IEEE 802.11b标准，虽然它们采用了不同的信号调制方法（它使用正交频分复用的多载波信号调制技术OFDM）,但它们可以直接与其数据通信。

• IEEE802.11n无线局域网标准的基本目标是在兼容已有的IEEE802.11系列协议的前提下，提供与主流高速以太网技术同一水平的带宽、QoS等性能。

802.11 常见帧格式和数据帧

• 物理层会聚程序PLCP：独立与物理层的方式提供特定的物理层信息
• 帧控制：识别帧的类型，帧有三种类型分别为管理帧，控制帧，数据帧

剩下的字段看具体的帧类型决定

管理帧

管理帧是用于创建，维持终止站与接入点之间的连接，也被用于确定是否采用加密，传输网络名称SSID或者ESSID，支持哪种传输速率，以及采用的数据数据库。

在我们手机和电脑上的扫描实际上是一个站发现可用的网络以及相关配置信息的过程，当扫描到一个临近的接入点事，管理帧会被用于提供必要的信息。

控制帧

控制帧和帧确认被用于流量控制方式。帧确认有助于发送方知道哪些帧已正确接收。

802.11网络有支持可选的请求发送/明确发送（RTS/CTS），当启用RTS/CTS机制的时候，一个站在发送数据帧之前，先发送一个RTS帧，如果对方愿意接收额外的流量时，就会响应一个CTS帧，然后发送站就会开启一个时间窗口（在CTS帧中标识），用于向确认接收站发送数据帧。RTS/CTS交换有助于解决隐藏终端问题。

在无线媒体中，由于多径传播的原因，信号强度的减少按照距离的指数规律变化。只有在发射机一定距离范围内的用户才能够侦听到信道上的载波。这种依赖位置的载波侦听会在协议中产生下列现象：

• 隐藏终端（Hidden Terminal）

所谓隐藏终端问题，指由于地理障碍的影响，使网络中某些站接收不到其它站发射的信号，从而无法通信。

隐藏终端位于准备接收的站点范围之内，而在发送站点的范围之外。如图，对于A来说C就是隐藏终端，当A想B发送数据的时候，C未能侦测到，也向B发送数据，那样就会发生碰撞。

• 暴露终端（Exposed Terminal）

暴露终端在发射站点的范围之内但在接收站点的范围之外

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，于是就不敢向D发送数据。如果这时不是B向A发送数据而是A向B发送数据，则当C向D发送数据时就会干扰B接收A发来的数据。

其实 B 向 A 送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题

阀值： 一般情况下，AP会提供一个称为分组大小阀值得配置选项，超过这个阀值的帧会导致要给RST帧先于数据帧发送，如果将RTS阀值设置很大，可以禁用RTS/CTS

为了解决帧交付出错问题，802.11采用了重传/确认机制，对于单播帧和一组帧，会对其进行确认，而组播和广播帧则没有确认，防止出现ACK爆炸问题

数据帧

数据帧顾名思义就是携带数据的帧，802.11n支持帧分片和帧聚合。

帧分片：当使用帧分片的时候每一个分片都有自己的MAC头部和尾部CRC，独立于其他分片处理。顺序控制字段包含一个分片号（4位）和一个序列号（16位），一个帧的所有分片都是同一个序列号值，每个相邻的分片的分片号只差为1，最多只能分15个分片，最后一个分片将相对应的位设置了0

帧聚合：

• 聚合的MAC服务数据单元（A-MSDU）

  A-MSDU使用一个FCS聚合多个帧

• 聚合的MAC协议数据单元（A-MPDU）

  A-MPDU在聚合每一个802.11帧之间使用一个4字节的分隔符，每一个子帧拥有自己的FCS，并可以使用ACK确认。

802.11介质访问控制

802.11标准采用了三种方法控制共享的无线介质：

• 点协调功能（PCF）
• 分布式协调功能（DCF）
• 混合协调功能（HCF）

HCF被纳入了802.11规范，在802.11e中支持QoS它也被用于802.11n

在802.11的MAC层中分为了两个字层：PCF和DCF

1. DCF子层在每一个结点使用CSMA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。802.11协议规定，所有的实现都必须有DCF功能。

   CSMA/CA 协议的原理

   • 先检测信道。若检测到信道空闲，则等待一段时间DIFS后就发送整个数据帧，并等待确认。
   • 目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK。
   • 所有其他站都设置网络分配向量NAV，表明在这段时间内信道忙，不能发送数据。
   • 当确认帧ACK结束时，NAV也就结束了。在经历了帧间间隔之后，接着会出现一段空闲时间，叫做争用窗口，表示在这段时间内有可能出现各站点争用信道的情况。

2. PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生。PCF是可选项。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应使用提供无争用服务的点协调功能PCF。

DCF实现

虚拟载波监听

虚拟载波监听让源站把它要占用的信道时间（包括目的站发回确认帧所需时间）写入到所发送的数据帧中，（即在首部中的“持续时间”字段中写入需要占用信道时间，一直到目的站把帧确认完为止），以便使其他所有的站在这一段时间都不要发送数据 。

“虚拟载波监听”的意思是其他各站并没有监听信道，而是由于这些站都知道了源站正在用信道才不发送数据。这种好像是其他站都监听了信道。

网络分配向量NAV本地计数器

NAV被用与估计介质传输时间当前帧所需的时间，以及尝试下一次传输之前需要等待的时间，当一个站侦听到一个持续时间大于自己的NAV时，它将自己的NAV更新为这个值。

当本地的NAV不为0时，介质被认为是繁忙的，在收到一个ACK后，本地NAV复位为0

物理载波监听

每一个802.11PHY规范需提供一种评估信道是否空闲的功能，基于能量和波形识别，这称为空闲信道评估(CCA)，用于了解介质是否繁忙的物理载波监听功能，常与NAV结合使用