目錄

1. 無線局域網組成

2.?802.11的phy層

3. 802.11的mac層

隱蔽站問題?

暴露站問題

幀間間隔IFS

CSMA/CA協議的原理

802.11的mac幀

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1. 無線局域網組成

基本服務集BSS：包含一個基站AP和若干個移動站STA，所有的STA在本BSS內可以直接通信，要和其他BSS的STA通信時需要通過本BSS的基站。

AP：Access Point，接入點。安裝AP時，會為AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID和一個信道，SSID就是平常說的WiFi名稱。

一個基本服務集BSS可以時孤立的，也可以通過AP連接到主干分配系統DS（Distribution System），然后再接入另外一個基本服務集BSS，從而構成擴展服務集ESS（Extended Service Set）。

圖1 BSS組成

?如上圖，ESS可以通過Portal（門戶）連接到非802.11無線局域網（有線internet），Portal就相當于網橋。

漫游：終端A從一個BSS移動到另一個BSS（A’），但仍然保持和B的連接。

STA和AP建立連接（association），STA選擇一個BSS建立關聯，加入這個AP所屬的子網，STA才能和AP或其他STA發送數據幀，進行通信。

STA和AP建立連接的方法：

被動掃描：STA被動等待接收AP周期性發出的信標幀（beacon frame），beacon幀中包含服務集標識符SSID和支持的速率等。

主動掃描：STA主動發出探測請求幀（probe request frame），然后等待AP回復探測響應幀（probe reques frame）。

移動自組網絡（ad hoc network），是沒有固定的基礎設備（沒有AP）的無線局域網。這種網絡由一些處于平等狀態的STA之間相互通信組成的臨時網絡。主要用在軍事，搶險救災時利用自組網絡進行及時的通信。

圖2 自組網絡

2.?802.11的phy層

IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax標準，物理層有以下幾種實現方法：

直接序列擴頻DSSS

正交頻分復用OFDM

正交頻分多址復用OFMDA

調頻擴頻FHSS（已很少用）

紅外線IR（已很少用）

3. 802.11的mac層

無線局域網為什么不能簡單地搬用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽多路訪問/沖突檢測協議）協議。CSMA/CD廣泛應用在以太網中。

CSMA/CD 協議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，但在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大。

即使我們能夠實現碰撞檢測的功能，并且當我們在發送數據時檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發生碰撞。

隱蔽站問題?

這種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）。

圖3 隱蔽站

在圖3中，當A和C都檢測不到無線信號時，都以為B是空閑的，所以都向B發送數據，結果發生碰撞。

暴露站問題

B向A發送數據并不影響C向D發送數據，這就是暴露站問題(exposed station problem)。

圖4 暴露站

B向A發送數據，而C又想和D通信。C檢測到媒介上有信號，導致C不能向D發送數據。

MAC層怎么確定什么時間發送和接收數據？

MAC層通過協調功能來確定BSS中的STA在什么時候能發送數據或接收數據。

圖5 DCF和PCF

如圖85所示，在MAC有兩種服務，一種是基于競爭的分布協調功能 DCF(Distributed Coordination Function)，另外一種是基于無競爭服務的點協調功能 PCF(Point Coordination Function)。其中，DCF是必須實現的，PCF是可選的。

DCF：DCF子層中每個STA使用CSMA/CA機制，讓STAs通過競爭信道來獲取發送數據的權力，因此DCF是一種向上提供競爭的服務。

PCF：PCF子層使用集中控制的接入算法把發送數據的權力輪流交給各個STA，從而避免了碰撞的產生。

幀間間隔IFS

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 (Inter Frame Space)。

幀間間隔長度取決于該站欲發送的幀的類型。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(Short Inter Frame Space，短幀間間隔)

SIFS，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。

使用 SIFS 的幀類型有：ACK 幀、CTS 幀、由過長的 MAC 幀分片后的數據幀，以及所有回答 AP 探詢的幀和在 PCF 方式中接入點 AP 發送出的任何幀。

?圖6? IFS

PIFS，即點協調功能幀間間隔，它比 SIFS 長，是為了在開始使用 PCF 方式時（在 PCF 方式下使用，沒有爭用）優先獲得接入到媒體中。PIFS 的長度是 SIFS 加一個時隙(slot)長度。

時隙長度：在一個基本服務集 BSS 內當某個站在一個時隙開始時接入到媒體時，那么在下一個時隙開始時，其他站就都能檢測出信道已轉變為忙態。

DIFS，即分布協調功能幀間間隔（最長的 IFS），在 DCF 方式中用來發送數據幀和管理幀。DIFS 的長度比 PIFS 再增加一個時隙長度。

CSMA/CA協議的原理

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，即帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問）是一種數據傳輸是避免各站點之間數據傳輸沖突的算法，其特點是發送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量“避免”。

想要發送數據的站需要先檢測信道。在802.11標準中規定了在物理層的空中接口進行載波監聽。通過收到的信號強度是否超過門限值，來判斷是或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，則再等一個DIFS后就可以發送數據。

為什么信道空閑之后，還要再等待，而不是直接發送？

這是考慮到可能有其他站具有更高優先級的幀需要發送，如果有，就讓更高優先級幀先發送。

假如沒有高優先級幀發送的情況下：

源站發送了數據幀

目的站若正確收到該數據幀，則經過SIFS之后，向源站發送確認幀ACK。

如果源站在規定時間內沒有收到確認幀ACK（規定時間是由重傳計時器來控制），就必須重傳此幀，直到收到確認幀ACK為止。如果經過若干次的重傳失敗后，放棄發送。

虛擬載波監聽

虛擬載波監聽（Virtual Carrier Sense），讓源站將它要占用信道的時間通知給所有其他站，從而讓其他所有站在這段時間內都停止發送數據。其中占用信道的時間包括目的站發送確認幀ACK所需的時間。這樣就大大減少了碰撞的機會。“虛擬載波監聽”是表示其他站并沒有監聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發送數據。這種效果好像其他站都監聽了信道。所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個字段“持續時間”中填入了在本幀結束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發送確認幀所需的時間。

網絡分配向量NAV

當一個站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續時間”字段時，就調整自己的網絡分配向量 NAV（Network Allocation Vector）。NAV 指出了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。?

競爭窗口

信道從忙態轉變為空閑時，任何一個站要發送數據時，都必須先等到一個DIFS的間隔，然后進入競爭窗口，并計算退避時間以便再次重新重新接入信道。在信道從忙態轉為空閑時，每個站就要執行退避算法。這樣做的目的是為了減少碰撞的概率。802.11使用二進制指數退避算法。

?圖7? 退避機制

如圖7中，A發送數據幀，再經過DIFS之后，進入競爭窗口，BCDE開始退避，C最先退避到0，此時C可以發送數據，BDE開始凍結退避時間。C發送完數據幀，經過DIFS之后，再次進入競爭窗口，BDE開始退避，這次D開始退避到0，D開始發送數據幀，BE凍結退避時間。D發送完數據幀，經過DIFS之后，BE開始退避，E先退避到0，E開始發送數據幀，B凍結退避時間。E發送完數據幀，經過DIFS之后，進入競爭窗口，B開始退避，B退避為0，B開始發送數據幀。

二進制指數退避算法

第i次退避就在22 + i個時隙中隨機地選擇一個，即：第i次退避是在時隙{0, 1, …, } 中隨機地選擇一個。

第 1 次退避是在8個時隙（而不是2個）中隨機選擇一個。

第 2 次退避是在16個時隙（而不是4個）中隨機選擇一個。

退避計時器

• 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并再經過時間DIFS 后，從剩余時間開始繼續倒計時。如果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。
• 初次之外的所有情況，都必須使用退避算法。
  • 在發送第一個幀之前檢測到信道處于忙態。
  • 在每次的重傳之后。
  • 在每一次的成功發送之后。

RTS/CTS機制

源站 A 在發送數據幀之前先發送一個短的控制幀，叫做請求發送 RTS（Request To Send），它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應的確認幀）所需的持續時間。

?圖8 RTS幀

如圖8，802.11允許要發送數據的站通過RTS幀對信道進行預約。

若媒體空閑，則目的站 B 就發送一個響應控制幀，叫做允許發送 CTS（Clear To Send），它包括這次通信所需的持續時間（從 RTS 幀中將此持續時間復制到 CTS 幀中）。A收到CTS幀之后就可以發送數據。

?圖9 CTS幀

圖10 RTS和CTS幀以及數據幀和ACK幀的傳輸時間關系

如圖10，源站經過DIFS之后，向目的站發送RTS幀，此時其他站也會收到來自源站的RTS幀，并將RTS幀中的duration時間拷貝到自己的NAV中。目的站經過SIFS之后，給源站回復CTS幀，源站在收到CTS幀后，再經過SIFS之后，發送數據給目的站。目的站收到數據，再經過SIFS之后，回復源站ACK幀。經過DIFS之后，其他站可以進入競爭窗口，開始退避，競爭發送數據的機會。

802.11的mac幀

802.11 mac幀有三種類型，即控制幀、數據幀和管理幀。

下面是數據幀的格式：

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圖11 MAC數據幀格式

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 幀的長度通常都是小于 1500 字節。

幀檢驗序列 FCS 是尾部，共 4 字節

數據幀的地址

數據幀最特殊的地方就是有四個地址字段。地址4用于自組網絡。

?圖12 數據幀的地址

?圖13 A向B發送數據

到DS=1，從DS=0：表示A向AP1發送數據幀。

到DS=0，從DS=1：表示AP1向B發送數據幀。

序列控制字段、持續期字段和幀控制字段

• 序號控制字段占 16 位，其中序號子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。
• 持續期字段占 16 位。
• 幀控制字段共分為 11 個子字段。
  • 協議版本字段現在是 0。
  • 類型字段和子類型字段用來區分幀的功能。
  • 更多分片字段置為 1 時表明這個幀屬于一個幀的多個分片之一。
  • 有線等效保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。?????

?圖14 分片發送

如圖14，源站向目的站發送RTS幀，目的站和其他站都收到RTS幀，其他站將RTS幀中的duration時間拷貝到NAV中，目的站收到RTS幀后，再經過SIFS之后，回復源站CTS幀，此時其他站也會收到CTS幀，并將CTS中的duration時間拷貝到NAV中。源站收到CTS幀后，經過SIFS之后，將長幀劃分為分片1、分片2和分片3，然后依次發送給目的站。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的无线局域网WLAN的入门概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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