無線局域網

無線局域網的組成

IEEE 802.11

IEEE 802.11 是一個有固定基礎設施的無線局域網的國際標準。簡單地說，802.11 就是無線以太網的標準：

• 它使用星形拓撲，其中心叫做接入點 AP (Access Point)
• 它在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)。

• 一個基本服務集BSS包括一個基站（接入點AP）和若干個移動站，所有的站在本BSS以內都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信時，都要通過本 BSS 的基站。
• 當網絡管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID和一個信道。
• 一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點AP連接到一個主幹分配系統 DS (Distribution System)，然後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。門戶的作用就相當於一個網橋。

建立關聯

一個移動站若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，並與此接入點建立關聯(association) 。

只有關聯的 AP 才向這個移動站發送數據幀，而這個移動站也只有通過關聯的 AP 才能向其他站點發送數據幀。

移動站與AP建立關聯有以下兩種方法:

• 被動掃描
• 移動站等待接收接入站週期性發出的信標幀(beacon frame)。
• 信標幀中包含有若干系統參數（如服務集標識符 SSID 以及支持的速率等）。
• 主動掃描
• 移動站主動發出探測請求幀(probe request frame)，然後等待從 AP 發回的探測響應幀(probe response frame)。

熱點（hot spot）

熱點我們都不陌生，它也就是無線入網點，一般又辦公室、快餐店等有償或無償向公眾提供。

由許多熱點和AP連接起來的區域被稱作熱區 (hot zone)。

現在也出現了無線互聯網服務提供者WISP(Wireless Internet Service Provider) 這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到 WISP，然後再經過無線信道接入到互聯網。

移動自組網絡 (ad hoc network)

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於平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡，也被稱作移動分組無線網絡。

無線傳感器網絡 WSN

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。

無線傳感器網絡主要的應用領域就是組成各種的

802.11局域網的MAC層協議

無線局域網不能簡單地搬用 CSMA/CD 協議，主要有這樣兩個原因：

• “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於發送信號的強度，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，並且在發送數據時檢測到信道是空閒的時候，在接收端仍然有可能發生碰撞。

無線局域網使用“碰撞檢測”可能發生的“隱蔽站問題”和“暴露站問題”：

因此，無線局域網採用改進的CSMA/CA協議，增加了碰撞避免CA (Collision Avoidance)功能。同時，增加使用停止等待協議。

802.11的MAC層

MAC層通過協調功能來確定在基本服務集BSS中的移動站在什麼時間能發送數據或接收數據。

MAC層分為兩個子層：無爭用服務的點協調功能PCF和爭用服務的分佈協調功能DCF（這是必須實現的功能）。

DCF子層在每一個結點使用CSMA機制的分佈式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發送權。

幀間間隔 IFS

在所有的站發送完成後，欲發送幀的站點必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送，這段時間統稱為“

• 幀間間隔長度取決於該站欲發送的幀的類型：高優先級幀所需等待的時間較短，可獲得優先發送權。

SIFS，即短幀間間隔，長度為28μs，是最短的幀間間隔，用於分隔屬於一次對話的各幀。一個站應當能夠在這段時間從發送方式切換到接收方式。

DIFS,即分佈協調功能幀間間隔，它比SIFS的幀間間隔要長得多，長度為128μs。DIFS一般用來發送數據幀和管理幀。

CSMA/CA協議

先了解以下幾個概念：

爭用窗口

信道從忙態變為空閒時，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，使用二進制指數退避算法計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道。

網絡分配向量 NAV

網絡分配向量（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閒狀態。

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NAV。

二進制指數退避算法

第i次退避就在2^(2+i)個時隙中隨機選擇一個。

• 檢測到信道是空閒的，並且這個數據幀是要發送的第一個數據幀

除此以外，都是需要使用退避算法的情況：

• 發送第一個幀之前檢測到信道處於忙態
• 每一次重傳
• 每一次成功發送後

CSMA/CA算法歸納：

(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），且檢測到信道空閒，在等待時間DIFS後，就發送整個數據幀。

(2) 否則，站點執行 CSMA/CA 協議的退避算法。一旦檢測到信道忙，就凍結退避計時器。只要信道空閒，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閒的），站點就發送整個的幀並等待確認。

(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（由重傳計時器控制這段時間），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後放棄發送。

對信道的預約

為了更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題，802.11 允許使用RTS(Request To Send)幀和CTS(Clear To Send)幀對要發送數據的站對信道進行預約。

使用RTS幀和CTS幀會使整個網絡的通信效率有所下降。但與數據幀相比，開銷不算大。

相反，若不使用這種控制幀，則一旦發生碰撞而導致數據幀重發，則浪費的時間就更多。

802.11局域網的MAC幀

802.11數據幀最特殊的地方在於：有四個地址字段。其中地址4用於自組網絡，我們只討論前三種地址。

無論是同一個BSS內站點間的通信，還是需要通過路由器的和其他BSS中的站點通信，數據幀都需要經過AP轉發。

去往AP來自AP地址1地址2地址3地址401目的地址去往的AP地址源地址--10來自的AP地址源地址目的地址--

無線個人區域網 WPAN

無線個人區域網 WPAN (Wireless Personal Area Network) 就是在個人工作地方把屬於個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網絡

整個網絡的範圍大約在10m左右。

我們最熟知的WPAN的應用就是1994年愛立信公司推出的藍牙系統，其標準是 IEEE 802.15.1。

移動IP

移動IP(Mobile IP)允許計算機移動到外地時，仍然保留其原來的 IP 地址。

需要解決的問題：

使用戶的移動性對上層的網絡應用是透明的。

• 獨立於物理層和數據鏈路層
• 支持漫遊和切換
• 兼容固定用戶使用的互聯網和通信協議

移動IP方案

讓每個移動用戶使用兩個IP地址：

• 永久地址（或歸屬地址）
• 作為身份標識
• 轉交地址
• 根據移動主機當前位置不斷變化

基本概念

移動站A必須有一個永久地址，或歸屬地址 (home address)，其原始連接到的網絡叫做歸屬網絡 (home network)。歸屬網絡中使用的代理叫做歸屬代理 (home agent) 。

當移動站A移動到另一個地點，接入的網絡稱為被訪網絡(visited network)或外地網絡 (foreign network)。被訪網絡中使用的代理叫做外地代理 (foreign agent)。為移動站A在被訪網絡中創建的臨時地址叫做轉交地址 (care-of address)。

① B發送給A的數據報被A的歸屬代理截獲了（只有當A離開歸屬網絡時，歸屬代理才能截獲發給A的數據報）。

② 由於歸屬代理已經知道了A的轉交地址（後面會講到），因此歸屬代理把B發來的數據報進行再封裝，新的數據報的目的地址是A現在的轉交地址。新封裝的數據報發送到被訪網絡的

③ 被訪網絡中的外地代理把收到的封裝的數據報進行拆封，取出B發送的原始數據報，然後轉發給移動站A。這個數據報的目的地址就是A的永久地址。A收到B發送的原始數據報後，也得到了B的IP地址。

④ 如果現在A要向B發送數據報，情況就比較簡單。A仍然使用自己的永久地址作為數據報的源地址，用B的IP地址作為數據報的目的地址。這個數據報顯然沒有必要在通過A的歸屬代理進行轉發了。

以上這種工作方式也叫作“間接路由選擇”。

然而，間接路由選擇可能會存在“三角路由選擇問題”：即如果發送站B與移動站A當前的位置很近，那麼B->歸屬代理->A的路線就顯得效率比較低了。

因而，與“間接路由選擇”相對的，我們可以採用“

讓通信者B創建一個通信者代理 (correspondent agent)，讓這個通信者代理向歸屬代理詢問到移動站在被訪網絡的轉交地址。然後由通信者代理把數據報用隧道技術發送到被訪網絡的外地代理，最後再由這個外地代理拆封，把數據報轉發給移動站。但這是以增加複雜性為代價的。

① B的通信者代理從移動站A的歸屬代理得到A所漫遊到的被訪網絡N1的外地代理。我們把移動站首次漫遊到的被訪網絡的外地代理稱為錨外地代理 (anchor foreign agent)。

② 通信者代理把B發給A的數據報再封裝後，發送到A的錨外地代理。

③ 錨外地代理把拆封後的數據報發送給A。

④ A移動到另一個被訪網絡N2。

⑤ A向被訪網絡N2的新外地代理登記。

⑥ 新外地代理把A的新轉交地址告訴錨外地代理。

⑦ 當錨外地代理收到發給A的封裝數據報後，就用A的新轉交地址對數據報進行再封裝，然後發送給被訪網絡N2上的新外地代理。在拆封後轉發給移動站A。

同理，如果移動站再漫遊到另一個網絡，則這個網絡的外地代理將仍然要和錨外地代理聯繫，以便讓錨外地代理以後把發給A的數據報轉發過來。

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