计算机网络（9）：无线网络

无线局域网 WLAN

无线局域网常简写为 WLAN (Wireless Local Area Network)。

无线局域网的组成

无线局域网可分为两大类。第一类是有固定基础设施的，第二类是无固定基础设施的。所谓“固定基础设施”是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。

IEEE 802.11

802.11 是无线以太网的标准，它使用星形拓扑，其中心叫做 接入点AP(Access Point) ，在MAC层使用 CSMA/CA 协议 。凡使用802.11系列协议的局域网又称为 Wi-Fi (Wireless-Fidelity，意思是“无线保真度”)。

802.11 标准规定无线局域网的最小构件是 基本服务集BSS(Basic Service Set) 。
一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本BSS 以外的站通信时都必须通过本 BSS 的基站。在802.11的术语中，接入点AP就是基本服务集内的 基站(base station) 。当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32字节的 服务集标识符SSID （Service Set IDentifier）和一个信道。
一个基本服务集 BSS 所覆盖的地理范围叫作一个 基本服务区 BSA (Basic Service Area) 。基本服务区 BSA 和无线移动通信的蜂窝小区相似。无线局域网的基本服务区 BSA 的范围直径一般不超过100米。

一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP 连接到一个 分配系统DS (DistributionSystem) ，然后再连接到另一个基本服务集，这样就构成了一个 扩展的服务集 ESS(ExtendedService Set) 。
分配系统的作用就是使扩展的服务集 ESS 对上层的表现就像一个基本服务集 BSS 一样。分配系统可以使用以太网（这是最常用的)、点对点链路或其他无线网络。扩展服务集 ESS还可为无线用户提供到 802.x 局域网（也就是非802.11无线局域网)的接入。这种接入是通过叫做 **Portal(门户)**的设备来实现的。
Portal 是802.11定义的新名词，其实它的作用就相当于一个 网桥 。

802.11标准定义一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点 建立关联(association) 。
建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网，并和这个接入点 AP 之间创建了一个虚拟线路。只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的 AP才能向其他站点发送数据帧。
此后，这个移动站就和选定的 AP互相使用802.11关联协议进行对话。移动站点还要向该AP鉴别自身。在关联阶段过后，移动站点要通过关联的AP向该子网发送 DHCP 发现报文以获取 IP 地址。这时，因特网中的其他部分就把这个移动站当作该 AP 子网中的一台主机。

若移动站使用 重建关联(reassociation)服务 ，就可把这种关联转移到另一个接入点。当使用 分离(dissociation) 服务时，就可终止这种关联。
移动站与接入点建立关联的方法有两种：一种是被动扫描，即移动站等待接收接入站周期性发出的（例如每秒10次或100次） 信标帧(beacon frame) 。信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等)。另一种是主动扫描，即移动站主动发出 探测请求帧(probe request frame) ，然后等待从接入点发回的 探测响应帧(probe responseframe) 。

移动自组网络

无固定基础设施的无线局域网，又叫做自组网络(ad hocnetwork)。这种自组网络没有上述基本服务集中的接入点AP而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。
由于自组网络没有预先建好的网络固定基础设施（基站），因此自组网络的服务范围通常是受限的，而且自组网络一般也不和外界的其他网络相连接。移动自组网络也就是 移动分组无线网络 。

移动自组网络和移动IP并不相同 ：移动IP技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。漫游的主机可以直接连接到或通过无线链路连接到固定网络上的另一个子网。支持这种形式的主机移动性需要地址管理和增加协议的互操作性，但移动IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议；移动自组网络是把移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。即使在和因特网相连时，移动自组网络也是以 残桩网络(stub network) 方式工作的。
所谓“残桩网络”就是通信量可以进入残桩网络，也可以从残桩网络发出，但不允许外部的通信量穿越残桩网络。

接入
固定接入(fixed access)——在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。
移动接入(mobility access)——用户设备能够以车辆速度（一般取为每小时120公里）移动时进行网络通信。当发生切换（即用户移动到不同蜂窝小区）时，通信仍然是连续的。
便携接入(portable access)——在受限的网络覆盖面积中，用广设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力。
游牧接入(nomadic access)——用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如果用户设备移动了位置（改变了蜂窝小区)，那么再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站。

802.11 局域网的物理层

IEEE 802.11局域网的物理层定义了在无线通信中传输数据的方式，包括频率、调制方式和传输速率等。不同的物理层标准定义了不同的无线通信技术，以适应不同的应用场景。以下是几个常见的802.11物理层标准：
1.802.11b 物理层：
频率： 2.4 GHz
调制方式： 直接序列键控调制（DSSS）
传输速率： 最高11 Mbps
特点： 802.11b是早期的802.11标准之一，采用DSSS技术，适用于较短距离的低速通信。

2.802.11a 物理层：
频率： 5 GHz
调制方式： 正交频分复用（OFDM）
传输速率： 最高54 Mbps
特点： 802.11a在更高的频率上工作，采用OFDM技术，能够提供较高的传输速率，但传播距离相对较短。

3.802.11g 物理层：
频率： 2.4 GHz
调制方式： 正交频分复用（OFDM）和直接序列键控调制（DSSS）
传输速率： 最高54 Mbps
特点： 802.11g是在2.4 GHz频段上对速度和兼容性进行改进的标准，兼容802.11b，并使用OFDM提高了传输速率。

4.802.11n 物理层：
频率： 2.4 GHz和5 GHz
调制方式： 多输入多输出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）
传输速率： 最高可达600 Mbps
特点： 802.11n引入了MIMO技术，通过多个天线传输和接收数据，提高了传输速率和覆盖范围。

5.802.11ac 物理层：
频率： 5 GHz
调制方式： 多输入多输出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）
传输速率： 最高可达1 Gbps
特点： 802.11ac在5 GHz频段上工作，通过引入更多的MIMO流和更宽的信道带宽，进一步提高了传输速率。

6.802.11ax 物理层：
频率： 2.4 GHz和5 GHz
调制方式： 多输入多输出（MIMO）和正交频分多址（OFDMA）
传输速率： 预计将提供更高的传输速率
特点： 802.11ax是下一代标准，旨在提供更高的网络效率，支持更多设备连接，并在高密度网络环境中提供更好的性能。

这个稍微了解一下就行。。。

802.11 局域网的 MAC 层协议

CSMA/CA 协议

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，具有碰撞避免的载波侦听多路访问）是一种用于无线网络的媒体访问控制（MAC）协议。与有线网络不同，无线网络中存在信号传播的时间延迟和难以侦听到所有其他站点传输的特殊挑战。CSMA/CA的目标是在无线网络中有效地避免碰撞。

CSMA/CD 协议已成功地应用于使用有线连接的局域网，但在无线局域网的环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD 协议，特别是碰撞检测部分。主要有两个原因:
主要有两个原因;
第一，在无线局域网的适配器上，接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，因此若要实现碰撞检测，那么在硬件上需要的花费就会过大。
第二，在无线局域网中， 并非所有的站点都能够听见对方 ，而“所有站点都能够听见对方”正是实现CSMA/CD协议必须具备的基础。

上图表示站点 A 和 C 都想和 B 通信。但 A 和 C 相距较远，彼此都听不见对方。当 A 和 C 检测到信道空闲时，就都向 B 发送数据，结果发生了碰撞。这种未能检测出信道上其他站点信号的问题叫做 隐蔽站问题(hidden station problem) 。

上图给出了另一种情况。站点 B 向 A 发送数据。而 C 又想和 D 通信。但 C 检测到信道忙，于是就停止向 D 发送数据，其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 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)。这就是 暴露站问题(exposed station problem) 。在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个移动站进行通信。这点与有线局域网有很大的差别。
因此， 无线局域网可能出现检测错误的情况

CSMA/CD 有两个要点：一是发送前先检测信道。信道空困就立即发送，信道忙就随机推迟发送。二是边发送边检测信道，一发现碰撞就立即停止发送。因此偶尔发生的碰撞并不会使局域网的运行效率降低很多。
既然无线局域网不能使用碰撞检测，那么就应当尽量减少碰撞的发生。为此，802.11委员会对CSMA/CD协议进行了修改，把碰撞检测改为 碰撞避免CA(Collision Avoidance) 。这样，802.11局域网就使用CSMA/CA 协议’。碰撞避免的思路是：协议的设计要尽量减少碰撞发生的概率 。
在无线局域网中，即使在发送过程中发生了碰撞，也要把整个帧发送完毕。因此在无线局域网中一旦出现碰撞，在这个帧的发送时间内信道资源都被浪费了。

CSMA/CA的工作原理如下：
1.空闲检测： 在发送数据之前，站点首先监听信道，检测信道是否处于空闲状态。如果信道忙碌，站点将等待一段随机的时间，然后重新进行空闲检测。
2.传输数据前的等待： 在空闲检测后，如果信道仍然空闲，发送站点会等待一段额外的时间，称为网络分布的时间，以确保其他站点有足够的时间检测到信道的空闲状态。
3.发送 RTS 帧（可选）： 在一些情况下，发送站点可能会发送请求发送（Request to Send，RTS）帧给接收站点，请求在未来的一段时间内发送数据。这一步可用于避免隐藏节点问题，即在发送站点和接收站点之间存在其他站点，这些站点无法检测到彼此的存在。
4.接收 CTS 帧（可选）： 如果接收站点准备好接收数据，它会发送清除发送（Clear to Send，CTS）帧给发送站点，通知其可以发送数据。
5.数据传输： 如果没有RTS/CTS阶段或在RTS/CTS阶段后，发送站点将开始发送实际的数据帧。
6.等待 ACK 帧： 接收站点在成功接收数据后，会发送一个确认（ACK）帧给发送站点，通知其数据已成功接收。
7.碰撞检测： 发送站点在发送数据后会监听信道，以检测是否发生了碰撞。如果发现碰撞，站点会等待一段时间，然后尝试重新发送数据。

对信道进行预约

源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做 请求发送RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。若信道空闲，则目的站 B 就响应一个控制帧，叫做允许发送 CTS(Clear To Send)，它也包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中把这个持续时间复制到CTS帧中）。A收到CTS帧后就可发送其数据帧。

使用 RTS 和 CTS 帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，其长度分别为 20 字节和 14 字节，与数据帧（最长可达2346字节）相比开销不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。虽然如此，但协议还是设有三种情况供用户选择：一种是使用RTS和 CTS帧；另一种是只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS 和 CTS帧（显然，当数据帧本身就很短时，再使用RTS和CTS帧只能增加开销)；还有一种是不使用RTS和 CTS帧。

802.11 局域网的 MAC 帧

802.11帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。

802.11数据帧由以下三大部分组成：
(1)MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在帧的首部；
(2)帧主体，也就是帧的数据部分，不超过 2312 字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过 802.11 帧的长度通常都是小于 1500 字节；
(3)帧检验序列FCS是尾部，共 4 字节。

关于802.11数据帧的地址

802.11 数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址 4 用于自组网络。
前三个地址的内容取决于帧控制字段中的“到DS”(到分配系统）和“从DS”(从分配系统）这两个子字段的数值。这两个子字段各占 1 位，合起来共有 4 种组合，用于定义802.11帧中的几个地址字段的含义。

802.11帧的地址字段最常用的两种情况（都只使用前三种地址）：

如下图，站点 A 向 B 发送数据帧，但这个过程要分两步走：首先要由站点 A 把数据帧发送到接入点AP1，然后再由AP1把数据帧发送给站点B。

当站点 A 把数据帧发送给 AP1 时，帧控制字段中的 “到DS= 1”而“从DS=0”。因此地址 1 是 AP1 的 MAC 地址(接收地址)，地址 2 是 A 的 MAC 地址（源地址)，地址 3 是 B 的 MAC 地址（目的地址)。“接收地址”与“目的地址”并不等同。
当 AP1 把数据帧发送给站点 B 时，帧控制字段中的 “到DS =0”而“从DS= 1”。因此地址 1 是 B 的 MAC 地址（目的地址)，地址 2 是 AP1 的 MAC 地址（发送地址)，地址 3 是 A 的 MAC 地址（源地址)。“发送地址”与“源地址”也不相同。

序号控制字段、持续期字段和帧控制字段

(1) 序号控制字段 占16位，其中 序号子字段占 12 位（从 0 开始，每发送一个新帧就加 1，到 4095 后再回到0)，分片子字段占4位（不分片则保持为0。如分片则帧的序号子字段保持不变，而分片子字段从 0 开始，每个分片加 1，最多到 15)。重传的帧的序号和分片子字段的值都不变。
序号控制的作用是使接收方能够区分开是新传送的帧还是因出现差错而重传的帧。
(2 )持续期字段 占 16 位。 CSMA/CA协议允许传输站点预约信道一段时间（包括传输数据帧和确认帧的时间)。这个时间就是写入到持续期字段中。由于这个字段有多种用途，因此最高位为 0 时才表示持续期。这样，持续期不能超过2^15- 1 = 32767，单位是微秒。
(3)帧控制字段共分为11个子字段。
协议版本字段现在是 0。
类型字段和子类型字段用来区分帧的功能。802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧，而每一种帧又分为若干种子类型。
**更多分片字段置为 1 ** 时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。
有线等效保密字段WEP (Wired Equivalent Privacy) 占 1 位。若WEP = 1，就表明采用了WEP加密算法。WEP表明使用在无线信道的这种加密算法在效果上可以和有线信道上通信一样地保密。

了解。。。。

无线个人区域网 WPAN

无线个人区域网 WPAN (Wireless Personal Area Network)就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备（如便携式电脑、掌上电脑、便携式打印机以及蜂窝电话等）用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点 AP，整个网络的范围大约在 10 m 左右。
WPAN 可以是一个人使用，也可以是若干人共同使用。
无线个人区域网 WPAN 和个人区域网 PAN(Personal Area Network) 并不完全等同，因为 PAN 不一定都是使用无线连接的。

WPAN 和 WLAN 并不一样。WPAN 是以个人为中心来使用的无线个人区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。但WLAN却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。

蓝牙系统

最早使用的 WPAN 是1994年爱立信公司推出的蓝牙(Bluetooth)系统。
蓝牙的数据率为720 kb/s，通信范围在10米左右。
蓝牙使用TDM方式和扩频跳频FHSS技术组成不用基站的皮可网(piconet)。Piconet直译就是“微微网"，因为前缀 pico-本来是微微（10^(-12))的意思，表示这种无线网络的覆盖面积非常小。
每一个皮可网有一个 主设备(Master) 和最多7个工作的 从设备(Slave) 。通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网(scatternet)。

图中标有M和S的小圆圈分别表示主设备和从设备，而标有P的小圆圈表示不工作的搁置的(Parked)设备。一个皮可网最多可以有255个搁置的设备。

低速 WPAN

Zigbee是一种低速无线个人区域网络（WPAN）技术，专注于低功耗、低数据率和简单设备之间的通信。

主要特点：
低功耗： Zigbee 设备设计用于低功耗操作，因此适用于使用电池供电的设备，如传感器节点。
低数据率： Zigbee 主要用于传输小量数据，因此其数据传输速率相对较低。这使得它适用于需要低带宽的应用，如传感器网络。
自组织网络： Zigbee 网络支持自组织，设备可以自动加入或退出网络，形成自动化的网络拓扑结构。
短距离通信： Zigbee 设计用于短距离通信，典型的通信范围在10到100米之间，适用于个人区域网络中设备之间的通信。
网络拓扑： Zigbee 网络可以采用星形、网状或集群树等不同的拓扑结构，以满足不同应用的需求。
多频段支持： Zigbee 采用2.4 GHz频段，但也支持其他频段，如900 MHz和868 MHz，以适应不同地区的法规和需求。
安全性： Zigbee 提供了一些安全性特性，如数据加密和身份验证，以确保通信的安全性。

高速 WPAN

高速WPAN是指使用更高速率的技术进行短距离通信。蓝牙技术的演进，如蓝牙3.0和蓝牙4.0，引入了高速传输模式，使其能够支持更高的传输速率，适用于对速度要求较高的应用。高速WPAN可用于传输大量数据，例如高质量音频或视频流。

无线城域网 WMAN

无线城域网（WMAN）是一种覆盖城市范围的无线通信网络，提供高带宽的数据传输服务。其中一种常见的无线城域网技术是WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access），它符合IEEE 802.16标准。

WiMAX（IEEE 802.16）的特点：
1.标准化：
WiMAX符合IEEE 802.16标准，为城域范围提供高效的宽带无线通信。
2.长距离通信：
WiMAX支持较长的通信距离，适用于城市覆盖和郊区通信。
3.高速数据传输：
WiMAX提供高速的数据传输，支持较高的带宽，适用于视频流、互联网接入和其他大数据传输应用。
4.灵活的频谱使用：
WiMAX支持灵活的频谱使用，可以在不同频段上运行，以适应不同地区和运营商的需求。
5.点对点和点对多点通信：
WiMAX支持点对点和点对多点通信，可为不同应用场景提供灵活的网络配置。
6.QoS支持：
WiMAX支持服务质量（QoS）机制，可满足对实时应用（如语音和视频通话）有较高要求的业务需求。
7.移动性支持：
WiMAX的一些版本支持移动性，允许用户在网络覆盖范围内移动。

谢希仁第五版《计算机网络》学习笔记