3.5 无线局域网——IEEE 802.11（Wi-Fi）

无线保真（Wi-Fi）是访问Internet 最流行的技术之一，众所周知的IEEE 标准名称为802.11，他是一种常用的无线以太网标准。 Wi-Fi 网络很容易建立。当前多数的便携式电脑和智能手机包含介入Wi-Fi基础设施的必要硬件。Wi-Fi在有些可能难以提供其他基础设施的发展中国家的发展甚至更快。 上图包括多个 站（STA）。通常情况下，接入点（AP）和 站 组成一个操作子集。一个AP和相关的站被称为一个 基本服务集（BSS）。AP之间通常使用一种 有线的分布式服务（称为DS， 同时基本是‘主干’连接），形成一个 扩展服务集（ESS），通常情况下，ESS有一个指定的 ESSID。这种方式通常被称为 基础设施模式。 802.11标准也提供了一种 Ad hoc （自组织）模式。在这种模式中没有AP 或 DS ，而是直接 采用站到站对等的通信。在IEEE 术语中，加入一个 Ad hoc网络的STA形成一个 独立基本服务集（IBSS）。由 BSS 或 IBSS 的集合形成的无线局域网称为 服务集 ，它由一个 服务集标识符（SSID） 表示。 扩展服务集标识符 （ESSID）是由 SSID  命名的一个BSS 集合，它实际上是一个最长32个字符的局域网名称。在WLAN 第一次建立时，该名称通常分配给AP。  

3.5.1 802.11帧

802.11网络有一个常见的总体框架，但包括多种类型的帧格式。每种类型的帧不一定包含所有字段 MDPU的格式类似于以太网，但取决于接入点之间使用的DS类型：帧是发送到DS 还是来自它，以及帧是否被聚合。   上图所示的帧包含一个用于同步的 前导码，它取决于正在使用的802.11协议类型。物理层汇聚程序（PLCB）头部以独立于物理层的方式提供特定的物理信息。帧 的PLCP部分的传输速率通常比其余部分低。这样做由两个目的：提高正确交付的概率（低速率 高容错），提供对传统设备的兼容性和防止慢速操作的干扰。 MPDU 以帧控制字段开始，其中包括两位的类型字段，用于识别该帧的类型。这里有三种类型的帧：管理帧，控制帧，和数据帧。每种类型有不同的子类型。  

3.5.1.1 管理帧

管理帧用于 创建、维持、终止站和接入点之间的连接。同时也被用于确定是否采用加密，传输网络名称（SSID 或 ESSID），支持那种传输速率，以及采用的时间数据库等。 扫描是一个站发现可用网络及相关配置信息的过程。一个站可以主动探测网络，在扫描时传输一个特出的管理帧（探测请求）。 例子书P77 tsf（时间、同步、功能）的值表示AP的时间概念。 当一个AP 广播它的SSID时，任何站可尝试与AP建立连接。当一个连接建立时，大多数Wi-Fi网络会提供必要的配置信息，以便为站提供Internet接入。但是，AP的运营商可能希望控制使用网络的站。有些运营商故意使连接变得困难，AP不广播其SSID 被作为一项安全措施。但是由于SSID可以被猜测，链路加密和密码可提供更可靠的安全性。  

3.5.1.2 控制帧：RTS/CTS 和ACK

控制帧与帧确认用于一种流量控制方式。流量控制有助于接收方使一个过快的发送方降低发送速度。帧确认有助于发送方知道那些帧已经正确接收。 802.1.1网络支持可选的 请求发送/明确发送 （RTS/CTS），通过放缓传输来进行流量控制。当RTS/CTS 启用时一个站带发送数据帧之前会发送一个RTS 帧，当接收方愿意接收额外的流量时，他会响应一个CTS帧。 RTS/CTS 交换有助于避免 隐藏终端问题 ，通过在允许发送时对每个站加以指导，以便发送站同时进行传输。而且由于他们比较短，不惠长期使用信道。 通常情况下，AP提供一个称为 分组大小阈值（或类似）的配置选项。超过阈值的帧 将会导致一个RTS帧有限于数据帧发送。 iwconfig 命令 可用于设置多种变量，包括RTS和分片阈值。它可用于给出过多的重试次数，这是一个用于衡量链路可靠性的粗略指标，在无线网络中通常用于指导路由决策。在覆盖范围很大的WLAN中，可将站的RTS阈值设置的很大，来禁用RTS/CTS。这可避免每个分组执行它来占用网络资源。 在无线网络中，更多的因素导致交付可能出错。为了解决这些问题，802.11采用一种 重传/确认 （ACK）的方法来扩展802.3的重传机制。 确认是对预期在一定时间内接收的一个单播帧（802.11 a/b/c）或一组帧（802.11n 或带”块确认”的802.11e）的响应。在指定时间内没有接收到对应的ACK会导致帧的重传。组播帧没有相关的确认，以避免出现’ACK爆炸’的问题。 重传可能在网络中形成重复帧。当任何帧是某一个帧的重传时，帧控制字 中的重试位要设置成响应的值。接收站可以通过它删除重复的帧。每个站需要保持一个小时的缓存条目，以说明最近查看的地址和 序列号/分片号，当匹配时，则丢弃该帧。 发送一个帧和接收一个ACK所需时间与链路距离 和 时隙（802.11 MAC协议的一个基本时间单位） 相关。  

3.5.1.3 数据帧、封片和聚合

数据帧，它们如大家所期望的那样携带数据。 802.11 帧 和链路层（LLC）帧之间存在一对一关系，它们保证更高层协议时可用的。但是802.11支持 帧分片，可将一个帧分为多个分片。根据802.11n 的规定，它也支持 帧聚合，可以将多个帧合并发送以减少开销。 当使用帧分片时，每个分片有自己的MAC头部和尾部的CRC，并且它们独立于其他分片处理（eg：到不同的目的地的分片可以交错）。当信道有明显干扰时，分片有助于提高性能。除非使用 块确认功能，否则每个分片将被单独发送，并由接收方为每个分片产生一个ACK。 分片仅用于目的地址为单播（非广播和组播）的帧。为了具备这种能力，顺序控制 字段包含一个分片号（4位）和一个序列号（12位）。如果一个帧经过分片，所有分片包含相同的序列号值，而每个相邻的分片的分片号之差位为1。由于分片号字段长度为4位，同一帧最多可能由15个分片。 帧控制字 中的 更多标志 字段表示更多分片还没有到达，最后一个分片这个地段设置为0。接收方将收到的同一序列号的分片更具分片号重组成 原始帧。当所有包含同一序列号的分片被接收，并且最后一个分片将 更多标志 字段设置为0时，这个帧被重组，并交给更高层协议来处理。 如果不经调整就使用分片，可能导致性能下降。当帧大小更下的情况下，出现位差错的概率更小。 802.11n 提供的增强功能之一是支持两种形式的聚合。一种形式称为 聚合的MAC服务数据单元（A-MSDU），他可将多个完整的802.3（以太网）聚合太一个802.11帧中。另外一种聚合称为 聚合的MAC协议数据单元（A-MPDU），它可将多个具有相同源、目的和QoS的MPDU聚合位短帧。 每个802.3头部通常位14字节，相对36字节的 802.11 MAC头部更短，因此一个802.3能聚合多个802.11，每聚合一个帧最多可节约22字节。一个A-MSDU可能高达7935字节，可容纳100多个小的分组，但只能容纳少数较大的分组。但是它值对应一个FCS，更大的A-MSDU帧会增大交付出错的概率，如果出错不得不重传整个帧。 A-MPDU可携带最多64KB的数据，足够包含100多个小的分组和大约40个较大的（1.5KB）的分组。因为每一个子帧都携带自己的FCS，因此可有选择地重传那些出错的子帧。这使得802.11n中的 块确认 功能称为可能，他是一种扩展的确认形式，为发送方提供那个A-MPDU 子帧交付成功的反馈信息。 因此，A-MSDU提供的聚合类型在无差错的网络传输大量小的分组时可能更有效率，但在实际运行中可能不如A-MPDU。  

3.5.2 省电模式和时间同步功能

802.11 规范提供了一种使站进入有限电源状态的方式，称为 省电模式（PSM）。 在不使用PSM时，收发器电路将始终运行，消耗能量。在使用PSM时，STA的输出帧在控制字段中设置1位。当AP 发现某些帧的该位置被设置是，它会缓冲该帧直到该站需要为止。AP发送信标帧（一种管理帧）提供不同信息，例如SSID、信道和认证信息。 虽然它可延长电池寿命，但在大多数无线设备中，NIC不是唯一可结缘电源的模块。其他部分也在持续消耗着电源，因此，电池的寿命延长效果可能不明显。 在正确的时间，唤醒STA检查等候帧的能力，取决于这个AP和它所服务的站对时间的感知。Wi-Fi采用 时间同功能（TSF）。每个站保持一个64位计数器的参考时间（单位：微秒），这个时间与网络中的其他站保持同步。 通过将802.11e（QoS）功能纳入802.11中，802.11的PSM扩展为提供定期批处理缓冲帧帧功能。这个频率用信标帧的数量来表示。这个功能被称为 自动省电交付模式 （APSD），它使用QoS控制字段中的一些字段。APSD 对电源有限的设备可能非常有用，因为它们不像传统的802.11 PSM 那样，并不需要在每个信标间隔时都被唤醒。相反，它们可选择在自己所选的时间内关闭无线电收发器电路。同时802.11n也扩展了 PSM 基本功能，允许一个STA装备的多个射频电路共同工作，关闭所有而不是其中一个，知道准备好一个帧为止 这被称为 空间复用 省电模式。这个规范还包括称为 省电多重轮询 的增强APSD。  

3.5.3 802.11介质访问控制

与有线网络相比，在无线网络中检测”冲突”具有更大的挑战性。介质时相对单一的，无论时集中的方式还是分布的方式，都需要协同传递，避免多个站同时发送。 802.11标准采用的三种方法控制共享的无线介质，它们分别被称为 点协调功能（PCF）、分布式协调功能（DCF）和 混合时协调功能（HCF）。相对较新的支持QoS的Wi-Fi设备通常会实现HCF，在这里我们重点讨论。 DCF 是一种 CSMA/CA类型，是基于竞争的介质访问方法。它可用于 基础设施 和Ad hoc网络。它的工作行为与有线局域网中使用的CSMA/CD检测方法相似。802.11 信道仲裁是对CSMA/CD的改进，提供优先访问某些站或帧的功能。 802.11 载波侦听以物理和虚拟方式实现。一个站在准备发送时，通常需要等待一段时间（分布式帧间间隔（DIFS）），以允许更高优先级的站访问信道。当介质出现空闲时，希望发送数据的站将启动 冲突避免/退避过程。在这个过程一次成功（失败）的传输后，经过一个ACK知道数据被接收或者没有接收后启动。在传输不成功的情况下，经过不同时间（扩展帧间间隔）启动退避过程。  

3.5.3.1 虚拟载波侦听

在802.11 MAC协议中，虚拟载波侦听机制会检查每个MAC帧中的 持续时间字段。这通过站的侦听而非应道流量来实现。RTS和CTS 帧中都有一个 持续时间 字段，它们像普通帧那样在传输之前可以选择是否交换，并估计介质将处于繁忙状态的时间。 发送方基于帧长度、传输速率和PHY特性设置 持续时间 字段。每个站保持一个称为 网络分配向量（NAV）的本地计数器，它被用于估计介质传输当前帧所需的时间，以及下一次尝试传输之前需等待的时间。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。由于 RTS 和 CTS 帧中都有 持续时间 字段，如果使用NAV，在其范围内的任何站（无论是发送方还是接收方）都能看到持续时间字段值。 NAv采用单位时间来维护，并基于本地时钟递减。当本地NAv不为0时，介质被认为是繁忙的。在接收到一个ACK后，本地NAV将复位为0。  

3.5.3.2 物理载波侦听（CCA）

每个802.11 PHY规范需要提供一种评估信道是否空闲的功能，它基于能量和波形识别。这个功能称之为 空闲信道评估（CCA），它依赖于PHY实现。CCA的功能时针对 802.11 MAC 的物理载波侦听功能，用于了解介质当前是否繁忙。  

3.5.3.3 DCF 冲突避免/退避过程

在确定某个信道可能空闲时（达到NAV的持续时间，且CCA没有提示繁忙），一个站在传输之前需推迟访问该信道。由于很多站在等到信道时变空闲，每个站在发送之前需计算和等待一个 退避时间。退避时间等于 一个 随机数 和 时隙 的乘积。时隙依赖于PHY，通常是 几十微秒。随机数时一个在区间[0,CW]中均匀分布的数值，CW（竞争窗口）是一个整数，其中也包含许多等待时隙。CW值的集合从PHY指定的长处aCWmin开始，以2的幂增加，直到每个连续传输尝试次数的常数aCWmax为止。 在无线环境中，冲突检测时不实际的。由于难以发现发送方和接收方同时发送，也难以监听自己之外的传输，因此采用冲突避免来代替冲突检测。但一个站正确的接收一个帧时，在等待一小段 时间（短帧间间隔（SIFI）） 后开始传输 ACK，并且不考虑介质的忙碌/空闲状态。由于SIFI 的值始终比DIFS小，因此该站产生的ACK可以优先访问信道，完成接收确认。源站在一定时间内没有接收到ACK，则意味着一次传输失败。在失败后，源站启动前面讨论的退避过程，并重新尝试发送帧。如果在一定时间（ CTStimeout常数）内没有接收到对较早 RTS 响应的 CTS ，则启动同样的过程。  

3.5.3.4 HCF和802.11e/n的QoS

802.11标准[802.11-2007]中的条款 5、6、7和9都基于IEEE 802.11e工作组的部分工作，常用术语由802.11e、Wi-Fi QoS和WMM（基于Wi-Fi的多媒体）。 它们都涉及QoS功能：修改802.11 MAC层和系统接口以支持多媒体应用。QoS功能实际是否必要，取决于网络层拥塞和应用类型。如果网络利用率低，可能不必要支持QoS的MAC，虽然其他802.11e功能可能有用。 在利用率高的情况下，需要为VoIP等服务提供抖动交付能力，这时支持支持QoS可能是可取的。当然支持QoS的Wi-Fi设备比不支持QoS的设备更昂贵，更复杂。 QoS引入了新的术语，例如QoS站（QSTA）、QoS接入点（QAP）和QoS BBS。在一般情况下，支持QoS功能的设备也支持传统非QoS操作。802.11n”高吞吐量”站（又称为HT STA）也是QSTA。混合协调功能（HCF）是一种新的协调功能，支持基于竞争和可控制的信道访问，尽管可控制的信道访问计数很少使用。 在HCF中，有两种专门专门的信道访问方法可以协同工作：HFCA控制信道访问（HCCA）和更流行的 增强型DCF信道访问（EDCA），它们分别对应于基本预约和基本竞争访问。这里也有一些准入控制的支持，他们可以在高负载下完全拒绝访问。 EDCA建立在基本的DCF访间之上。通过EDCA， 8个用户优先级（UP）被映射为4个访问类别（AC）。用户优先级使用与802.1d优先级标记相同的结构，并被编号为1至7 （在 2和3之间还有一个优先级0），其中7为最高优先级。4个访问类别分别为：背景、尽力而为、 视频和音频流量。优先级1和2用于背景AC，优先级0和3用于尽力而为AC，优先级4和 5用于视频AC，优先级6和7用于音频ACo对于每个AC， DCF的一个变种竟争信道访间许可，称为传输机会（TXOP），为较高优先级的流量使用可选的MAC参数。在EDCA中， 很多来自DCF的MAC参数(例如， DIFS、 aCWmin、 aCWmax)作为配置参数是可调整的。这些值可通过管理帧传输给QSTA。 HCCA松散地建立在PCF之上，并使用轮询来控制信道访问。它属于同步方式的访间 控制，并优先于基于竟争的EDCA访间。混合协调（HC）位于一个AP中，并优先于信道 访问分配。在一次传输之前，一个站可为其流量发布一个流量规范（TSPEC），并使用8和 15之间的UP值。 HC可为这种请求分配保留的TXOP，它被用于基于EDCA的帧传输之前 的短期控制访问阶段的帧交换。HC可拒绝TXOP的基于网络管理员设置的管理控制策略的 TSPEC。HCF利用前面讨论过的虚拟载波侦听机制和DCF，以避免基于竟争的站被不基于 竟争的访问所干扰。注意，在包括QSTA和常规站的网络中，可同时运行HCF和DCF，并 在两者之间切换，但Adhoc网络不支持HC，因此它不处理TSPEC和不执行管理控制。这种网络可能仍运行HCF，但TXOP通过基于EDCA的竟争来获得。  

3.5.4 物理层的细节：速度、信道、和频率

和通信相关……不更。