无线局域网技术

4.3.2　IEEE 802.11无线局域网技术

1．IEEE 802.11的网络模型和结构

IEEE 802.11委员会给出了一套无线局域网的标准，无线局域网的模型如图4-24所示。图中的分布系统一般用有线局域网构成系统主干；使用相同的M AC协议的一组无线站点构成基本服务集BSS（Basic Service Set），一个BSS中有接入点AP（Access Point）与分布系统连接，功能上AP就是网桥。一个扩展服务集ESS（Extended Service Set）由多个BSS通过分布系统互连构成。在逻辑链路层看来，一个ESS属于同一个逻辑LAN。

图4-24　802.11给出的无线局域网模型

802.11中的无线通信使用的频段有两个，它们是：

●　红外波段850nm～950nm，数据传送速率为1Mbps，2Mbps两种。

●　2.4GHz，ISM波段的扩频，最多可达7个通道，每个通道的数据传送速率是1Mbps或2Mbps，在802.11b中达到11Mbps。

802.11工作组给出了两种媒体访问控制建议：分布访问协议DCF（Distributed Coordination Function）和集中访问协议PCF（Point Coordination Function），分别是M AC层的两个子层。分布访问协议类似CSM A/CD，使用载波侦听来取得媒体访问，普通的异步数据直接使用DCF；集中访问协议则由某个决策者集中控制对媒体的访问，用于非竞争业务。最后，802.11给出的媒体访问控制算法将两者有机地结合起来，如图4-25所示。

图4-25　802.11的协议结构

2．IEEE 802.11的媒体访问协议

尽管无线局域网在物理层和媒体访问子层解决的同样是局部范围内的媒体共享问题，但是由于无线局域网使用的媒体与有线网络有很大的区别，因此客观上需要一些全新的技术。本节以IEEE 802.11b标准为例，介绍在无线局域网中使用的关键协议和技术。

（1）CSM A/CA协议

我们知道总线型局域网在M AC层的标准协议是CSM A/CD，即载波侦听多路访问/冲突检测。而无线设备的适配器不易检测信道是否存在冲突，这是由于存在所谓的“近/远”问题：要检测一个碰撞，无线端站必须能够同时进行发射和监测，但在无线系统中，数据发射影响了它检测碰撞的能力。因此802.11b重新定义了一种新的协议，即载波侦听多路访问/避免冲突（CSM A/CA）协议。一方面，无线设备仍然在发送数据前进行载波侦听——查看媒体是否空闲；另一方面，通过随机的时间等待来避免冲突，使信号冲突发生的概率减到最小。同时，为了系统更加稳固，CSM A/CA试图通过使用专门的帧应答ACK来避免碰撞，这意味着接收站需要发送ACK帧来告诉发送者数据帧是否原封不动地到达了目的地。在一旦遭受其他噪声干扰或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作在M AC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。

为保证算法的平滑和公正，DCF使用一系列延迟来实现优先级别。为描述方便起见，先从单个时延开始，802.11中称为帧间间隔IFS（Inter F rame Space）。使用单个IFS时，CSM A的算法如下：

①要发送帧的站点侦听媒体。如果媒体空闲，站点继续等待直至IFS时间到，若媒体在整个IFS中一直保持空闲，则立即发送。

②如果媒体忙（不管是开始时发现忙还是在IFS中媒体变为忙），站点延迟发送并监视媒体直至其他站点的发送结束。

③一旦其他站点发送结束，要发送帧的站点再延迟一个IFS。如果在这个IFS期间，媒体保持空闲，使用二进制指数后退算法后退，再侦听媒体。如果媒体依然空闲，站点才可以发送。

同在以太网中一样，二进制指数后退算法主要是防止冲突之后的再次冲突。对以上的算法稍作修正，可以实现基于优先级的算法，此算法使用三个不同的IFS值：

●　SIFS：最短的IFS，用于立即响应。

●　PIFS：中等长度的IFS，用于PCF集中控制时轮询。

●　DIFS：最长的IFS，异步帧竞争发送的最小时延。

（2）RTS/CTS协议

RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏站点”问题。

“隐藏站点”是指：站点A向站点B发送信息，在与A相反方向上的站点C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。“隐藏站点”多发生在较大范围的局域网中（一般在室外环境）。“隐藏站点”将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏站点”现象的发生。

RTS/CTS握手协议规定：首先，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有站点发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，其余站点暂时“按兵不动”，然后，A向B发送数据。最后，B接收完数据后，即向所有站点广播ACK确认帧，这样，所有站点又重新可以平等侦听、竞争信道了。

（3）多信道漫游

随着移动计算设备的日益普及，人们希望出现一种无所羁绊的网络接入设备。802.11协议规定在接入点（Access Point，AP）上设置传输频带，而无线站点不需设置固定频带；无线站点需具有自动识别功能，能够动态调频到接入点设定的频带，这个过程称之为扫描。IEEE 802.11定义了两种模式：被动扫描和主动扫描。被动扫描是指无线站点侦听接入点发出的指示信号，并切换到给定的频带；主动扫描是指无线站点提出一个请求，接入点回送一个包含频带信息的响应，无线站点就切换到给定的频带。

当一个802.11b无线站点进入一个或多个接入点的覆盖范围时，它将根据信号强度和监测到的帧错误率，选择其中性能最好的一个接入点并与之联系。一旦被该接入点接受，无线站点会将无线信道调整到该接入点的信道上。无线站点定期检测所有的802.11信道，以便确定是否有其他的接入点能够提供更好性能的信道。如果检测到存在这样的接入点，它将与新的接入点重新建立联系，无线站点将调整信道到该接入点的无线信道上（如图4-26所示）。出现这样的重新连接通常是由于无线站点在物理位置上离开了原始接入点的覆盖范围，导致信号变弱。此外，当建筑物中的无线特性发生变化，或者原始接入点的网络通信量过高时，也会出现重新连接的情况。后一种情况下，这个功能一般称为“负载平衡”，因为它的主要作用是将总体的无线LAN负载最有效地分布到可用的无线基础设施中。

图4-26　接入点间站点的漫游

（4）集中访问协议

针对延迟敏感的数据（如话音和视频数据）的需求，802.11M AC规范规定了集中访问协议PCF，运行在DCF协议上面。与将控制交给所有站点相反，在PCF模式中，将由一个接入点用轮询的方法控制对媒体的所有访问。在系统处于PCF模式期间，负责控制访问的接入点将接纳每个站点的数据，经过给定的时间后转移到下一站。除非某个站点被接纳，否则它不允许进行发射，也只有当站点被接纳以后，它们才接收来自接入点的数据。由于PCF按预定的方式给每个站点确定了一个发射顺序，因此保证了每条数据流的最大延迟。PCF的不足之一是它的可伸缩性较差，因为是由单一的接入点来控制媒体访问，且必须接纳所有站点的通信，所以这种做法在较大的网络中效率较低。

接入点轮询时，使用较短的等待时间PIFS，因此集中控制器可以比发送异步数据的站点优先获得媒体访问权。考虑下列情况，如果某个无线局域网中有几个站点配置成由集中控制器控制发送数据（往往有实时要求），其他的站点使用分布的CSM A/CA发送竞争数据，集中控制器向相应站点轮询。发出轮询后，被轮询的站点用SIFS给出响应，集中控制器收到响应后，它会使用PIFS发出其他轮询。如果在往返一次的时间内没有收到响应，它会再次发出轮询。这样反复发送轮询，会使得其他的竞争数据失去取得媒体的机会。为了防止这种情况发生，引进了另一时间间隔，称为超帧（Superframe），规定在这个超帧的前部，集中控制器可以向相应的站点发送轮询，在本超帧的其他时间内集中控制器保持空闲，允许异步数据在这段时间内竞争发送。

（5）无线局域网的安全机制

802.11提供了M AC层的访问控制和加密机制，这就是所谓的有线等价保密，其目标是为无线LAN提供与有线网络相同级别的安全保护。为了进行访问控制，无线LAN服务号将被放置到每个接入点中，它是无线站点与接入点联系所必不可少的。除此之外，每个接入点中还包括一个有关M AC地址的访问控制列表，只有那些M AC地址在这个列表中的站点才能对接入点进行访问。

在数据加密方面，802.11b标准提供了可选的RSA 40位长的共享密钥算法。在联系建立期间，所有站点和接入点收发的数据都使用这个密钥进行加密。除此之外，当使用加密时，接入点将给所有试图与之联系的客户端发放一个加密的查询包。站点必须使用密钥对正确的应答进行加密，以便验证其可靠性并获得网络访问。

3．直扩技术

我们知道，扩频技术是利用开放的ISM 2.4GHz的频段。也正是由于这个2.4~2.484GHz频段无需申请许可证（但发射功率受限制），因而此频段很拥挤，微波噪声最大，采取何种发送及接收技术，都将直接影响到微波传输的速率和质量。

比较而言，直扩采取主动占有方式，跳频是被动适应。直扩技术同时使用整个子频段，信号被扩展多次而无损耗。跳频技术是连续间断跳跃使用多个频点，当跳跃至某个频点时，判断该频点是否有噪声干扰，若无则传输信号，若有则依据算法跳至下一频点继续判断。因此跳频技术的频率及传输率会变化，并且很难避免一些无谓的效率上的损耗，即在检测频点是否空闲的信号发生延迟时，因为有响应时间限制，跳频设备会以为检测信号发射失败（丢包），又会重发。因此通常情况下，直扩速率比跳频更高，系统容量也比跳频方式更大。

采用直扩技术时，在发射端用数字位信号表示的源信号，与一个惟一的伪随机代码信元复合，经过调制产生微波信号发射出去。这种代码信元是由代码发生器产生的惟一的高速的多位随机码。在接收端，能产生与发射端同步并相同的随机码元，按照发射的逆过程解调，即能解析出源信号。