计算机网络9无线网络和移动网络
计算机⽹络9⽆线⽹络和移动⽹络
⽆线局域⽹WLAN
⽆线局域⽹WLAN（wireless local area network）提供了移动接⼊的功能，由于⼿机普及率⾼，通过⽆线局域⽹接⼊互联⽹成为当今最常⽤的上⽹⽅式
便携站：便于移动的，但是便携站⼯作时位置固定不变
移动站：不仅能移动，⽽且可以在移动的过程中通信， 移动站⼀般使⽤电池供电
⽆线局域⽹的组成
⽆线局域⽹可以分为两类
有固定基础设施的：有预先建⽴起来的、能够覆盖⼀定地理范围的⼀批固定
⽆固定基础设施的
IEEE 802.11
对于有固定基础设施的⽆线局域⽹，IEEE制定了⽆线局域⽹的协议标准802.11系列标准
802.11是个相当复杂的标准，简单⼀点说，就是⽆线以太⽹的标准，使⽤星形拓扑结构，中⼼点叫接⼊点AP（access point），在MAC 层使⽤CSMA/CA协议
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BSS包括⼀个和若⼲个移动站，所有的站在本BSS内部可以直接通信，但是和外部通信时必须通过本BSS的
火炬之光2 洗点药水就是所谓的接⼊点AP，⽹管安装AP时，必须为其分配⼀个不超过32字节的名字，也就是服务集标识符SSID，以及⼀个通信信道
⼀个BSS所覆盖的地理范围叫做基本服务区BSA（basic service area），直径范围⼀般不超过100⽶
⼀个BSS可以是孤⽴的，也可以通过AP连⼊到⼀个分配系统DS（distribution system），然后再连接到另⼀个BSS，这样就构成了扩展的服务集ESS
分配系统DS的作⽤是使扩展服务集ESS对上层表现的像⼀个基本服务集BSS⼀样，分配系统可以使⽤以太⽹、点对点链路或其它⽹络
扩展服务集ESS还可以通过叫门户（portal）的设备，为⽆线⽤户提供到802.x局域⽹的接⼊
图中A要和B通信，要经过两个AP：AP1和AP2，如果移动站A漫游到另⼀个BSS，仍然可以与B通信，但是接⼊点AP改变了
⼀个移动站如果要加⼊到⼀个BSS，那么必须先选择⼀个接⼊点AP，建⽴关联，只有关联的AP才向这个移动站发送数据帧，这个移动站也只有通过AP才能向其它站点发送数据帧
在关联阶段过后，移动站还要通过关联的AP向该⼦⽹发送DHCP发现报⽂以获取IP地址。若移动站使⽤重建关联服务，就可以把这种关联转移到另⼀个接⼊点。当使⽤分离服务时，就可以终⽌这种关联
移动站与接⼊点AP建⽴关联的⽅法有两种
被动扫描：移动站等待接收接⼊点AP周期性发出的信标帧，信标帧中包含若⼲系统参数
主动扫描：移动站主动发出探测请求帧，然后等待从接⼊点返回的探测响应帧
⽆线局域⽹在接⼊AP时还要输⼊密码。⽆线局域⽹发展初期，加密⽅案为WEP，后来⼜出现了WPA和WPA2
移动⾃组⽹络
梦见女人另⼀类⽆线局域⽹是没有固定基础设施的⽆线局域⽹，称为⾃组⽹络
这种⾃组⽹络没有接⼊点AP，⽽是由⼀些处于平等状态的移动站互相通信组成临时⽹络。由于没有固定的基础设施，因此服务范围通常是受限的，⽽且⾃组⽹络⼀般也不和外界⽹络相连接
在⾃组⽹络中每⼀个移动站，都要参与到⽹络中其它移动站的路由的发现和维护，同时由于移动站构成的⽹络拓扑结构可能随时间变化很快，因此需要新的路由选择协议
⾃组⽹络中进⾏多播，也⽐固定⽹络的多播复杂的多，需要有实时性好⽽效率⼜⾼的多播协议
近年来，⽆线传感器⽹络引起⼈们的关注。⽆线传感器⽹络是由⼤量传感器结点通过⽆线通信技术构成的⾃组⽹络，⽬的是进⾏各种数据采集、处理、传输，⼀般不需要很⾼的带宽，但是对协议中⼤⼩有严格限制
802.11局域⽹的物理层
根据物理层的不同，对应的标准也不同
802.11局域⽹的MAC层协议
CSMA/CA协议
在有线局域⽹中使⽤的CSMA/CD协议，其中CSMA载波监听部分可以在⽆线局域⽹中使⽤，但是CD不⾏，理由如下：
碰撞检测要求⼀个站点在发送之前，不间断检测信道，⼀旦碰撞，就停⽌发送。⽽⽆线信号的信号强度动态范围较⼤，如果要在⽆线局域⽹的适配器实现碰撞检测，在硬件上花费会较⼤
即使能在硬件上实现⽆线局域⽹的碰撞检测功能，也⽆法避免碰撞的发⽣，因此⽆线局域⽹不需要进⾏碰撞检测幼儿园大班教师个人工作总结
重渡沟
图中，a表⽰A和C都想和B通信，但是AC相距较远，因此同时发送数据给B，发⽣碰撞，这种未能检测到信道上其它站点的问题叫做隐蔽站问题
图中，b表⽰B向A发数据，C检测到信道忙⽽不敢向D发数据，但是B向A发数据并不影响，这就是暴露站问题
802.11局域⽹使⽤CSMA/CA协议，CA表⽰碰撞避免（collision avoidance），协议的设计要尽量减少碰撞发⽣的概率
802.11局域⽹还是⽤停⽌等待协议，因为信号质量差，因此每个站点发送完⼀帧后，需要等待收到确认帧才发送下⼀帧，这就是链路层确认
802.11标准设计了独特的MAC层，它通过协调功能（coordination function）来确认在基本服务集BSS中的移动站，在什么时间能发送或接收数据。802.11的MAC层在物理层上⾯，它包括两个⼦层
分布协调功能DCF：DCF不采⽤任何中⼼控制，⽽是在每⼀个结点使⽤ CSMA 机制的分布式接⼊算法，让每个站通过争⽤信道来获得发送权。因此DCF向上提供争⽤服务。802.11规定所有的实现都必须有DCF功能
什么时候是圣诞节点协调功能PCF：PCF是选项，是⽤接⼊点AP集中控制整个BSS内的活动，因此⾃组⽹络就没有PCF
⼦层。PCF使⽤集中控制的接⼊算法，⽤类似探询的⽅法把发送数据权轮流交给各个站，从⽽避免碰撞的发⽣
为了避免碰撞，802.11规定⼀个站在发送完毕后，必须等待⼀段很短的时间，才能发送下⼀帧。这段时间通称为帧间间隔IFS。IFS的长短取决于该站要发送的帧的类型。各种帧间间隔的具体长度，则取决于所使⽤的物理层特性
SIFS：短帧间间隔，长度为28μs。SIFS是最短的帧间间隔，⽤来分隔开属于⼀次对话的各帧。在这段时间内，⼀个站应该能从发送⽅式切换为接收⽅式。使⽤SIFS的帧类型有：ACK、CTS、由过长的MAC帧分⽚后的数据帧、回答AP探询的帧和在PCF⽅式中接⼊点AP发送的任何帧
DIFS：分布协调功能帧间间隔，它⽐SIFS的帧间间隔要长的多，为128μs，在DCF⽅式中，DIFS⽤来发送数据帧和管理帧
CSMA/CA协议的⼯作原理如下：
要发送数据的站先检测信道：通过收到的相对信号强度是否超过门限值可以判断是否有其它移动站在信道上发送数据。若信道空闲，源站在等待DIFS后开始发送数据
源站发出数据帧后，⽬的站正确收到，经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK。如果源站没有收到ACK，就必须重传，直到收到确认为⽌，或者若⼲次重传后放弃
802.11标准采⽤虚拟载波监听的机制，让源站把占⽤信道的时间通知其他站，以便使其他站在这⼀段时间停⽌发送数据。虚拟表⽰其他站并没有检测信道，⽽是由于收到了源站的通知，好像是监听了信道
当⼀个站检测到信道中传送的MAC帧⾸部的持续时间字段时，就调整⾃⼰的⽹络分配向量NAV。NAV
指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转⼊到空闲状态
当NAV时间过去时，信道从忙态变为空闲，任何⼀个站只要不是发送第⼀个帧，不仅都必须等待⼀个DIFS的间隔，⽽且还要进⼊争⽤窗⼝。为了避免⼏个站同时发送数据，所有想发送数据的站都要执⾏退避算法
当某个要发送数据的站，使⽤退避算法选择了争⽤窗⼝中的某个时隙后，就根据该时隙的位置设置⼀个退避计时器，该计时器减⼩到0后，就开始发送数据。也可能期间信道⼜变成忙态，这时冻结退避计时器，重新等待信道空闲。再经过DIFS后，继续启动退避计时器
下⾯举例说明退避机制：
图中表⽰A正在发送数据，BCD执⾏了退避算法，退避时间选定后，就相当于设置了⼀个退避计时器，站点每经过⼀个时隙就检测⼀次信道，如果信道空闲，计时器继续计时；信道忙则冻结计时器，重新等待信道空闲，并经过DIFS后继续计时。如果计时器减少到0，则开始发送数据
C的退避计时器最先减少到0，于是C把数据帧发送出去，此时B和D检测到信道忙，就冻结⾃⼰的计时器。同时E也执⾏了退避算法
当C发送完数据经过DIFS后，B和D的退避计时器继续计时，经过⼀段时间D得到发送权，B和E重新冻结计时器
根据以上，CSMA/CA算法归纳如下：
若站点最初有数据要发送，且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧
否则，站点执⾏CSMA/CA协议的退避算法，⼀旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。信道空闲后重新计时
退避计时器减少到0时，站点发送数据帧并等待确认
如果收到确认，则认为⽬的站已经正确收到；如果没有收到确认帧ACK，就必须重传此帧或者经过若⼲次重传后放弃
当⼀个站要发送数据时，仅在下⾯的情况才不使⽤退避算法
检测到信道空闲，并且这个数据帧是它想发送的第⼀个数据帧
除此之外，都必须使⽤退避算法，如山东农业大学排名
在发送第⼀个帧之前检测到信道处于忙态
每⼀次重传
每⼀次的成功发送后要再发送下⼀帧
对信道进⾏预约
为了更好解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11允许要发送数据的站对信道进⾏预约，具体做法如下：
A向B发送数据帧之前，先监听信道，若空闲则在DIFS后，发送⼀个短的控制帧，叫做请求发送 RTS，它包括源地址、⽬的地址、通信时间
若B正确收到A发来的RTS帧，且媒体空暇，则等待⼀段时间SIFS后，就向A发送⼀个允许发送CTS的控制帧，它也包括通信时间A收到CTS帧后，再等待SIFS后，就发送数据帧
B收到数据帧，在等待SIFS后，向A发送确认帧ACK
使⽤RTS帧和CTS帧会使得整个⽹络的通信效率有所下降，但是控制帧⽐较短，与数据帧相⽐开销不⼤。如果不使⽤控制帧，则发⽣碰撞时开销会更⼤。802.11协议设有三种情况供⽤户选择
使⽤RTS和CTS
仅当数据帧长度超过某⼀数值才使⽤RTS和CTS
不使⽤RTS和CTS
下图给出了CSMA/CA协议的基本流程图

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