文章目录
- 前言
- 无线网络和移动网络
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- [Wi Fi : 802. 11 无线 LAN](#Wi Fi : 802. 11 无线 LAN)
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- [802. 11 MAC 协议](#802. 11 MAC 协议)
- [IEEE 802. 11 帧](#IEEE 802. 11 帧)
- [在相同的 IP 子网中的移动性](#在相同的 IP 子网中的移动性)
- [802. 1 1 中的高级特色](#802. 1 1 中的高级特色)
- [个人域网络：蓝牙和 ZigBee](#个人域网络：蓝牙和 ZigBee)
- 参考目录
前言
阅读本文前请注意最后编辑时间，文章内容可能与目前最新的技术发展情况相去甚远。欢迎各位评论与私信，指出错误或是进行交流等。
本文是关于《计算机网络：自顶向下方法（第七版）》的学习分享，内容书写顺序也是按照书中的顺序。本文并不会提及书中的所有内容，主要写重点的知识，以及自己感兴趣的内容。会对原文中的内容进行一定的精简，或者加上个人的理解。
无线网络和移动网络
Wi Fi : 802. 11 无线 LAN
802. 11 MAC 协议
一旦某无线站点与一个 AP相关联，它就可以经该接入点开始发送和接收数据帧。然而因为许多无线设备或AP自身可能希望同时经过相同信道传输数据帧，因此需要一个多路访问协议来协调传输。 下面，我们将无线设备或AP称为站点 (station) , 它们共享多个接入信道。 正如在之前讨论的那样，宽泛地讲有三类多路访问协议：信道划分（包括CDMA) 、随机访问和轮流。 受以太网及其随机访问协议巨大成功的激励， 802. 11 的设计者为 802. 11 无线 LAN 选择了一种随机访问协议。 这个随机访问协议称作带碰撞避免的 CSMA (CSMA with collision avoidance) , 或简称为 CSMA/CA,与以太网的 CSMA/CD 相似， CSMA/CA 中的CSMA代表"载波侦听多路访问＂， 意味着每个站点在传输之前侦听信道，并且一旦侦听到该信道忙则抑制传输。 尽管以太网和 802. 11 都使用载波侦听随机接入，但这两种 MAC 协议有重要的区别。 首先， 802. 11 使用碰撞避免而非碰撞检测。 其次，由于无线信道相对较高的误比特率， 802. 11 (不同于以太网）使用链路层确认／重传 (ARQ) 方案。
之前曾讲过以太网的碰撞检测算法，以太网节点在发送过程中监听信道。 在发送过程中如果检测到另一节点也在发送，则放弃自己的发送，并且在等待一个小的随机时间后再次发送。 与802.3 以太网协议不同， 802. 11 MAC 协议并未实现碰撞检测。 这主要由两个重要的原因所致：
- 检测碰撞的能力要求站点具有同时发送（站点自己的信号） 和接收（检测其他站点是否也在发送）的能力。 因为在802. 11 适配器上，接收信号的强度通常远远小于发送信号的强度，制造具有检测碰撞能力的硬件代价较大
- 更重要的是，即使适配器可以同时发送和监听信号（并且假设它一旦侦听到信道忙就放弃发送），适配器也会由于隐藏终端问题和衰减问题而无法检测到所有的碰撞。
由于802. 11 无线局域网不使用碰撞检测， 一旦站点开始发送一个帧，它就完全地发送该帧； 也就是说，一旦站点开始发送，就不会返回。 正如人们可能猜想的那样，碰撞存在时仍发送整个数据帧（尤其是长数据帧）将严重降低多路访问协议的性能。为了降低碰撞的可能性， 802. 11 采用几种碰撞避免技术，我们稍后讨论它们。
然而，在考虑碰撞避免之前，我们首先需要分析802. 11 的链路层确认 (link-layer acknowledgment) 方案。 当无线 LAN 中某站点发送一个帧时，该帧会由于多种原因不能无损地到达目的站点。 为了处理这种不可忽视的故障情况， 802. 11 MAC 使用链路层确认。 如下图所示，目的站点收到一个通过CRC校验的帧后，它等待一个被称作短帧间间隔 (Short Inter-Frame Spacing, SIFS) 的一小段时间，然后发回一个确认帧。如果发送站点在给定的时间内未收到确认帧，它假定出现了错误并重传该帧，使用 CSMA/CA 协议访问该信道。 如果在若干固定次重传后仍未收到确认，发送站点将放弃发送并丢弃该帧。
讨论过802. 11 如何使用链路层确认后，我们可以描述802. 11 的 CSMA/CA 协议了。假设一个站点（无线站点或者AP) 有一个帧要发送。
1 ) 如果某站点最初监听到信道空闲，它将在一个被称作分布式帧间间隔 (Distributed Inter-Frame Space, DIFS) 的短时间段后发送该帧.如上图所示
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否则，该站点选取一个随机回退值，并且在侦听到信道空闲时递减该值。 当侦听到信道忙时，计数值保持不变。
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当计数值减为0 时 （注意到这只可能发生在信道被侦听为空闲时），该站点发送整个数据帧并等待确认。
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如果收到确认，发送站点知道它的帧已被目的站正确接收了。 如果该站点要发送另一帧，它将从第二步开始 CSMA/CA 协议。 如果未收到确认，发送站点将重新进入第二步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。
前面讲过，在以太网的 CSMA/CD 的多路访问协议下、 一旦侦听到信道空闲，站点开始发送。 然而，使用 CSMA/CA, 该站点在倒计数时抑制传输，即使它侦听到该信道空闲也是如此。 为什么 CSMA/CD 和 CSMA/CA采用了不同的方法呢？
为了回答这一问题，我们首先考虑这样一种情形：两个站点分别有一个数据帧要发送，但是，由于侦听到第三个站点已经在传输，双方都未立即发送。 使用以太网的 CSMA/CD 协议中，两个站点将会在检测到第三方发送完毕后立即开始发送。 这将导致一个碰撞，在CSMA/
CD 协议中碰撞并非是一个严重的问题，因为两个站点检测到碰撞后都会放弃它们的发送，从而避免了由于碰撞而造成的该帧剩余部分的无用发送。 而在802. 11 中情况却十分不同，因为802. 11 并不检测碰撞和放弃发送，遭受碰撞的帧仍将被完全传输。 因此802. 11 的目标是无论如何尽可能避免碰撞。 在802. 11 中，如果两个站点侦听到信道忙，它们都将立即进入随机回退，希望选择一个不同的回退值。 如果这些值的确不同，一旦信道空闲，其中的一个站点将在另一个之前发送，并且（如果两个站点均未对对方隐藏）未发生站点将会继续监听信道，, 并在站点完成传输之前一直抑制传输。 通过这种方式，避免了高代价的碰撞。 当然，在以下情况下使用802. 11 仍可能出现碰撞：两个站点可能互相是隐藏的，或者两者可能选择了非常靠近的随机回退值（由于回退值非常靠近，计时器先到0的发送方开始传输，但是其传输的信号还没有传输到另一台设备能监听到的信道时，另一条设备的计时器也到了0，那么双方都开始传输了）。
- 处理隐藏终端： RTS 和 CTS
802.11 MAC 协议也包括了一个极好（但为可选项）的方案，以帮助在出现隐藏终端的情况下避免碰撞。 我们在下图的环境下研究这种方案，其中显示了两个无线站点和一个接入点。
这两个无线站点都在该AP的覆盖范围内（其覆盖范围显示为阴影圆环），并且两者都与该AP相关联。 然而，由于衰减，无线节点的信号范围局限在图所示的阴影圆环内部。 因此，尽管每个无线站点对AP都不隐藏，两者彼此却是隐藏的。现在我们考虑为什么隐藏终端会导致出现问题。 假设站点H1 正在传输一个帧，并且在 H1 传输的中途，站点H2要向 AP发送一个帧。 由于H2 未听到来自 H1 的传输，它将首先等待一个DIFS 间隔，然后发送该帧，导致产生了一个碰撞。 从而在 H1 和 H2 的整个发送阶段，信道都被浪费了。
为了避免这一问题， IEEE 802. 11 协议允许站点使用一个短请求发送 (Request to Send , RTS) 控制帧和一个短允许发送(Clear to Send , CTS) 控制帧来预约对信道的访问。 当发送方要发送一个DATA 帧时，它能够首先向 AP发送一个 RTS 帧，指示传输DATA帧和确认 (ACK) 帧需要的总时间。 当 AP 收到RTS 帧后，它广播一个CTS 帧作为响应。 该CTS 帧有两个目的： 给发送方明确的发送许可，也指示其他站点在预约期内不要发送。因此，在图中，在传输DATA 帧前， H1 首先广播一个 RTS 帧，该帧能被其范围内包括 AP 在内的所有站点听到。AP 然后用一个 CTS 帧响应，该帧也被其范围内包括 H1 和 H2 在内的所有站点听到。 站点 H2 听到 CTS后，在 CTS帧中指明的时间内将抑制发送。
RTS 和 CTS 帧的使用能够在两个重要方面提高性能：
- 隐藏终端问题被缓解了，因为长DATA帧只有在信道预约后才被传输。
- 因为 RTS 和 CTS 帧较短，涉及 RTS 和 CTS 帧的碰撞将仅持续短 RTS 和 CTS 帧的持续期。 一旦RTS和CTS 帧被正确传输，后续的DATA 和ACK 帧应当能无碰撞地发送。
尽管RTS/CTS 交换有助于降低碰撞，但它同样引人了时延以及消耗了信道资源。 因此， RTS/CTS 交换仅仅用于为长数据帧预约信道。 在实际中，每个无线站点可以设置一个RTS 门限值，仅当帧长超过门限值时，才使用 RTS/CTS 序列。 对许多无线站点而言，默认的 RTS 门限值大于最大帧长值，因此对所有发送的DATA帧， RTS/CTS序列都被跳过。
- 使用 802. 11 作为一个点对点链路
到目前为止我们的讨论关注在多路访问环境中使用802. 11。 应该指出如果两个节点每个都具有一个定向天线，它们可以将其定向天线指向对方，并基本上是在一个点对点的链路上运行802. 11 协议。 如果商用802. 11 硬件产品价格低廉，那么使用定向天线以及增加传输功率使得802. 11 成为一个在数十公里距离中提供无线点对点连接的廉价手段。
IEEE 802. 11 帧
尽管802. 11 帧与以太网帧有许多共同特点，但它也包括了许多特定用于无线链路的字段。 8021. 11 帧如图所示，在该帧上的每个字段上面的数字代表该字段以字节计的长度；在该帧控制字段中，每个子字段上面的数字代表该子字段以比特计的长度。 现在我们查看该帧中各字段以及帧控制字段中一些重要的子字段。
- 有效载荷与 CRC 字段
帧的核心是有效载荷，它通常是由一个IP数据报或者ARP分组组成。 尽管这一字段允许的最大长度为2312 字节，但它通常小于 1500 字节，放置一个IP数据报或一个ARP分组。 如同以太网帧一样， 802. 11 帧包括一个循环冗余校验 (CRC), 从而接收方可以检测所收到帧中的比特错误。 如我们所看到的那样，比特错误在无线局域网中比在有线局域网中更加普遍，因此CRC在这里更加有用。 - 地址字段
也许802. 11 帧中最引人注意的不同之处是它具有4 个地址字段，其中每个都可以包含一个6字节的MAC地址。 但为什么要4个地址字段呢？如以太网中那样，一个源MAC地址字段和一个目的 MAC地址字段不就足够了？事实表明，出于互联目的需要3 个地址字段，特别是将网络层数据报从一个无线站点通过一个AP送到一台路由器接口。 当 AP在自组织模式中互相转发时使用第四个地址。 由于我们这里仅仅考虑基础设施网络，所以只关注前3个地址字段。 802. 11 标准定义这些字段如下：
- 地址2 是传输该帧的站点的MAC地址。 因此，如果一个无线站点传输该帧，该站点的 MAC 地址就被插入在地址2字段中。 类似地，如果一个AP传输该帧，该AP的 MAC 地址也被插入在地址2字段中。
- 地址 1 是要接收该帧的无线站点的MAC地址。 因此，如果一个移动无线站点传输该帧，地址 1 是目的 AP 的 MAC地址。 类似地，如果一个AP传输该帧，地址 1 是目的无线站点的 MAC地址。
- 为了理解地址3, 回想BSS (由 AP和无线站点组成）是一个子网的一部分，并且这个子网经一些路由器接口与其他子网相连。 地址3包含这个路由器接口的MAC地址。
为了对地址3 的目的有更深入的理解，我们观察在上图环境中的网络互联例子。 在这幅图中，有两个AP, 每个AP负责一些无线站点。 每个AP到路由器有一个直接连接，路由器依次又连接到全球因特网。 我们应当记住这里的 AP 是链路层设备，它既不能说IP 又不理解 IP 地址。现在考虑将一个数据报从路由器接口 R1 移到无线站点 H1。 路由器并不清楚在它和路由器H1 之间有一个AP; 从路由器的观点来说，H1 仅仅是路由器所连接的子网中的一台主机。
- 路由器知道 H1 的 IP 地址（从数据报的目的地址中得到），它使用ARP来确定 H1 的 MAC 地址，这与在普通的以太网 LAN 中相同。 获取H1 的 MAC 地址后，路由器接口 R1 将该数据报封装在一个以太网帧中。 该帧的源地址字段包含了 R1 的 MAC地址，目的地址字段包含H1的 MAC地址。
- 当该以太网帧到达AP后，该AP在将其传输到无线信道前，先将该802.3 以太网帧转换为一个802. 11 帧。 如前所述， AP将地址 1 和地址2 分别填上 H1 的 MAC地址和其自身的 MAC 地址。 对于地址3, AP插入 R1 的 MAC 地址。 通过这种方式， H1 可以（从地址3) 确定将数据报发送到子网中的路由器接口的 MAC地址。
现在考虑在从H1 移动一个数据报到R1 的过程中无线站点H1 进行响应时发生的情况。
- H1 生成一个802. 11 帧，如上所述，分别用 AP 的 MAC地址和 H1 的 MAC 地址填充地址1 和地址2字段。 对于地址3, H1 插入R1 的 MAC地址。
- 当 AP 接收该 802. 11 帧后，将其转换为以太网帧。 该帧的源地址字段是 H1 的MAC 地址，目的地址字段是R1 的 MAC 地址。 因此、地址3 允许AP在构建以太网帧时能够确定目的MAC地址。
- 序号、持续期和帧控制字段
前面讲过在802. 11 网络中， 无论何时一个站点正确地收到一个来自于其他站点的帧它就回发一个确认。 因为确认可能会丢失，发送站点可能会发送一个给定帧的多个副本。正如我们在rdt2. 1 协议讨论中所见，使用序号可以使接收方区分新传输的帧和以前帧的重传。 因此在802. 11 帧中的序号字段在链路层与在中运输层中的该字段有着完全相同的目的。
前面讲过802. 11 协议允许传输节点预约信道一段时间，包括传输其数据帧的时间和传输确认的时间。 这个持续期值被包括在该帧的持续期字段中（在数据帧和 RTS 及 CTS帧中均存在）。
帧控制字段包括许多子字段，我们将提一下其中比较重要的子字段。 类型和子类型字段用于区分关联、 RTS、 CTS、 ACK和数据帧。 To (到）和From (从）字段用于定义不同地址字段的含义。 （这些含义随着使用自组织模式或者基础设施模式而改变，而且在使用基础设施模式时，也随着是无线站点还是AP在发送帧而变化。）最后， WEP字段指示了是否使用加密
在相同的 IP 子网中的移动性
为了增加无线LAN 的物理范围，公司或大学经常会在同一个IP子网中部署多个BSS。这自然就引出了在多个BSS之间的移动性问题，即无线站点如何在维持进行中的TCP会话的情况下，无缝地从一个 BSS移动到另一个 BSS? 正如我们将在本小节中所见，当这些BSS 属于同一子网时，移动性可以用一种相对直接的方式解决。 当站点在不同子网间移动时，就需要更为复杂的移动性管理协议了。我们现在看一个同一子网中的不同BSS之间的移动性的特定例子。 下图显示了具有一台主机H1 的两个互联的BSS, 该主机从BSS1 移动到 BSS2。
因为在这个例子中连接两个BSS 的互联设备不是一台路由器，故在两个BSS 中的所有站点（包括 AP) 都属于同一个 IP子网。 因此，当H1 从BSS1 移动到 BSS2 时，它可以保持自 己的 IP地址和所有正在进行的 TCP连接。 如果互联设备是一台路由器，则 H1 必须在它移动进入的子网中获得一个新地址。 这种地址的变化将打断（并且最终终止）在H1 的任何进行中的TCP连接。
但是H1 从BSS1移动到 BSS2 时具体会发生哪些事呢？随着 H1 逐步远离 AP1, H1 检测到来自 AP1 的信号逐渐减弱并开始扫描一个更强的信号。 H1 收到来自 AP2 的信标帧（ 在许多公司和大学的设置中它与AP1 有相同的 SSID)。 H1 然后与 AP1 解除关联，并与AP2 关联起来，同时保持其IP地址和维持正在进行的 TCP会话。
从主机和AP 的角度，这就处理了切换问题。 但对图中的交换机又会发生什么样的情况呢？交换机如何知道主机已经从一个AP移动到另一个AP 呢？回想链路层所述，交换机是"自学习＂的，并且自动构建它们的转发表。 这种自学习的特征很好地处理了偶尔的移动（例如， 一个雇员从一个部门调转到另一个部门）。 然而，交换机没有被设计用来支持用户在不同BSS 间高度移动，同时又希望保持TCP连接。 为理解这一问题，回想在移动之前，交换机在其转发表中有一个表项，对应H1 的 MAC地址与到达H1 所通过的出交换机端口。 如果H1 初始在BSS1 中，则发往 H1 的数据报将经AP1 导向 H1。 然而，一旦H1 与 BSS2 关联，它的帧应当被导向 AP2。 一种解决方法（真有点不规范）是在新的关联形成后，让AP2 以 H1 的源地址向交换机发送一以太网广播帧。 当交换机收到该帧后，更新其转发表，使得H1 可以通过AP2到达。
802. 1 1 中的高级特色
我们将简要地讨论802. 11 网络中具有的两种高级能力，以此来完成我们学习 802. 11 的内容。 如我们所见，这些能力并不是完全特定于802. 11 标准的，而是在该标准中可能由特定机制产生的。 这使得不同的厂商可使用他们自己（专用）的方法来实现这些能力，这也许能让他们增强竞争能力。
- 802.11 速率适应
我们在前面看到，不同的调制技术（提供了不同的传输速率）适合于不同的SNR 情况。 考虑这样一个例子， 一个802. 11 用户最初离基站20 米远，这里信噪比高。 在此高信噪比的情况下，该用户能够与基站使用可提供高传输速率的物理层调制技术进行通信，同时维持低BER。 这个用户多么幸福啊！假定该用户开始移动，向离开基站的方向走去，随着与基站距离的增加， SNR一直在下降。 在这种情况下，如果在用户和基站之间运行的802. 11 协议所使用的调制技术没有改变的话，随着 SNR 减小， BER 将高得不可接受，最终，传输的帧将不能正确收到。由于这个原因，某些802. 11 实现具有一种速率自适应能力，该能力自适应地根据当前和近期信道特点来选择下面的物理层调制技术。 如果一个节点连续发送两个帧而没有收到确认，该传输速率降低到一个较低的速率。 如果10 个帧连续得到确认，或如果用来跟踪自上次降速以来时间的定时器超时，该传输速率提高到一个较高的速率。 这种速率适应机制与TCP 的拥塞控制机制具有相同的＂探测"原理，即当条件好时（反映为收到 ACK), 增加传输速率，除非某个"坏事"发生了(ACK 没有收到）； - 功率管理
功率是移动设备的宝贵资源，因此802. 11 标准提供了功率管理能力，以使802.11节点的侦听、传输和接收功能以及其他需要"打开"电路的时间最小化。 802. 11 功率管理按下列方式运行。一个节点能够明显地在睡眠和唤醒状态之间交替 。 通过将802. 11 帧首部的功率管理比特设置为 1，某节点向接入点指示它将打算睡眠。 前面讲过AP通常每100ms 发送一个信标帧。 因为 AP从设置的功率传输比特知道哪个节点打算睡眠，所以该AP知道它不应当向这个节点发送任何帧，先缓存目的地为睡眠主机的任何帧，待以后再传输。
个人域网络：蓝牙和 ZigBee
IEEE 802. 11 WiFi 标准主要针对相距多达 100m 的设备间的通信（当使用802. 11 具有定向天线的点对点配置时除外）。 两个其他的 IEEE 802 无线协议是蓝牙和ZigBee (定义在 IEEE 802. 15. 1 和 IEEE 802. 15. 4 标准中 [IEEE 802. 15 2012]) 。
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蓝牙
IEEE 802. 15. 1 网络以低功率和低成本在小范围内运行。 它本质上是一个低功率、小范围、低速率的"电缆替代"技术，用于计算机与其无线键盘、鼠标或其他外部设备如蜂窝电话、扬声器、头戴式耳机及其他设备的互联，而802. 11 是一个较高功率、 中等范围较高速率的"接入"技术。 为此， 802.15. 1 网络有时被称为无线个人域网络 (Wireless Personal Area Network , WPAN) 。 802. 15. 1 的链路层和物理层基于早期用于个人域网络的蓝牙 (Bluetooth) 规范。 802. 15. 1 网络以 TDM 方式工作于无须许可证的2.4GHz 无线电波段，每个时隙长度为625µs。在每个时隙内，发送方利用79 个信道中的一个进行传输，同时从时隙到时隙以一个已知的伪随机方式变更信道。 这种被称作跳频扩展频谱 (Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS) 的信道跳动的形式将传输及时扩展到整个频谱。 802. 15. 1 能够提供高达4Mbps 的数据率。802. 15. 1 网络是自组织网络：不需要网络基础设施（如一个接入点）来互连802. 15. 1 设备。 因此， 802. 15. 1 设备必须自已进行组织。 802. 15. 1 设备首先组织成一个多达8 个活动设备的皮可网 (piconet) , 如图所示。 这些设备之一被指定为主设备其余充当从设备。 主节点真正控制皮可网，即它的时钟确定了皮可网中的时间，它可以在每个奇数时隙中发送，而从设备仅当主设备在前一时隙与其通信后才可以发送，并且只能发送给主设备。 除了从设备，网络中还可以有多达255 个的寄放 (parked)设备。 这些设备仅当其状态被主节点从寄放转换为活动之后才可以进行通信。
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ZigBee
IEEE 标准化的第二个个人域网络是802. 14. 5 [ IEEE 802. 15 2012 ] , 它被称为 ZigBee。 虽然蓝牙网络提供了一种"电缆替代"的超过每秒兆比特的数据率，但ZigBee较之蓝牙其服务目标是低功率、低数据率、低工作周期的应用。 尽管我们可能倾向于认为"更大和更快就更好"，但是并非所有的网络应用都需要高带宽和随之而来的高成本（经济和功率成本）。 例如，家庭温度和光线传感器、安全设备和墙上安装的开关都是非常简单、低功率、低工作周期、低成本设备。 ZigBee 因此是非常适合于这些设备的。 ZigBee 定义了 20kbps、 40kbps、 100kbps 和 250kbps 的信道速率，这取决于信道的频率。
ZigBee 网络中的节点具有两个特色。 多个"简化功能设备"在单个"全功能设备＂控制下作为 从设备 运行，与蓝牙从设备非常相似。一个全功能设备能够作为一个主设备运行，就像在蓝牙中控制多个从设备那样，并且多个全功能设备还能够配置为一个网状(mesh) 网络，其中全功能设备在它们之间发送帧。 ZigBee 可以共享许多我们已经在其他链路层协议中遇到的协议机制：信标帧和链路层确认 （类似于802. 11) , 具有二进制回退的载波侦听随机访问协议（类似于802. 11 和以太网），以及时隙的固定、 确保的分配 （类似于DOCSIS)。
ZigBee 网络能够配置为许多不同的方式。 我们考虑一种简单的场合，其中单一的全功能设备使用信标帧以一种时隙方式控制多个简化功能设备。 下图显示了这种情况，其中 ZigBee 网络将时间划分为反复出现的超帧，每个超帧以一个信标帧开始。 每个信标帧将超帧划分为一个活跃周期（在这个周期内设备可以传输）和一个非活跃周期（在这个周期内所有设备包括控制器能够睡眠进而保存能量）。 活跃周期由 16个时隙组成，其中一些由采用CSMA/CA 随机接入方式的设备使用， 其中一些由控制器分配给特定的设备，因而为那些设备提供了确保的信道。
参考目录
书籍:《计算机网络：自顶向下方法（第七版）》