计算机网络之局域网(3)无线局域网

六,无线局域网

1,典型的无线局域网结构

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无限局域网分为两种:

  • 有固定基础设施的无线局域网

  • 无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network)

2,有固定基础设施的无线局域网

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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 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。

基本服务集中的基站叫做接入点 AP (Access Point),其作用和网桥相似。

一个基本服务集可以是孤立的,也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System),然后再接入到另一个基本服务集,构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。

ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网(例如,到有线连接的因特网)的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。

移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集,而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。

3,无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network)

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。

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4,802.11标准中的物理层

1997 年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分,802.11。在1999年又制订了剩下的两部分,802.11a 和 802.11b。

802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带,采用正交频分复用 OFDM,它也叫做多载波调制技术(载波数可多达 52 个)。可以使用的数据率为 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和 56 Mb/s。

802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术,数据率为 5.5 或 11 Mb/s。

5,802.11标准中的MAC层

1)CSMA/CA 协议

无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因:

  • CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道,但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。

  • 即使我们能够实现碰撞检测的功能,并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的,在接收端仍然有可能发生碰撞。

两个问题:

隐蔽站问题:这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)

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暴露站问题:B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem)
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无线局域网不能使用 CSMA/CD,而只能使用改进的 CSMA 协议。

改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。

802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。

下面先介绍 802.11 的 MAC 层

2)802.11的MAC层

MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。

802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层 :PCF和DCF

DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。

PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生

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帧间间隔 IFS
所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。

帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权,但低优先级帧就必须等待较长的时间。

若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

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CSMA/CA 协议的原理 :

欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。

通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。

当源站发送它的第一个 MAC 帧时,若检测到信道空闲,则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。

为什么信道空闲还要再等待 ?

这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有,就要让高优先级帧先发送。

假定没有高优先级帧要发送

源站发送了自己的数据帧。

目的站若正确收到此帧,则经过时间间隔 SIFS 后,向源站发送确认帧 ACK。

若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧,直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败

虚拟载波监听
虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站,以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。

“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道,而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

虚拟载波监听的效果
这种效果好像是其他站都监听了信道。
所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间(以微秒为单位),包括目的站发送确认帧所需的时间。

二进制指数退避算法
第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个。
第 1 次退避是在 8 个时隙(而不是 2 个)中随机选择一个。
第 2 次退避是在 16 个时隙(而不是 4 个)中随机选择一个。

使用退避算法
仅在下面的情况下才不使用退避算法:

检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。

除此以外的所有情况,都必须使用退避算法。
即:

  • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。
  • 在每一次的重传后。
  • 在每一次的成功发送后。

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RTS 和 CTS 帧以及数据帧和ACK 帧的传输时间关系 :
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6,其他无线计算机网络

1) 无线个人区域网(或无线个域网)WPAN (Wireless Personal Area Network)

蓝牙 (Bluetooth) 系统(802.15)就是早期WPAN的一个例子。另一个重要标准是802.15.3,也称为超宽带UWB (Ultra-Wide Band)。

2) 无线城域网WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)

WMAN的标准有IEEE的802.16和ETSI的HiperMAN。

WiMAX是Worldwide Interoperability for Microwave Access的缩写(意思是“全球微波接入的互操作性”。按照发音,AX表示Access)。

3)网络拓扑结构

1 、总线型拓扑结构

各个节点都连接到单一连续的物理线路上
常见的总线结构局域网
Ethernet 、ARCnet 、Token Bus 。
特征:信息广播式传播
特点:价格低廉,用户接入灵活,是一种小型、成熟、经济的解决方案。

2、环型拓扑结构

定义:连续网络中各节点的电缆构成一个封闭的环。
信息传递方式:沿节点单向传输。
应用范围:
一是工厂环境中,环网抗干扰能力强;
二是有许多大型机场合。

3、星形拓扑结构

定义:网络中各节点都连接到一个中心设备上,由该中心节点向目标节点传送信息。
优点:网络的维护和调试方便。

7,争用期

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