《短距離無線通信及組網(wǎng)技術(shù)》課件第2章

第2章IEEE802.11技術(shù)2.1IEEE?802.11技術(shù)概要2.2IEEE?802.11b技術(shù)2.3IEEE?802.11a技術(shù)2.4IEEE?802.11g技術(shù)2.5IEEE?802.11標準系列比較2.6IEEE?802.11無線局域網(wǎng)的物理層關(guān)鍵技術(shù)2.7無線局域網(wǎng)的優(yōu)化方式無線局域網(wǎng)絡是20世紀90年代計算機網(wǎng)絡與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使用無線信道來接入網(wǎng)絡，為通信的移動化、個人化和多媒體應用提供了潛在的手段，并成為寬帶接入的有效手段之一。它利用射頻(RF)技術(shù)，取代舊式的雙絞銅線構(gòu)成局域網(wǎng)絡，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能，網(wǎng)絡所需的基礎(chǔ)設施不需再埋在地下或隱藏在墻里，也能夠隨需要移動或變化。無線局域網(wǎng)絡能利用簡單的存取構(gòu)架，讓用戶透過它達到“信息隨身化、便利走天下”的理想境界。

1997年IEEE?802.11標準的制定是無線局域網(wǎng)發(fā)展的里程碑，它是由大量的局域網(wǎng)以及計算機專家審定通過的標準。IEEE?802.11標準定義了兩種類型的設備，一種是無線站，通常是通過一臺PC機器加上一塊無線網(wǎng)絡接口卡構(gòu)成的；另一種稱為無線接入點(AccessPoint，AP)，它的作用是提供無線和有線網(wǎng)絡之間的橋接。一個無線接入點通常由一個無線輸出口和一個有線的網(wǎng)絡接口(IEEE?802.3接口)構(gòu)成，橋接軟件符合IEEE?802.1d橋接協(xié)議。接入點就像是無線網(wǎng)絡的一個無線基站，將多個無線的接入站聚合到有線的網(wǎng)絡上。無線的終端可以是IEEE?802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口或者是在非計算機終端上的嵌入式設備(例如IEEE?802.11手機)。無線局域網(wǎng)采用的傳輸媒體或介質(zhì)分為射頻(RadioFrequency，RF)無線電波(RadioWave)和光波兩類。射頻無線電波主要使用無線電波和微波(Microwave)，光波主要使用紅外線(Infrared)。因此，無線局域網(wǎng)可分為基于無線電的無線局域網(wǎng)(RLAN)和基于紅外線的無線局域網(wǎng)兩大類。

IEEE?802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE?802.11b、IEEE?802.11a和IEEE?802.11g。IEEE已經(jīng)成立IEEE?802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網(wǎng)標準IEEE?802.11n。IEEE?802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從IEEE?802.11a和IEEE?802.11g的54?Mb/s增加至108?Mb/s以上，最高速率可達320?Mb/s，成為繼802.11b、802.11a、802.11g之后的另一場重頭戲。

IEEE?802.11標準的制定對于WLAN的發(fā)展具有非常重要的作用，主要有以下幾個方面：

(1)設備互操作性。使用IEEE802.11標準，可以使多廠家設備之間具備互操作性。這意味著用戶可以從Cisco購買一個符合IEEE?802.11標準的AP，而從Lucent購買無線網(wǎng)卡，從而增強了價格的競爭，使公司能以更低的研究和發(fā)展經(jīng)費開發(fā)WLAN組件，同時也使一批較小的公司能夠開發(fā)無線網(wǎng)絡組件。設備的互操作性避免了對某一個廠家設備的依賴性。例如，如果沒有標準，那么一個擁有非標準專有網(wǎng)絡的公司就須購買在該公司網(wǎng)絡上運行的設備，而其他公司設備不能在該公司的網(wǎng)絡上運行。有了IEEE?802.11標準以后，可以使用任何符合lEEE?802.11標準的設備，從而具備更大的選擇性。

(2)產(chǎn)品的快速發(fā)展。IEEE?802.1l標準受到無線網(wǎng)絡專家嚴格的論證和檢測，開發(fā)者可以大膽采用該標準來開發(fā)無線網(wǎng)絡。因為制定標準的專家組已經(jīng)傾注了大量的時間和精力，消除了在執(zhí)行應用技術(shù)上的障礙，利用該標準可以使廠家少走學習專門技術(shù)的彎路，這大大減少了開發(fā)產(chǎn)品的時間。

(3)便于升級，保護投資。利用標準的設備有助于保護投資，可以避免專有產(chǎn)品將來被新產(chǎn)品代替后造成系統(tǒng)的損失。WLAN的變革應該類似于IEEE?802.3以太網(wǎng)。開始時以太網(wǎng)的標準為10?Mb/s，采用同軸電纜，后來IEEE?802.3工作組增加了雙絞線、光纖作為傳輸介質(zhì)，速度提高到100?Mb/s和1000?Mb/s，幾年時間使標準得到了完善和提高。?正如IEEE?802.3標準那樣，無線網(wǎng)絡標準也有未來的升級和產(chǎn)品更新問題，采用IEEE?802.11標準可以保護在網(wǎng)絡基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的安排和投資。所以，當性能更高的無線網(wǎng)絡技術(shù)出現(xiàn)時，如IEEE?802.11b等，IEEE?802.11技術(shù)將毫無疑問能確保從目前的無線LAN上穩(wěn)定遷移。

(4)價格的降低。設備價格一直困擾著WLAN行業(yè)，當更多的廠家和終端用戶都采用IEEE?802.11標準時，價格大幅下降，廠家將不再需要發(fā)展和支持低質(zhì)量的專有組件以及制造和配套設備的開支。這與以前IEEE?802.3標準的有線網(wǎng)絡相似，經(jīng)歷了一個價格迅速降低的過程。2.1IEEE?802.11技術(shù)概要2.1.1概述

1．IEEE?802.11標準的邏輯結(jié)構(gòu)

IEEE?802.11標準的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，每個站點所應用的IEEE?802.11標準的邏輯結(jié)構(gòu)包括一個單一媒體訪問控制(MAC)層和多個物理(PHY)層中的一個。圖2-1IEEE802.11標準的邏輯結(jié)構(gòu)

1)?IEEE802.11MAC層

MAC層的目的是在LLC(邏輯鏈路控制)層的支持下為共享介質(zhì)物理層提供訪問控制功能(如尋址方式、訪問協(xié)調(diào)、幀校驗序列生成的檢查，以及LLCPDU定界等)。MAC層在LLC層的支持下執(zhí)行尋址方式和幀識別功能。IEEE?802.11標準MAC層采用CSMA/CA(載波偵聽多址接入/沖突檢測)協(xié)議控制每一個站點的接入。

2)?IEEE802.11物理層

1992年7月，IEEE?802.11工作組決定將無線局域網(wǎng)的工作頻率定為2.4?GHz的ISM頻段，用直接序列擴頻和跳頻方式傳輸。因為2.4?GHz的ISM頻段在世界大部分國家已經(jīng)放開，無須無線電管理部門的許可。

1993年3月，IEEE?802.11標準委員會制定了一個直接序列擴頻物理層標準。經(jīng)過多方討論，直接序列物理層規(guī)定為以下兩個數(shù)據(jù)速率：●利用差分四相相移鍵控(DQPSK)調(diào)制的2?Mb/s?！窭貌罘侄嘞嘁奇I控(DBPSK)調(diào)制的1?Mb/s。在DSSS中，將2.4?GHz的頻寬劃分成14個22?MHz的信道(Channel)，鄰近的信道互相重疊，在14個信道內(nèi)，只有3個信道是互相不覆蓋的，數(shù)據(jù)就是從這14個信道中的一個進行傳送而不需要進行信道之間的跳躍。在不同的國家，信道的劃分是不相同的。與直接序列擴頻相比，基于IEEE?802.11標準的跳頻PHY利用無線電從一個頻率跳到另一個頻率發(fā)送數(shù)據(jù)信號。跳頻系統(tǒng)按照跳頻序列跳躍，一個跳頻序列一般被稱為跳頻信道(FrequencyHoppingChannel)。如果數(shù)據(jù)在某一個跳躍序列頻率上被破壞，系統(tǒng)必須要求重傳。

IEEE?802.11委員會規(guī)定跳頻PHY層利用GFSK調(diào)制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為1?Mb/s。該規(guī)定描述了已在美國被確定的79個信道的中心頻率。紅外線物理層描述了采用波長為850～950?nm的紅外線進行傳輸?shù)臒o線局域網(wǎng)，用于小型設備和低速應用軟件。

2．IEEE?802.1l拓撲結(jié)構(gòu)在IEEE?802.11標準中，有以下四種拓撲結(jié)構(gòu)：●獨立基本服務集(IndependentBasicServiceSet，IBSS)網(wǎng)絡。●基本服務集(BasicServiceSet，BSS)網(wǎng)絡。●擴展服務集(ExtendServiceSet，ESS)網(wǎng)絡。●ESS(無線)網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡使用一個基本組件，IEEE?802.1l標準稱之為基本服務集(BSS)，它提供一個覆蓋區(qū)域，使BSS中的站點保持充分的連接。一個站點可以在BSS內(nèi)自由移動，但如果它離開了BSS區(qū)域內(nèi)就不能夠直接與其他站點建立連接了。

1)?IBSS網(wǎng)絡

IBSS是一個獨立的BSS，它沒有接入點作為連接的中心。這種網(wǎng)絡又叫做對等網(wǎng)(PeertoPeer)或者非結(jié)構(gòu)組網(wǎng)(Adhoc)，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。該方式連接的設備之間都能直接通信而不用經(jīng)過一個無線接入點與有線網(wǎng)絡進行連接。在IBSS網(wǎng)絡中，只有一個公用廣播信道，各站點都可競爭公用信道，采用CSMA/CAMAC協(xié)議。圖2-2IBSS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是網(wǎng)絡抗毀性好、建網(wǎng)容易且費用較低。但當網(wǎng)絡中用戶數(shù)(站點數(shù))過多時，信道競爭成為限制網(wǎng)絡性能的要害。為了滿足任意兩個站點可直接通信，網(wǎng)絡中站點布局受環(huán)境限制較大。因此這種拓撲結(jié)構(gòu)適用于用戶相對減少的工作群網(wǎng)絡規(guī)模。IBSS網(wǎng)絡在不需要訪問有線網(wǎng)絡中的資源，而只需要實現(xiàn)無線設備之間互相通信的環(huán)境中特別有用，如賓館、會議中心或者機場等。

2)?BSS網(wǎng)絡在BSS網(wǎng)絡中，有一個無線接入點充當中心站，所有站點對網(wǎng)絡的訪問均由其控制。因此，當網(wǎng)絡業(yè)務量增大時網(wǎng)絡吞吐性能及網(wǎng)絡時延性能的惡化并不劇烈。由于每個站點只需在中心站覆蓋范圍之內(nèi)就可與其他站點通信，因此網(wǎng)絡中心站的布局受環(huán)境限制亦小。此外，中站為接入有線主干網(wǎng)提供了一個邏輯接入點。

BSS網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的弱點是抗毀性差，中心點的故障容易導致整個網(wǎng)絡癱瘓，并且中心站點的引入增加了網(wǎng)絡成本。在實際應用中，WLAN往往與有線主干網(wǎng)絡結(jié)合起來使用。這時，無線接入點充當無線網(wǎng)與有線主干網(wǎng)的轉(zhuǎn)接器。

3)?ESS網(wǎng)絡為了實現(xiàn)跨越BSS范圍，IEEE?802.11標準中規(guī)定了一個ESSLAN，也稱為Infrastructure模式，如圖2-3所示。該配置滿足了大小任意、大范圍覆蓋的網(wǎng)絡需要。在該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，BSS是構(gòu)成無線局域網(wǎng)的最小單元，近似于蜂窩移動電話中的小區(qū)，但和小區(qū)有明顯的差異。圖2-3ESS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在Infratructure模式中，無線網(wǎng)絡有多個和有線網(wǎng)絡連接的無線接入點，還包括一系列無線的終端站。一個ESS是由兩個或者多個BSS構(gòu)成的一個單一子網(wǎng)。由于很多無線的使用者需要訪問有線網(wǎng)絡上的設備或服務(如文件服務器、打印機、互聯(lián)網(wǎng)連接)，他們都會采用這種Infrastructure模式。根據(jù)站的移動性，無線局域網(wǎng)中的站點可以分為以下三類：

(1)固定站，指固定使用的計算機和在局部BSS內(nèi)移動的站點，有線局域網(wǎng)中的站均為固定站。

(2)??BSS移動站(BSS-Transition)，指站點從ESS中的一個BSS移動到相同ESS中的另一個BSS。

(3)??ESS移動站(ESS-Transition)，指站點從一個ESS中的一個BSS移動到另一個ESS中的一個BSS。這種站像移動電話一樣，在移動中也可保持與網(wǎng)絡的通信，是有線局域網(wǎng)所沒有的，如掌上型計算機、車載計算機等。

IEEE?802.11標準支持固定站和BSS移動站兩種移動類型，但是當進行ESS移動時不能繼續(xù)保證連接。

IEEE?802.11標準定義分布式系統(tǒng)為通過AP在ESS內(nèi)不同BSS之間的相互連接，即移動站點在一個網(wǎng)段內(nèi)。當站點在ESS之間移動時，此時需要重新設置IP地址或者采用下面兩種方法：

(1)使用DHCP。在高層打開DHCP服務，每一個站點選擇自動獲得IP地址。

(2)移動IP。在IPv6協(xié)議中支持移動IP，在高層需要使用IPv6協(xié)議。

IEEE?802.11標準沒有規(guī)定分布式系統(tǒng)的構(gòu)成，因此，它可能是符合IEEE?802標準的網(wǎng)絡，或是符合非標準的網(wǎng)絡。如果數(shù)據(jù)幀需要在一個非IEEE?802.11?LAN間傳輸，那么這些數(shù)據(jù)幀格式要和IEEE?802.11標準定義的相同，它們可以通過一個稱為入口(Portal)的邏輯點進出，該入口在現(xiàn)存的有線LAN和IEEE?802.11?LAN之間提供邏輯集成。當分布式系統(tǒng)被IEEE?802型組件如IEEE802.3(以太網(wǎng))或IEEE?802.5(令牌環(huán))集成時，該入口集成在AP內(nèi)。

4)?ESS(無線)網(wǎng)絡無線方式的ESS網(wǎng)絡如圖2-4所示。這種方式與ESS網(wǎng)絡相似，也是由多個BSS網(wǎng)絡組成的，所不同的是網(wǎng)絡中不是所有的AP都連接在有線網(wǎng)絡上，而是存在AP沒有連接在有線網(wǎng)絡上。該AP和距離最近的連接在有線網(wǎng)絡上的AP通信，進而連接在有線網(wǎng)絡上。圖2-4ESS(無線)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)當一個地區(qū)有WLAN的覆蓋盲區(qū)，且在附近沒有有線網(wǎng)絡接口時，采用無線的ESS網(wǎng)絡可以增加覆蓋范圍。但是需要注意的是，當前大部分的AP不支持無線的ESS網(wǎng)絡，只有一部分支持該功能。

3．IEEE802.11服務

IEEE?802.11標準給LLC層在網(wǎng)絡中兩個實體間要求發(fā)送MSDU(MAC服務數(shù)據(jù)單元)的服務下了定義。MAC層執(zhí)行的服務分為站點服務和分布式系統(tǒng)服務兩種類型。

1)站點服務

IEEE?802.11標準定義了為各站點所提供的站點服務功能。站點可以是AP，可以是安裝有無線網(wǎng)卡的筆記本計算機，也可以是裝有CF網(wǎng)卡的手持式設備，如PDA等。為了發(fā)揮必要的功能，這些站點需要發(fā)送和接收MSDU，以及保持較高的安全標準。

(1)認證。因為無線LAN對于避免未經(jīng)許可的訪問來說，物理安全性較低，所以IEEE?802.11規(guī)定了認證服務以控制LAN對無線連接相同層的訪問。所有IEEE?802.11站點，不管它們是獨立的BSS網(wǎng)絡還是ESS網(wǎng)絡的一部分，在與另一個想要進行通信的站點建立連接(IEEE?802.11標準術(shù)語稱結(jié)合)之前，都必須利用認證服務。執(zhí)行認證的站點發(fā)送一個管理認證幀到一個相應的站點。

IEEE?802.1l標準詳細定義了以下兩種認證服務：①開放系統(tǒng)認證(OpenSystemAuthentication)。該認證是IEEE?802.11標準默認的認證方式。這種認證方式非常簡單，分為兩步：首先，向認證另一站點的站點發(fā)送一個含有發(fā)送站點身份的認證管理幀；然后，接收站發(fā)回一個提醒它是否識別認證站點身份的幀。②共享密鑰認證(SharedKeyAuthentication)。這種認證先假定每個站點通過一個獨立于IEEE?802.11網(wǎng)絡的安全信道，已經(jīng)接收到一個秘密共享密鑰，然后這些站點通過共享密鑰進行加密認證，所采用的加密算法是有線等價加密(WEP)。這種認證使用的標識碼稱為服務組標識符(ServiceSetIdentifier，SSID)，它提供一個最底層的接入控制。一個SSID是一個無線局域網(wǎng)子系統(tǒng)內(nèi)通用的網(wǎng)絡名稱，它服務于該子系統(tǒng)內(nèi)的邏輯段。因為SSID本身沒有安全性，所以用SSID作為允許/拒絕接入的控制是危險的。接入點作為無線局域網(wǎng)用戶的連接設備，通常廣播SSID。

(2)不認證。當一個站點不愿與另一個站點連接時，它就調(diào)用不認證服務。不認證是發(fā)出通知，而且不準對方拒絕。站點通過發(fā)送一個認證管理幀(或一組到多個站點的幀)來執(zhí)行不認證服務。

(3)加密。有線局域網(wǎng)是通過局域網(wǎng)接入到以太網(wǎng)的端口來管理的，在有線局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸是通過線纜直接到達特定的目的地。除非有人切斷線纜中斷傳輸，否則是不會危及安全的。在無線局域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)傳輸是通過無線電波在空中廣播的，因此在發(fā)射機覆蓋范圍內(nèi)數(shù)據(jù)可以被任何無線局域網(wǎng)終端接收。因為無線電波可以穿透天花板、地板和墻壁，所以它可以到達不同的樓層甚至室外等不需要接收的地方。安裝一套無線局域網(wǎng)好像在任何地方都放置了以太網(wǎng)接口，因此無線局域網(wǎng)使數(shù)據(jù)的保密性成為真正關(guān)心的問題，因為無線局域網(wǎng)的傳輸不只是直接到達一個接收方，而是覆蓋范圍內(nèi)的所有終端。

IEEE?802.11標準提供了一個加密服務選項解決了這個問題，將IEEE?802.11網(wǎng)絡的安全級提高到與有線網(wǎng)絡相同的程度。IEEE?802.1l標準規(guī)定了一個可選擇的加密，稱為有線對等加密，即WEP(WiredEquivalentPrivacy)。WEP提供了一種保證無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)流安全性的方法。WEP是一種對稱加密，加密和解密的密鑰及算法相同。該算法能對信息加密，如圖2-5所示。WEP的目標如下：圖2-5WEP算法產(chǎn)生加密文本，防止偷聽者“聽到”數(shù)據(jù)傳輸

(1)接入控制。防止未授權(quán)用戶接入網(wǎng)絡，他們沒有正確的WEP密鑰。

(2)加密。通過加密和只允許有正確WEP密鑰的用戶解密來保護數(shù)據(jù)流。該加密功能應用于所有數(shù)據(jù)幀和一些認證管理幀，可以有效地降低被竊聽的危險。

2)分布式系統(tǒng)服務

IEEE?802.11標準定義的分布式系統(tǒng)服務為整個分布式系統(tǒng)提供服務功能。為保證MAC服務數(shù)據(jù)單元(MSDU)正確傳輸，提供的分布式系統(tǒng)服務主要有下面幾種。

(1)結(jié)合。結(jié)合指每個站點與AP建立連接，站點通過分布式系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)之前必須先通過AP調(diào)用結(jié)合服務。結(jié)合服務通過AP將一個站點映射到分布式系統(tǒng)。每個站點只能與一個AP連接，而每個AP卻可以與多個站點連接。結(jié)合是每一個站點進入無線網(wǎng)絡的第一步。

(2)分離。當站點離開網(wǎng)絡或AP用于其他方面需要終止連接時應調(diào)用分離服務。分離服務就是指站點與無線網(wǎng)絡斷開連接，站點或AP可以調(diào)用分離服務終止一個現(xiàn)存的結(jié)合。結(jié)合是一種標志信息，任何一方都不能拒絕終止。

(3)分布。站點每次發(fā)送MAC幀經(jīng)過分布式系統(tǒng)時都要利用分布式系統(tǒng)服務。IEEE?802.11標準沒有指明分布式系統(tǒng)如何發(fā)送數(shù)據(jù)。分布式服務僅向分布式系統(tǒng)提供了足夠的信息去判明正確的目的地BSS。

(4)集成。集成服務使得MAC幀能夠通過分布式系統(tǒng)和一個非IEEE?802.11LAN間的入口發(fā)送。集成功能執(zhí)行所有必須的介質(zhì)和地址空間的變換，具體情況依據(jù)分布式系統(tǒng)而實施，而且不在IEEE?802.11標準的范圍之內(nèi)。

(5)重新結(jié)合。重新結(jié)合服務(ReassociationService)能使一個站點改變它當前的結(jié)合狀態(tài)，也就是我們通常說的漫游功能。當一個站點從一個AP到另一個AP的覆蓋范圍時，可以從一個BSS移動到另一個BSS。當多個站點與同一個AP保持連接時，重新結(jié)合還能改變已確定結(jié)合的結(jié)合屬性。移動站點總是啟動重新結(jié)合服務。在IEEE?802.11標準中，由MAC層負責解決客戶端工作站和訪問接入點之間的連接。當一個IEEE?802.11客戶端進入一個或者多個接入點的覆蓋范圍時，它會根據(jù)信號的強弱以及包錯誤率來自動選擇一個接入點來進行連接(這個過程就是加入一個基本服務集BSS，即結(jié)合)。一旦被一個接入點接受，客戶端就會將發(fā)送接收信號的頻道切換為接入點的頻道。在隨后的時間內(nèi)，客戶端會周期性地輪詢所有的頻道以探測是否有其他接入點能夠提供性能更高的服務。如果它探測到了的話，它就會和新的接入點進行協(xié)商，然后將頻道切換到新的接入點的服務頻道中。這種重新協(xié)商通常發(fā)生在無線工作站移出了它原連接的接入點的服務范圍，信號衰減之后。其他的情況還發(fā)生在建筑物造成的信號變化或者僅僅由于原有接入點中的擁塞。在擁塞的情況下，這種重新協(xié)商實現(xiàn)了“負載平衡”的功能，它能夠使得整個無線網(wǎng)絡的利用率達到最高點。動態(tài)協(xié)商連接的處理方式使得網(wǎng)絡管理員可以擴大無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。2.1.2媒體訪問控制(MAC)層

IEEE?802.11標準無線局域網(wǎng)的所有工作站和訪問節(jié)點都提供了媒體訪問控制(MAC)層服務，MAC服務是指同層LLC(邏輯鏈路控制層)在MAC服務訪問節(jié)點(SAP)之間交換MAC服務數(shù)據(jù)單元(MSDU)的能力?？偟膩碚f，MAC服務包括利用共享無線電波或紅外線介質(zhì)進行MAC服務數(shù)據(jù)單元的發(fā)送。

1．MAC層的功能

MAC層具有以下三個主要功能：

(1)無線介質(zhì)訪問。

(2)網(wǎng)絡連接。

(3)提供數(shù)據(jù)認證和加密。下面具體分析這三個功能。

1)無線介質(zhì)訪問在IEEE?802.11標準中定義了兩種無線介質(zhì)訪問控制的方法，它們是：分布協(xié)調(diào)功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)和點協(xié)調(diào)功能(PointCoordinationFunction，PCF)，如圖2-6所示。DCF是IEEE?802.11最基本的媒體訪問方法，其核心是CSMA/CA。它包括載波檢測(CS)機制、幀間間隔(IFS)和隨機退避(RandomBack-off)規(guī)程。每一個節(jié)點使用CSMA機制的分布接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。DCF在所有的STA上都進行實現(xiàn)，用于Adhoc和Infrastructure網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中。圖2-6無線介質(zhì)訪問控制方法由圖2-6可知，DCF向上提供爭用服務。PCF是可選的(Optional)媒體訪問方法，用于Infrastructure網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入點AP實現(xiàn)集中控制)，用類似于輪詢的方法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對于時間敏感的業(yè)務，如分組語音，就應該使用提供無爭用服務的點協(xié)調(diào)功能PCF。

(1)分布協(xié)調(diào)功能(DCF)。分布是物理層兼容的工作站和訪問節(jié)點(AP)之間自動共享無線介質(zhì)的主要的訪問協(xié)議。IEEE?802.11網(wǎng)絡采用CSMA/CA協(xié)議進行無線介質(zhì)的共享訪問，該協(xié)議與IEEE?802.3以太網(wǎng)標準的MAC協(xié)議(CSMA/CD)類似。DCF有兩種工作方式：一種是基本工作方式，即CSMA/CA方式；另一種是RTS/CTS機制。①CSMA/CA方式采用兩次握手機制，又稱ACK機制，是一種最簡單的握手機制。當接收方正確地接收幀后，就會立即發(fā)送確認幀(ACK)，發(fā)送方收到該確認幀，就知道該幀已成功發(fā)送，如圖2-7所示。由圖可見，如果媒體空閑時間大于或等于DIFS(DCF的幀間隔)，就傳輸數(shù)據(jù)，否則延時傳輸。圖2-7兩次CA握手機制

CSMA/CA的基礎(chǔ)是載波偵聽。載波偵聽(CS)由物理載波監(jiān)測(PhysicalCS)和虛載波監(jiān)測(VirtualCS)兩部分組成。物理載波監(jiān)測在物理層完成，物理層對接收天線接收的有效信號進行監(jiān)測，若探測到這樣的有效信號，物理載波監(jiān)測認為信道忙；虛載波監(jiān)測在MAC子層完成，這一過程體現(xiàn)在網(wǎng)絡分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)更新之中，NAV中存放的是介質(zhì)信道使用情況的預測信息，這些預測信息是根據(jù)MAC幀中Duration(持續(xù)時間字段)聲明的傳輸時間來確定的。

NAV可以看做一個以某個固定速率遞減的計數(shù)器，當值為0時，虛載波監(jiān)測認為信道空閑；不為0時，認為信道忙。載波監(jiān)測(CS)最后的狀態(tài)指示是在對物理載波監(jiān)測和虛載波監(jiān)測綜合后產(chǎn)生的，只要有一個指示為“忙”，則載波監(jiān)測(CS)指示為“忙”；只有當兩種方式都指示為信道“空閑”時，載波監(jiān)測(CS)才指示信道“空閑”，這時才能發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道繁忙，CSMA/CA協(xié)議將執(zhí)行退避算法，然后重新檢測信道，這樣可以避免各工作站間共享介質(zhì)時可能造成的碰撞。

MAC控制機制利用幀中持續(xù)時間字段的保留信息實現(xiàn)虛擬監(jiān)測協(xié)議，這一保留信息發(fā)布(向所有其他工作站)本工作站將要使用介質(zhì)的消息。MAC層監(jiān)聽所有MAC幀的持續(xù)時間字段，如果監(jiān)聽到的值大于當前的網(wǎng)絡分配矢量(NAV)值，就用這一信息更新該工作站的NAV。NAV工作起來就像一個減法計數(shù)器，開始值是最后一次發(fā)送幀的持續(xù)時間字段值，然后倒計時到0。當NAV的值為0，且PHY控制機制表明有空閑信道時，這個工作站就可以發(fā)送幀了。在NAV有效定時時間內(nèi)，站點認為介質(zhì)毫無疑問地將處于忙狀態(tài)，所以，在此期間內(nèi)，沒有必要再去檢測介質(zhì)，看其中是否有載波來判定介質(zhì)的狀態(tài)。只有在NAV定時器的定時結(jié)束后，站點才通過真正的載波檢測方法來判定當前介質(zhì)的狀態(tài)(忙或空閑)。介質(zhì)繁忙狀態(tài)剛剛結(jié)束的時間窗口是碰撞可能發(fā)生的最高峰期，尤其是在利用率較高的環(huán)境中。因為此時許多工作站都在等待介質(zhì)空閑，所以介質(zhì)一旦空閑，大家就試圖在同一時刻進行數(shù)據(jù)發(fā)送。而CSMA/CA協(xié)議在介質(zhì)空閑后，利用隨機退避時間控制各工作站發(fā)送幀的進行，從而使各工作站之間的碰撞達到最小。退避時間的設置：退避時間按下面的方法選擇后，作為遞減退避計數(shù)器的初始值。退避時間=INT[CW×Random()]×SlotTime式中：CW(競爭窗)表示在MIB中CWmin～CWmax中的一個整數(shù)；Random()表示0～1之間的偽隨機數(shù)；SlotTime表示MIB中的時隙值。圖2-8中，SIFS是標準定義的時間段，比DIFS時間間隔短。A、B兩個站點共享信道。A站點檢測到信道空閑時間大于DIFS時發(fā)送數(shù)據(jù)報，B站點此時立刻停止退避時間計數(shù)，直到又檢測到信道空閑時間大于DIFS時，繼續(xù)開始計數(shù)。當B站點的退避時間計數(shù)器為0時，則B站點開始發(fā)送數(shù)據(jù)報。圖2-8BEB二進制指數(shù)退避算法示意圖在IEEE?802.11標準無線局域網(wǎng)中，所有節(jié)點都能夠進行載波偵聽。當一個節(jié)點偵聽信道忙狀態(tài)持續(xù)了一個包的傳輸時間，但該節(jié)點并未收到或偵聽到一個成功傳輸包時，那該節(jié)點即可斷定包發(fā)生了沖突。當包第一次企圖發(fā)送時，BEB選擇一個隨機時隙(CW=CWmin)進行等概率傳輸，CWmin是最小競爭窗口。每當節(jié)點傳送數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突時，競爭窗口的大小都會成為原來的兩倍，直到它的上限CWmax?？梢赃@樣來表示：CW=min[2*CW，CWmax]。新的競爭窗口是用來表示傳輸企圖的，在一次成功傳輸之后，或當一個包企圖傳輸?shù)拇螖?shù)到達極限m(對于基本訪問機制m=7，對于RTS/CTS?m=4)時，這個節(jié)點就將它的競爭窗口重設成它的最小競爭窗口。然而，競爭窗口重設機制會引起競爭窗口大小的很大變化，每個包在重新傳輸之前都將它們的競爭窗口值設為CWmin。這對于重負載網(wǎng)絡來說，會造成它的CW太小，導致更多的沖突發(fā)生，降低了這個重負載網(wǎng)絡的性能。關(guān)于競爭窗CW參數(shù)的選擇，初始值為CWmin，如果發(fā)送MPDU(MACProtocolDataUnit)不成功，則逐步增加CW的值，直到CWmax呈指數(shù)增加，以適應高負載的情況。具體過程如下：●檢測到媒體空閑時，退避計時器遞減計時?！駲z測到媒體忙時，退避計時器停止計時，直到檢測到媒體空閑時間大于DIFS后重新遞減計時?！裢吮苡嫊r器減少到0時，媒體仍為空，則該終端就占用媒體?！裢吮軙r間值最小的終端在競爭中獲勝，取得對媒體的訪問權(quán)；失敗的終端會保持在退避狀態(tài)，直到下一個DIFS。●保持在退避狀態(tài)下的終端，比第一次進入的新終端具有更短的退避時間，易于接入媒體。應當指出，當一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢測到信道是空閑的，并且這個數(shù)據(jù)幀是它想發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)幀。除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。具體來說有：

a.在發(fā)送它的第一個幀之前檢測到信道處于忙態(tài)。

b.在每次的重傳后。

c.在每一次的成功發(fā)送后。圖2-9表述了工作站持續(xù)重發(fā)數(shù)據(jù)時的CW值變化。圖中CW呈指數(shù)增長，使得無論在高網(wǎng)絡利用率還是低網(wǎng)絡利用率的情況下，都可以將碰撞降低到最低程度，同時最大化網(wǎng)絡吞吐量。圖2-9退避時間在最小CW和最大CW之間呈指數(shù)增長在網(wǎng)絡低利用率情況下，工作站無須在發(fā)送幀前等待很長時間，一般只需很短的時間(第一次或第二次試發(fā))就能成功地完成發(fā)送任務；而在網(wǎng)絡利用率很高的情況下，協(xié)議會將工作站的發(fā)送延遲一個相對較長的時間，以避免多個工作站同時發(fā)送幀而造成的阻塞。在高利用率下，CW的值在成功發(fā)送幀之后增長得相當高，為需要發(fā)送幀的工作站之間提供足夠的發(fā)送間隔。雖然在高利用率的網(wǎng)絡環(huán)境中，工作站在發(fā)送幀之前等待時間相對較長，但是這種機制在避免碰撞方面表現(xiàn)得非常出色。②RTS/CTS機制是為了更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題，發(fā)送站和接收站之間以握手的方式對信道進行預約的一種常用方法。RTS/CTS機制采用四次(Four-way)握手機制。如圖2-10所示，四次握手機制包括RTS—CTS—DATA—ACK四個過程，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送一個RTS幀來預約信道，接收者發(fā)回一個CTS幀，之后開始進行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和ACK確認。圖2-10四次握手機制如果發(fā)送者沒有接收到返回的ACK，則會認為之前的傳輸沒有成功，會重新傳輸；但是如果只是返回的ACK丟失了，之前的RTS—CTS傳輸非常成功，則重新發(fā)送的RTS到達接收者后，接收者只會重新發(fā)送ACK而不是CTS，且退避時間量并不會增加；如果發(fā)送了RTS后，在接收超時之前都沒有接收到CTS或ACK，那么退避時間量就會增加；當接收到ACK后，退避時間量就會減少。

RTS/CTS幀包含有“期間域”?！捌陂g域”用來表明從RTS幀尾或CTS幀尾到ACK幀尾的MPDU所占用媒體的時間。源站A在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前發(fā)送一個短的“請求發(fā)送(RTS)”控制幀，它包括源地址、目的地址和這次通信(包括相應的確認幀)所需的持續(xù)時間(期間域)。若媒體空閑，則目的站B就發(fā)送一個“允許發(fā)送(CTS)”的響應控制幀，它也包括這次通信所需的持續(xù)時間(從RTS幀中將此持續(xù)時間復制到CTS幀中)。源站A收到CTS幀后，就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。下面分析在A和B兩個站附近的一些站將作出的反應。如圖2-11所示。圖2-11RTS/CTS兩次握手過程(a)?A發(fā)送RTS幀；(b)?B響應CTS幀，D在一段時間內(nèi)不發(fā)送數(shù)據(jù)站C處于站A的傳輸范圍內(nèi)，但不在站B的傳輸范圍內(nèi)，那么C能夠收到A發(fā)送的RTS，但經(jīng)過一小段時間后，C不會收到B發(fā)送的CTS幀。這樣，在A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時，C也可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)給其他的站而不會干擾B。需要注意的是，Ｃ收不到Ｂ的信號表示Ｂ也收不到Ｃ的信號。站D收不到站Ａ發(fā)送的RTS幀，但能收到站B發(fā)送的CTＳ幀，那么D知道B將要和A通信，所以D在Ａ和B通信的一段時間內(nèi)不能發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不會干擾B接收Ａ發(fā)來的數(shù)據(jù)。站E能收到RTS和CTS，因此它在A發(fā)送數(shù)據(jù)幀和B發(fā)送確認幀的整個過程中都不能發(fā)送數(shù)據(jù)。應當指出，雖然協(xié)議使用了RTS/CTS的握手機制，但碰撞仍然會發(fā)生。例如，B和C同時向A發(fā)送RTS幀。這兩個RTS幀發(fā)生碰撞后，使得A收不到正確的RTS幀，因而A就不會發(fā)送后續(xù)的CTS幀。這時，B和C像以太網(wǎng)發(fā)生碰撞那樣，各自隨機地推遲一段時間后重新發(fā)送其RTS幀。推遲時間算法也是用二進制指數(shù)退避。使用RTS和CTS幀會使整個網(wǎng)絡的效率有所下降。但這兩種控制幀都很短，其長度分別為20字節(jié)和14字節(jié)，與數(shù)據(jù)幀(最長可達2346字節(jié))相比開銷不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費的時間就更多。雖然如此，但協(xié)議還是設有三種情況供用戶選擇：一種是使用RTS和CTS幀；另一種是只有當數(shù)據(jù)幀的長度超過某一數(shù)值時才使用RTS和CTS幀(顯然，當數(shù)據(jù)幀本身就很短時，再使用RTS和CTS幀只能增加開銷)；還有一種是不使用RTS和CTS幀(基本工作方式)。

IEEE?802.11標準采用RTS和CTS的握手機制，同時也引入ACK確認機制確保傳輸?shù)恼_性。非被訪問的站偵聽到RTS、CTS和ACK等幀并置變量NAV。NAV根據(jù)RTS/CTS幀中的“期間域”來假定在當前時間之后的“期間域”中的時間媒體都是忙的(即虛載波檢測)，它用來和物理載波檢測機制一起判斷媒體的狀態(tài)，當其中之一為忙時，就認為“媒體忙”；若NAV結(jié)束(即其計數(shù)器的值為0)，則虛載波檢測認為“媒體閑”。

RTS和CTS幀以及數(shù)據(jù)幀和ACK幀的傳輸時間關(guān)系參見圖2-12。在除源站和目的站以外的其他站中，有的在收到RTS幀后就設置其網(wǎng)絡分配向量NAV，有的則在收到CTS幀或數(shù)據(jù)幀后才設置其NAV。

RTS/CTS交換可以完成快速碰撞推斷與傳輸信道校驗。如果發(fā)送RTS的源站沒有檢測到返回的CTS(可能是因為與另一個發(fā)送過程發(fā)生了碰撞)，或者由于在RTS或CTS幀的發(fā)送期間信道存在干擾，或者因為接收RTS幀的站具有激活的虛載波偵聽條件(指示媒體為忙的時間周期)，則源站會較快地重復該過程(重傳)，直到發(fā)送成功或者達到重傳極限為止。圖2-12幾種IFS的傳輸時間關(guān)系重復的速度相對于長數(shù)據(jù)幀已被發(fā)送且返回的ACK幀未被檢測到的情況要快得多。為站點的每個等待發(fā)送的MSDU或MMPDU(ManagementProtocolDataUnit，MAC)維持一個短重傳計數(shù)器和一個長重傳計數(shù)器，這些計數(shù)器的增加與復位過程是相互獨立的。由于引入了確認和重傳機制，因此在接收站可能會產(chǎn)生重幀現(xiàn)象。協(xié)議利用幀中的MPDU-ID域來防止重幀。由于同一MPDU中的幀具有相同的MPDU-ID值，在不同MPDU中的幀的MPDU-ID值不同，因此，接收站只需保持一個MPDU-ID緩存區(qū)，即可接收那些與緩存區(qū)中MPDU-ID值相同的重傳幀。

RTS/CTS機制的另一個優(yōu)點體現(xiàn)在多個BSS使用同一信道并有交疊。媒體保留機制會穿越BSS邊界起作用。RTS/CTS機制還可以改善一種典型情況下的工作，即所有站可以接收AP的信息但不能接收BSA中其他站的信息。

RTS/CTS機制不能用于具有廣播或多播地址的MPDU，因為RTS幀具有多個目的地址，相應地，會有多個CTS幀來進行對應。RTS/CTS機制不需要用于每個數(shù)據(jù)幀的傳輸。因為額外的RTS和CTS幀會增加冗余，降低效率，尤其是對于短數(shù)據(jù)幀，該機制并不合理，所以引入以下方法對RTS/CTS機制加以改進：●差錯控制機制。由于干擾和碰撞等使發(fā)送數(shù)據(jù)造成差錯，可能會對幀序列產(chǎn)生破壞。為了解決這個問題，在MAC層中加入了差錯控制功能。工作站在進行幀交換的同時，要完成差錯控制任務。差錯控制采用自動反饋重發(fā)(ARQ)，即在一段時間間隔之后，如果收不到來自目的工作站的響應信息或響應錯誤，則對幀進行重發(fā)。●訪問間隔。在IEEE?802.11協(xié)議中定義了工作站對介質(zhì)訪問的幾種時間間隔標準，并提供了多種訪問優(yōu)先級。通過適當設定系統(tǒng)的幀間隔，就能為不同的應用請求來設定不同的幀間隔，這樣就能實現(xiàn)不同的優(yōu)先級?！穸蘄FS(SIFS，ShortIFS)。SIFS是最短的幀間隔，為某些幀提供最高的介質(zhì)優(yōu)先訪問級別。SIFS被用來分隔開屬于一次對話的各幀，其長度為28?μs。一個站應當能夠在這段時間內(nèi)從發(fā)送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀類型有ACK幀、CTS幀、過長的MAC幀分片后的數(shù)據(jù)幀，以及所有應答AP探詢的幀和在PCF方式中AP發(fā)送出的任何幀。●?PCF的IFS(PIFS)。PIFS只能由工作在PCF方式下的站使用，AP利用該幀間隔在無競爭期(ContentionFreePeriod，CFP)開始時獲得對媒體訪問的優(yōu)先權(quán)。如果在CFP期間發(fā)生接收/發(fā)送錯誤，AP就在媒體空閑時間達到PIFS后控制媒體。在無競爭期，AP檢測到媒體空閑時間長達PIFS后，會在CFP突發(fā)時期發(fā)送下一個CFP幀。為了在開始使用PCF方式時(在PCF方式下使用沒有爭用)優(yōu)先接入媒體，PIFS比SIFS要長，它是SIFS加上一個時隙長度(其長度為50?ms)，即78?μs。時隙長度是這樣確定的：在一個基本服務集BSS內(nèi)當某個站在一個時隙內(nèi)開始接入到媒體時，那么在下一時隙開始時，其他站就都能檢測出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。●??DCF的IFS(DIFS)。DIFS由工作在DCF方式下的站使用，以發(fā)送數(shù)據(jù)幀MPDU和管理幀(MMPDU)。在網(wǎng)絡分配向量NAV和物理載波檢測指示媒體空閑后，想發(fā)送RTS幀或數(shù)據(jù)幀的站監(jiān)聽媒體以保證媒體空閑時間至少達到DIFS。若媒體忙，DFWMAC將遲延，直到檢測到一個長達DIFS的媒體空閑期后，啟動一個隨機訪問退避過程。DIFS的長度比PIFS多一個時隙長度，為128?μs。●擴展的IFS(EIFS)。只要PHY向MAC指示幀已開始發(fā)送，并且此幀會引起具有正確FCS值的完整MAC幀的不正確接收，那么DCF就使用EIFS。EIFS由SIFS、DIFS和以1Mb/s的速率發(fā)送ACK控制幀所需的時間得到，具體見下式：

EIFS=aSIFSTime+(8*ACKSize)+aPreambleLength

+aPLCPHeaderLength+DIFS式中，ACKSize是ACK幀的以字節(jié)計數(shù)的長度；(8*ACKSize)+?aPreambleLength?+?aPLCPHeaderLength表示以PHY的最低必備速率發(fā)送所需的毫秒數(shù)。

EIFS的間隔不考慮虛擬載波機制，而從檢測到錯誤幀后PHY指示媒體空閑時開始。在站開始發(fā)送前，EIFS為另一站提供了足夠的時間，在此時間內(nèi)該站用于向源站確認哪些是不正確的接收幀。EIFS期間正確幀的接收將使站重新同步到媒體的實際忙/閑狀態(tài)，此時EIFS結(jié)束，并在此幀接收后繼續(xù)正常的媒體訪問。(利用DIFS，如果必要則進行退避。)圖2-12為上述幾種IFS之間的關(guān)系，不同的IFS與站的比特速率無關(guān)。IFS定時定義為媒體的時間間隔，并且對于每個PHY固定不變(即使在具有多速率的PHY中)。IFS的值由PHY定義的屬性確定。以上這些幀間隔的長度實際上就決定了它們的優(yōu)先級，即EIFS<DIFS<PIFS<SIFS。當很多站都在監(jiān)聽信道時，使用SIFS可具有最高的優(yōu)先級，因為它的時間間隔最短。

(2)點協(xié)調(diào)功能(PCF)。PCF提供可選優(yōu)先級的無競爭的幀傳送。PCF是一種AP獨有的控制功能，它以DCF控制機制為基礎(chǔ)，提供了一種無沖突的介質(zhì)訪問方法。在這種工作方式下，由中心控制器控制來自工作站的幀的傳送，所有工作站均服從中心控制器的控制，在每一個無競爭期的開始時間設置它們的NAV(網(wǎng)絡分配矢量)值。當然，對于無競爭的輪詢(CF-Poll幀)，工作站可以有選擇地進行回應。在無競爭期開始時，中心控制器首先獲得介質(zhì)的控制權(quán)，并遵循PIFS對介質(zhì)進行訪問，因此，中心控制器可以在無競爭期保持控制權(quán)，等待比工作在分布式控制方式下更短的發(fā)送間隔。中心控制器在每一個無競爭期開始，對介質(zhì)進行監(jiān)測。如果介質(zhì)在PIFS間隔之后空閑，中心控制器就發(fā)送包含CF參數(shù)設置元素的信標(Beacon)幀，工作站接收到信標后，利用CF參數(shù)設置中的CFPMaxDuration值更新它們的NAV。這個值向所有工作站通知無競爭期的長度，直到無競爭期結(jié)束才允許工作站獲得介質(zhì)的控制權(quán)。發(fā)送信標幀之后，中心控制器等待至少一個SIFS間隔，開始發(fā)送下面的某一種幀：①數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀直接從訪問節(jié)點的中心控制器發(fā)往某個特定的工作站。如果中心控制器沒有收到接收端的應答(ACK)幀，它就會在無競爭期內(nèi)的PIFS間隔之后重發(fā)這個未確認幀。中心控制器可以向工作站發(fā)送單個的、廣播的和多點傳送的幀，包括那些處于可輪詢的節(jié)能模式的工作站。②??CF輪詢幀。中心控制節(jié)點向某個特定工作站發(fā)送此幀，授權(quán)該工作站可以向任何目的端發(fā)送一個幀。如果被輪詢的工作站沒有幀需要發(fā)送，那么它必須發(fā)一個空數(shù)據(jù)幀。如果發(fā)幀工作站沒有收到任何應答幀，那么它只有等到被中心控制器再次輪詢才能再重發(fā)此幀。如果無競爭發(fā)送的接收工作站不是可輪詢的CF，它將采用分布式控制方式響應幀的接收。③數(shù)據(jù)+CF輪詢幀。在這種情況下，中心控制器向一個工作站發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送無競爭幀輪詢該站。這是一種可以降低系統(tǒng)開銷的捎帶確認模式。④CF結(jié)束幀。這種幀用于確定競爭期的結(jié)束。工作站可以選擇是否被輪詢，在AssociationRequest(連接請求)幀的功能信息字段的CF-Portable(可輪詢CF)子字段中表明希望輪詢與否。一個工作站通過發(fā)布ReassociationRequest幀來改變自身的可輪詢性。中心控制器維護著一個輪詢隊列，輪詢隊列中的工作站在無競爭期可能會受到輪詢。中心控制方式并不是只在分布式控制方式的退避時間里工作，因此，當相互覆蓋的中心控制器使用一個物理信道時，會有碰撞發(fā)生。由多個訪問節(jié)點組成的基礎(chǔ)網(wǎng)絡設施中就存在這類問題。為了減少碰撞，如果進行初始信標發(fā)送時遇到介質(zhì)忙，中心控制器會利用隨機退避時間。PCF這種無競爭的通信控制方式額外提供了QoS(QualityofService)的可能。

2)網(wǎng)絡連接當工作站接通電源之后，首先通過被動或主動掃描方式檢測有無現(xiàn)成的工作站和訪問節(jié)點可供加入。加入一個BSS或ESS之后，工作站從訪問節(jié)點接收SSID、時間同步函數(shù)(TimerSynchronizationFunction，TSF)、計時器的值和物理(PHY)安裝參數(shù)。一個站點有以下兩種模式來建立網(wǎng)絡連接：

(1)被動掃描模式。在這種模式下，工作站對每一個信道都進行一段時間的監(jiān)聽，具體時間的長短由Channeltime參數(shù)確定。該工作站只尋找具有本站希望加入的SSID的信標幀，搜索到這個信標后，繼而便分別通過認證和連接過程建立起連接。

(2)主動掃描模式。在這種模式下，工作站發(fā)送包含有該站希望加入的SSID信息的探詢(Probe)幀，然后開始等待探詢響應幀(ProbeResponseFrame)，探詢響應幀將標識所需網(wǎng)絡的存在。工作站也可以發(fā)送廣播探詢幀，廣播探詢幀會引起所有包含該站的網(wǎng)絡的響應。在物理網(wǎng)絡中，訪問節(jié)點會向所有的探詢請求響應；而在獨立的BSS網(wǎng)絡中，最后生成信標幀的工作站將響應探詢請求。探詢響應幀明確了希望加入的網(wǎng)絡的存在，繼而工作站可以通過驗證和連接過程來完成網(wǎng)絡連接。

3)認證和加密

IEEE?802.11標準提供以下兩種認證服務，以此來增強網(wǎng)絡的安全性：

(1)開放系統(tǒng)認證(OpenSystemAuthentication)。這是系統(tǒng)缺省的認證服務。不需要對發(fā)送工作站進行身份認證時，一般采用開放系統(tǒng)認證。如果接收工作站通過MIB中的AuthenticationType參數(shù)指明其采用開放系統(tǒng)認證模式，那么采用開放系統(tǒng)認證模式的發(fā)送工作站可認證任何其他工作站和AP。

(2)共享密鑰認證(SharedKeyAuthentication)。與開放系統(tǒng)認證相比，共享密鑰認證提供了更高的安全檢查級別。采用共享密鑰認證的工作站必須執(zhí)行WEP。IEEE802.11標準采用共享密鑰認證的過程如下：①請求工作站向另一個工作站發(fā)送認證幀。②當一個站收到開始認證幀后，會返回一個認證幀，該認證幀包含有線等效保密(WEP)服務生成的128字節(jié)的質(zhì)詢文本。③請求工作站將質(zhì)詢文本復制到一個認證幀中，用共享密鑰加密，然后再把幀發(fā)往響應工作站。④接收站利用相同的密鑰對質(zhì)詢文本進行解密，將其和早先發(fā)送的質(zhì)詢文本進行比較。如果相互匹配，響應工作站返回一個表示認證成功的認證幀；如果不匹配，則返回失敗認證幀。

(3)加密。IEEE?802.11標準定義了可選的WEP，以使無線網(wǎng)絡具有和有線網(wǎng)絡相同的安全性。WEP生成共用加密密鑰，發(fā)送端和接受端工作站均可用它改變幀位，以避免信息的泄漏。這個過程也稱為對稱加密。工作站可以只實施WEP而放棄認證服務。但是如果要避免網(wǎng)絡受到安全威脅的攻擊，就必須同時實施WEP和認證服務。WEP加密的過程如圖2-13所示。圖2-13WEP加密過程①在發(fā)送端，WEP首先利用一種綜合算法，對MAC幀中未加密的幀體(FrameBody)字段進行加密，生成4字節(jié)的綜合檢測值。檢測值和數(shù)據(jù)一起發(fā)送，在接收端對檢測值進行檢查，以檢測非法的數(shù)據(jù)改動。②將共享密鑰和24位的初始化向量(IV)輸入偽隨機數(shù)生成器生成一個鍵序(偽隨機碼)，鍵序的長度等于明文加綜合檢測值的長度。③偽隨機碼對明文和綜合檢測值逐位進行異或運算，生成密文，完成對數(shù)據(jù)的加密。IV和密文同時送往信道傳輸。④在接收端，WEP利用IV和共用密鑰對密文進行解密，復原成原先用來對幀進行加密的鍵序。⑤工作站計算綜合檢測值，隨后確認計算結(jié)果與隨幀一起發(fā)送來的值是否匹配。如綜合檢測失敗，工作站不會把MSDU(媒體服務數(shù)據(jù)單元)交給LLC層，并向MAC管理程序發(fā)回失敗聲明。

2．MAC幀的結(jié)構(gòu)

IEEE?802.1l標準定義了MAC幀結(jié)構(gòu)的主體框架，如圖2-14所示。圖2-14IEEE?802.11MAC幀結(jié)構(gòu)

MAC幀中包括的各主要字段如下：

(1)幀控制(FrameControl)。該字段是在工作站之間發(fā)送的控制信息，在幀控制字段中定義了該幀是管理幀、控制幀還是數(shù)據(jù)幀。

(2)持續(xù)時間/標志(Duration/ID)。大部分幀中，這個域內(nèi)包含持續(xù)時間的值，值的大小取決于幀的類型。通常每個幀一般都包含表示下一個幀發(fā)送的持續(xù)時間信息。例如，數(shù)據(jù)幀和應答幀中的Duration/ID字段表明下個分段和應答的持續(xù)時間。網(wǎng)絡中的工作站就是通過監(jiān)視這個字段，依據(jù)持續(xù)時間信息來推遲發(fā)送的。只在節(jié)能-輪詢控制幀中，Duration/ID字段載有發(fā)送端工作站14?bit重要的連接特性，置兩個保留位為1。這個標識符的取值范圍一般為1～2007(十進制)。

(3)?Address1/2/3/4(地址1/2/3/4)。地址字段包含不同類型的地址，地址的類型取決于發(fā)送幀的類型。這些地址類型可以包含基本服務組標識(BSSID)、源地址、目標地址、發(fā)送站地址和接收站地址。IEEE?802.11標準定義了這些地址的結(jié)構(gòu)。地址分為每一個站點的單獨地址和組地址。組地址又有兩種：組播地址和廣播地址。廣播地址的所有位均為1。

(4)序列控制(SequenceControl)。該字段最左邊的4?bit由分段號子字段組成。這個子字段標明一個特定MSDU的分段號。第一個分段號為0，后面發(fā)送分段的分段號依次加1。下面12?bit是序列號子字段，從0開始，對于每一個發(fā)送的MSDU子序列依次加1。一個特定MSDU的第一個分段都擁有相同的序列號。

(5)幀體(FrameBody)。這個字段的有效長度可變，為0～2312字節(jié)。該字段信息取決于發(fā)送幀。如果發(fā)送幀是數(shù)據(jù)幀，那么該字段會包含一個LLC數(shù)據(jù)單元(也叫MSDU)。MAC管理和控制幀會在幀體中包含一些特定的參數(shù)，這些參數(shù)由該幀所提供的特殊服務所決定。如果幀不需要承載信息，那么幀體字段的長度為0。接收工作站從物理層適配頭的一個字段判斷幀的長度。

(6)幀校驗序列(FCS)。發(fā)送工作站的MAC層利用循環(huán)冗余碼校驗法(CyclicRedundancyCheck，CRC)計算一個32?bit的FCS，并將結(jié)果存入這個字段。

3．MAC幀類型為了實現(xiàn)MSDU在對等邏輯鏈路層(LLC)之間的傳送，MAC層用到了多種幀類型，每種類型的幀都有其特殊的用途。IEEE?802.11標準將MAC幀分為三種類型，分別在工作站及AP之間提供管理、控制和數(shù)據(jù)交換功能。下面詳細介紹這三種幀的結(jié)構(gòu)。

1)管理幀管理幀負責在工作站和AP之間建立初始的通信，提供連接和認證等服務。在無競爭期(由集中控制方式所規(guī)定的)，管理幀的Duration(持續(xù)時間)字段被設置為32768D(8000H)，從而管理幀。在其他工作站獲得介質(zhì)訪問權(quán)之前，有足夠的時間建立通信連接。在競爭期(由基于CSMA的分布式控制方式所規(guī)定的)，管理幀的Duration字段設置如下：

(1)目標地址是成組地址時，Duration字段置0。

(2)?MoreFragment位設置為0，且目標地址是單個地址時，Duration字段的值是發(fā)送一個響應(ACK)幀和一個短幀間隔InterframeSpace所需的微秒數(shù)。

(3)?MoreFragment位設置為1，且目標地址是單個地址時，Duration字段的值是發(fā)送下一個分段、兩個ACK幀和三個短幀間隔所需的微秒數(shù)。工作站接收管理幀時，首先根據(jù)MAC幀地址1字段中的目標地址(DA)進行地址比較。如果目標地址和該工作站相匹配，則該站完成幀的接收，并把它交給LLC層；如果地址不匹配，工作站將忽略這個幀。下面介紹管理幀的子類型：

(1)連接請求幀(AssociationRequestFrame)。如果某工作站想連接到一個AP上，那么它就向這個AP發(fā)送連接請求幀。得到AP的許可后，工作站就連到了AP上。

(2)連接響應幀(AssociationResponseFrame)。AP收到一個連接請求幀之后，返回一個連接響應幀，指明是否允許和該工作站建立連接。

(3)再次連接請求幀(ReassociationRequestFrame)。如果工作站想和一個AP再次連接，就向AP發(fā)送此幀。當一個工作站離開一個AP的覆蓋范圍而進入另一個AP的范圍時，可能會產(chǎn)生再次連接。工作站需要和新的AP再次連接(不僅僅是連接)，以使AP知道，它要對從原來的AP轉(zhuǎn)交過來的數(shù)據(jù)幀進行處理。

(4)再次連接響應幀(ReassociationResponseFrame)。AP收到再次連接請求幀之后，返回一個再次連接響應幀，指明是否和發(fā)送工作站再次連接。

(5)輪詢請求幀(ProbeRequestFrame)。工作站通過發(fā)送輪詢請求幀，以得到來自另一個工作站或AP的信息。例如：一個工作站可發(fā)送一個輪詢請求幀，來確定某個AP是否可用。

(6)輪詢響應幀(ProbeResponseFrame)。工作站或AP收接輪詢請求幀之后，會向發(fā)送工作站返回一個包含自身特定參數(shù)(如：跳頻和直接序列擴頻的參數(shù))的輪詢響應幀。

(7)信標幀(BeaconFrame)：在一個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡中，AP定期地發(fā)送信標幀(根據(jù)MIB中的aBeaconPeriod參數(shù))，保證相同物理網(wǎng)中的工作站同步。信標幀中包含時戳(Timestamp)，所有工作站都利用時戳來更新計時器，IEEE?802.11定義其為時間同步功能(TimingSynchronizationFunction，TSF)計時器。如果AP支持集中控制方式，那么它就利用信標幀聲明一個無競爭期的開始。在獨立的BSS(是指無AP)網(wǎng)絡中，所有的工作站定期發(fā)送信標幀，確保網(wǎng)絡同步。

(8)業(yè)務聲明指示信息幀(ATIMFrame)。有的工作站負責緩存發(fā)向其他工作站的幀，前者會向后者發(fā)送ATIM(AnnouncementTrafficIndicationMessage)幀，接收端立即發(fā)送一個信標幀。隨后，負責緩存的工作站將緩存的幀發(fā)往對應的接收者。ATIM幀的發(fā)送使工作站從睡眠轉(zhuǎn)向喚醒，并保持足夠長的“清醒”時間來接收各自的幀。

(9)分離幀(DiassociationFrame)。如果工作站或AP想終止一個連接，只需向?qū)Ψ焦ぷ髡景l(fā)一個分離幀即可。廣播地址全部為1時，僅僅一個分離幀就可以終止和多個工作站的連接。

(10)認證幀(AuthenhcationFrame)。工作站通過發(fā)送認證幀，可以實現(xiàn)對工作站或AP的認證。認證序列由一個或多個認證幀組成，幀的多少由認證類型決定(開放系統(tǒng)還是公用密鑰)。

(11)解除認證幀(DeauthenticationFrame)。當工作站欲終止安全通信時，就向工作站或AP發(fā)送一個解除認證幀。管理幀幀體的內(nèi)容由所發(fā)送的管理幀的類型決定。

IEEE?802.11標準描述了管理幀的幀體元素。如果需要詳細的字段格式等信息，請參看相關(guān)標準。下面對各元素進行概括的介紹：

(1)認證算法號(AuthenticationAlgorithmNumber)。本字段指明被認證工作站和AP所采用的認證算法。0表示開放系統(tǒng)認證法，1表示公用密鑰認證法。

(2)認證處理序列號(AuthenticationTransactionSequenceNumber)。該字段表明認證過程進行的狀態(tài)。

(3)信標間隔(BeaconInterval)。本字段表示發(fā)送兩個信標之間間隔的時間單元個數(shù)。

(4)能力信息(CapabilityInformation)。工作站用本字段聲明自己的能力信息。例如：它可以在這個元素中標明自己希望被輪詢。

(5)當前AP地址(CurrentAPAddress)。本字段用于標明目前和工作站相連的AP的地址。

(6)監(jiān)聽間隔(ListingInterval)。以信標間隔為時間單位，表明工作站每隔多少個時間單位就被喚醒，以監(jiān)聽信標管理幀。

(7)原因代碼(ReasonCode)。以一個被編號的代碼表明工作站斷開連接或解除認證的原因。常有以下幾種原因：●剛剛進行的認證不再有效。●休止狀態(tài)而導致斷開連接?！窆ぷ髡镜倪B接請求遭到響應工作站的拒絕。

(8)連接標識(AssociationID：AID)。在連接中，由AP分配的這個ID是從一個工作站響應給另一工作站的16bit的標識符。

(9)狀態(tài)碼(StatusCode)：該碼表明某一特定操作的狀態(tài)。常有以下幾種狀態(tài)：●成功?！癫幻髟虻氖??！裼捎贏P所能提供連接的工作站數(shù)量有限，而造成的連接被拒絕?！裼捎诘却蛄兄械南乱粋€幀超時，而造成的認證失敗。

(10)時戳(Timestamp)。這個字段包含工作站發(fā)送幀時的時鐘值。

(11)服務組標識(ServiceSetIdentify：SSID)。本字段包含擴展服務組(ESS)的標識符。

(12)支持速率(SupportedRates)。本字段指明某工作站所能接收的所有數(shù)據(jù)率。其值以500?kb/s為單位增加。MAC機制可以通過調(diào)整數(shù)據(jù)率來優(yōu)化幀的發(fā)送操作。

(13)跳頻參數(shù)設置(FHParameterSet)。本字段指明利用跳頻PHY同步兩個工作站時必須用到的延遲時間和跳頻模式。

(14)直接序列擴頻參數(shù)設置(DSParameterSet)。該字段指明使用直接序列擴頻PHY的工作站的信道數(shù)。

(15)無競爭參數(shù)設置(CFParameter)。本字段包含集中控制方式(PCF)的一系列參數(shù)。

(16)業(yè)務指示表(TIM)。這個元素指明工作站是否有MSDU緩存在AP中。

(17)獨立基本服務組參數(shù)設置(IBSSParameterSet)。本字段包含獨立基本服務組(IndependentBasicServiceSet：IBSS)網(wǎng)絡的參數(shù)。

(18)質(zhì)詢文本(ChallengeText)。本字段包含公用密鑰認證序列的質(zhì)詢文本。

2)控制幀當工作站和AP之間建立連接和認證之后，控制幀為幀數(shù)據(jù)的發(fā)送提供輔助功能。圖2-15示意了常見的控制幀流。圖2-15控制幀提供發(fā)送和接受工作站之間的同步

(1)控制幀子類型的結(jié)構(gòu)。①請求發(fā)送(RTS)：工作站向某接收工作站發(fā)送RTS幀，以協(xié)商數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。通過MIB中的aRTSThreshold屬性，可以將工作站加入RTS幀序列，將幀設置成一般、從不或者僅僅比一個特定的長度長。圖2-16是RTS幀的格式示意圖。Duration字段的值以微秒為單位，是發(fā)送工作站發(fā)送一個RTS幀、一個CTS幀、一個ACK幀和三個短幀間隔(SIFS)所需的時間。圖2-16RTS幀的格式②清除發(fā)送(CTS)：收到RTS后，接收工作站向發(fā)送工作站返回一個CTS幀，以確認發(fā)送工作站享有發(fā)送數(shù)據(jù)幀的權(quán)力。工作站一直都留意Duration信息并響應RTS幀，即使該工作站沒有在RTS幀序列中。③應答(ACK)：工作站收到一個無誤的幀之后，會向發(fā)送工作站發(fā)送一個ACK幀，以確認幀已被成功地接收。

Duration字段的值以微秒為單位，當前述的數(shù)據(jù)幀或管理幀的幀控制字段中更多分段bit(MoreFragmentbit)為0時，該Duration字段的值也為0；當前述的數(shù)據(jù)幀或管理幀的幀控制字段中更多分段bit為1時，該Duration字段的值等于前述的數(shù)據(jù)幀或管理幀的Duraion字段的值減去發(fā)送ACK幀和SIFS間隔的時間。④節(jié)能輪詢(PSPoll)：當工作站收到PSPoll幀后，會更新網(wǎng)絡分配矢量(NAV)。NAV用于表明工作站多長時間內(nèi)不能發(fā)送信息，它包含對介質(zhì)未來通信量的預測。圖2-17是PSPoll幀的格式示意圖。圖2-17PSPoll幀的格式⑤無競爭終點(CFEnd)：CFEnd標明集中控制方式的無競爭期的終點。圖2-18是CFEnd幀的格式示意圖。這類幀的Duration字段一般設置為0，接收地址(RA)包含廣播組地址。圖2-18CFEnd幀的格式⑥CFEnd+CFACK：該幀用于確認CFEnd幀。圖2-18是CFEnd+CFACK幀格式的示意圖。這類幀的Duration字段一般設置為0，而且接收地址(RA)包含廣播組地址。

(2)?RTS/CTS的使用。由于網(wǎng)絡有時只能實現(xiàn)部分連通，因此無線局域網(wǎng)協(xié)議必須考慮可能存在的隱藏工作站。這時可以通過AP的安裝程序激活RTS/CTS模式。當存在隱藏工作站的可能性較高時，RTS/CTS的性能比基本訪問優(yōu)越得多。另外，當網(wǎng)絡使用率增加時，RTS/CTS性能的降低速度比基本訪問慢得多。但是，如果隱蔽工作站存在的可能性很低，RTS/CTS反而會導致網(wǎng)絡吞吐量的降低。在如圖2-19所示的網(wǎng)絡中，工作站A、B都可以和AP直接通信，但障礙物阻止了A和B之間的直接通信。如果B正在發(fā)送信息的時候，A也準備訪問介質(zhì)，而A檢測不到B正在發(fā)送信息，這時碰撞就會發(fā)生。圖2-19工作站A、B之間的障礙物會引發(fā)訪問碰撞為了防止由于隱藏網(wǎng)點和高利用率所帶來的碰撞，正在發(fā)送信息的工作站B應該向AP發(fā)送一個RTS幀，請求占有一段時間的服務。如果AP接收這個請求，它會在這段時間內(nèi)向所有工作站廣播CTS幀，則這段時間內(nèi)，包括A在內(nèi)的所有工作站都不會企圖訪問介質(zhì)了。使用RTS/CTS功能時，可以通過AP或無線電卡的配置文件來設置信息包的最小長度，其值一般在100～2048字節(jié)之間。值得注意的是：信息包的長度設置得過小，會極大地增加網(wǎng)絡的系統(tǒng)開銷。

RTS/CTS交換的同時進行快速的碰撞推斷和傳送線路檢測。如果發(fā)送RTS的工作站沒有探測到返回的CTS，它就會重復發(fā)送操作(遵守其他的介質(zhì)使用規(guī)則)，其重發(fā)速度遠比發(fā)送長數(shù)據(jù)幀之后無ACK幀返回時快。RTS/CTS介質(zhì)訪問機制并不適合所有的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，因為附加的RTS和CTS幀會增大系統(tǒng)開銷，降低效率。RTS/CTS尤其不適合短的數(shù)據(jù)幀。

3)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀的主要功能是傳送信息(如介質(zhì)服務數(shù)據(jù)單元)到目標工作站，轉(zhuǎn)交給LLC層(見圖2-20和表2-1)。數(shù)據(jù)幀可以從LLC