夜光:计算机网络笔记(三十八)
夜光序言:
他怎会不知,时光多可怕,如果不每日在人前走一遭,怕时光一烙印,面目全非,她再难记起,这个世上,还有这样一个人。
正文:
802.11 无线 LAN
要点是理解 AP 在转发以太网(有线网)帧和 802.11(网线网)帧时,两种类型帧之间 的转换过程。
有几个有关无线 LAN 的 802.11 标准,包括 802.11b,802.11a,802.11g 和 802.11n。
802. 11 标准都使用相同的介质访问协议 CSMA/CA。
802.11b:2.4-5 GHz 频段不需要许可,可达 11 Mbps;
802.11a:5-6 GHz 频段,可达 54 Mbps;
802.11g:2.4-5 GHz 频段,可达 54 Mbps;
802.11n: 2.4-5 GHz 频段,可达 200 Mbps,多个天线。
1 802.11 体系结构
802.11 体系结构的基本构件是基本服务集,一个 BSS 通常包含一个或多个无线站点和 一个称为接入点(Access Point,AP)的基站。
与以太网设备类似,每个 802.11 无线站点都具有一个 6 字节的 MAC 地址,该地址存储在该站适配器的固件中。每个 AP 的无线接口也具有一个 MAC 地址。
配置 AP 的无线 LAN 经常被称作基础设施无线网络,其中的“基础设施”是指 AP 以及 互联 AP 和路由器的有线以太网。
信道与关联
在 802.11 中,每个无线站点在能够发送或者接收网络层数据之前,必须与一个 AP 相关 联。所有 802.11 标准都使用了关联。
当网络管理员安装一个 AP 时,他为该 AP 分配一个单字或双字的服务集标识符。
无线站点与 AP 的关联过程:
802.11 标淮要求每个 AP 周期性地发送信标帧,每个信标帧包括该 AP 的 SSID(Service Set Identifier)和 MAC 地址。
通常主机会选择接收到具有最高信号强度的信标帧,选定与之关联的 AP 后,无线主机向 AP 发送一个关联请求帧;
AP 以一个关联响应帧进行响应。
一旦与一个 AP 关联,主机通过 DHCP 协议获取 IP 地址。它向关联的 AP 所属子网发送一个 DHCP 发现消息以获取在该子网中的一个 IP 地址。获得地址后,主机就可以通信了。
为了与 AP 创建一个关联,无线站点可能需要认证。802.11 无线 LAN 提供了几种不同的认证和接入方法,例如 WEP、WPA 等。
2 802.11 协议
无线站点与一个 AP 相关联后,它就可以经 AP 开始发送和接收数据帧。因为许多站点 可能希望同时传输数据帧,因此需要一个多路访问协议来协调传输。
802.11 无线 LAN 选择了带碰撞避免的 CSMA/CS 作为介质访问控制协议。
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。
但是不同于以太网的是,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 使用链路层确认/重传机制。
802.11 的 CSMA 协议基本工作过程:
假设一个站点(无线站点或者 AP)有一个帧要发送。
1)如果初始时某站点监听到信道空闲,它将在一个被称作分布式帧间间隔(Distributed Inter-frame Spacing,DIFS)的短时间段后发送该帧。
2)否则,该站点选取一个随机回退值并且在侦听信道空闲时递减该值。当侦听到信道忙 时,计数值保持不变。
3)当计数值减为 0 时,该站点发送整个数据帧并等待确认。
4)目的站点收到一个通过 CRC 校验的帧后,它等待一段时间(Short interframe space,SIFS), 然后发回一个确认帧。
5)如果收到确认,发送站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,发送站将重新进人第二步中的回退阶段,并从一个更大的范围内选取随机值。
处理隐藏终端:RTS 和 CTS
802.11 协议也包括了一个极好的预约机制,以帮助在出现隐藏终端的情况下避免碰撞。
802.11 协议允许站点使用一个短请求发送 RTS 控制帧和一个允许发送 CTS 控制帧来预约对信道的访问。当发送方要发送数据帧时,它首先向 AP 发送一个 RTS 帧,指出传输数据帧和确认帧需要的总时间。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允许,也指示其他站点在预约期内不要发送。
RTS 帧和 CTS 帧的使用可以在两个重要方面提高性能:
.缓解了隐藏终端问题,因为长数据帧只有在信道预约后才被传输。
.因为 RT 帧和 CTS 帧较短,涉及 RTS 帧和 CTS 帧的碰撞仅持续很短的时间。
3 IEEE 802.11 帧
尽管 802.11 帧与以太网帧有许多共同特点,但它也包括了许多不同的字段。
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。这一字段允许的最大长度为 2312 字节,但它通常小于 1500 字节。802.11 帧也包括一个循环冗余校验码。
地址字段
802.11 帧具有 4 个地址字段,当 AP 在白组织模式中互相转发时使用第 4 个地址。在基 础设施网络中使用前 3 个地址字段。
802.11 标准定义这些字段如下:
.地址 2 是传输帧的源站点的 MAC 地址。
.地址 1 是要接收帧的无线站点的 MAC 地址。
.地址 3 在一个前往 AP 的帧中是以太网的目的 MAC 地址,在一个前往主机的帧中是源主机的 MAC 地址。
例子:在这幅图中,有 1 个 AP 一些无线站点。每个 AP 到路由器有链路连接,路由器又连接到全球因特网。由于 AP 是链路层设备,它没有 IP 地址。当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 H1 之间有一个 AP。从路由器的角度来看,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),使用ARP查到H1的MAC地址,
构造以太网帧后发送了出去;
.当以太网帧到达 AP 后,该 AP 在传输到无线信道之前,先将该以太网帧转换为一个 802.11 帧。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 插人 R1 的 MAC 地址。
当一个数据报从无线站点 H1 移动到 R1 时:
.H1 生成一个 802.11 帧,分别用 AP 的 MAC 地址和 H1 的 MAC 地址填上地址 1 和地址 2字段 。对于地址 3,H1 插入 R1 的 MAC 地址。
.当 AP 接收这个 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 是 AP 在构建以太网帧时的目的 MAC地址。
序号、持续期和帧控制字段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 802.11 帧序号字段与传输层序号有着完全相同的作用。
802.11 协议允许传输节点预约信道一段时间,包括传输数据帧的时间和传输确认的时间, 这个值被填充在帧的持续期字段中。
4 在相同子网中的移动性
为了增加无线 LAN 的物理范围,经常会在同一个子网中部署多个 BSS。这就引出了在多个 BSS 之间的移动性问题。当这些 BSS 属于同一子网时,移动性相对简单。当站点在不同子网间移动时,就需要复杂的移动性管理协议了。
在同一子网中的不同 BSS 之间的移动,两个 BSS 中的所有站点包括 AP 都属于同一个 IP 子网。因此,当从 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。
5 802.11 中的高级特色
802.11 速率适应:某些 802.11 实现具有一种速率自适应能力,该能力根据当前和近期 信道特点自适应地选择物理层调制技术。
能量管理: 802.11 标准提供了能量管理能力,以使 802.11 节点最小化它们的侦听、传输和接收功能。
在 AP 发送信标帧前,节点恰好唤醒,并迅速进入活动状态。 如果节点没有缓存的帧,
它能够返回睡眠状态。节点也可以通过向 AP 发送一个探询报文明确地请求发送缓存的帧。
IEEE 802.11 标准主要用于相距大约 100 m 的设备间的通信。蓝牙和 WiMax,分别是短距离和长距离通信的标准。