0x03-无线局域网

无线局域网先导语

无线局域网也是一种局域网技术，它和以太网有很多相似的地方。以太网是通过有线信道传输数据的，无线局域网是通过无线信道来传输数据的，因此两者之间也有许多不一样的地方。

为了拓展无线局域网的范围，通常是把无线局域网作为一个一个的网段，用接入点AP连接到以太网上，由以太网来互联这些网段，从而实现不同的无线局域网终端之间的互相通信。

因此，这一讲的主要内容如下：

通过学习，我们希望能够达到这些目标：

无线数据传输

学习内容：

完整的过程：

无论是解调还是调制，在无线局域网中都是通过无线网卡来实现的。

所以可见光及以上都不能用。
所以通常把微波段电磁波用作数据传输。

电磁波的特点：

• 能量损耗与传播距离的平方成正比（发射功率受限，能量不能太大，因此电磁波的传输范围是有限的）
• 电磁波频率越高越接近于可见光，由于这种特性，有些障碍物直接能够阻挡电磁波的穿越，而有些障碍物电磁波虽然能够穿越，但是它的能量受到很大损失。比如穿墙路由器啥的。
• 干扰（尤其是ISM频段，因为它是*开放的，随便用，所以更可能干扰。）。在使用过程中，尽量保证在有效的适用范围内不要有相同频率的电磁波的发射源。在坐飞机时要求关机就是这个原理。
• 多径效应
• 隐蔽站问题（一个终端检测不到另一个终端发射的电磁波的能量，两个终端对于对方都是不可见的，即是隐蔽的，比如终端A和终端C，但是对于A和C来说，B都是可见的，那么A和C同时向B发送数据的时候就会冲突。）
• 暴露站问题（看图即可，有点说不清。总之就是，B在向A发送数据的同时，C想向D发送数据。但是由于B的影响范围包括A和C，C检测到媒体上有信号，为了避免冲突就不发送数据，然而呢，它发送数据的话是给D，并不影响B向A发送。这种能检测到媒体上已存在信号，但又不影响站点发送数据的问题叫做暴露站问题。）

多径效应：到达接收端的电磁波沿着不同的路径传输，到达接收端时可能就失真了，解决这种情况的办法是增加天线。

隐蔽站问题：

暴露站问题：

综合以上特点，我们可以发展无线网络通信与有线通信的主要不同：

• 传输速率 终端位于不同位置时，接收到的信号的强度和信噪比都会不同。根据香农定理，数据传输速率取决于电磁波的带宽及信号的信噪比。所以可以得出结论-位于无线局域网中不同位置的终端，其传输速率可能不同。
• 信号再生 ----有线信号可以再生，因为有线信号的传输方向是可以确定的，所以我们可以在适当的位置增加中继器这种的放大器。所以对于有线信号来说，接收端接收到的信号的质量和接收端与发送端之间的距离无关。但是无线信号是没有办法再生的。接收端接收到的信号质量和接收端与发送端之间的距离有关。

无线局域网体系结构

不同类型的传输网络有着不同的功能划分和协议标准，也就是有着不同的体系结构。
接下来的学习内容：

与以太网相比，它多了个LLC子层。
功能分配如下：

我们先开看一下LLC这层：
这一层主要是在上层提供的数据基础之上，加上一个数据类型，然后在前面再加上6个字节的固定的值，这6个字节主要是来表示无线局域网数据类型。
要特别说明一下，为什么无线局域网不像以太网那样在MAC帧当中直接增加一个数据类型，而要增加一层来增加一个数据类型？
在以太网中制定了两个标准：

• DIX（Dec、Intel、Xerox，即3个厂家）定义的以太网标准中MAC帧有数据类型。
• IEEE(电子和电气工程师协会)定义的局域网标准中MAC帧无数据类型。

以太网中采用的是DIX定义的标准，无需LLC子层。

802委员会制定的无线局域网标准：

MAC即链路层是一样的，不同的协议标准的不同体现在物理层。

无线局域网标准：

2.4G频段成本低，应用广泛。

扩频技术是用来提高带宽的。

小结：

无线局域网组网方式

对于不同的应用需求，需要有不同的无线局域网组网方式。
下面来学习常用的组网方式：

最简单的需求就是几台相距不远的笔记本电脑通过无线的方式来进行数据通信。

AP可以连接其他网络或者其他的基本服务集，与它们进行通信。
把基本服务集所覆盖的地理范围称为基本服务区（BSA）

独立基本服务集
在独立基本服务集当中，只能在同一个独立基本服务集当中的终端之间进行通信。而且由于电磁波的一些特性，它的传输距离不会太大；另外IBSS（独立基本服务集）是一个冲突域，所以终端数量不能太多。

我们来看一下独立基本服务集当中MAC帧的传输过程
在无线局域网中，MAC帧传输采用的是确认-重传机制，这一点跟总线型以太网不一样；每一个终端有一个全球唯一的MAC地址，这一点和以太网一样。目的终端正确接收到数据后要向发送端发送一个应答帧。

为什么无线局域网要求接收终端发送确认应答（ACK）？

独立基本服务集只能自己内部通信，因此通信范围非常小。如果要跟其他网络中的终端进行通信，我们可以采用基本服务集（BSS）。

基本服务集

基本服务集MAC帧传输过程
有了AP之后，源终端和目的终端可能在同一个BSS中，也可能不在同一个BSS中。如果在同一个BSS中，源终端可以直接向目的终端发送MAC帧；如果两个终端不在同一个BSS中，那么MAC帧必须要通过AP进行转发。
那么问题来了，源终端是怎么知道目的终端在同一个BSS还是不在同一个BSS呢？
它没法判断的。因此，还不如把判断目的终端在不在同一个BSS这个艰巨的任务交给AP，由AP来判断源终端和目的终端是否在同一个BSS。因此同一BSS中的终端之间通信也要经过AP转发。

如果服务集中终端的距离相距较远，那么AP电磁波的范围包含不了某些终端，那么我们可以采取这样的办法：即在AP电磁波的覆盖范围之内增加另外一个AP。这就是AP-repeater模式。

终端A，终端B和AP1构成BSS1；终端C，终端D和AP2构成BSS2。
AP-repeater模式的MAC帧传输过程

传输过程中是逐段应答的。

扩展服务集ESS
如果说要扩展无线局域网的通信范围的话，还是要采用**扩展服务集（ESS）**的方式。
也就是说把每一个基本服务集（BSS）作为一个一个的网段，然后通过AP连接到以太网上，由以太网来互联这些网段，来达到不同的服务集之间数据的传输以及无线局域网和以太网之间终端之间的数据通信。

AP起到的作用和前面是不一样的，因为这牵扯到两种类型的网络。但是无线局域网和以太网之间有很多相同的地方，第一个，它们的MAC地址是一样的；第二个，它们具有相似的MAC帧格式；第三个，AP具有网桥的特性，AP一方面连接着以太网，另一方面连接着无线局域网。那么AP至少有两种不同的端口：一种是可以连接无线信道的端口，另一种是连接以太网的端口。
连接无线的它是一段电磁波的频段，因此AP连接无线信道的端口是虚拟的端口。这是AP的特性。

在传输过程当中，无线局域网相当于一个网段，由AP实现MAC帧在以太网和无线局域网之间的转发。在以太网和无线局域网中MAC帧的格式是不同的，所以AP还要实现以太网的MAC帧格式和无线局域网MAC帧格式相互转换的过程。

ESS的MAC帧传输过程
1、无线终端与有线终端之间的MAC帧传输过程：比如从终端A到终端C的传输过程

也是分成几个步骤：首先把终端A作为发送端，AP1作为接收端。然后数据封装成相应的MAC帧以后发送给AP，AP收到正确的数据之后需要向终端A发送应答帧ACK。也就是说在BSS中需要有应答。
AP1接收到MAC帧以后，因为它要转发到另一个传输网络以太网中，因此要进行MAC帧格式的转换。而在以太网中传输要按照以太网的工作原理来传输数据，不需要应答帧。
这就实现了从无线终端到有线终端的MAC帧传输过程。

2、属于不同BSS的两个无线终端之间MAC帧的传输过程：

分为3个过程：终端A到AP1，AP1到AP2，AP2到终端F。
在这3个过程中，需要进行两次MAC帧格式的转换，一次是从BSS1的无线局域网MAC帧格式转换成以太网的MAC帧格式，第二次是从以太网的MAC帧格式转换成BSS2的无线局域网的MAC帧格式。在BSS中需要确认应答，在以太网中不需要确认应答。

无线分布式系统（WDS）
我们在实际的应用过程中可能会碰到这样的情况：
两个以太网相距的距离并不远，但是它中间可能存在着河流这样的障碍物，如果要在空中假设电缆或者铺设地下电缆显得很不方便，那么我们可以通过两个无线网桥把两个以太网连接起来。

无线网桥与交换机功能很相似。无线网桥与交换机不同的是：它同时存在连接无线链路和有线链路的端口。它连接无线链路的端口是虚拟的逻辑端口，因为无线通信是通过电磁波来传播的，信道实际上是占据的一段电磁波频段。转发MAC帧时逻辑端口等同于连接优先链路的端口。无线网桥在两种不同类型端口之间进行MAC帧转发时要进行MAC帧格式转换。

WDS的网络结构
用一个网桥连接一个以太网，用另外一个网桥连接另一个以太网，无线链路实现两个网桥之间的互联。无线链路在MAC帧的传输过程中等同于以太网的一个网段。无线链路由两个无线网桥的MAC地址来唯一标识。比如无线网桥1的V2端口就可以如下图这样标识。

WDS的MAC帧传输过程
WDS的MAC帧传输也是三段式的。
从终端A到无线网桥1，从无线网桥1到无线网桥2，从无线网桥2到终端F。

终端A到无线网桥1的传输过程是按照以太网的那一套来弄的等等。
而无线网桥1到无线网桥2的传输过程是按照无线局域网的一些要求，无线网桥2在收到网桥1的正确数据之后要向网桥1发送一个应答帧。
而无线网桥2到终端F是按照以太网的那一套来弄的。
也就是说，过程1传输的是以太网的MAC帧，按照以太网的规则传输到网桥1.网桥1把以太网MAC帧转换成无线局域网MAC帧，然后按照无线局域网的那一套传给无线网桥2.然后无线网桥2将无线局域网MAC帧转换成以太网MAC帧然后按照以太网的那一套传给终端F。

无线家庭网络

无线局域网与移动互联网

无线局域网的MAC帧

无线局域网的MAC帧格式和以太网的MAC帧格式相似，但是也有很多区别。无线局域网的MAC帧要复杂一些，主要体现在控制信息特别的多。我们主要学习几个主要的控制字段，特别是地址字段的含义和使用。

MAC帧的格式只是一般的，完整的格式（就像新华字典一样，啥字都有，但是你写作文不一定都得用上）。在无线局域网中有3种类型的MAC帧：控制、管理和数据。
每一种类型的MAC帧它们的控制信息相互之间的差别是很大的。
每一种类型的MAC