计算机网络：IEEE 802.11 无线局域网

1.无线局域网的组成

无线局域网可分为两大类:有固定基础设施的无线局域网和无固定基础设施的移动自组织网络。所谓“固定基础设施”，是指预先建立的、能覆盖一定地理范围的固定基站。

(1)有固定基础设施无线局域网

对于有固定基础设施的无线局域网，IEEE 制定了无线局域网的 802.11 系列协议标准，包括 802.11a/b/g/n 等。802.11 使用星形拓扑，其中心称为接入点(Access Point，AP)，在 MAC 层使用 CSMA/CA 协议。使用 802.11 系列协议的局域网又称 Wi-Fi。

802.11 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集 BSS(Basic Service Set, BSS)。一个基本服务集包括一个接入点和若干移动站。各站在本 BSS 内之间的通信，或与本 BSS 外部站的通信，都必须通过本 BSS 的 AP。上面提到的 AP 就是基本服务集中的基站(base station)。安装 AP 时，必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符(Service Set IDentifier，SSID）和一个信道。

SSID 是指使用该 AP 的无线局域网的名字。一个基本服务集覆盖的地理范围称为一个基本服务区（Basic Service Area，BSA)，无线局域网的基本服务区的范围直径一般不超过 100m。

一个基本服务集可以是孤立的，也可通过 AP 连接到一个分配系统（Distribution System，DS),然后再连接到另一个基本服务集，就构成了一个扩展的服务集（Extended Service Set，ESS)。分配系统的作用就是使扩展的服务集对上层的表现就像一个基本服务集一样。ESS 还可以通过一种称为 Portal(门户）的设备为无线用户提供到有线连接的以太网的接入。门户的作用相当于一个网桥。

移动站 A 如果要和另一个基本服务集中的移动站 B 通信，就必须经过两个接入点 AP1 和 AP2，即 A→AP1→AP2→B，注意 AP1 到 AP2 的通信是使用有线传输的。

移动站 A 从某个基本服务集漫游到另一个基本服务集时(A')，仍然可保持与另一个移动站 B 的通信。但 A 在不同的基本服务集使用的 AP 改变了。

(2)无固定基础设施移动自组织网络

称自组网络（ad hoc network)。自组网络没有上述基本服务集中的 AP，而是由一些平等状态的移动站相互通信组成的临时网络。各结点之间地位平等，中间结点都为转发结点，因此都具有路由器的功能。

自组网络通常是这样构成的: 一些可移动设备发现在它们附近还有其他的可移动设备，并且要求和其他移动设备进行通信。自组网络中的每个移动站都要参与网络中其他移动站的路由的发现和维护，同时由移动站构成的网络拓扑

自组网络和移动 IP 并不相同。移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方法连接到因特网，其核心网络功能仍然是基于固定网络中一直使用的各种路由选择协议。而自组网络是把移动性扩展到无线领域中的自治系统，具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。

2.802.11 局域网的 MAC 帧

802.11 帧共有三种类型，即数据帧、控制帧和管理帧。

数据帧的组成：

1. MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在 MAC 首部。

2. 帧主体，即帧的数据部分，不超过 2312 字节。它比以太网的最大长度长很多。

3. 帧检验序列 FCS 是尾部，共 4 字节。

802.11 帧的 MAC 首部中最重要的是 4 个地址字段，上述地址都是 MAC 硬件地址。这里仅讨论前三种地址(地址 4 用于自组网络)。这三个地址的内容取决于帧控制字段中的 “去往 AP” 和 “来自 AP” 这两个字段的数值。下表是最常用的两种。

地址 1 是直接接收数据帧的结点地址，地址 2 是实际发送数据帧的结点地址。

1. 现假定在一个基本服务集中的站 A 向站 B 发送数据帧。在站 A 发往接入点 AP 的数据帧的帧控制字段中，“去往 AP= 1”而“来自 AP= 0”; 地址 1 是 AP 的 MAC 地址，地址 2 是 A 的 MAC 地址，地址 3 是 B 的 MAC 地址。“接收地址”与“目的地址”并不等同。

2. AP 接收到数据帧后，转发给站 B，此时在数据帧的帧控制字段中，“去往 AP=0”而“来自 AP= 1";地址 1 是 B 的 MAC 地址，地址 2 是 AP 的 MAC 地址，地址 3 是 A 的 MAC 地址。请注意,“发送地址”与“源地址”也不等同。

下面讨论一种更复杂的情况。两个 AP 通过有线连接到路由器，现在路由器要向站 A 发送数据。路由器是网络层设备，它看不见链路层的接入点 AP，只认识站 A 的 P 地址。而 AP 是链路层设备，它只认识 MAC 地址，并不认识 IP 地址。

1. 路由器从 P 数据报获知 A 的 IP 地址，并使用 ARP 获取站 A 的 MAC 地址。获取站 A 的 MAC 地址后，路由器接口 R1 将该 IP 数据报封装成 802.3 帧(802.3 帧只有两个地址)，该帧的源地址字段是 RI 的 MAC 地址，目的地址字段是 A 的 MAC 地址。

2. AP 收到该 802.3 帧后，将该 802.3 帧转换为 802.11 帧，在帧控制字段中，“去往 AP=0”而“来自 AP= 1";地址 1 是 A 的 MAC 地址，地址 2 是 AP 的 MAC 地址，地址 3 是 R1 的 MAC 地址。这样，A 可以确定（从地址 3）将数据报发送到子网中的路由器接口的 MAC 地址。

现在考虑从站 A 向路由器接口 R1 发送数据的情况。

1. A 生成一个 802.11 帧，在帧控制字段中，“去往 AP= 1”而“来自 AP=0”; 地址 1 是 AP 的 MAC 地址，地址 2 是 A 的 MAC 地址，地址 3 是 R1 的 MAC 地址。

2. AP 收到该 802.11 帧后，将其转换为 802.3 帧。该帧的源地址字段是 A 的 MAC 地址，目的地址字段是 R1 的 MAC 地址。

由此可见，地址 3 在 BSS 和有线局域网互联中起着关键作用，它允许 AP 在构建以太网帧时能够确定目的 MAC 地址。