无线网络学习笔记（1）

一，无线网络导论

1，ISM频带

ISM频带，工业（industrial），科学（scientific），医疗（medical），ISM频带是保留给工业，科学，医疗使用的频带，在这些频带之内，只要功率符合要求，不需要申请许可证就可以使用。802.11

2，802.11b/g概述使用2.4GHz ISM频带，802.11a使用5GHz,

 

二，802.11网络概述,

1，IEEE 802.11是一个协议簇，主要包含以下规范（技术族谱）：

1）物理层规范：802.11b，802.11a，802.11g；

2）增强型MAC层规范：802.11i，802.11r，802.11h等；

3）高层协议规范：802.11f，802.11n，802.11p，802.11s等。

2，802.11和OSI模型的关系

IEEE802规范将重心放在OSI模型的最下面两层

2，网络类型

WLAN有以下三种网络拓扑结构：

1）独立基本服务集(Independent BSS, IBSS)网络(也叫ad-hoc网络)；

2）基础架构型基本服务集(Infrastructure Basic Service Set, BSS)网络；

3）扩展服务集(Extent Service Set, ESS)网络。

以上为WLAN的三种拓扑架构

 

3，网络服务

STA服务：

1），身份认证（Authentication），建立关联之前用来进行身份验证、

2），解除身份认证(Deauthentication)，副作用是终止当前关联

3），加密(Privacy)、用来防止窃听

4），MSDU传递(MSDU delivery)，用来传送数据至接收端

5），传输功率控制和动态频率选择

DS（分布式系统，AP）服务：

1），分布式，一旦接入点收到数据，就是使用分布式服务将帧送至目的地，

2），整合，整合由分布式系统提供服务，它让分布式系统得以连接至非802.11网络

3），关联(Association)、用来建立AP（作为网关使用）和移动特定工作站之间的关联，

4），解除关联(Deassociation)、

5），重新关联(Ressociation)。用来变更AP（作为网关使用）和移动特定工作站之间的关联，

4，移动性的支持

移动性是采用802.11网络的主要动机所在，在工作站移动时传送数据，就好比在移动时用手机通话。

802.11所提供的移动性存在于链路层的基本服务区域之间，就802.11而言，接入点之间可以出现3种转换

1，不转换；2，BSS转换；3，ESS转化。

 

三，802.11MAC基础

1，MAC所面临的挑战

1）射频链路品质

无线链路(radio link)的数据传输会受到噪声于干扰的影响。多径衰落造成的布线死区（dead line）也可能导致帧无法传送，因此采用肯定确认机制（positive acknowledgment），所有传出去的帧必须得到相应。

上图所列的步骤为一个原子操作，所谓原子操作，即不可分割的，非成即败，即完成所有的动作-成功，否则就失败，不存在第三种情况，和Linux内核片成的原子变量一个解释

 

2）隐藏节点的问题

为了防止冲突发生，802.11允许工作站使用Request to send(RTS)请求发送以及Clear to Send(CTS)清除发送，由于RTS，CTS帧会延长帧交易的过程，因此RTS，CTS，数据帧，以及最后的相应帧均会被视为原子操作的一部分。

 

2，MAC访问模式与时机

1），ethernet之类的CSMA\CA访问是由分布式协调功能（distributed，coordination function，DCF）控制，

2），如果需要用到无竞争服务（contention-free service），可通过构建有DCF之上的（point coordination function，PCF）点协调功能，

3），介于两者之间的混合型协调功能（hybrid coordination function – HCF）

3，载波监听与网络分配矢量

载波监听功能（carrier sensing）主要用于来判断媒体是否处于可用的状态（物理载波监听，虚拟载波监听）

1），物理载波监听：有时不能提供所有必要的信息，价格昂贵，

2），虚拟载波是由网络分配矢量（network allocation vector，NAV）来实现的，802.11帧通常会包括一个duration字段，用来预定一段媒介的使用时间，NAV本身就是一个定时器，以微秒为单位，工作站将NAV设定为预计使用媒介的时间，只要NAV的值不为零，就代表媒介处于忙碌状态，反之，虚拟载波监听功能会显示媒介处于闲置状态。

 

4，帧间间隔

a，短帧间间隔（short interframe space，SIFS），用于高优先级的传输场合（RTS/CTS）

b，PCF帧间间隔（PCF interframe space，PIFS），用于无竞争式服务中

c，DCF帧间间隔（DCF interframe space，DIFS），用于竞争式服务中最短的媒介闲置时间

d，扩展帧间间隔（extended interframe space，EIFS），用于帧传输出错时才会用到

 

5，DCF的退避算法

6，帧的分段与重组

当上层封包的大小超过网络管理人算所设定的阈值时，就会进行帧的分段，每个帧片段（fragment）都有相同的帧序号（frame sequence number）以及一个递增的帧片段号（fragment  number）以便于重组，帧控制信息（frame control information）用来指示是否还有其他帧片段等待接收，构成整个帧的所有帧片段会在所谓的片段突发期进行传送，

7，帧的格式

 |  frame control  |   duiration/ID  |  addr1  |  addr2  |  addr3  | seq-ctl  |  addr4  |  frame-body  |  FCS  |

802.11帧分为三个部分：帧头（Mac header）、帧实体(body)、FCS域。分为MAC header、Frame Body和FCS。

MAC header由4个字段构成，分别为：Frame Control、Duration ID、Address、Seq-ctl,

1），帧控制字段

a，version字段：

Protocol（协议版本）字段由两位构成，用显示该帧所使用的MAC版本。目前802.11 MAC只有一个版本，它的协议编号为0。

b，type和subtype字段详解

Management frame（管理帧：Type=00）^a

0000

Association request（关联请求）

0001

Association response（关联响应）

0010

Reassociation request（重新关联请求）

0011

Reassociation response（重新关联响应）

0100

Probe request（探测请求）

0101

Probe response（探测响应）

1000

Beacon（信标）

1001

ATIM（通知传输指示消息）

1010

Disassociation（取消关联）

1011

Authentication（身份验证）

1100

Deauthentication（解除身份验证）

1101～1111

Reserved（保留，未使用）

Control frame（控制帧：Type=01）^b

1010

Power Save（PS）- Poll（省电－轮询）

1011

RTS（请求发送）

1100

CTS（清除发送）

1101

ACK（确认）

1110

CF-End（无竞争周期结束）

1111

CF-End（无竞争周期结束）＋CF-ACK（无竞争周期确认）

Data frame（数据帧：Type=10）^c

0000

Data（数据）

0001

Data+CF-ACK

0010

Data+CF-Poll

0011

Data+CF-ACK+CF-Poll

0100

Null data（无数据：未传送数据）

0101

CF-ACK（未传送数据）

0110

CF-Poll（未传送数据）

0111

Data+CF-ACK+CF-Poll

1000

Qos Data ^c

1000~1111

Reserved（保留，未使用）

1001

Qos Data + CF-ACK ^c

1010

Qos Data + CF-Poll ^c

1011

Qos Data + CF-ACK+ CF-Poll  ^c

1100

QoS Null（未传送数据）^c

1101

QoS CF-ACK（未传送数据）^c

1110

QoS CF-Poll（未传送数据）^c

1111

QoS CF-ACK+ CF-Poll（未传送数据）^c

c，To DS与From DS位

这两个位用来指示帧的目的地是否为分布式系统（distribution system）。在基础结构型网络里，每个帧都会设定其中一个DS位

 

To DS=0To DS=1From DS=0所有管理与控制帧。IBSS里的数据帧（非基础结构型数据帧）基础结构型网络里无线工作站所传送的数据帧From DS=1基础结构型网络里无线工作站所收到的数据帧无线桥接器上的数据帧

 

d，MF，more frame

此位的功能类似IP的“more fragments“位。若较上层的封包经过MAC分段处理，除了最后一个片段，其他片段均会将此位设定为1。大型的数据帧以及某些管理帧可能需要加以分段，除此之外的其他帧则会将此位设定为0

 

e，retry，重传帧

有时候可能需要重传帧。任何重传的帧会将此位设定为1以协助接收端剔除重复的帧。

 

f，电源管理

此位用来指出发送端在完成当前的原子帧交换之后是否进入省电（power-save）模式，1代表工作站即时入省电模式，而0则代表工作站会一直保持在清醒状态。

 

g，More data位
为了服务处于省电模式中的工作站，接入点会将这些从分布式系统接收来的帧加以缓存。接入点如果设定此位，即代表至少有一个帧等待给休眠中的工作站

 

h，Protected Frame位
相对于固定式网络，无线传送本质上就比较容易被拦截。如果帧受到链路层安全协议的保护，则此位会被设定为1，而且该帧会略有不同。之前的Protected Frame位被称为WEP位

 

i，Order位
帧与帧片段可依次传送，不过发送端与接收端的MAC必须付出额外的代价。一旦进行严格依序（strict ordering）传送，则此位会被设定为1，否则这个位必然为0。