无线局域网组网技术

　 无线局域网的组网设计

　摘要

　无线局域网（WLAN）是90年代发展起来的网络技术，它通过无线的方式进行计算机通信，与传统有线局域网相比，WLAN具有速度快、可移动、易扩展、成本低等特点。近年来，WLAN得到了快速的发展，成为了宽带接入的主要技术之一。

　本文介绍WLAN的主要技术、应用发展及如何设计和建设WLAN网络。文章首先介绍了WLAN的技术特点，对IEEE802.11协议体系做了重点介绍其中包括IEEE802.11的物理层传输技术、数据链路层的关键技术以及IEEE802.11的安全机制。接着对WLAN产品及其应用发展进行了阐述，介绍了AP、无线网卡及WLAN网络的拓扑结构。文章介绍了WLAN在校园中的应用，对WLAN的应用发展提出了有建设性的指导思想。最后文章重点讨论了如何设计和组建WLAN网络，并通过组建WLAN网络的实际案例来阐述WLAN组网的整个过程。

　关键词：WLAN、802.11b、AP、网络应用、网络设计、网络建设

　 前 言

　 在这个“网络就是计算机”的时代，伴随着有线网络的广泛应用，以快捷高效，组网灵活为优势的无线网络技术也在飞速发展。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网（Wireless local-area network，WLAN）就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。

　通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点连接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长,对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。无线局域网就是解决有线网络以上问题而出现的。

　 无线局域网的历史

　 说到无线网络的历史起源，可能比各位想像的还要早。无线网络的初步应用，可以追溯到五十年前的第二次世界大战期间，当时美国陆军采用无线电信号做资料的传输。他们研发出了一套无线电传输科技，并且采用相当高强度的加密技术。当初美军和盟军都广泛使用这项技术。这项技术让许多学者得到了灵感，在1971年时，夏威夷大学（University of Hawaii）的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络，这被称作ALOHNET的网络，可以算是相当早期的无线局域网络（WLAN）。这最早的WLAN包括了7台计算机，它们采用双向星型拓扑（bi-directional star topology）,横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛（Oahu Island）上。从这时开始，无线网络可说是正式诞生了。

　虽然目前几乎所有的局域网络（LAN）都仍旧是有线的架构，不过近年来无线网络的应用却日渐增加，主要应用在学术界（像是大学校园）、医疗界、制造业和仓储业等，而且相关的技术也一直在进步，对企业而言要转换到无线网络也更加容易、更加便宜了。

　 无线局域网的技术特点

　 无线局域网利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。无线局域网的数据传输速率现在已经能够达到11Mbps，传输距离可远至20km以上。它是对有线联网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络联通问题。

　 1.无线局域网的优点

　 与有线网络相比，无线局域网具有以下优点：

　 安装便捷

　 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线施工工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点AP(Access Point)设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。

　 使用灵活

　 在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦无线局域网建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。

　 经济节约

　 由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造,而无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。

　 易于扩展

　 无线局域网有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，无线局域网就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游(Roaming)”等有线网络无法提供的特性。由于无线局域网具有多方面的优点，所以发展十分迅速。在最近几年里，无线局域网已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛应用。

　 2．无线局域网的相关技术

　 1). IEEE 802.11标准

　 IEEE 802.11是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE 802.11规定了无线局域网在2.4GHz波段进行操作，这一波段被全球无线电法规实体定义为扩频使用波段。

　 1999年8月，802.11标准得到了进一步的完善和修订，包括用一个基于SNMP的MIB来取代原来基于OSI协议的MIB。另外还增加了两项内容，一是802.11a，它扩充了标准的物理层，频带为5GHz，采用QFSK调制方式，传输速率为6Mb/s－54Mb/s。它采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。但是，采用该标准的产品目前还没有进入市场。另一种是802.11b标准，在2.4GHz频带，采用直接序列扩频（DSSS）技术和补偿编码键控(CCK)调制方式。该标准可提供11Mb/s的数据速率，还能够根据情况的变化，在11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps的不同速率之间自动切换。它从根本上改变无线局域网设计和应用现状，扩大了无线局域网的应用领域，现在，大多数厂商生产的无线局域网产品都基于802.11b标准。

　 2). 无线局域网的相关概念

　 在一个典型的无线局域网环境中，有一些进行数据发送和接收的设备，称为接入点(AP)。通常，一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户。在同时具有有线和无线网络的情况下，AP可以通过标准的Ethernet电缆与传统的有线网络相联，作为无线网络和有线网络的连接点。无线局域网的终端用户可通过无线网卡等访问网络。

　 无线局域网在室外主要有以下几种结构：点对点型、点对多点型、多点对点型和混合型。

　 在大多数情况下，无线通信是作为有线通信的一种补充和扩展。我们把这种情况称为非独立的无线局域网。在这种配置下，多个AP通过线缆连接在有线网络上，以使无线用户即能够访问网络的各个部分。

　 根据不同局域网的应用环境与需求的不同，无线局域网可采取不同的网络结构来实现互联。常用的具体有如下几种：

　 1、网桥连接型：不同的局域网之间互联时，由于物理上的原因，若采取有线方式不方便，则可利用无线网桥的方式实现二者的点对点连接，无线网桥不仅提供二者之间的物理与数据链路层的连接，还为两个网的用户提供较高层的路由与协议转换。

　 2、基站接入型：当采用移动蜂窝通信网接入方式组建无线局域网时，各站点之间的通信是通过基站接入、数据交换方式来实现互联的。各移动站不仅可以通过交换中心自行组网，还可以通过广域网与远地站点组建自己的工作网络。

　 3、HUB接入型：利用无线Hub可以组建星型结构的无线局域网，具有与有线Hub组网方式相类似的优点。在该结构基础上的WLAN，可采用类似于交换型以太网的工作方式，要求Hub具有简单的网内交换功能。

　 4、无中心结构：要求网中任意两个站点均可直接通信。此结构的无线局域网一般使用公用广播信道，MAC层采用CSMA类型的多址接入协议。

　 无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站（AP）、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，其中以无线网卡最为普遍，使用最多。无线局域网的关键技术，除了红外传输技术、扩频技术、网同步技术外还有一些其他技术，如：调制技术、加解扰技术、无线分集接收技术、功率控制技术和节能技术。

　 无线局域网的具体实现

　 笔者通过在实际工作中对无线局域网设备和技术实现有过较为深刻的接触。下面以广州凯创公司（Enterasys Networks）的RoamAbout 802.11系列无线局域网设备对无线局域网的具体实现加以简单介绍：

　 1． RoamAbout802.11设备简介：

　 Enterasys推出的RoamAbout无线网络解决方案，用于迅速、轻松和经济地建立无线LAN，它可以为用户提供类似以太网的可靠性能。RoamAbout 802.11系列产品由两部分组成：全功能交换接入点和2.4GHz直接序列扩频无线以太网PC卡。前者可以通过无屏蔽双绞线对，迅速而轻松地连接有线LAN；后者的功能类似于所有标准的有线以太网卡，但它使用射频而不是电缆来建立LAN连接。当用户在整个网络内漫游时，RoamAbout PC卡可以无缝地切换到不同接入点上，从而始终保持与网络的连接。

　 2． 工程具体实现实例：

　 例1：某税务分局大楼内已建成一条有线局域网，在分局大楼外有七个所需要通过无线局域网与大楼内的有线网相连接。分局大楼外的七个所，至分局最远距离15km，最近3km，其中有两个所在一栋建筑物内已建成一个小有线局域网，各所一般拥有2至4台工作站。我们采用的无线局域网产品工作在2.4GHz至2.4835GHz频率范围内，它要求两个通信点的天线之间最好没有物体遮挡，但由于大楼处于繁华地带，因此选择一个楼层较高的所作为无线局域网的中心站点。在中心站点上接入一个无线接入点AP-10D，其它各所通过接入一个站适配器SA-40D与中心站点的AP-10D进行通信，分局大楼内的有线局域网则通过接入一个无线网桥WB-10D与中心站点AP-10D进行通信。这样各所与分局所有站点对无线局域网的访问均通过中心站点的控制来实现，它们共享中心站点AP-10D的3M带宽。

　 例2：某集团公司各企业分布在不同的建筑物内办公，按常规设计必须专线连接，每月支付昂贵的月租费和维护费用，并且无法解决移动站点访问和存取公司网上信息。采用2.4GHz频段无线局域网产品，可以比较灵活地组成一体化企业网络，达到与专线相同的性能，并解决移动站点问题，且安装维护方便，不需交频率使用费。具体方法是使用无线接入点（AP）的桥接功能，一端与建筑物间天线相连，一端与有线网络Hub相连，这样把两栋大楼互相连接起来替代专线功能。周围移动站点通过无线接入点与公司有线网络互联，访问和存取公司信息。

　 结束语

　 无线网络的出现就是为了解决有线网络无法克服的困难。虽然无线网络有诸多优势，但与有线网络相比，无线局域网也有很多不足。无线网络速率较慢、价格较高，因而它主要面向有特定需求的用户。目前无线局域网还不能完全脱离有线网络，无线网络与有线网络是互补的关系，而不是竞争；目前还只是有线网络的补充，而不是替换。但也应该看到，近年来，随着适用于无线局域网产品的价格正逐渐下降，相应软件也逐渐成熟。此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动互联网的多媒体业务。相信在未来，无线局域网将以它的高速传输能力和灵活性发挥更加重要的作用！ireless Local Area Network）可定义为，使用射频（RF，Radio Frequency）微波（Microwave）或红外线（Infrared）,在一个有限地域范围内互连设备的通信系统。一个无线局域网可作为有线局域网的扩展来使用，也可以独立作为有线局域网的替代设施。因此，无线局域网提供了很强的组网灵活性。

　与有线局域网通过铜线或光纤等导体传输不同的是，无线局域网使用电磁频谱来传递信息。与无线广播和电视类似，无线局域网使用频道（Airwave）发送信息。其传输可以使用无线微波或红外线实现。一般应工作在ISM频段。

　1.1无线局域网的优点和局限性

　1.1.1优点

　无线局域网有下列优点：首先，无线局域网使用简易，能灵活地满足组网的要求；其次，减少了传统布线的需要，使其构建不需布线或者不会太昂贵，因此，除非运营商对接入因特网收费高的离奇，无线局域网能够降低运营商和用户双方的运营成本；第三，无线局域网明显提供了可移动性，能够添加、移动、修改设施。另一个优点是可伸缩性，在适当的位置放置或添加接入点和扩展点，就有可能满足扩展组网的需要。

　1.1.2局限性

　在某些领域中使用无线局域网收、数据会表现出其局限性。下面列出了使用无线局域网的五大局限性：

　传输范围

　吞吐量

　干扰

　成本

　移动平台的电池寿命

　无线局域网设备的低功率和高频率限制了其传输范围。传统的有线局域网通过使用光纤中继器可以达到数公里的传输范围，而无线设备的传输范围却只有几百米。

　到新世纪初，无线局域网的最大传输速率是2Mb/s。引入支持IEEE802.11b标准的设备将吞吐量提高到了11Mb/s,一旦符合IEEE802.11a标准的设备投放市场，吞吐量可能达到54Mb/s。

　与有线局域网的运行速率相比，旧的无线局域网技术似乎是一个瓶颈，而更重要的是考虑一个接入点所争用的节点数，而不是单一的吞吐量。比如，架设用802.11bLAN和一个快速以太网做比较。假定计划将一个无线局域网通过一个单独的接入点连入到一个100BaseT网段，以便为5个节点服务，在假设快速以太网中有80个节点。

　将无线局域网与有线局域网相比较，可以将运行速率除以节点个数，得出每种类型局域网的每个节点的数据率。对于有线局域网，100Mb/s/80得出平均速率为每节点1.25Mb/s。而无线局域网中注意到尽管通过接入点连接到以100Mb/s速率运行的有线局域网，但是802.11b局域网的接入点时被限制在只支持11Mb/s的数据率内。因此，每节点的平均数据率为0.733Mb/s。

　多径传播引起的干扰会限制吞吐量，电磁干扰也会影响传输。因此，适当的站点检测能把许多问题在尚未发生时就解决掉。

　几年前，无线局域网适配卡和接入部件还相对昂贵。尽管这些产品的成本都已经因为大规模的生产有所下降，但其价格还是比10Mb/s网卡贵许多倍。

　无线局域网的一个主要局限性就是移动平台的电池寿命。当无线局域网被用来在难以布线构建LAN的地方提供通信时，那个地方很有可能缺少电源插座。类似地，使用PDA在商店里边移动边检查库存，电源插座的存在就没有意义了，因为为设备的电池充电需要时间。因此，在很多场合下，移动平台的电池寿命势必系考虑的一个不小的局限性。

　1.2网络应用

　在医院里记录和提交有关病人的信息

　在大学校园了对特定活动进行技术支持

　控制批发和零售的库存

　通过宾馆、机场和公用楼群里的接口接入因特网

　通过简短通知来配置组织Ad-hoc短期培训中心

　不用添加、移动和修改设施的动态网络环境

　对商贸展览运作进行技术支持

　第二章 IEEE802.11MAC层功能介绍

　 本章主要介绍数据链路层功能及其实现过程，以及其分层结构，说明数据传输的握手过程，数据交换过程等等问题。在说明问题之前，有必要介绍一些专业术语以及MAC层的基本概念性知识。

　术语和概念介绍

　DCF

　 DCF是IEEE802.11MAC帧的最基本的访问方法，在所有STA中被贯彻执行，用于IBSS及构造网络中。

　 对于一STA帧的传送，首先侦听介质是否有另一个STA正传送数据，如果介质空闲，则传送可以进行，正在传送的STA必须保证试图传送前的一定的时间内介质是空闲的。如果介质忙，则该STA应延迟发送，直到当前传送结束。

　 可见DCF方式下，STA使用CSMA/CA和在介质忙时使用一随机延迟的方法允许在两个兼容的物理层间自动共享介质，另外所有正确的传输均以一个ACK帧进行确认，如果发送者没有受到ACK帧，则要将该帧进行重传。

　 当多个工作站同时访问一个介质时冲突最可能发生，而CSMA/CA减少了冲突发生的可能性。介质由忙变闲的瞬间(这可由载波侦听机制提供)是冲突发生率最高的时候，这是因为多个STA可能都一直在等着介质重新变为空闲。这种情况下需要一随机的后延程序以解决介质的竞争冲突问题。

　 实际的载波侦听机制是通过发布一预定信号预定介质来实现的。发布预定信息的途径之一是在实际的数据传输之前交换RTS和CTS信息帧。RTS和CTS帧中包含了时间和地址信息，定义了一个时间片即介质传送实际的数据帧和返回ACK信息帧将占用的时间。在接收性能范围变化之内，所有的工作站，包括发送站（发送RTS）、接收站（发送CTS）都将收到介质被预定的信号。于是即使工作站不能接收源工作站的信息，它仍然知道将有人要使用介质传送数据。

　 发送预定信息的另一途径是在正确传送的帧中包含时间/地址信息，给出介质被占用的时间，或者在传送的结束立即送一ACK信息帧或万一有分段发生，在该确认帧后附下一分段分帧。

　 RTS/CTS机制的另一好处发生在当多个业务集同时占用一个信道时。介质预定机制在BSA的界限范围内起作用。RTS/CTS机制也可以在一种典型环境下提高操作性能，在此环境下，所有的工作站均能接收来自AP的信息，却都不能接收来自同一个BSA中的其他工作站的信息。

　 RTS/CTS机制不能在广播和存在多个接收者的情况下应用。因为这样存在多个接收地址，对于一个RTS信号来说，这意味着可能多个并存的CTS信号作为回答。而实际上，并非每一个数据帧的传送都需要交换RTS/CTS，这是因为附加的RTS/CTS交换增加了数据在空中传输的低效率。所以该机制并不总是正确的，特别是对较短的帧。

　 RTS/CTS在摩尔司码阈值属性的控制下运行，该属性可以在每一个基本的工作站被设置，工作站可能被设置为或者总是用、从不用、或者仅仅当帧的长度大于一特定值使用RTS/CTS交换机值。

　 没有被设置为开始时实施RTS/CTS机制的工作站仍将更新其在接收的RTS或CTS帧中包含的时间信息的载波帧听机制，并总是对一有地址信息的RTS信号回答一CTS帧。

　 该协议允许工作站支持不同的数码率的设置。在一个基本数码率变化范围内，工作站接受所有的数码率设置，并能在一个或多个基本数码率设置下传送数据。为支持适当的RTS/CTS操作和实际的载波帧听机制，所有的工作站必须都能检测到RTS/CTS信号。因此，RTS/CTS信号必须在一基本的数码率设置的速率下传送。

　PCF

　 除了上述分布式协调功能以外，还存在其它的基于不同优先级的集中式接入模式。这种模式即为点协调功能模式，这种模式可以允许在无竞争环境中高优先级站能接入到介质中去。在这种模式中，通常控制核心部分都把控制权授予给一个集中式的协调器，一般这个协调器就是接入点本身。因此接入点很多时候又被称为点协调器（PC）。PCF的工作原理是它本身会询问所有的站是否具有无竞争业务流量，如果有，那么PC就会把这些业务流量收集起来并把这些流量传到要求的目的战中。

　 PCF运用了带有优先级的实际的载波侦听机制，PC分发带有指示管理信息的帧，通过设定STA中的NAV（网络分配矢量）来获得对介质的控制权。另外，所有PCF下传送的帧用了一个比在DCF方式下传送帧的帧间间隔要小的帧间间隔，这意味着当多个STA同时访问同一个信道时，PCF可以对访问介质有较高的优先级。另外，在无线局域网中，还允许DCF和PCF的共存，DCF作为PCF的基础而存在。

　CSMA/CA

　 CSMA/CA是无线局域网中最基本的介质访问方式，再次提供了两种CSMA/CA方式。一种由物理层提供，即实际的载波侦听机制。另一种由MAC层提供，称为虚拟的载波侦听机制。

　 CSMA/CD被用于很多基于IR的局域网，其发射和接收都是定向的。在这种情况下，发送器总是用自己发射的信号与从其它终端接收到的信号比较来检测冲突。无线电波传播不是定向的，这使得在自己发射期间确定其它终端的发射有困难。因此，冲突检测机制不适合无线局域网。然而兼容性对无线局域网非常重要，因此网络的设计人员不得不考虑CSMA/CD与以太网骨干局域网的兼容性，后者在有线局域网领域占主导地位。

　 尽管在有线局域网里实现冲突检测很容易，只需要检测电平再和某一阈值电平比较，但在无线信道中由于衰落和其他无线信道的特性无法采用这种简单的技术。一个可以被用来检测冲突的简单办法是让发射站首先对信道的信号进行解调，解调之后将所得信息与自己发射信息相比较，如果二者不一致则认为是冲突发生了，则立即中止发射分组。然而在无线环境里，发送器自己的信号在所有附近接收信号中占优势，因此接收器可能无法分辨冲突，只检测到自己的信号。为了避免这种情况发生，发射站的发射天线模式应该与其接收模式有所不同，但是在无线终端设置这样的模式并不方便，因此这需要定向天线，并且发送器和接收器都需要昂贵的前端放大器。

　 在CSMA/CA中使用了两个特殊的帧，他们分别是RTS(发送请求帧)和CTS(清除发送帧)。

　NAV

　 NAV就是网络分配矢量。

　MAC信息管理库（MAC MIB）

　 MAC层的信息管理库是由一系列表格形式的属性值按照一定的规则组织起来的，这样就能对同属于一个MAC层中的不同事件起到协调作用。MAC层的信息管理库又包括了两套属性：站管理属性组和MAC属性组。一下重点介绍MAC属性组的一些属性。

　 dotllMACAddress:该属性值表示MAC的唯一单独地址值。该属性值属于MAC层私有，并且MAC层也通过这个地址才能完成接收不同的帧，并把这些帧传递到更上层协议层进行处理。

　 dotllRTSThreshold:该属性控制在传递数据帧和管理帧前传递RTS控制帧。具体的属性值定义了传递RTS所需最短帧的长度。该属性的缺省值为2347字节。

　 dotllShortRetryLimit:该属性定义了可以传递一个长度小于dotllRTSThreshold阈值的帧的次数阈值。超过这个阈值，这个帧就会被丢弃而且会向上层激发一个故障事件的产生。

　 dotllLongRetryLimit:该属性定义了一个可以传递一个长度大于或者等于dotllRTSThreshold阈值的帧的次数。超过这个阈值，这个帧就会被丢弃而且会向上层激发一个故障事件的产生。该阈值的缺省值为4，并且这个却省值可以由本地或者外部管理器进行修改。

　 dotllFragmentationThreshold:该属性定义了物理层所能接受的帧的最长长度。超过了这个最长长度的帧都将被进行分段。

　 dotllTrahsmittedFragmentCount:该计数器记录成功传递了多少个帧片段。一个不需要经过分段处理就被传递了的MSDU也算作一个帧片段并增加一次这个计数器的值。一次成功的传递被定义为向特定地址发送的已经接收到其ACK信号的数据帧，或者其它向组播地址发送的数据或管理帧。

　 dotllMulticastTransmittedFrameCount:该计数器仅仅记录传送了多少个组播帧。只要传递一个组播帧，那么计数器就增加一。

　 dotllRetryCount:该计数器记录那些在完成成功传输过程中至少经过了一次重传的帧数。

　 dotllMultipleRetryCount:记录那些在完成成功传输过程中至少经过了两次重传的帧数。

　帧间间隔(IFS)

　 两帧之间的时间间隔，对给定的间隔，工作站通过载波帧听判断介质的忙闲状态。定义了四种不同的IFS以提供对无线介质的优先级别访问。不同的IFS有其独立的工作站比特率。IFS定时被定义为介质上的时间间隙，视每个物理层而不同。

　SIFS

　被用于ACK、CTS、有分段时的下一分帧或在点协调方式下作为对任一询问的回答，在轮询控制时也可用于任意的帧。SIFS时从前一帧最后一个符号的结束到接下来一帧开头低一个字符的开始所对应的时间，可被用于一系列帧交换的过程中。当工作站已占用介质需保持一段时间以执行一系列的帧交换时，利用这一最短的时间间隔传送一系列帧交换可以阻止那些需等待介质空闲较长时间间隔的工作站争用介质，于是这一系列的帧交换的进行就取得了优先权。

　PIFS

　仅仅被用于PCF方式下。在一CFP开始时取得介质访问的优先权。

　DIFS

　用于分布协调方式下。工作站传送MPDU和MMPDU，在正确接收一帧并后延时间期满，如果载波侦听判断介质在DIFS期间空闲，使用分布协调的工作站将被允许传送数据。

　如果传送中有错误，那么即使判断出介质空闲后，一个在分布协调方式下的工作站也不能传输数据。工作站可能接收一个“错误----空闲”帧后传送，是工作站重新同步。折旧允许工作站使用DIFS，可见DIFS在上述“错误——空闲”帧之后。

　EIFS

　扩展的IFS，用于分布协调方式下。此时物理层指示MAC：一帧的传送开始后，没有正确的接收。

　物理层不用实际的载波侦听机制检测出错误的帧后判断介质空闲，随后EIFS延迟开始。在一个工作站开始传送以前，EIFS为另一个工作站提供足够的时间以回答该工作站，什么是不正确接收的帧。根据实际的介质忙闲状态，在EIFS期间，由于收到一“错误——空闲”帧而使工作站重新获得同步。所以EIFS被终止，正常的介质访问在收到“错误——空闲”帧后继续执行

　帧的分段和重组

　 所谓真的分段，就是将一个MAC服务数据单元MSDU或一个MAC控制协议数据单元MMPDU分割为较小的MAC级别的帧即MAC协议数据单元MPDU。分段处理产生的比原先的MSDU及MMPDU长度更短的MPDU增加了可靠性，这种方法是通过在某些信道对一些较长帧有些特殊的限制其接受可靠性时增加了MSDU及MMPDU成功传输的可能性，该处理对于一个立即发射机是比较可靠的。将多个MPDU重组为单个的MSDU或MMPDU的处理过程称为重组，这一过程相应地对一个立即接收机非常方便。该过程只对单一接收地址的帧进行分段，而在广播或组播时不进行分段。

　 当从LLC层接收的MSDU或从MLME接收的MMPDU的长度大于2.1.5中的dotllFragmentationThreshold分段阈值时，MSDU或MMPDU就将被分段成为MPDU。每一个分段帧的长度均不大于上述分段阈值，当然小于该阈值也是可能的。分段的示意图如下：

　MAC分层结构

　MAC层分为MAC子层和MAC管理子层。前者主要负责访问机制的实现和分组的拆分和重组。其管理子层主要负责ESS漫游管理、电源管理，还有登记过程中的关联、去关联以及要求重新关联等等过程的管理。802.11物理层分为三个子层：PLCP（物理层会聚协议）、PMD（物理介质相关协议）和物理层管理子层。PLCP子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组。PMD子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术。物理层管理子层为不同的物理层进行信道选择和调谐。除此之外IEEE802.11还定义了一个站管理子层，它的主要任务是协调物理层和MAC层之间的交互作用。

　MAC子层

　 MAC层支持三种主要的帧类型——站点间传输信息所用的数据帧、控制访问介质所用的控制帧以及管理帧。管理帧用于站点第二层间交换管理信息，而不会将管理信息送往协议栈的高层。

　帧格式

　 802.11的帧格式是可变长的。图2.2说明了站点间发送信息所用的MAC数据帧格式。在后面的介绍中将会发现，该帧的某些域也在其他类型的帧中使用。

　图2.2

　 帧正文（Body）域的最大长度可达2312Byte，如上图所示。然而，因为无线链路的误码率比有线LAN误码率高得多，随着帧长度增加，帧信息受破坏的概率也高。因此一个无线局域网比一个有线局域网的情况就糟糕多了。为弥补这种情况，无线局域网在MAC层支持一种简单的分段重组机制。

　 A，控制域

　 16bit的帧控制域包含11个子域。其中有8个1bit域，通过设置，可指定一个特性或功能。以下将介绍控制域中的每个子域。

　协议版本子域

　 2?bit的协议版本子域提供了一种标识802.11标准版本的机制。该标准的最初版本中，协议版本子域值设为零。

　类型和子类型子域

　类型和子类型子域提供6bit来标识一个帧。类型子域能识别4种类型的帧，但目前仅定义了3种。4bit的子类型子域标识了类型分类中的一种特定类型的帧。

　c、到分布系统子域

　该子域为1bit。当帧寻址到一个接入点以便转发到分布系统时，该子域置”1”。否则该子域置“0”。

　d、来自分布系统子域

　该子域也是1bit。当帧是收自分布系统时，该子域置“1”，否则该子域置“0”。

　e、多段子域

　该子域为1bit。当在当前段之后还有更多的段时，这个域的值就设为“1”。这个域使发送端注意一个帧是一个段，并且允许接受端将一系列段重装成一个帧。

　f、重试子域

　当这个1bit域被置“1”，表示这个帧是一个先前传送过的重传段。接收站点用这个域来识别当确认帧丢失时可能发生的重传。

　g、电源管理子域

　IEEE802.11站点可选择两种电源模式（即节能模式或活动模式）之一。当发送时一个站点是活动模式时，一个帧能将其电源状态从活动改为节能模式。

　通过使用电源管理比特，一个站点可标识其电源状态。接入点使用该信息，不断维护工作在节能模式的站点记录。接入点将缓存发往其他站点的分组，直到那些站点通过发送轮询请求来专门请求分组，或是改变其电源状态。

　通过使用信标帧可获得另一种将缓存帧发送给一个运行于节能模式站点的技术。接入点周期性地发送信息，这些信息是关于运行于节能模式的站点有接入点所缓存的帧，作为信标帧的一部分。每个这样的站点接受信标帧后被唤醒，注意到有帧存储在接入点中等待转发。然后这些站点就保持在活动电源状态，并且给接入点发送一个轮询请求信息以索取那些帧。

　h、多数据子域

　这个子域指示在当前帧后带有更多帧。这个1bit子域由接入点设置，指示有更多的帧缓存在一个特定站点中。记住当一个目的站点运行在节能模式时，将在接入点中产生缓存。目的站点可利用此信息来决定它是否要继续轮询，或者这个站点是否要将电源管理模式转变为活动模式。

　有线等效保密子域

　IEEE802.11委员会提出通过附加授权认证和加密保证安全性，统称为有线等效保密（WEP,Wired Epuivalent Privacy）。WEP子域的设置指示了帧的正文按WEP算法加密。

　j、顺序子域

　控制域的最后一个子域是1bit的顺序子域。该比特1指示帧使用严格顺序服务等级进行发送。该子域的使用是适应DEC LAT协议的，DEC LAT协议不允许单播和多播帧间顺序的变化。因此，对于大多数无线应用是不使用该子域。

　以上是对控制域内的子域做了详细介绍，下面继续讨论MAC数据帧。

　B 持续时间/标志符域

　这个域的含义与帧类型有关。在一个节能轮询消息中，该域指示了站点标志符（ID）。在其他类型帧中，该域指出持续时间值，它表示发送一帧所需的时间间隔，单位是微秒。

　C 地址域

　一个帧可以包含多达4个地址，这与控制域中ToDS和FromDS比特设置有关。地址域被标识为地址1到地址4。

　基于控制域中的ToDS和FromDS比特设置，地址域的应用情况见表2.2。注意表2.2中地址1总是指接受端地址，这个地址可以是目的地址DA、基本服务集ID(BSSID)或是接收地址RA。如果ToDS比特置“1”，那么地址1中含接入点地址；如果ToDS比特置“0”，那么地址1中是站点地址。所有站点按地址1域中的值进行过滤。

　表2.2 基于控制域中的ToDS和FromDS比特设置的MAC地址域值

　ToDS From DS 地址1 地址2 地址3 地址4 0 0 DA SA BSSID N/A 0 1 DA BSSID SA N/A 1 0 BSSID SA DA N/A 1 1 RA TA DA SA 地址2总是用于标志发送分组的站点。如果From DS比特置“1”，那么地址2中是接入点地址；否则代表站点地址。地址3域也与ToDS和FromDS比特设置有关。当Fromds比特设置为“1”，地址3中就是原来的源地址。如果ToDS比特置“1”，则地址3中就是DA。

　地址4用于特定情况，即使用了无线分布系统，并且一个帧从一个接入点正发往另一个接入点。在这种情况下，ToDS和FromDS比特设置都被置位。因此，原来的DA和SA都不可用了，地址4就仅限于标识有线DS帧的源地址。

　D 序列控制域

　2Byte的序列控制域用作表示所属帧的不同段顺序的机制。序列控制域中包含两个子域：段号和序列号。这些子域用于定义帧和所属帧的各段的段号。

　E 帧正文域

　帧正文域用于在站点间传送实际信息，这个域是可变长的，最长可达2312字节。

　F CRC域

　MAC数据帧中最后一个域是CTC域，这个帧长4字节，包含32比特的CRC。

　数据传送前的握手过程

　如前所述，IEEE802.11MAC采用了一个基本的介质访问协议即带有冲突避免的载波侦听多路访问机制（CSMA/CA）。所用的CSMA/CA协议要求一个有信息要发送的站点首先要对传输介质进行侦听，即发前侦听。如果介质忙，该站点就延迟发送。如果接着在某一特定的时间内是可用的，称之为分布的帧间间隔DIFS，则该站点可以发送数据。因为其他的站点可能几乎同时发送信息，接收站点就必须检验接收分组，并且发送一个确认消息ACK通知发送站点没有发生冲突。若发送站点没收到确认信息，他将进行重发，直到它收到一个确认消息或者其重发次数达到一定的极限。

　CSMA/CA机制使介质访问中的冲突最小化。因为有可能会出现两个站点同时侦听信道，并发现介质空闲随后发送信息，或是两个站点没有互相侦听，就发送信息的情况，这时冲突就会发生。为减小冲突的可能性，IEEE802.11标准所用的CSMA/CA派生出一种称为虚拟载波侦听VCS的技术。在VCS中，要求发送信息的站点先发送一个请求发送帧RTS的分组。这个分组是一个相当短的控制包，它包含了DA和SA，以及随后的发送持续时间。这个持续时间是根据数据分组的传输和接收端分组确认的时间来规定的。接收端发出清除发送CTS分组作为响应。CTS分组指示了与RTS分组中相同的持续时间信息。收到RTS或CTS控制分组，或是收到两种分组的每个站点，将其VCS指示器设成传输持续时间。在IEEE802.11中，该指示器即为所谓的网络分配矢量NAV，其用作一种通知介质上所有其它站点后退或延迟其传送的机制。

　如果在以预定的时间内未收到CTS，则发送站点就认为是发生了冲突，并且重新开始这个过程，发送另一个RTS分组。一旦收到CTS帧，就发送数据帧，接收端回送一个ACK分组以确认一次成功的数据传输。

　使用RTS和CTS控制分组减少了在接收端发生冲突的可能性，这种冲突来自发送端“隐藏”的站点。所谓“隐藏节点”指一个服务集的站点，它不能检测到另一个站点的传送数据，因而不能判断出介质忙。

　现以图解的方式归纳使用RTS和CTS控制分组以及它们与数据流和NAV之间的关系，如图2.5所示：

　为了更形象地说明问题，现举一个有五个工作站竞争信道的例子如下：

　有A、B、C、D、E五个展位了发送自己的数据帧参与竞争信道。此时A站有一个帧在空中发射，BCD站侦听信道并且发现信道正忙，于是他们各自允许随机数发生器来随机产生一个后退时间。C站在D和B站之后得到一个最小的数。所有三个终端继续侦听信道并且推迟各自的发射，直到A终端的发射完成。完成后三个终端等候IFS周期，一旦此周期结束他们立即开始计数。第一个完成计数的终端，在本例中是C站，在等待时间计数完成后开始其帧发射。其余两个终端B和D，将各自计数器停止在C站开始发射时的计数值。在C站发射的过程中，E站开始侦听信道，运行自己的随机数发生器，在本例中得到一个比D站剩余计数大但是比B站剩余计数小的随机计数值，因此在C站传输完毕之后推迟自己的发射。按照和先前一样的方式，所有的终端要等待IFS周期，然后开始计数。D站最早完成自己的随机等候时间，开始发射自己的分组。同时B和E暂停自己的计数器，等待D站完成帧传输以及之后的IFS周期，然后他们再次启动计数，由于E站的计数器首先计数到零，于是E站开始发射数据，B站暂停计数。在E站完成帧传输以及IFS周期后，B站的计数器一直计数到零并且开始发射帧数据，这样的后退策罗比起IEEE802.3标准中的指数后退方案，其优势在于无需冲突检测程序，并且等候时间也是公平分布的，平均来说执行了先来先服务的原则。具体过程图解如下：

　分段传输过程中的RTS/CTS用法

　RTS/CTS帧定义了以下帧和ACK帧持续的时间。时间/标识域（在数据帧和ACK帧中）详细指明了下一分段和ACK的时间。每一帧包括了定义下一次传输持续时间的信息，该信息帧从用来更新NAV值时介质忙的RTS帧开始直到ACK0的结束，从用来更新NAV值时介质忙的CTS帧开始直到ACK0的结束。分段0和ACK0中都包括时间信息以更新NAV值时介质忙直至ACK1的结束，这些均通过运用时间/地址域（数据帧和ACK）振中来实现。到最后一分段中，时间信息变为一个ACK时间加一个SIFS时间且在其ACK帧中将其时间/标识域设为零。每一分段和ACK均像RTS和CTS；因此，在以RTS/CTS开始一系列帧交换后，尽管分段的长度可能大于dot11RTS阈值，仍不再在分段的传送之间用RTS和CTS帧。在运用跳频技术的物理层的工作站中，当在下一时间边界前没有充足的时间传送随后的分段时，发动帧交换序列的工作站就在时间边界前将时间/标识域的值在最后一个数据帧或管理帧中设为一ACK时间加上一个SIFS时间。

　万一ACK被送出而源工作站没收到，接收分段或ACK帧的工作站就把信道对下一帧交换标记为忙，因为NAV从这些帧的信息中一直被更新，这是最坏的情况，见下图。如目标工作站没送出ACK则仅能听到目标工作站的工作站不更新其NAV且可能试图访问信道当他们的从收到的前一帧的信息中被更新的NAV达到0时，所有能听到源工作站的工作站在其NAV期满时都将自由地访问信道。

　在分段突发期间，源工作站仅仅在下列情况下才在SIFS后传送：

　——工作站已经收到一需要ACK的分段。

　 ——源工作站已经收到对前一分段的ACK，又有多个分段要传，在下一个居留时间边界之前，有足够的时间发送下一分段且能收到其确认信号。

　 另外还应遵守下列规则：

　 ——当工作站已传完一帧，除了开始的或中间的分段，工作站不会在此信道中在不执行后延程序的情况下在紧跟着传输一ACK帧。

　 ——MSDU成功传输或所有重传尝试都结束，而且该工作站还有一随后的MSDU待传时，工作站将执行补偿程序。

　——仅仅没被确认的分段要重传。

　广播和组播

　 PCF方式下，当一广播或多接收地址的MPDU被传送时，仅仅需要一基本的介质访问程序，而不考虑帧的长度，也不用RTS/CTS帧交换。另外，也不用ACK帧的传送。任何工作站要传送广播和多接收地址的MPDU时，除了要确认基本的CSMA/CA介质访问程序以外，还要服从RTS/CTS帧交换的规则，因为该MPDU时直接到达AP的。广播信息将被分发到BSS内，原来的工作站也将收到。因此，所有的工作站将过滤出包含他们自己地址的广播信息作为源地址。广播和多接收地址的MPDU将在一个ESS内被散播。

　在广播和多接收地址的MPDU帧中无MAC层恢复功能，于是比起直接传送的可靠性，这样的传输的可靠性就降低了，因为在延迟、碰撞等情况下，帧丢失的可能性增大了。

　恢复处理

　本节主要讲述对错误帧地恢复程序、重传过程及其极限和对重复帧的处理过程。

　恢复程序和重传极限

　 导致错误发生而需要恢复的环境很多，例如，RTS被传送后，可能CTS没被返回，这有可能是因为与其他的传输发生了冲突，也可能因为信道中的干扰，或者因为收到RTS的STA正处于载波侦听状态（指示介质忙）。

　 对于一发起帧交换且被证明错误的工作站，错误恢复可以通过重传来进行。对于每个失败的帧交换序列，重传继续直到成功或者直到达到一个适当的重试极限。对于每个期待传送的MSDU或MMPDU工作站都包含一个短的和长的重试计数器，这些计数器在增加或者重设时是互相独立的。

　 一RTS帧被传送后，工作站将执行CTS（9.2.5.7）。如果RTS传输失败，则短重试计数器和长重试计数器增加，该过程继续直到尝试重传的次数达到dot11短重试极限。

　 传送一需要确认的帧后，工作站执行ACK程序（9.2.8）。对于MSDU或MMPDU来说，每一次传送的MAC帧（长度小于或等于dot11RTS阈值）失败，短重试计数器增加，成功的话，计数器被重置。而长度大于dot11RTS阈值的帧传送失败，长重试计数器增加，成功传输则长重试计数器被重置。直到长重试计数器或短重试计数器达到各自的重试极限，对失败传输的重传将继续。一旦达到极限，重传停止，该MSDU或MMPDU被丢弃。

　 在省电模式下的工作站，通过传送一轮询帧作为对来自AP数据的回答已开始一帧交换序列。万一既没有ACK帧也没有数据帧从AP传过来，工作站将在适宜的时刻通过发送另一个轮询帧来重试该帧交换序列。如果AP发一数据帧作为对轮询的回答，但又没收到ACK确认帧，则从同一个工作站发出的下一个轮询帧会引起AP中最后一个MSDU的重传，该完全一样的帧将被滤波器过滤。如果AP送一ACK作为回答，那么相应地，因为数据在一系列的帧交换中已被传送，对于一携带错误恢复的数据帧的责任就转移到了AP上。AP就试图传送一MSDU给传送轮询帧的工作站，用任何合法的帧交换序列换取一个正确的MSDU.

　 省电模式下，如果传送轮询帧的工作站在传送了ACK帧作为对成功接收MSDU的确认后回到Doze状态，AP将重传该MSDU直到达到有关的重试极限。

　重复帧的检测和恢复

　既然该协议中包含了确认和重传机制，那么就有可能某一帧被不止一次地传送，那些重复帧将被目的工作站的MAC层过滤出来。在数据帧和管理帧中，重复帧的过滤有助于包括一序列控制域（包括一序列号和一分段号）的帧的通过，作为同一个MPDU的MPDU有同样的序列号而不同的MSDU（有很大的可能性）有不同的序列号。序列号被正在传送的工作站作为一个增值的整数序列而存在。

　MAC管理子层

　管理子层负责在站和AP之间进行通信的初始化，这一层的操作机制是移动环境下所需要的。这种功能在其他的无线系统中也有，但在802.11的MAC管理子层得到了极大的扩展。一般的MAC管理帧的格式见下图，不同的管理帧一般用于不同的目的。

　控制帧 持续时间 DA SA BSSID 序列控制 帧体 FCS MAC管理帧格式

　a、登记

　 信标是一种管理帧，它是由AP准定期地进行发送，用来建立定时同步功能（TSF）。管理帧包含的信息有基站子系统ID(BSS-ID)、时间戳（用于同步）、业务指示表（睡眠模式）、功率管理和漫游等。接收信号的强度的测量是根据信标信息作出的。信标帧还用来识别AP，网络等等。要给MS（移动台）发送帧时，分布式系统必须要先知道为这个MS服务的AP的位置。关联过程实际上就是MS向一个AP登记的过程，只有建立关联以后MS才能通过一个AP发松和接收分组。至于分布式系统中怎样保存关联信息，标准并没有规定。如果MS想同一个AP建立关联，首先必须给MS发送一个关联请求帧，AP同意后发送一个关联响应帧作为回答。MAC管理帧和切换过程中使用的两帧功能是类似的。

　b、越区切换

　IEEE802.11有三种移动模式：其中一种就是所谓的“无转移”类型，在这种移动方式下，MS时静态的或在一个BSA范围内移动；另一种模式是“BSS转移”方式，这种模式中MS从一个BSS转移到另一个BSS，但这两个BSS都在同一个ESS内；最常见的一种移动方式就是“ESS转移”，MS从一个BSS 转移到另一个BSS，但这两个BSS不在同一个ESS内，在这种情况下高层的连接就中断了，这时就必须需要一个移动的IP继续保持连接。

　当一个MS在同一个ESS内从一个BSS转移到另一个BSS时，就要用重关联服务。MS要进行初始化，告诉分布式系统该MS已经将关联从一个AP转到另一个AP上。去关联是用来中止一个关联的，它可由关联的任何一方启动。去关联是一种同志形式，而不是一个请求，因而它是不能被拒绝的。离开一个BSS的MS将会发送一个去关联信息给其所关联的AP，但这个信息不能保证一定能被收到。

　功率管理

　无线局域网的功率保存问题就是当空闲的移动台突然有数据需要接受时，如何保持空闲状态，这样就可以控制LAN适配器的功率消耗。实现的难点在于怎样在空闲状态时关掉断源又能保持会话。IEEE802.11的解决方案是让这些移动台处于睡眠模式，发往这些MS的数据先在AP?中缓存，当MS被唤醒时AP再把缓存的数据发往相应的移动台。同蜂窝电话的持续功率管理比较而言，这种方案更适合于突发数据通信的应用。

　利用时间同步帧TFS，所有的MS 在同一时间里被唤醒以监听信标帧，如下图所示就可以实现所有MS的同步。MS使用帧控制字段中的功率管理位表明自己当前是处于睡眠还是唤醒状态。随信标一起发送的有一个业务指示表TIM，TIM是在AP中有缓存信息的移动台的列表。MS 通过检查信表和TIM来了解自己是否有缓存信息。有缓存信息的MS发送节能轮询帧给AP。若站处在活动模式时，AP就向其发送缓存的分组。

　侦听用于电源管理的信标

　安全

　 IEEE802.11提供认证和保密服务。802.11提供两种类型的认证方法。一种是开放系统认证，这是默认的认证方式。这种方式下请求帧先发一个开放系统的加密算法的ID ，响应帧再返回一个请求的结果。共享密钥的认证方式能提供更高的安全级别。请求帧先发送一个认证帧ID，这个ID是作为这个请求帧和AP的共享密钥，由40比特密码组成。第二个站发送一个质询文本。第一个站发送加密的质询文本作为响应。第二个站发送认证结果。值得提出的是40比特的密钥提供的安全级别是比较低的。尽管一些产品使用数据加密标准，但几乎所有系统中使用的密钥算法一般都是RC－4。通过利用WEP规范，IEEE802.11的保密特性得以继续保持。使用伪随机数发生器和40比特的私钥序列，并把它与明文消息进行简单的异或运算。但这种方式提供的安全是很有限的而且很容易对其实施攻击。