无线局域网：Wi-Fi、CSMA/CA与隐藏终端

无线链路的特点

无线链路与有线链路最重要的区别在于信道本身：

• 信号强度递减：电磁波穿过墙壁等物体时会衰减，即使在自由空间中，信号强度也会随距离增大而迅速减小（路径损耗）。
• 干扰：同一频段的其他发送方（例如其他Wi-Fi网络、无绳电话、微波炉）发出的信号会相互干扰。
• 多径传播：电磁波经地面和物体反射后，沿长度不同的路径到达接收方，使接收到的信号变得模糊。

因此，无线链路上的比特差错比有线链路多得多。信噪比（SNR）越高，误比特率（BER）越低；发送方可以根据信道状况动态选择调制方式：信道好时使用高速率的调制，信道差时退回到更稳健、速率更低的调制。正因为差错多，802.11在链路层使用确认和重传，在本地纠正出错的帧。

802.11体系结构

IEEE 802.11无线局域网（Wi-Fi）的基本单元是基本服务集（BSS）。在基础设施模式下，一个BSS包含一个接入点（AP, Access Point）和若干无线站点，AP通过有线以太网连接到交换机或路由器；在自组织（ad hoc）模式下，站点之间直接通信，没有AP。

管理员为每个AP配置一个服务集标识符（SSID），也就是我们在设备上看到的“Wi-Fi名称”，并选择一个信道。站点要接入网络，必须先与一个AP关联：它可以被动扫描，监听AP周期性发送的信标帧；也可以主动扫描，广播探测请求帧，等待AP的探测响应。关联之后，站点通常还要完成身份认证，再用DHCP获得IP地址。

所有这些标准都使用相同的媒体访问协议CSMA/CA和相同的链路层帧结构，所以它们可以相互兼容。

为什么不用冲突检测

以太网的CSMA/CD要求适配器边发送边检测冲突。这在无线信道上很难做到：适配器自己发出的信号远强于远处站点传来的信号，发送时几乎听不到其他信号；更重要的是，由于隐藏终端和信号衰减，即使能边发边收，很多冲突在发送方处也根本检测不到。因此802.11不检测冲突，而是尽量避免冲突（CA, Collision Avoidance）：一旦开始发送，就把整个帧发完。

CSMA/CA

802.11定义了两个时间间隔：短帧间间隔SIFS和分布式帧间间隔DIFS，且$\text{SIFS} < \text{DIFS}$。发送一帧的过程是：

1. 如果站点侦听到信道空闲，它等待一个DIFS后发送整个帧。
2. 否则，站点选取一个随机退避值，并在信道空闲时逐个时隙地减小计数器；信道变忙时计数器冻结，等信道再次空闲DIFS后继续倒数。
3. 计数器减到0时（这时信道一定是空闲的），站点发送整个帧，然后等待确认。
4. 接收方正确收到帧后，等待一个SIFS就发回ACK。如果发送方没有收到ACK，它认为帧丢失，扩大退避的取值范围后重新进入第2步。

为什么计数器要冻结、而不是像以太网那样在信道空闲时立即发送？以太网能及时检测冲突并中止，代价很小；而802.11一旦冲突就会浪费整个帧的时间。如果两个站都在等待同一次发送结束，立即发送必然冲突；而它们选取的退避值很可能不同，计数器先到0的站先发送，另一个站听到后冻结计数器，下一轮从冻结处接着倒数。

隐藏终端与RTS/CTS

假设站点A和C都在接入点的覆盖范围内，但由于距离太远或有障碍物遮挡，它们互相听不到对方。A正在向AP发送时，C侦听到的信道是空闲的，它也开始发送，两个帧在AP处发生冲突，A和C却都无法察觉。这就是隐藏终端问题。

802.11提供了一个可选的预约机制：

1. 发送方先发送一个很短的请求发送帧（RTS, Request to Send），说明发送数据帧和ACK所需的总时间。
2. AP收到RTS后广播一个允许发送帧（CTS, Clear to Send），一方面允许发送方发送，另一方面告诉所有听到CTS的站点：在这段时间内不要发送。这些站点据此设置网络分配向量（NAV）。
3. 发送方发送数据帧，AP回复ACK。

隐藏终端听不到发送方的RTS，但一定能听到AP的CTS，所以RTS/CTS解决了隐藏终端问题。即使RTS发生冲突，浪费的也只是很短的RTS的时间。不过RTS/CTS也带来了额外的时延和开销，所以通常只对超过RTS门限的长帧使用。

802.11帧与地址

802.11帧中最特别的是它有4个地址字段。在基础设施模式下常用的是前3个：

例如，路由器R1向无线主机H1发送数据报时，R1发出的以太网帧以H1的MAC地址为目的地址、以R1的MAC地址为源地址，R1并不知道中间有AP。AP收到后把它转换成802.11帧：地址1为H1、地址2为AP、地址3为R1。H1回复时则相反：地址1为AP、地址2为H1、地址3为R1，AP再把它转换成以R1为目的、以H1为源的以太网帧。

802.11帧中还有持续期字段（用来设置NAV）和序号字段。由于ACK本身也可能丢失，发送方可能会重传接收方已经收到的帧，接收方用序号区分新帧和重复帧。

同一子网内的移动

如果几个AP连接在同一个交换机上、属于同一个IP子网，主机在它们之间移动时可以保持IP地址不变，正在进行的TCP连接也不会中断。主机与新AP关联后，新AP会代表主机发送一个以主机MAC地址为源地址的以太网广播帧，交换机由此更新交换机表，以后发往这台主机的帧就会转发到新AP所在的接口。