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。