《分布式系統：概念與設計》一3.5.2 IEEE 802.11無線LAN

本節将總結無線lan技術中必須解決的無線網絡的特殊特征，同時解釋ieee 802.11是如何處理這些特征的。ieee 802.11（wifi）标準擴充了以太網（ieee 802.3）技術采用的載波偵聽多路複用（csma）原理以适應無線通信的特征。802.11标準旨在支援距離在150m之内以最高54mbps的速度進行的計算機間通信。

圖3-24是包含無線lan的企業内部網的一部分。幾個移動無線裝置通過基站和企業内部網的其他裝置通信，這裡基站是有線lan的接入點。通過接入點與傳統lan連接配接的無線網絡稱為基于基礎設施的無線網絡。

無線網絡的另一種配置方式稱為自組織網絡。自組織網絡不包括接入點或基站。它們通過同一鄰域的無線接口檢測到彼此的存在，然後在運作中建立起網絡。當同一房間内的兩個或者多個筆記本電腦使用者發起與任何可用站點的連接配接時，就會形成一個自組織網絡。它們可以通過在某台機器上啟動檔案伺服器程序來共享檔案。

ieee 802.11網絡在實體層采用無線電頻率信号（利用免牌照使用的2.4ghz和5ghz波段）或者紅外線作為傳輸媒體。标準中的無線電版本在商業上廣受注意，下面我們将介紹它。ieee 802.11b标準是第一個廣泛使用的派生标準。它在2.4ghz波段運作，支援高達11mbps的資料通信。它從1999年起在許多辦公室、家庭和公共場所與基站一起被安裝，使筆記本電腦和pda能通路區域網路裝置或網際網路。ieee 802.11g是對802.11b最近的更新，它仍使用2.4ghz波段但使用不同的信号技術進而獲得高達54mbps的速度。最後，802.11a派生标準工作在5ghz波段，在更短範圍内帶寬可達54mbps。所有的派生标準采用不同的頻率選擇或者跳頻技術，以避免外部幹擾以及獨立的無線lan之間的互相幹擾（後者我們不準備詳細讨論）。我們重點讨論對csma/cd機制做的修改，這些修改是802.11的所有版本的mac層所需要的，并使得廣播資料傳輸可以用到無線電傳輸中。

和以太網一樣，802.11mac協定為所有的站點提供相同的機會使用傳輸通道，站點之間可以直接傳輸。但mac協定控制不同站點對通道的使用。對以太網而言，mac層起到了資料鍊路層和網絡層的作用，它負責将資料包發送到網絡的主機上。

使用無線電波（而非電線）作為傳輸媒體會産生一些問題。這些問題源于以太網使用的載波偵聽和沖突檢測機制僅在整個網絡的信号強度大緻相同時才有效這一事實。

我們回憶一下，載波偵聽的目的是确定發送工作站和接收工作站間的所有結點上的媒體是否空閑，沖突檢測的目的為确定在接收者鄰域内的媒體是否空閑，以免在傳輸時受到幹擾。由于無線lan操作的空間内信号強度不均勻，是以載波偵聽和沖突檢測可能出現如下幾種錯誤：

工作站隐藏：載波偵聽沒能檢測到網絡上另一個工作站正在傳輸。圖3-24可以說明這一點，掌上電腦d正在向基站e傳輸，由于圖中所示的無線電屏障，筆記本電腦a可能發現不了d的信号。于是a開始傳輸，若不采取手段防止a傳輸，将在e點造成沖突。

信号衰減：由于電磁波傳輸遵循反平方規則衰減，是以随着和傳輸者距離的增加，無線電信号強度迅速衰減。一個無線lan内的某個工作站可能在其他工作站的範圍之外。如圖3-24所示，雖然筆記本電腦a或c可以成功地向b或e傳輸信号，但a卻可能檢測不到c的傳輸。信号衰減使得載波偵聽和沖突檢測都失效。

沖突屏蔽：遺憾的是，以太網中用來檢測沖突的偵聽技術在無線電網絡中并不是十分有效。因為上面提到的平方衰減規律，本地産生的信号總是比其他地方産生的信号強很多，極大地覆寫了遠端傳輸。是以，筆記本電腦a和c可能同時向e傳送，它們都沒有檢測到沖突，但e卻隻收到了亂碼。

盡管如此，ieee 802.11網絡中并沒有廢棄載波偵聽，而是通過在mac協定中加入時隙保留機制對載波偵聽機制進行加強。這種方案稱為具有沖突避免的載波偵聽多路複用（csma/ca）。

在工作站準備發送消息時，它偵聽媒體。如果沒有檢測到載波信号，它假設以下條件之一為真：

1）媒體可用。

2）範圍之外的工作站正在請求獲得一個時隙。

3）範圍之外的工作站正在使用以前保留的時隙。

時隙保留協定包括在發送者和接收者之間交換一對短消息（幀）。首先是發送者給接收者發一個請求發送（rts）幀，rts消息指定了需要的時隙長度。接收者回複清除發送（cts）幀，并重複時隙的長度。這種交換的效果如下：

發送者範圍内的工作站将獲得rts幀，并記錄時隙長度。

接收者範圍内的工作站将獲得cts幀，并記錄時隙長度。

結果，發送者和接收者範圍内的所有工作站在規定的時隙内都不傳輸，留出空閑通道給發送者，使之能傳輸一定長度的資料幀。最後，接收者對資料幀的成功傳輸發出确認資訊，以幫助處理通道的外部幹擾問題。mac協定的時隙保留特征在以下幾個方面有助于避免沖突:

cts幀有助于避免工作站隐藏和信号衰減問題。

rts和cts幀很短，是以沖突的風險也很小。如果檢測到沖突或者rts沒有得到cts回複，則像以太網那樣，使用一個随機後退周期。137

如果正确地交換了rts和cts幀，那麼随後的資料和确認幀應當沒有沖突，除非間歇性的信号衰減導緻第三方沒有接收到rts幀或者cts幀。

安全性　通信的私密性和完整性顯然是無線網絡中必須關注的問題。處于範圍内且配有發送器/接收器的任何一個工作站都可能加入這個網絡，如果失敗，它也可能竊聽其他工作站之間的傳輸。第一個試圖為ieee 802.11解決安全問題的是wep（有線等價私密性）。遺憾的是，wep并沒有達到它名字所隐含的目标。它的安全設計在幾個方面都有漏洞，使得它很容易被破壞。我們将在11.6.4節描述它的弱點，并總結目前的改進情況。