802.11无线局域网组网方式与移动性分析【摘要】本文讨论了802.11标准定义的无线局域网的两种组网结构IBSS和ESS的工作原理，分析了它们的多地址帧结构在组网中的功能和作用，讨论了MAC协议对无线站点的移动性支持方面的不足，以及在组建多跳无线网时需要进一步解决的问题。

【关键词】WLAN AP IBSS ESS BSSID SSID802.11无线局域网组网方式与移动性分析Mao Yuming，Duan Jingshan， Yang Ning（School of Communication and Information Engineering，University ofElectronic Science and Technology of China，Chengdu 610054）【Abstract】This paper describes the architecture and the operation of the IBSS and ESS adopted by IEEE 802.11 Standard, analyses the effect and the function of the multi-addresses frame structure to be used in networking, then discusses the insufficiency of the mobility of the MAC protocol and the future resolution should be adopted in multi-hop wireless network.【Keywords】AP DS IBSS ESS BSSID SSID1.引言无线互联网用户站点的自由移动始终是无线网络追寻的目标之一。

本文主要讨论802.11标准规定的两种组网方式和站点的操作过程，分析802.11的MAC子层协议对无线站点移动性的支持技术。

通过本文的描述、讨论和分析，希望能对802.11标准的组网结构、工作过程，特别是对无线站点移动的支持方面勾画出比较清晰的“图样”，对于采用802.11标准搭建无线通信平台的无线多跳网络的研究将有所帮助，有所借鉴。

2.IEEE 802.11标准简介和其他的IEEE 802.x标准一样，802.11标准着重定义物理层和介质访问控制（MAC）子层。

标准制定的物理层规范有三种：2.4GHz频段的跳频扩频、2.4GHz频段的直接序列扩频和红外线。

它们都具有1Mpbs和2Mbps的数据传输速率，并都服从同一个MAC层规范。

近年来802.11标准又扩展出802.11b、802.11a、802.11g等系列，这些扩展标准采用不同的物理层技术，使通信速率提高到11Mbps、22Mbps至54Mbps，但它们对于MAC层协议没有重大改变。

因此不论使用哪种物理层规范，符合IEEE 802.11标准的无线局域网在组网结构、站点工作过程等方面都是相同的。

IEEE 802.11标准（以下简称标准）定义了两种组网结构：独立基本服务组IBSS （Individual Basic Service Set）和扩展服务组ESS。

独立基本服务组是一种对等网络形式，所有站点在网络中通信的地位是平等的，也称为Ad Hoc组网形式。

扩展服务组由多个基本服务组（BSS ）构成，每个BSS 都有一个无线访问点AP （Access Point ）提供通信服务，类似于以太网中的集线器（HUB ），因此又被称为基础设施（infrastructure ）网络，简称为ESS 网络（Extended Service Set ）。

不同BSS 通过AP 之间的分布系统DS （Distribution System ）互连，站点可以在多个BSS 之间移动。

图 1 IEEE802.11的两种组网方式 标准在介质访问方式方面定义了两种技术：分布式协调功能DCF （Distributed Coordination Function ）和点协调功能PCF （Point Coordination Function ）。

DCF 是一种竞争式共享信道技术，PCF 则是以协调点轮询的方式共享信道。

IBSS 中的站点必须以DCF 方式访问信道，而ESS 中的站点可以以DCF 方式或在AP 的协调下以PCF 方式访问信道。

不同的介质访问方式对本文重点讨论的站点工作过程和移动支持没有重大影响。

IEEE802.11的帧格式与以太网的帧格式相似，上层协议可以把WLAN 当做以太网来使用。

而在无线信道上传送时，在以太网帧格式基础上进行了扩展，以适应无线信道工作方式。

IBSS 和ESS 的帧扩展方式不一样，它们之间不能通信。

除了组网结构和介质访问方式外，标准还针对认证、保密、关联和管理等方面制定了规范，其中管理、关联和帧格式对于组网和站点的工作过程将产生较大影响。

3. IBSS 网络802.11标准规定一个IBSS 内的站点间的通信通过无线信道直接实现，不能直接通信时使可以经由其他站点中继（多跳Ad Hoc 组网），但标准没有定义中继站点的行为，认为该行为不属于MAC 子层功能的范围，应该由网络层来解决。

因此，802.11标准定义的IBSS 结构的网络只能组成一个单跳的Ad Hoc 网。

所有站点应该全部处于相互的无线覆盖范围，才能保证站点通过无线信道直接通信。

BSSID在IBSS 结构中，每个IBSS 网络用一个BSSID 来标识，每个站点属于一个IBSS ，不同IBSS 的站点之间不能相互通信。

在帧格式中，将常规的两地址结构扩展成了三地址结构，BSSID 作为第三个地址填写在MAC 帧头中，如图 2所示。

IBSS 组网 ESS 组网图2 IBSS帧地址字段格式无线环境中不可能像有线信道那样不同的网络单元间具有明显的界限，必须依靠帧中的BSSID来区分不同IBSS的站点，这是一种从逻辑上区分不同基本网络单元的方法。

站点只接收具有相同BSSID的MAC帧，拒绝所有其它的MAC帧。

所以，在组建多跳无线网络时，需要将所有站点的BSSID设置为同一个值，否则当站点中继数据时，将会因为BSSID不同而拒绝中继。

BSSID的生成当站点初始化后没有扫描到可以加入的网络时，站点将独自生成一个BSSID，并等待其它站点的加入。

BSSID的同步标准提供了站点之间自动协商BSSID的过程，即BSSID的同步（Synchronization）。

该过程一般发生在站点初始化或移动后准备加入一个新的IBSS中时。

IBSS中的站点定期发送类型为Beacon的管理帧，其中包含一个SSID字段，内容为0~32字节的字符串。

SSID可以看作是用户或网络管理员为网络取的名字，站点只能加入同名的网络。

站点收到同名网络的Beacon帧，就将Beacon帧的BSSID（见上图）作为自己的BSSID，这个同步过程也称为被动扫描过程。

站点也可以主动询问网络的BSSID：站点主动发出具有SSID信息的Probe Request类型的管理帧；收到Probe Request帧并具有相同SSID的站点响应一个Probe Response帧，先前的站点可以从响应的Probe Response帧中提取BSSID。

多跳环境下BSSID的同步在多跳移动环境下BSSID的同步变得有些复杂。

在大部分实现中，站点生成的BSSID 就是该站点的MAC地址，而一般情况下管理员是不能更改BSSID的，只能通过设置站点的SSID来区分不同的IBSS，各站点需要利用SSID通过被动扫描或主动询问的方式同步BSSID。

如果站点之间形成链式拓扑，则BSSID的同步过程也有一个链式反应过程，如图3。

创建者图3 链式拓扑链式反应图3中IBSS的创建者①生成了BSSID，它的相邻站点②首先获得这个BSSID，然后②通过发送Beacon帧让自己的相邻站点③得到BSSID，这个过程逐渐扩散到远处。

站点距离BSSID创建者太远时，有可能等不到BSSID传递过来，就决定自己创建一个BSSID，此时一个IBSS的网络中将有两个BSSID。

此外，当两个原本不相连的同名IBSS移动到可以相连时，或者原本相连的站点移动脱离网络后创建了自己的BSSID，随后又移动回来时，都有可能在多跳环境中形成两个不同的BSSID。

在一个IBSS中，相邻的具有不同BSSID的站点通过Beacon帧中的时戳和自己的TSF（Timing Synchronization Function）定时器来更新BSSID，然后利用Beacon帧逐步扩散，如图4。

图4 BSSID的更新更新BSSID的延时是不确定的。

每个Beacon间隔内（一般为0.1秒）信道上会出现一个Beacon帧，但Beacon帧由IBSS内的站点竞争发送，竞争机制与CSMA/CA协议很类似。

可能有些站点在连续多个Beacon间隔内都无法发送Beacon帧，BSSID的更新也就随之滞后了。

图5 Beacon的竞争[1]假设平均每个站点能收听3个站点，理想状态下，各站点轮流发送Beacon帧，单个站点发送Beacon帧的间隔为：3×0.1＝0.3s＝300ms一条具有4跳的拓扑链，最后一个站点更新BSSID的延时可能为：0.3×4=1.2s在这段时间里，由于BSSID不一致，MAC层丢弃了需要中继的数据帧。

可以看出，初始化过程和站点的移动都可能造成BSSID的不一致，需要较长的时间过程才能达到BSSID的同步，在此期间，IBSS网络上的通信是不正常的。

同信道中继与帧地址格式在BSSID协商一致的IBSS多跳网络环境中，802.11标准没有提供对中继功能的支持。

如果需在MAC子层进行中继，只能在一些非常特殊环境下可以实现，无法在一般环境下实现中继，更无法提供对移动的支持。

中继功能只能在MAC子层之上来实现。

MAC子层无法实现中继的原因是MAC的帧格式适用于固定网络而不适用于拓扑结构动态变化中的网络，如Ad Hoc多跳网络情况。

图 6 模糊中继图 6（a ）所示，让B 固定为A 和C 之间的数据提供中继是可行的，但若存在移动时就无法工作了，例如B 和C 互换位置，就无法工作了。

如果站点有一点点移动发生，形成图 6（b ）的情况，那么，B 站再提供中继就是没有必要的。

除非A 和C 站仍坚持采用B 的中继来通信。

如果是图 6（c ）情况，网络就会瘫痪。

B 在为A-C 中继的同时，也会收到D 为A-C 中继的帧，并继续中继，D 也一样。

形成B-D 间的中继循环。

只要在网络上有移动存在，MAC 层就无法确定如何中继（本文中称这个现象为“模糊中继”，即中继行为无法确定）。