1.MAC层协议,数据包通信过程,加密认证过程,代码理解(80211,wpa_supplicant)
物理层:
参考:/wiki/802.11
802.11a:最高54Mbit/s,播在5GHz,在52个OFDM副载波中,
802.11b:其载波的频率为2.4GHz,可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重传送速度。11个频段,每个频段为22M, DSSS
802.11g: 共14个频段,原始传送速度为54Mbit/s, OFDM调制方式
802.11i: 弥补802.11脆弱的安全加密功能(WEP), 其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP (CTR with CBC-MAC Protocol)
802.11n: 2.4 GHz or 5 GHz bands;速率:300 Mbit/s (20MHz*4 MIMO) 或者 600Mbit/s
(40MHz*4 MIMO);
802.11ac:更宽的RF带宽(提升至160 MHz),更多的MIMO空间流(spatial streams)(增加到8),多用户的MIMO,以及高密度的解调变(modulation,最高可达到256 QAM)。Wifi的整个信道列表:
/wiki/WLAN%E4%BF%A1%E9%81%93%E5%88%97%E8%A1%A8
下图是2.4
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。
64-QAM:
256-QAM:
FHSS(frequency-hopping spread-spectrum):调频展频
DSSS(direct-sequence spread-spectrum):直接序列展频
OFDM():正交频分复用
MAC层协议
MAC层的功能:扫描,接入,认证,加密,漫游,同步。
MAC层面临的问题:
隐藏节点的问题
如图3-2 所示,节点2 可以之间跟节点1 和节点3 通信,不过某些因素导致节点1 与节点3 无法直接通信。(这与障碍物的关系并不大:节点1 与3 之间可能只是因为距离远,无法收到对方的无线电波。)从节点1 的角度来看,节点3 属于隐藏节点。如果使用简单的transmit-and-pray 协议,节点1 与节点3 有可能在同一时间传送数据,这会造成节点2 无法辨识任何信息。此外,节点1 与节点3 将无从得知错误发生,因为只有节点2 才知道有
冲突发生。在无线网络中,由隐藏节点所导致的碰撞问题相当难以监听,因为无线收发器通常是半双工工作模式,即无法同时收发数据。
为了防止碰撞发生,802.11 允许工作站使用请求发送(RTS)和允许发送(CTS)帧来清空传送区域。由于RTS 与CTS 帧会延长数据交易过程,因此RTS帧、CTS 帧、数据帧以及最后的应答帧均被视为相同基本连接的一部分。图3-3 说明了整个过程。
如图3-3 所示,节点1 有个数据帧待传送,因此送出一个RTS 帧启动整个过程。RTS 帧本身带有两个目的:预约无线链路的使用权,并要求接收到这一消息的其他的工作站停止发言。一旦收到RTS 帧,接收端会以CTS 帧应答。和RTS 帧一样,CTS 帧也会令附近的工作站保持沉默。等到RTS/CTS 完成交换过程,节点1 即可传送上面要传送的帧,无须担心来自其他隐藏节点的干扰。
整个RTS/CTS 传输过程会用到好几个帧,实际开始传输数据之前的延迟也会消耗相当的频宽。因此,它通常只用在高用量的环境,以及传输竞争比较显著的场合。对低用量的环境而言,通常无此必要。
MAC访问控制与时钟
无线介质的访问,是由协调功能所管控。以太网之类的CSMA/CA 访问,是由分布式协调功能(distributed coordination function,简称DCF)所管控。如果需要用到免竞争服务,则可通过架构于DCF 之上的点协调功能(point coordination function,简称PCF)来管控。在各取所需的DCF 与精确管控的PCF 之间,也可以选择使用介于两种极端之间,采取中庸之道的混和式协调功能(hybrid coordination function,简称HCF)。免竞争服务只提供于基础网络(infrastructure network),不过只要工作站支持HCF,就可以在网络中提供服务质量(quality of service ,简称QoS)。协调功能的细节,请见图3-4 以及下列说明:
DCF(分散式协调功能)
DCF 是标准CSMA/CA 访问机制的基础。和以太网一样,在传送数据之前,它会先检查无线链路是否处于空闲状态。为了避免冲突发生,当某个传送者占据频道时,工作站会随机为每个帧选定一段延后时间。在某些情况之下,DCF 可利用CTS/RTS 空闲技术,进一步减少碰撞发生的可能性。
PCF(点协调功能)
点协调功能提供的是免竞争服务。称为点协调者的特殊工作站可以确保不必通过竞争即可使用介质。点协调者位于基站,因此只有基础型网络才会使用PCF。为了赋予比标准竞争式还高的优先性,PCF 允许工作站经过一段较短的时间即可传送帧。PCF 在实际上并不常见,第9 章对此有详细说明。
HCF(混和式协调功能)
有些应用需要尽力传达更高一级的服务质量,却又不需要用到PCF 那么严格的管控。HCF允许工作站维护多组服务队列,针对需要更高服务品质的应用,则提拔更多的介质访问机会。HCF 尚未完全标准化,不过最终将成为802.11 标准的一部分。将服务质量纳入802.11 MAC 中是项艰巨的任务。由于涉及到帧封装、队列管理以及信号产生种种复杂层面,撰写本书时,标准委员会还在为服务质量规格书争论不休,因此相关议题将留待未来改版时再予以讨论。
载波监听功能与网络分配矢量
利用NAV 可保证工作站的基本操作不被中断。例如,图3-3 所示的RTS/CTS 程序即属一种基本操作。图3-5 说明了NAV 如何保障整个程序不受干扰。(这是本书图解所使用的标准格式,用以说明多部工作站之间的互动,每部工作站各自有相应的计时器。)工作站对介质的访问操作可用加上阴影的条状图来表示,每个条状图均会标上帧类型。没有任何操作之处会标上帧间隔。此图底部,NAV 线上的条状图代表NAV 计时器。NAV 是由RTS 与CTS 帧之标头来载送的;此处之所以特别画出一条NAV 线,是为了显示NAV 与空中实际传输状况的关系。只要在NAV 线上出现NAV 条状图,工作站就必须暂缓访问介质,因为虚拟载波监听机制将会指出,介质正处于忙碌状态。为了确保整个过程不受中断,节点1 会在RTS 帧中设定NAV,防止传送RTS 时其他工作站将对介质进行访问。所有收到RTS 帧的工作站均会暂缓访问介质,直到NAV 消失。