什么是无线局域网?

计算机局域网是把分布在数公里范围内的不同物理位置的计算机设备连在一起，在网络软件的支持下可以相互通讯和资源共享的网络系统。通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联结起来时，敷设专用通讯线路的布线施工难度之大，费用之高、耗时之多，令人生畏。这些问题都对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞，限制了用户联网。
　　无线局域网(简称WLAN)就是为解决有线网络以上问题而出现的。WLAN利用电磁波在空中发送／接受数据，而无需线缆介质。WLAN的数据传输速率现在已经能够达到54Mbps（Agere公司的非标技术甚至高达162Mbps），传输距离可远至20km以上。无线联网方式是对有线联网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络联通问题。
　　与有线网络相比，WLAN具有以下优点：
　　安装便捷：一般在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是网络布线的施工了。在施工过程时，往往需要破墙掘地、穿线架管。而WLAN最大的优势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量，一般只要在安放一个或多个接入点(Access Point)设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。　使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦WLAN建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络，进行通讯。
　　经济节约：由于有线网络中缺少灵活性，这就要求网络的规划者尽可能地考虑未来的发展的需要，这就往往导致需要预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划时的预期，又要花费较多费用进行网络改造。而WLAN可以避免或减少以上情况的发生。
　　易于扩展：WLAN有多种配置方式，能够根据实际需要灵活选择。这样，WLAN能够胜任只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游(Roaming)”等有线网络无法提供的特性。
　　由于WLAN具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，WLAN已在各个领域获得了广泛应用，并且正在与移动通信业务进行结合，诞生了高速移动数据业务，从而使移动办公真正成为了现实。

无线局域网的核心结构

在IEEE802.11标准中，只指定了两种无线局域网设备：接入点（AP）和站点（STA）。AP通常作为网桥设备，带有一个LAN（通常是以太网）接口和一个连接无线LAN设备的射频收发信机。而STA实际上是一个无线网络接口设备NIC，用于连接AP或其他STA。
　　无线局域网有两种模式：
　　Infrastructure模式：多个STA通过AP互联，并经由AP接入LAN。
　　Ad-Hoc模式：可以是多个STA不通过AP自组网络的无中心基本结构，也可以是多个独立带有STA（或LAN）的AP组成的分布式结构（两个独立LAN通过无线桥接器点对点互联的运行方式就是这种结构）。

IEEE802.11定义的WLAN核心结构如图所示：

从图中可以看出，WLAN的工作层有介质访问控制层（MAC）和物理层（PHY）,其中物理层又分为两个子层PLCP（物理层收敛过程）子层和PMD（物理介质相关）子层。PLCP子层通过将MAC层信息映射到PMD子层，使MAC层对物理介质的依赖性减到最低，而PMD子层则提供了对无线介质进行控制的方法和手段。无线局域网的物理层采用扩频工作方式，包括FHSS（跳频扩频）、DSSS（直接序列扩频）、HR/DSSS（高速直接序列扩频）和OFDM（正交频分复用），无线工作频段为ISM：2.4GHz－2.4785GHz以及U-NII：5.725GHz－5.850GHz（取决于采用的标准）。在IEEE802.11结构内还包含两个管理实体（MAC层管理实体MLME和物理层管理实体PLME）和管理信息库MIB（Management Information Base），分别管理MAC层和PHY物理层。IEEE802.11提供了一系列指令（Primitive），通过专门的接口对管理信息库MIB进行操作，从而控制MAC层和PHY层的工作状态。

无线局域网的介质访问控制机制

WLAN的MAC层提供了一种称为CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）的介质访问机制。该机制与IEEE802.3 采用的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制类似，但并不完全相同。为了对无线通讯进行控制，合理安排介质的使用，保证通讯的有序和高效，IEEE802.11的 MAC层定义了两种介质访问控制方式：分布式协调功能（DCF）和点协调功能（PCF）。DCF定义了基本的CSMA/CA介质访问机制和介质竞争业务，即不同类型帧访问介质的定时、随机退守过程、帧发送过程、消息确认过程和RTS/CTS过程。它还根据RTS/CTS帧及信标帧通知的介质将被占用时间长度信息，提供了一种被称为网络分配向量（NAV）的虚拟载波侦听机制。为了避免同一共享通讯域内两个互不可见（即无线信号互不能达）的发送终端向同一个双方均可达的接收终端发送信息时发生冲突， 必须使用RTS/CTS通讯控制机制。

虚拟载波检测机制

所谓虚拟载波检测机制就是站点根据收到的RTS/CTS帧或信标帧所宣告的当前正在通信的站点将要占用介质多长时间来建立一个称为网络分配向量NAV（Network Allocation Vector）的特殊定时器，在该定时器有效定时时间内，站点认为介质毫无疑问地将处于忙状态，所以，在此期间内，没有必要再去检测介质，看其中是否有载波来判定介质的状态。在NAV定时器有效时间内，就认为介质忙。只有在NAV定时器的定时结束后，站点才通过真正的载波检测方法来判定当前介质的状态（忙或空闲）。

DCF控制机制

在介质上传送的帧与帧之间总会有一段空闲时间， DCF将其细分为四种称为帧隙（InterFrame Space—IFS）的不同长度的时间槽：
　　SIFS：短帧隙（Short IFS），用于较高优先级通信；
　　PIFS：点协调功能帧隙（PCF IFS），用于PCF提供无冲突访问；
　　DIFS：分布式协调功能帧隙（DCF IFS），用于DCF提供冲突访问；
　　EIFS：扩展帧隙（Extended IFS），当接受到错误帧时使用。可以给发送站点足够的时间提出出错理由并重新发送出错帧。
　　这四种帧隙的时间关系及先后次序如下图：

在这些帧隙之后，就是所谓竞争窗（Contention Window—CW）时间段，所有符合条件的待发的站点都可以在此时参与对介质的竞争，以便抢占介质并发送。
　　当介质忙时，每一个待发站点（STA）都会分配一个整数的退守定时值（其值是从0到竞争窗CW宽度最大值之间的一个随机整数），然后退出竞争，在后台等待介质空闲。介质空闲后，只有退守定时器已减为零值的站点才有权在介质空闲一个DIFS时间后在CW内竞争介质进行发送，而那些退守定时器还未到零的待发站点则在竞争窗内把退守定时器定时值减一。如果多个STA的退守定时器值都已为零，就会出现同时竞争。于是这些参与竞争的STA都将被重新分配一个随机退守定时值，并再次退到后台进入守候待发状态。为了保证比普通数据帧具有更高优先级的控制帧（如ACK帧和CTS帧）能够优先发送，它会在介质空闲一个比DIFS更短的SIFS时间后立即发送。由于SIFS比DIFS时间短， CTS帧和ACK帧总是比普通帧更早竞争介质，所以它总能优先发送。DCF控制方式是所有站点（STA）访问介质的基础，无论在Infrastructure结构中还是在Ad-Hoc结构中都被使用。

PCF控制机制

在Infrastructure模式中，可进一步提供一种称为PCF的点协调功能对通信进行控制。PCF是一种AP才有的控制功能，它以DCF控制机制为基础，提供了一种无冲突的介质访问方法。PCF在介质空闲SIFS（表示它具有比普通帧更高的优先级）后，通过发送一个信标帧对所有STA宣告，它已经安排好一个无竞争周期，所有待发STA可在该周期中被AP按顺序轮询发送。AP对所有已请求发送的站点维护一张表，当到达事先安排好的无竞争周期时，AP就会根据这张表对待发STA 挨个点名，而被轮询的STA把这种AP的点名解释为对自己占用介质向其他STA发送信息的许可。PCF这种无竞争的通信控制方式额外提供了QoS的可能。

RTS/CTS控制机制

DCF控制机制有一个显而易见的问题，即站点隐藏问题。DCF提供的是一种竞争发送的机制，它的关键在于发送站点要能正确检查出当前介质的状态是忙还是空闲。
　　当两个互不可见（即无线信号互不能达）的站点同时向一个双方都可达的第三站点（一般位于两个发送站点中间位置处）发送信号时，由于两个发送站点都无法检测到介质中有对方的信号，于是都认为此时介质为空闲，可以为己所用，并同时向第三方接收站点发送信号。显然，接收信号的第三站点将无所适从，因为它收到的实际上是两个发送站点送来的互相干扰的信号。IEEE为解决这一问题提出了一个可选的RTS/CTS机制。RTS/CTS机制的工作原理是，发送站点在向接收站点发送数据包之前，即在DIFS之后不是立即发送数据，而是代之以发送一个请求发送RTS（Ready To Send）帧，以申请对介质的占用，当接收站点收到RTS信号后，立即在一个短帧隙SIFS之后回应一个准许发送CTS（Clear To send）帧，告知对方已准备好接收数据。双方在成功交换RTS/CTS信号对（即完成握手）后才开始真正的数据传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收站点发送信号时，实际只能是收到接收站点回应CTS帧的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送RTS帧时，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS消息，大家再回头用DCF提供的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质空闲DIFS后竞争发送RTS帧，直到成功为止。