WLAN技術專輯：IEEE 802.11協議簡述

作為全球公認的局域網權威，IEEE802工作組建立的標準在過去二十年內在局域網領域獨領風騷。這些協議包括了802.3Ethernet協議、802.5TokenRing協議、802.3z100BASE－T快速以太網協議。在1997年，經過了7年的工作以后，IEEE發布了802.11協議，這也是在無線局域網領域內的第一個國際上被認可的協議。在1999年9月，他們又提出了802.11b"HighRate"協議，用來對802.11協議進行補充，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個新的網絡吞吐速率。利用802.11b，移動用戶能夠獲得同Ethernet一樣的性能、網絡吞吐率、可用性。這個基于標準的技術使得管理員可以根據環境選擇合適的局域網技術來構造自己的網絡，滿足他們的商業用戶和其他用戶的需求。802.11協議主要工作在ISO協議的最低兩層上，并在物理層上進行了一些改動，加入了高速數字傳輸的特性和連接的穩定性。

主要內容：
　　1.802.11工作方式
　　2.802.11物理層
　　3.802.11b的增強物理層
　　4.802.11數字鏈路層
　　5.聯合結構、蜂窩結構和漫游

1.802.11工作方式

802.11定義了兩種類型的設備，一種是無線站，通常是通過一臺PC機器加上一塊無線網絡接口卡構成的，另一個稱為無線接入點(Aclearcase/" target="_blank" >ccessPoint,AP)，它的作用是提供無線和有線網絡之間的橋接。一個無線接入點通常由一個無線輸出口和一個有線的網絡接口(802.3接口)構成，橋接軟件符合802.1d橋接協議。接入點就像是無線網絡的一個無線基站，將多個無線的接入站聚合到有線的網絡上。無線的終端可以是802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口的，或者是在非計算機終端上的嵌入式設備(例如802.11手機)。

2.802.11物理層

在802.11最初定義的三個物理層包括了兩個擴散頻譜技術和一個紅外傳播規范，無線傳輸的頻道定義在2.4GHz的ISM波段內，這個頻段，在各個國際無線管理機構中，例如美國的USA，歐洲的ETSI和日本的MKK都是非注冊使用頻段。這樣，使用802.11的客戶端設備就不需要任何無線許可。擴散頻譜技術保證了802.11的設備在這個頻段上的可用性和可靠的吞吐量，這項技術還可以保證同其他使用同一頻段的設備不互相影響。802.11無線標準定義的傳輸速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequencyhoppingspreadspectrum)和DSSS(directsequencespreadspectrum)技術，需要指出的是，FHSS和DHSS技術在運行機制上是完全不同的，所以采用這兩種技術的設備沒有互操作性。

3.802.11b的增強物理層

802.11b在無線局域網協議中最大的貢獻就在于它在802.11協議的物理層增加了兩個新的速度：5.5Mbps和11Mbps。為了實現這個目標，DSSS被選作該標準的唯一的物理層傳輸技術，這個決定使得802.11b可以和1Mbps和2M的802.11bpsDSSS系統互操作。最初802.11的DSSS標準使用11位的chipping－Barker序列－來將數據編碼并發送，每一個11位的chipping代表一個一位的數字信號1或者0，這個序列被轉化成波形(稱為一個Symbol)，然后在空氣中傳播。這些Symbol以1MSps(每秒1M的symbols)的速度進行傳送，傳送的機制稱為BPSK(BinaryPhaseShiftingKeying)，在2Mbps的傳送速率中，使用了一種更加復雜的傳送方式稱為QPSK(QuandraturePhaseShiftingKeying)，QPSK中的數據傳輸率是BPSK的兩倍，以此提高了無線傳輸的帶寬。

在802.11b標準中，一種更先進的編碼技術被采用了，在這個編碼技術中，拋棄了原有的11位Barker序列技術，而采用了CCK(ComplementaryCodeKeying)技術，它的核心編碼中有一個64個8位編碼組成的集合，在這個集合中的數據有特殊的數學特性使得他們能夠在經過干擾或者由于反射造成的多方接受問題后還能夠被正確地互相區分。5.5Mbps使用CCK串來攜帶4位的數字信息，而11Mbps的速率使用CCK串來攜帶8位的數字信息。兩個速率的傳送都利用QPSK作為調制的手段，不過信號的調制速率為1.375MSps。這也是802.11b獲得高速的機理。表1中列舉了這些數據。

為了支持在有噪音的環境下能夠獲得較好的傳輸速率，802.11b采用了動態速率調節技術，來允許用戶在不同的環境下自動使用不同的連接速度來補充環境的不利影響。在理想狀態下，用戶以11M的全速運行，然而，當用戶移出理想的11M速率傳送的位置或者距離時，或者潛在地受到了干擾的話，這把速度自動按序降低為5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同樣，當用戶回到理想環境的話，連接速度也會以反向增加直至11Mbps。速率調節機制是在物理層自動實現而不會對用戶和其它上層協議產生任何影響。

4.802.11數字鏈路層

802.11的MAC和802.3協議的MAC非常相似，都是在一個共享媒體之上支持多個用戶共享資源，由發送者在發送數據前先進行網絡的可用性。在802.3協議中，是由一種稱為CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)的協議來完成調節，而在802.11無線局域網協議中，沖突的檢測存在一定的問題，這個問題稱為"Near/Far"現象，這是由于要檢測沖突，設備必須能夠一邊接受數據信號一邊傳送數據信號，而這在無線系統中是無法辦到的。鑒于這個差異，在802.11中對CSMA/CD進行了一些調整，采用了新的協議CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)或者DCF(DistributedCoordinationFunction)。CSMA/CA利用ACK信號來避免沖突的發生，也就是說，只有當客戶端收到網絡上返回的ACK信號后才確認送出的數據已經正確到達目的。CSMA/CA通過這種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機制在處理無線問題時非常有效。然而不管是對于802.11還是802.3來說，這種方式都增加了額外的負擔，所以802.11網絡和類似的Ethernet網比較總是在性能上稍遜一籌。

另一個的無線MAC層問題是"hiddennode"問題。兩個相反的工作站利用一個中心接入點進行連接，這兩個工作站都能夠"聽"到中心接入點的存在，而互相之間則可能由于障礙或者距離原因無法感知到對方的存在。為了解決這個問題，802.11在MAC層上引入了一個新的Send/CleartoSend(RTS/CTS)選項，當這個選項打開后，一個發送工作站傳送一個RTS信號，隨后等待訪問接入點回送RTS信號，由于所有的網絡中的工作站能夠"聽"到訪問接入點發出的信號，所以CTS能夠讓他們停止傳送數據，這樣發送端就可以發送數據和接受ACK信號而不會造成數據的沖突，這就間接解決了"hiddennode"問題。由于RTS/CTS需要占用網絡資源而增加了額外的網絡負擔，一般只是在那些大數據報上采用(重傳大數據報會耗費較大)。

最后，802.11MAC子層提供了另兩個強壯的功能，CRC校驗和包分片。在802.11協議中，每一個在無線網絡中傳輸的數據報都被附加上了校驗位以保證它在傳送的時候沒有出現錯誤，這和Ethernet中通過上層TCP/IP協議來對數據進行校驗有所不同。包分片的功能允許大的數據報在傳送的時候被分成較小的部分分批傳送。這在網絡十分擁擠或者存在干擾的情況下(大數據報在這種環境下傳送非常容易遭到破壞)是一個非常有用的特性。這項技術大大減少了許多情況下數據報被重傳的概率，從而提高了無線網絡的整體性能。MAC子層負責將收到的被分片的大數據報進行重新組裝，對于上層協議這個分片的過程是完全透明的。

5.聯合結構、蜂窩結構和漫游

802.11的MAC子層負責解決客戶端工作站和訪問接入點之間的連接。當一個802.11客戶端進入一個或者多個接入點的覆蓋范圍時，它會根據信號的強弱以及包錯誤率來自動選擇一個接入點來進行連接，一旦被一個接入點接受，客戶端就會將發送接受信號的頻道切換為接入點的頻段。這種重新協商通常發生在無線工作站移出了它原連接的接入點的服務范圍，信號衰減后。其他的情況還發生在建筑物造成的信號的變化或者僅僅由于原有接入點中的擁塞。在擁塞的情況下，這種重新協商實現quot;負載平衡"的功能，它將能夠使得整個無線網絡的利用率達到最高。802.11的DSSS中一共存在著相互覆蓋的14個頻道，在這14個頻道中，僅有三個頻道是完全不覆蓋的，利用這些頻道來作為多蜂窩覆蓋是最合適的。如果兩個接入點的覆蓋范圍互相影響，同時他們使用了互相覆蓋的頻段，這會造成他們在信號傳輸時的互相干擾，從而降低了他們各自網絡的性能和效率。