WLAN
802.11 无线局域网
802.11 是无线局域网 WLAN 的主要标准族。它仍然属于 IEEE 802 局域网体系，数据链路层仍分为 LLC 子层和 MAC 子层；但因为传输介质变成无线信道，介质访问控制、可靠传输和帧地址字段都比有线以太网复杂。
802.11 与共享式以太网的核心差异是：
| 对比项 | 共享式以太网 | 802.11 WLAN |
|---|---|---|
| 传输介质 | 有线共享介质 | 无线信道 |
| 冲突处理 | CSMA/CD，发送中检测碰撞 | CSMA/CA，发送前尽量避免碰撞 |
| 可靠性 | 数据链路层通常不确认、不重传 | 数据链路层使用 ACK |
| 中心设备 | 集线器只是物理层转发 | AP 参与关联、转发和接入 DS |
共享式以太网的 CSMA/CD 见 共享式以太网。这里重点看无线环境为什么需要另一套机制。
BSS、AP、BSSID、ESS、DS
BSS
基本服务集 BSS（Basic Service Set）是 802.11 WLAN 的最小构件。
在有固定基础设施的 WLAN 中，一个 BSS 通常包含：
- 一个 AP。
- 若干移动站 STA，例如笔记本、手机、平板。
- 一个无线覆盖范围 BSA（Basic Service Area）。
在基础结构模式中，移动站之间不直接互相转发数据。即使两个站点位于同一个 BSS 中，数据帧也通常先发给 AP，再由 AP 转发给目标站点。
AP
AP（Access Point）是接入点。它既是无线侧的中心接入设备，也是连接无线 BSS 与分配系统 DS 的桥接设备。
AP 的作用可以分成三层看：
| 角度 | AP 的作用 |
|---|---|
| 无线接入 | 发送信标帧，允许移动站扫描、认证、关联 |
| BSS 内转发 | 接收站点发来的 802.11 帧，再转发给同一 BSS 内的目标站点 |
| 接入 DS | 把无线帧转到 DS，例如有线以太网；也把 DS 中来的帧转回无线站点 |
因此，AP 不是无线版的集线器。它会参与 MAC 层帧处理，并且在无线网络和分配系统之间起桥接作用。
BSSID 与 SSID
| 名称 | 含义 | 典型形式 | 作用 |
|---|---|---|---|
| BSSID | Basic Service Set Identifier | AP 的 MAC 地址 | 唯一标识一个 BSS |
| SSID | Service Set Identifier | 最长 32 字节的网络名 | 用户看到的 Wi-Fi 名称 |
一个常见场景是：多个 AP 使用同一个 SSID，组成同一个可漫游的无线网络；但每个 AP 对应的 BSS 不同，因此 BSSID 也不同。终端界面上看到的是 SSID，802.11 帧中常常需要带 BSSID 来明确自己关联的是哪一个 AP。
DS 与 ESS
分配系统 DS（Distribution System）负责把多个 BSS 连接起来。DS 最常见的实现是以太网，也可以是点对点链路或其他无线链路。
多个 BSS 通过 DS 连接后，对上层表现为一个扩展服务集 ESS（Extended Service Set）。ESS 的目的不是让每个 BSS 看起来彼此无关，而是让上层仍然把它看成一个局域网。
例如，站点 A 在 BSS1，站点 B 在 BSS2，A 给 B 发数据时，路径可以表示为 A 到 AP1，再经过 DS 到 AP2，最后到 B。
若 DS 是以太网，那么 AP1 和 AP2 之间转发的通常是以太网帧；若 DS 也是 802.11 无线链路，则 AP 之间还会使用 802.11 的地址字段来标明发送 AP 和接收 AP。
漫游与关联
移动站要加入某个 BSS，必须先选择 AP 并与该 AP 建立关联。关联成功后，站点才属于这个 AP 所在的 BSS，并通过该 AP 收发数据。
移动站发现 AP 的方式有两种：
| 扫描方式 | 过程 |
|---|---|
| 被动扫描 | AP 周期性发送信标帧 Beacon，站点监听信标帧 |
| 主动扫描 | 站点发送探测请求 Probe Request，等待 AP 的探测响应 Probe Response |
漫游时，移动站从一个 AP 的 BSS 移动到另一个 AP 的 BSS，并重新关联到新的 AP。802.11 标准定义了关联等基本服务，但不规定具体漫游实现算法。
基础结构模式与 ad hoc 模式
802.11 有两种典型组网方式。
| 模式 | 是否有 AP | 通信方式 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 基础结构模式 | 有 | 站点通过 AP 通信 | 最常见，可接入 DS 和外部网络 |
| ad hoc 模式 | 无 | 站点在通信范围内直接通信 | 组网简单，但标准本身不提供多跳路由 |
ad hoc 模式也称自组织模式。它允许站点在彼此无线覆盖范围内直接通信，但 802.11 的 ad hoc 模式只支持单跳通信；多跳路由属于更高层或专门的自组织网络路由协议问题。
802.11 物理层标准
802.11 是一个标准族，物理层会随着频段、调制方式、带宽和天线技术变化而变化。数据链路层讨论 CSMA/CA、ACK、NAV、RTS/CTS 时，不需要记住所有物理层细节，但应知道不同 802.11 标准的差异主要来自物理层。
| 标准 | 频段 | 典型物理层技术 | 直观特点 |
|---|---|---|---|
| 802.11b | 2.4 GHz | DSSS | 速率较低，传播距离相对较远 |
| 802.11a | 5 GHz | OFDM | 速率较高，传播距离相对较短 |
| 802.11g | 2.4 GHz | OFDM | 在 2.4 GHz 上提供较高速率 |
| 802.11n | 2.4 GHz / 5 GHz | OFDM、MIMO | 使用多天线提高吞吐量 |
| 802.11ac | 5 GHz | OFDM、MIMO | 进一步提高速率 |
| 802.11ax | 2.4 GHz / 5 GHz | OFDMA、MIMO | 即 Wi-Fi 6，提升高密度场景效率 |
这些物理层标准影响速率、覆盖范围、抗干扰能力和可支持的用户密度；但只要仍在 802.11 WLAN 的 MAC 层框架内，基本介质访问思想仍围绕 CSMA/CA 展开。
CSMA/CD 在 WLAN 上的局限
802.11 仍然使用 CSMA 的“先听后说”思想，但不能照搬 CSMA/CD。原因主要有两个。
发送时难以检测碰撞
有线共享介质中，站点可以边发送边监听介质上的电信号变化，从而检测碰撞。无线环境中，发送端自己的发射信号往往远强于接收到的远端信号，边发边准确检测碰撞很困难。
所以，无线站点更适合在发送前尽量降低碰撞概率，发送后通过 ACK 判断是否成功。
隐藏站问题
隐藏站问题是无线局域网的典型问题：A 和 B 都能与 AP 通信，但 A 与 B 彼此听不到。
如果 A 正在向 AP 发送，B 因为听不到 A，可能误以为信道空闲，也向 AP 发送。这样 AP 处发生碰撞。A 和 B 对彼此来说就是隐藏站。
CSMA/CD 假设站点能够比较可靠地监听到共享介质上的发送行为；无线局域网中这个假设不成立，因此 802.11 使用 CSMA/CA。
CSMA/CA
CSMA/CA 是 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多址接入/碰撞避免。
它的基本思想是：
- 发送前监听信道。
- 信道空闲后先等待帧间间隔。
- 必要时进行随机退避。
- 数据帧发送后等待 ACK。
- 通过 NAV 和 RTS/CTS 减少隐藏站带来的碰撞。
802.11 MAC 层定义了两种介质访问控制方式：
| 方式 | 全称 | 特点 |
|---|---|---|
| DCF | Distributed Coordination Function | 分布式协调功能，站点通过 CSMA/CA 争用信道，必须实现 |
| PCF | Point Coordination Function | 点协调功能，通常由 AP 集中轮询，提供无争用服务，可选但实际较少使用 |
通常讨论 802.11 的 CSMA/CA 时，默认是在说 DCF。
帧间间隔：SIFS 与 DIFS
802.11 规定站点必须在信道持续空闲一段时间后才能发送帧。这段时间称为帧间间隔 IFS（Interframe Space）。
不同帧等待的 IFS 不同。高优先级帧等待时间短，低优先级帧等待时间长。
| IFS | 含义 | 典型用途 | 直观作用 |
|---|---|---|---|
| SIFS | Short IFS | ACK、CTS、分片后的后续数据帧 | 最短，使一次对话中的响应帧优先发送 |
| DIFS | DCF IFS | 普通数据帧、管理帧 | 普通争用发送前需要等待 |
SIFS 比 DIFS 短，这会形成一种优先级关系：已经开始的一次帧交换中的响应帧，比其他站点新发起的数据帧更早获得发送机会。
例如 A 向 B 发送 DATA 后，B 若正确收到，需要返回 ACK。此时其他站点即使也想发送普通数据帧，也必须等信道空闲满 DIFS 后才能争用；而 B 只需要等 SIFS 就能发送 ACK。因为 SIFS 更短，所以 ACK 会先发出，其他站点会继续等待。这样，DATA -> ACK 这次交换可以连续完成，不会被其他普通数据帧插入打断。
CTS 也是同理：A 发出 RTS 后，B 等 SIFS 就返回 CTS。其他站点要发普通数据帧要等 DIFS，因此 CTS 可以优先发出，把这次预约过程继续下去。
退避计时器
如果信道刚从忙变为空闲，多个站点可能都在等待发送。若它们都在 DIFS 后立即发送，仍然容易碰撞。因此 CSMA/CA 使用退避计时器。
退避过程可以按“选择一个随机时隙数，然后只在信道空闲时倒计时”来理解。
- 站点有帧要发，先监听信道。
- 若信道忙，站点不发送，等待信道从忙变为空闲。
- 信道空闲后，站点先连续等待一个 DIFS。若 DIFS 期间信道又变忙，则回到等待信道空闲。
- DIFS 结束后，站点从当前争用窗口 CW 中随机选一个整数 $r$，表示还要等待 $r$ 个时隙。
- 每经过一个空闲时隙，退避计时器减 1。
- 如果倒计时过程中信道变忙，计时器立即冻结，剩余值不清零。
- 等信道再次空闲，并重新等待 DIFS 后，计时器从冻结时的剩余值继续倒计时。
- 当计时器减到 0，站点获得发送机会，开始发送数据帧。
争用窗口用于降低多个站点同时发送的概率。窗口越大，随机选择的范围越大，同时选到同一个时隙的概率越低，但平均等待时间也更长。发生重传时，争用窗口通常按二进制指数退避扩大；发送成功后，争用窗口恢复到较小范围。
退避计时器不是按真实时间一直倒计时，而是只在信道保持空闲的时隙中倒计时。信道一忙就冻结，这一点是理解 CSMA/CA 退避过程的关键。
虚拟载波监听与 NAV
物理载波监听只能回答“我现在是否听到无线信号”。但无线局域网还需要处理“我虽然听不到某个站点，但我知道信道已经被预约”的情况。
802.11 因此引入虚拟载波监听。数据帧、RTS、CTS 中可以携带持续期字段，说明本次通信还需要占用信道多长时间。其他站点听到这些帧后，把自己的 NAV（Network Allocation Vector，网络分配向量）设置为相应时间。
某个站认为信道忙，可能有两种原因：
- 物理载波监听检测到信道忙。
- NAV 还没有倒计时到 0，虚拟载波监听认为信道忙。
NAV 的关键价值是：站点不必真正听到所有无线信号，只要听到数据帧、RTS 或 CTS 中的持续期字段之一，就能推迟访问。
基本发送过程
展示一个普通数据帧的 CSMA/CA 发送过程：源站等待 DIFS 后发送数据，目的站等待 SIFS 后返回 ACK；其他站点根据持续期字段设置 NAV，在这段时间内推迟发送。
802.11 使用 ACK 的原因是无线链路误码率较高，而且发送端不能像 CSMA/CD 那样可靠地在发送中检测碰撞。若源站没有在超时时间内收到 ACK，就认为该帧可能丢失或碰撞，需要退避后重传。
RTS/CTS 信道预约
RTS/CTS 是可选的信道预约机制，常用于降低隐藏站带来的碰撞开销。
RTS/CTS 的完整过程如下。
- 源站监听信道，若空闲则等待 DIFS。
- 源站发送 RTS（Request To Send），说明自己想发送，并给出本次通信需要占用信道的持续时间。
- 目的站正确收到 RTS 且信道可用，等待 SIFS 后发送 CTS（Clear To Send）。
- 源站收到 CTS 后，等待 SIFS，再发送数据帧。
- 目的站正确收到数据帧后，等待 SIFS，返回 ACK。
- 其他站点只要听到 RTS、CTS 或数据帧中的持续期字段，就设置 NAV，在对应时间内推迟发送。
RTS/CTS 本身会带来额外开销，因此不一定总是使用。常见策略是：数据帧较长时使用 RTS/CTS；数据帧较短时直接发送，因为预约开销可能超过收益。
B 听不到 A 的 RTS，但可能听得到 AP 的 CTS。B 一旦听到 CTS，就知道 AP 接下来要接收 A 的数据，于是根据 CTS 中的持续时间设置 NAV，暂时不发送。
802.11 MAC 帧分为三类：
| 类型 | 作用 | 例子 |
|---|---|---|
| 数据帧 | 承载上层数据 | 普通数据帧 |
| 控制帧 | 控制信道访问和可靠传输 | ACK、RTS、CTS |
| 管理帧 | 建立和维护无线连接 | Beacon、Probe Request、Probe Response、Association |
控制帧和管理帧不是“额外背景知识”。CSMA/CA 的 ACK、RTS、CTS 属于控制帧；扫描和关联依赖管理帧。
802.11 数据帧的 4 个地址字段
以太网帧通常只需要目的 MAC 地址和源 MAC 地址。802.11 数据帧可能有 4 个地址字段，因为无线站点、AP、DS 之间的关系更复杂。
关键控制位是：
- To DS：帧是否去往分配系统。
- From DS：帧是否来自分配系统。
| To DS | From DS | 地址 1 | 地址 2 | 地址 3 | 地址 4 | 场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 目的站 | 源站 | BSSID | 未用 | ad hoc 或不经过 DS 的同一 BSS 通信 |
| 1 | 0 | 接收 AP | 源站 | 目的站 | 未用 | 站点发往 AP，再进入 DS |
| 0 | 1 | 目的站 | 发送 AP | 源站 | 未用 | AP 从 DS 转发给站点 |
| 1 | 1 | 接收 AP | 发送 AP | 目的站 | 源站 | 无线 DS 中 AP 到 AP 的转发 |
最常见的是中间两种。
例如站点 A 通过 AP1 给站点 B 发送数据：
- A 先把 802.11 帧发给 AP1：To DS = 1，From DS = 0。地址 1 是 AP1，地址 2 是 A，地址 3 是 B。
- 若 B 在 AP1 的同一 BSS 中，AP1 再把帧转发给 B：To DS = 0，From DS = 1。地址 1 是 B，地址 2 是 AP1，地址 3 是 A。
- 若 B 位于另一个 BSS，AP1 先通过 DS 把帧送到 AP2，再由 AP2 发给 B。
802.11 帧中需要 AP 地址，是因为无线站点可能处在多个 AP 的信号覆盖范围内，但它只能与某个 AP 建立关联。帧必须明确当前由哪个 AP 接收或发送。以太网帧中通常不需要携带 AP 地址，因为 AP 在 DS 侧像透明网桥一样工作。