无线网络
发布于 • 作者: Ethan
无线网络基础概念
一、无线网络的基本组成
无线网络一般由以下部分构成：
无线主机（Wireless Hosts）
- 包括：笔记本电脑、智能手机、平板等。
- 可能是固定的，也可能是移动的。
- 示例：Han 用笔记本接入校园 WiFi 的过程中，这台笔记本就是无线主机。
基站（Base Station）
- 负责在无线主机与有线网络之间中继数据。
- Wi-Fi 使用 AP（Access Point）作为基站；蜂窝网络使用基站塔。
- 示例：你在图书馆看到的“UMICH WiFi AP”就是一个 AP。
无线链路（Wireless Link）
- 将主机连接到基站的物理链路。
- 不同技术提供不同带宽、频率与距离。
- 示例：802.11ac 5GHz 提供高带宽但覆盖差；2.4GHz 覆盖更广但干扰更大。
二、无线与移动性的区别
- 无线（Wireless） 强调“介质是空气”。
- 移动性（Mobility） 强调“终端位置不断变化，需要网络保持连接”。
- 有些网络不无线但仍需处理移动性，例如：移动设备在以太网中迁移时的 IP 续持。
三、无线链路主要挑战
信号衰减（Path Loss）
无线信号随距离增加而迅速减弱，且受到折射、反射、吸收等影响。
示例：
- Han 在宿舍房间离 AP 较远时网速变慢，就是典型的 FSPL（Free Space Path Loss）。
多径效应（Multipath）
信号会在墙壁、地面等处反射，多个版本的信号在接收端叠加，造成干扰。
示例：
- 在走廊或电梯附近 WiFi 不稳定，因为反射面多，导致多径严重。
外部干扰（Interference）
包括：
- 微波炉（2.4 GHz）
- 蓝牙
- 同频道 WiFi
- 电机、电磁噪声
四、无线中的 SNR 与 BER
SNR（Signal-to-Noise Ratio）
- SNR 越大，信号越清晰。
- 高 SNR 可以使用更高阶调制（如 QAM256），提供更高吞吐。
BER（Bit Error Rate）
- 随 SNR 减小而增大。
- PHY 会动态调节编码与调制方式以在 BER 阈值内最大化吞吐。
示例：
- 当你移动过程中 WiFi PHY 可能从 QAM256 → QAM16 → BPSK 切换以维持稳定连接。
五、无线链路的高误码应对方法
已有技术包括：
- 更强的纠错码（如 LDPC、Turbo Code）
- 链路层重传（ARQ）
- 控制发射功率（但耗电且易干扰）
- TCP 层改进，例如 TCP Westwood 的 ELN（Explicit Loss Notification）
六、无线网络特性：广播与半双工
广播介质（Broadcast Medium）
所有在范围内的节点都能听到发送信号，因此容易产生干扰。
半双工（Half-Duplex）
无线设备不能同时收发，原因是自身信号会“淹没”接收器。
七、经典问题：隐藏终端与暴露终端
隐藏终端（Hidden Terminal）
A 与 C 互相听不见，但都能影响 B，容易造成冲突。 802.11 的 RTS/CTS 机制可解决此问题。
暴露终端（Exposed Terminal）
B 与 C 虽然听得见彼此，但它们的发送不会互相干扰（例如 A→B，C→D 时）。 CSMA 会错误让 C 不发送，造成吞吐下降。
八、Wi-Fi（802.11）体系结构
基本单元：BSS（Basic Service Set）
- 一个 AP + 多台主机组成一个 BSS。
- 多个 BSS 组成 ESS。
扫描方式
被动扫描（Passive Scanning）
- AP 广播 Beacon
- 主机发送 Association Request
- AP 回复 Association Response
主动扫描（Active Scanning）
- 主机发送 Probe Request
- 所有 AP 回复 Probe Response
- 主机选择 AP 并关联
九、802.11 多路访问：CSMA/CA
为什么不能用 CSMA/CD？
因为无线设备无法同时收发，因此无法检测碰撞。
基本机制
- 先侦听（Carrier Sense）
- 若忙则随机退避
- 无 ACK 则认为冲突并指数退避
RTS/CTS
在传输大数据前，发送短帧“预约”信道。
十、802.11 帧格式中的地址字段
802.11 帧需要更多地址字段，因为包含 AP 这个“中继者”。
- Address 1：目标（AP 或主机）
- Address 2：发送方
- Address 3：上游路由器接口
- Address 4：仅在 ad hoc 用
示例： H1 → AP → R1：
- H1 → AP：Address1=AP，Address2=H1，Address3=R1
- AP → R1：以太网帧只保留 H1 与 R1
十一、同一子网内的移动性
当主机在不同 AP 间移动（如从图书馆走到教室）：
- IP 不变
- 交换机会“学习”主机转移到了哪个 AP 接口
十二、802.15 蓝牙（Bluetooth / BLE）
- 覆盖 10m 内的个人区域网络（PAN）
- 无基础设施，常见连接外设（键盘、鼠标、耳机）
结构
- Coordinator（中心节点）
- Devices（设备）
- 设备需向 Coordinator 请求发送机会
示例： 蓝牙耳机与手机配对后，手机就是 Coordinator。
总结
无线网络比有线网络更复杂，因为：
- 信号衰减
- 多径效应
- 干扰
- 广播带来的 MAC 冲突问题
因此需要：
- CSMA/CA（避免冲突）
- RTS/CTS（避免隐藏终端）
- 复杂 PHY 调制与编码
- 链路层重传与 TCP 适应性