2.2 IEEE 802.11

2.2.1 网络拓扑类型

IEEE 802.11—2007标准定义了两类组网模式：基础设施模式（infrastructure mode）与独立模式（independent mode）。基础设施模式也称为“基础结构型”，可进一步分为基本服务集（Basic Service Set，BSS）与扩展服务集（Extended Service Set，ESS）。对应于独立模式的是独立基本服务集（Independent BSS，IBSS）。IBSS主要是指无线自组网（Ad hoc）。2011年的修正案IEEE 802.11s—2011增加了混合模式，对应的是Mesh基本服务集（Mesh BSS，MBSS）。图2-8给出了IEEE 802.11网络拓扑类型。

1.基本服务集

基础设施模式与独立模式的主要区别是：

1）基础设施模式的IEEE 802.11局域网需要依靠无线基站——AP，实现网络中关联的无线主机之间的通信。

2）独立模式的无线网络中不需要基站，网络中的无线主机通过对等方式完成数据的交互。

IEEE 802.11标准规定无线局域网的基本构建单元是BSS。BBS是由一个AP与多个在逻辑上关联的无线主机组成。BSS覆盖范围称为基本服务区（BSA）。

图2-9给出了BSS的网络结构。BSS是由AP与多个无线主机组成的。一个BSS的覆盖范围一般在几十米到几百米，可覆盖一个实验室、教室与家庭。为了保证无线局域网覆盖用户的活动范围，所有无线主机可以在BSA范围内自由移动，需要事先对AP的位置进行勘察、选址与安装。BSS中所有主机通过AP交换数据，形成了一个以AP为中心节点的星形拓扑构型。

2.扩展服务集

为了扩大无线局域网的覆盖范围，可通过Ethernet交换机将多个BSS互联，构成一个扩展服务集（ESS），并通过路由器接入互联网。典型的ESS可覆盖一座教学楼、一家公司，或者是一个校园的教室、阅览室、宿舍、运动场等。无线网络中的所有主机可以自由在ESS中移动。图2-10给出了由两个BSS组成的ESS的网络结构。

ESS中的无线主机A可通过AP1、Ethernet交换机、AP2与ESS中的任何一台无线主机通信；也可通过AP1、Ethernet交换机与路由器接入互联网，访问互联网中的Web服务器或主机 N ，这样就构成了一个更大的分布式系统（Distribution System，DS）。

要理解ESS的网络结构，需要注意两个问题：

1）由于Ethernet应用非常广泛，因此一般采用Ethernet连接多个BSS，也可通过无线网桥、无线路由器连接多个BSS，构成无线分布式系统（Wireless DS，WDS）。在ESS网络结构中，AP的角色是无线主机访问DS的接入设备。从这个角度出发，IEEE 802.11—2007在描述数据帧的交互过程时，将“无线主机向AP发送数据帧”定义为“去往DS”，将“AP向无线主机发送的数据帧”定义为“来自DS”就容易理解了。

2）由于ESS由多个BSS构成，为了保证主机在ESS的覆盖范围内无缝漫游，相邻BSS的覆盖区域之间必然有重叠。大部分厂商的建议是：BSS的覆盖区域之间的重叠面积至少保持在15%～20%。相邻BSS之间的信号干扰问题采用信道复用方法来解决。

3.无线自组网

IBSS是指以自组织方式构成的无线自组网（Ad hoc）。图2-11给出了Ad hoc主机的多跳通信方式。独立型无线自组网中没有无线基站，无线主机之间采用对等的点-点、多跳方式通信。不相邻的无线主机之间的通信需要通过相邻的无线主机转接的多跳方式来完成。

Ad hoc网络具有以下几个特点：

（1）自组织与自修复

Ad hoc不需要任何预先架设的无线通信基础设施，所有主机通过分层协议体系与分布式路由算法协调相邻无线主机之间的通信关系。无线主机可以快速、自主和动态地组网。当新的主机接入、已有主机退出，或主机之间的无线信道出现故障时，无线主机能够自动寻找新的相邻主机，并重新组网。

（2）无中心

Ad hoc是一种对等结构的无线网络。所有主机的地位平等，没有专门的路由器。任何主机可随时加入或离开网络，一台主机出现故障不会影响整个网络工作。

（3）多跳路由

由于受到主机无线发射功率的限制，每台主机的覆盖范围有限。覆盖范围之外的主机之间通信时，必须通过中间节点以多跳转发方式来完成。每台主机同时承担路由器与客户机的功能。

（4）动态拓扑

Ad hoc允许无线主机根据自己的需要开启或关闭，并且允许主机在任何时间以任意速度在任何方向上移动，同时受到主机的接收信号灵敏度、天线覆盖范围、主机地理位置与主机之间障碍物遮挡，以及信号多径传输、信道之间干扰等因素的影响，使得主机之间的通信关系不断变化，造成Ad hoc拓扑动态改变。因此，为了保证Ad hoc正常工作，必须采取特殊的路由协议与算法。

4.Mesh基本服务集

无线Mesh网又称为Mesh基本服务集（MBSS）或无线网状网（Wireless Mesh Network，WMN）。图2-12给出了典型的MBSS的网络结构。

无线Mesh网有如下特点：

1）无线Mesh网由一组呈网状分布的无线AP组成，AP之间通过点-点无线信道连接，形成具有自组织、自修复特点的多跳网络。

2）从接入的角度，每个AP都可以形成自己的BSS；从多跳网络结构的角度，AP具有接收、转发相邻AP发送帧的功能。与传统的AP相比，由于无线Mesh网中的AP增加了路由选择与自组织的功能，因此无线Mesh网中的AP又称为Mesh AP。

3）Mesh AP可以形成自己的BSS，实现主机的接入功能，这与BSS、ESS相同。从自组织与多跳的角度来看，它与Ad hoc相同，因此可将无线Mesh网归纳为混合型网络。

4）无线Mesh网与Ad hoc的区别在于：无线Mesh网通过Mesh AP之间的点-点连接形成网状网，而Ad hoc直接由无线主机之间的点-点连接形成网状网。因此，无线Mesh网主要适用于大面积、快速与灵活组网的应用，而Ad hoc主要用于满足多主机在移动状态下的自主组网需求。

2.2.2 无线通信的特殊性

1.BSS中的冲突现象

图2-13a描述了以AP作为基站的传输模式实现无线主机之间帧转发过程。当主机A向主机D发送数据帧时，首先将帧发送到AP，然后由AP将帧转发给主机D。这种传输方式具有三个特点：

1）需要事先安装一个作为基站的AP设备。主机以点-点方式将数据帧发送给AP。

2）AP利用共享的无线信道，通过广播方式发送该数据帧，处于AP覆盖范围内的所有主机都会接收到该帧。AP发送的是单播帧，只有与帧的目的地址相同的主机才能够接收并处理该帧，目的地址不匹配的主机丢弃该帧。3）AP利用共享的无线信道以广播方式转发数据帧，这就出现与传统Ethernet类似的冲突问题。如果有两个或两个以上无线主机试图同时利用共享的无线信道发送帧，就会发生冲突（如图2-13b所示）。因此，IEEE 802.11的MAC层协议同样要解决多个无线主机对无线信道的争用问题。

2.隐藏主机与暴露主机

在无线通信中，实现两个无线主机之间的正常通信需要满足两个基本条件：一是发送主机与接收主机使用的频率相同；二是接收主机接收到的发送信号功率必须大于或等于它的接收灵敏度。

由于无线信号发送与接收过程中存在干扰与信道争用问题，因此无线局域网中会出现隐藏主机和暴露主机的问题（如图2-14所示）。

以无线自组网为例，图2-14a中的主机B向主机A发送数据，而主机C不在主机B的无线覆盖范围之内，主机C不可能检测到主机B正在发送数据，那么主机C可能做出错误判断：信道空闲，可以发送。如果此时主机C也向主机A发送数据，那么就会产生冲突，导致主机B发送失败。这时，主机C对于主机B来说就是隐藏主机。

图2-14b中的主机A正在向主机C发送数据，而主机B也要向主机D发送数据，主机B在检测信道后认为信道忙，做出不向主机D发送数据的决定，而此时主机D可以接收数据。这时，主机B对于主机A来说就是暴露主机。一些文献中将隐藏主机称为隐藏站（hidden station），将暴露主机称为暴露站（exposed station）。

需要注意的是：实际上，无线自组网与BSS中都存在隐藏主机、暴露主机的问题。隐藏主机、暴露主机的存在会造成检测到信道忙而实际上信道并不忙，或者检测到信道闲实际上信道并不闲的现象。MAC层协议必须解决无线环境中的隐藏主机与暴露主机问题，以提高无线信道的利用率。

2.2.3 SSID与BSSID

在无线局域网中，必须解决AP设备与接入主机的识别问题。IEEE 802.11定义了AP的服务集标识符（Service Set Identifier，SSID）与基本服务集标识符（Basic Service Set Identifier，BSSID）。

1.服务集标识符

当网络管理员安装AP时，首先需要为这个AP分配一个SSID和信道（如图2-15所示）。

按照IEEE 802.11的规定，AP设备名最长为32个字符，并且区分字符的大小写。SSID用来表示以AP作为基站的BSS的逻辑名，它与Windows工作组名类似。例如，南开大学网络实验室的教师办公室AP1的SSID为“TP-NK-NETLAB”，那么，由这个AP1组成的BSS1的SSID名为“TP-NK-NETLAB”。

2.基本服务集标识符

如果SSID是一个AP的一层标识，那么BSSID就是AP的二层标识。AP与无线主机之间的通信是通过内部的无线网卡来实现的。在大部分情况下，BSSID就是无线网卡的MAC地址。但是，有的网络设备生产商也允许使用虚拟BSSID。

IEEE 802.11规定的无线网卡BSSID与Ethernet网卡的MAC地址相似，长度都是6字节（48位）。不同之处在于：IEEE 802.11规定无线网卡BSSID的第1字节的最低位为0、倒数第2位为1，其余46位按照一定的算法随机产生，这样就能以很高的概率保证产生的MAC地址是唯一的。因此，SSID是用户为AP配置的无线局域网的BSS逻辑名，BSSID是设备生产商为AP配置的更精确的二层标识符。例如，前面说的教师办公室AP1的SSID为“TP-NK-NETLAB”，对应的MAC地址为“00:0C:25:60:A2:1D”。BSSID作为AP设备唯一的二层标识，在无线主机的漫游中起到了重要的作用。

SSID与BSSID的区别和联系在ESS中可以看得清楚。如图2-16所示，南开大学网络实验室的ESS由教师办公室的BSS1与学生工作室的BSS2组成。ESS中的AP1与AP2的SSID相同，都是“TP-NK-NETLAB”。但是，AP1的BSSID是“00:0C:25:60:A2:1D”，AP2的BSSID是“00:1C:00:0B:AB:20”。另外，AP1使用的是2.4GHz频段的信道1，AP2使用的是2.4GHz频段的信道6。