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IEEE 802.11 无线局域网

重要度 ⭐⭐⭐⭐⭐ 计算机网络/数据链路层Wi-Fi802.11CSMA/CARTS/CTS无线局域网
速查
无线局域网用 CSMA/CA(冲突避免)而非 CSMA/CD:因隐蔽站问题且无法边发边检测冲突。流程:监听→DIFS等待→随机退避→发送→等ACK。RTS/CTS 通过预约信道解决隐蔽站问题。帧格式比以太网复杂(最多 4 个地址)。

核心概念

802.11 标准系列

标准频段最大速率别名
802.11b2.4GHz11MbpsWi-Fi 1
802.11a5GHz54MbpsWi-Fi 2
802.11g2.4GHz54MbpsWi-Fi 3
802.11n2.4/5GHz600MbpsWi-Fi 4
802.11ac5GHz6.9GbpsWi-Fi 5
802.11ax2.4/5GHz9.6GbpsWi-Fi 6

两种网络模式

  • 基础设施模式(Infrastructure):有 AP(接入点/无线路由器),所有通信经 AP 转发,AP 连接有线网络
  • 自组织模式(Ad-hoc):无 AP,站点间直接通信,用于临时网络

CSMA/CA 协议

为什么不用 CSMA/CD

  • 隐蔽站问题:A 与 C 都检测不到对方(信号衰减),可能同时向 B 发送 → 冲突
  • 无法边发边检:发送信号强度 ≫ 接收信号强度,发送时无法同时监听冲突

CSMA/CA 工作流程

  1. 有数据要发送,先监听信道
  2. 空闲 → 等待 DIFS(分布式帧间间隔);忙 → 继续监听
  3. DIFS 期间仍空闲 → 选随机退避时间,倒计时(信道忙时冻结计时器)
  4. 倒计时到 0 → 发送数据
  5. 等待 ACK;收到则完成,未收到则执行退避算法重传

RTS/CTS 机制

目的:解决隐蔽站问题、预约信道。

发送方 → RTS(请求发送)→ AP/接收方
AP/接收方 → CTS(清除发送)→ 广播
发送方 → 数据帧 → AP/接收方
AP/接收方 → ACK → 发送方

RTS/CTS 中包含传输持续时间;其他站点收到后设置 NAV(网络分配矢量),NAV 期间不发送(虚拟载波监听)。

帧间间隔(IFS)

IFS时间用途
SIFS最短ACK、CTS 响应
DIFS中等数据帧发送前等待
PIFS介于两者之间AP 轮询(PCF 模式)

优先级:SIFS < PIFS < DIFS

802.11 帧格式

帧控制(2B) + 持续期(2B) + 地址1(6B) + 地址2(6B) + 地址3(6B) + 地址4(6B) + …。地址字段含义取决于 To DSFrom DS 位:

  • To DS=0, From DS=0:Ad-hoc 模式(地址1=目的,地址2=源,地址3=BSSID)
  • To DS=1, From DS=0:基础设施模式(发往 AP,地址1=AP,地址2=源,地址3=目的)
  • To DS=0, From DS=1:基础设施模式(AP 发出,地址1=目的,地址2=AP,地址3=源)
特性以太网帧802.11 帧
地址数2 个(目的+源)最多 4 个
序列号有(重传与排序)
持续期有(NAV)
帧控制有(类型、子类型)

常见考法

考点说明
CSMA/CA 流程监听→DIFS→随机退避→发送→等 ACK
隐蔽站问题无线远端站点无法检测冲突
RTS/CTS预约信道,解决隐蔽站问题
与 CSMA/CD 区别有线 vs 无线,检测 vs 避免

易错点

注意
  • CSMA/CA 是避免冲突,CSMA/CD 是检测冲突
  • 退避计时器在信道忙时要冻结,不是重新开始
  • RTS/CTS 不是必须的,可只用基本 CSMA/CA
  • 802.11 帧地址字段含义取决于 To DS 和 From DS 位

核心结论

必背
  1. 无线局域网用 CSMA/CA,因为无法边发边检测冲突
  2. RTS/CTS 解决隐蔽站问题
  3. DIFS 等待 + 随机退避是 CSMA/CA 核心机制
  4. 802.11 帧格式比以太网复杂,支持最多 4 个地址

记忆卡片

无线网络为什么不用 CSMA/CD?
隐蔽站问题 + 无法边发边检测冲突。
CSMA/CA 中 DIFS 的作用?
分布式帧间间隔,确保信道空闲一段时间后再发送。
RTS/CTS 解决什么问题?
隐蔽站问题,通过预约信道避免冲突。
退避计时器信道忙时怎么处理?
冻结计时器,信道重新空闲后继续倒计时。

图示 · RTS/CTS 预约信道

站点 A AP 站点 C RTS(预约) CTS(广播,含 NAV) 数据帧 ACK C 收到 CTS 后设置 NAV,在 A 通信期间保持静默(虚拟载波监听)。
图:RTS/CTS 通过 AP 广播 CTS 让周边站点(如 C)设置 NAV 静默,避免隐蔽站冲突。

交互动画 · CSMA/CA 发送与 RTS/CTS 的 8 步过程

手动模式
站点 A要发送数据 AP接入点 站点 C隐蔽站 信道:空闲 DIFS 退避 RTS/CTS NAV 静默 等待 ACK
无线用 CSMA/CA:监听 → DIFS → 随机退避 → 发送 → 等 ACK
为什么不用 CSMA/CD:隐蔽站问题 + 无法边发边检测冲突

相关知识点

ethernet random-access-protocol ethernet-switch-principle

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