计算机网络 —— 数据链路层（无线局域网）

我们来看看无线局域网：

什么是无线局域网

无线局域网（Wireless Local Area Network，简称WLAN）是一种利用无线通信技术，在一定局部区域内建立的计算机网络。它使得网络中的设备，如个人电脑、智能手机、平板电脑、打印机等，能够在没有物理连线的情况下互相连接，并且可以访问互联网或者共享局域网内的资源。WLAN的核心优势在于其提供的移动性和灵活性，用户可以在覆盖范围内自由移动，同时保持网络连接。

无线局域网主要基于IEEE 802.11标准系列，这一系列标准定义了无线通信的技术规格，包括但不限于频率、速度、信号编码方法等。常见的Wi-Fi技术就是基于IEEE 802.11标准的，Wi-Fi实质上是无线局域网的一个商标名称，由Wi-Fi联盟进行认证和推广。无线局域网的传输介质通常是无线电波，常用的频段有2.4 GHz和5 GHz，不过理论上WLAN还可以使用激光、红外线等其他无线传输技术。

无线局域网的应用场景非常广泛，包括但不限于家庭、办公室、学校、机场、咖啡馆、图书馆以及公共户外空间等，为用户提供便捷的网络接入服务。为了确保网络的安全性，WLAN通常会采用加密技术如WPA2或WPA3，以及身份验证机制来防止未经授权的访问。

IEEE 802.11

IEEE 802.11 是一组由电气和电子工程师协会（IEEE）制定的无线局域网（WLAN）标准，通常被称为Wi-Fi技术的基础。这一系列标准详细规定了无线网络通信的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层的规范，从而确保了不同厂商生产的无线设备之间的互操作性。

主要标准及其特点：

• 802.11: 最初的标准，发布于1997年，定义了基本的无线局域网技术。
• 802.11a: 1999年发布，工作在5GHz频段，最大原始数据传输率为54Mbps，提供了比早期标准更高的数据速率和较少的干扰。
• 802.11b: 同样发布于1999年，工作在2.4GHz频段，最大数据传输速率为11Mbps，因其成本较低而普及迅速。
• 802.11g: 2003年发布，结合了802.11a的高速率和802.11b的兼容性，同样工作在2.4GHz频段，最大数据传输速率为54Mbps。
• 802.11n: 2009年发布，引入了MIMO（多输入多输出）技术和更宽的频道带宽，工作在2.4GHz和5GHz频段，理论最大传输速率可达600Mbps，显著提高了无线网络的覆盖范围和吞吐量。
• 802.11ac: 2013年发布，是第五代Wi-Fi标准，专注于5GHz频段，使用更宽的频道带宽（最高160MHz）、更多的MIMO空间流（最多8条），理论最大传输速率可达6.93Gbps，即Wi-Fi 5。
• 802.11ax: 也称为Wi-Fi 6，发布于2021年，是对802.11ac的改进，引入了更高阶的调制技术（如1024-QAM）、正交频分多址（OFDMA）和多用户MIMO，工作在2.4GHz和5GHz频段，最大理论吞吐量达到9.6Gbps，优化了密集环境中的网络效率和性能。
• 802.11be（Wi-Fi 7）: 正在开发中，预计将是下一代Wi-Fi标准，将引入320MHz带宽、4096-QAM、多链路操作等技术，目标是提供高达23Gbps的吞吐量，进一步降低延迟，提高网络容量和效率。

这些标准随着时间的推移不断演进，旨在满足日益增长的无线网络速度、覆盖范围和设备连接密度的需求。

802.11的MAC帧样式

IEEE 802.11标准定义的MAC（Media Access Control，媒介访问控制）帧格式是用于无线局域网（WLAN）中数据传输的基础。MAC帧负责在物理层提供的传输媒介上组织和控制数据的交换。802.11 MAC帧具有一定的结构和组成元素，以确保数据的正确传输和网络的正常运作。以下是802.11 MAC帧的主要组成部分：

1. 帧控制字段（Frame Control）（2字节）：

• 包含帧类型和帧控制信息，比如是否是有地址字段、是否使用保护机制、帧类型（管理帧、控制帧或数据帧）及其子类型。
• 包括协议版本、类型、子类型、帧的To DS和From DS标志、More Fragments标志、Retry标志、Power Management标志、More Data标志、Protected Frame标志、Order标志等。

2. Duration/ID字段（2字节）：

• 对于数据帧和控制帧，指示该帧及其确认帧所需的通道占用时间，以帮助其他站避免冲突。
• 对于管理帧，该字段可能用作帧标识符（Sequence Control字段的一部分）。

3. 地址字段（可变长度，通常为48位或6字节/字段，最多可有4个地址字段）：

• 地址1（Destination Address）：帧的目的地址。
• 地址2（Source Address）：帧的源地址。
• 地址3（BSSID/Receiver Address）：在基础设施模式中代表接入点地址。
• 地址4（Transmitter Address）：仅在某些帧中出现，指出发送者的地址。

4. Sequence Control字段（2字节）：

• 包含Sequence Number（序列号）和Fragment Number（片段号），用于帧的排序和重传控制。

5. 可选字段：

• QoS Control（如果帧是QoS数据帧，则存在）：用于QoS优先级和流量控制。
• HT Control（对于支持802.11n或更高版本的帧，可能包含高级功能控制信息）。

6. 帧体（Payload）：

• 实际传输的数据，可能是高层协议数据单元（如IP包）或管理/控制信息。

7. 帧校验序列（FCS）：

• 通常4字节，使用CRC进行错误检测。

这些部分共同构成了802.11 MAC帧的基础结构，不同的帧类型（管理帧、控制帧、数据帧）可能包含不同的可选字段，并且在某些情况下地址字段的数量也会有所不同。例如，管理帧可能不会使用所有四个地址字段，而数据帧通常会使用全部或部分地址字段来指导数据的流向。