第7章 无线网络
7.1 无线网络概述
无线网络使我们摆脱了网线的束缚，已成为接入互联网的主要方式。
7.1.1 基本要素
- 无线主机 (Wireless Hosts)：笔记本、手机、IoT设备等。
- 基站 (Base Station)：如 WiFi 的 AP (Access Point) 或蜂窝网的基塔。负责中继数据。
- 无线链路 (Wireless Link)：主机与基站之间的物理连接。
7.1.2 两种组网模式
- 基础设施模式 (Infrastructure Mode)：
- 所有通信通过基站中转。
- 主机需关联 (Associate) 到基站。
- 场景：家庭 WiFi、企业办公网、4G/5G。
- 自组织模式 (Ad Hoc Mode)：
- 无基站，节点间直接通信。
- 场景：蓝牙直连、战场通信、灾难救援 Mesh 网络。
7.2 无线链路的特殊性
与有线网络（以太网）相比，无线环境极其复杂，主要面临三大挑战：
- 信号衰减 (Path Loss)：电磁波能量随距离急剧下降，且穿墙能力有限。
- 干扰 (Interference)：
- 无线频谱是共享的（如 2.4GHz 频段拥挤）。
- 微波炉、蓝牙、邻居家 WiFi 都会成为干扰源。
- 多径传播 (Multipath Propagation)：
- 信号经墙壁、地面反射，导致多份信号在不同时间到达接收端，造成信号模糊。
结论：无线链路的误码率 (Bit Error Rate) 远高于有线链路，且性能波动大。
7.3 隐藏终端与暴露终端
无线信号覆盖范围有限，导致了有线网络中不存在的特殊问题，使得传统的“听前发送”（CSMA/CD）失效。
7.3.1 隐藏终端 (Hidden Terminal)
- 现象：A 和 C 都在 B 的覆盖范围内，但 A 和 C 互不可见（隔得远或有障碍）。
- 问题：A 向 B 发送数据时，C 听不到，以为信道空闲也向 B 发送。
- 结果：信号在 B 处发生碰撞。
7.3.2 暴露终端 (Exposed Terminal)
- 现象：B 在 A 的覆盖范围内，C 在 B 的覆盖范围内（但不在 A 的）。
- 问题：A 正在向他人发送，B 听到了，不敢向 C 发送。
- 结果：实际上 B 发给 C 并不会干扰 A，导致信道资源浪费。
7.4 WiFi (IEEE 802.11) 核心机制
WiFi 是最成功的无线局域网技术。
7.4.1 802.11 协议族
- 802.11b/g/n (2.4GHz)：穿透力强，但干扰大、频段窄。
- 802.11ac/ax (WiFi 5/6) (5GHz/6GHz)：带宽极大，干扰少，但穿墙弱。
7.4.2 多路访问协议：CSMA/CA
由于无法像以太网那样精准检测碰撞（无线发送信号远强于接收信号），WiFi 采用了 碰撞避免 (Collision Avoidance) 机制。
- CSMA (载波侦听)：发送前先听，忙则等待。
- CA (碰撞避免)：
- 信道忙时，进入随机退避 (Random Backoff) 倒计时。
- 谁先倒数完谁先发，减少争抢概率。
- ACK (确认机制)：
- 无线丢包率高，接收端收到数据后必须立即回复 ACK。
- 发送端未收到 ACK 即认为丢包，进行重传。
RTS/CTS 机制（可选）： 发送大数据包前，先发短包 RTS (请求发送)，接收端回 CTS (允许发送)。
- 作用：告诉周围所有节点“我要占座了”，解决隐藏终端问题。
- 代价：增加了额外开销，通常仅在长帧或高冲突环境下开启。
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CSMA/CA 协议与隐藏终端
交互式模拟 WiFi 协议的 RTS/CTS 握手过程，展示隐藏终端问题的解决方案及 NAV 机制。
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7.4.3 帧结构特点
WiFi 帧比以太网帧复杂得多，最显著的区别是包含 4 个地址字段，用于在自组网或中继模式下标识源、目的、中转 AP 等信息。
7.5 移动性与管理
- 关联 (Association)：手机开机后通过扫描（主动/被动）发现 AP，完成认证（输密码）和关联，并通过 DHCP 获取 IP。
- 速率自适应：离 AP 越近，信号越好，使用高阶调制（传得快）；离得远则自动降速以保证不丢包。
- 安全：
- 开放网络：数据裸奔，极度危险。
- WPA2/WPA3：现代标准，提供加密保护。