近几年，无线局域网作为传统的有线局域网的一种替代品，在扩展性、移动性和自组性等方面有着有线网络不可比拟的优势，其标准众多，主要包括IEEE委员会制定的802.11系列标准、HomeRF标准和蓝牙标准，其中最著名的是802.11标准。802.11标准的协议体系结构与802.3标准很相似，只制定了物理层和数据链路层的规约。其中的数据链路层仅包含了MAC层的定义，描述IEEE 802.11媒介访问控制的方式以及其站点间的数据交换过程。

IEEE 802.11标准把MAC层定义为两个子层，分别为分布式协调功能（Distributed Co-ordination Function，DCF）和点协调功能（Point Coordination Function，PCF）。

DCF使用CSMA/CA（带冲突避免的载波监听多点接入）协议，它与CSMA/CD相似。通过DCF，802.11站点之间争用信道，想要发送数据的站点通过CSMA/CA接入机制获得数据帧的发送权。

PCF使用集中控制，由中心点轮询的方式来使各个站点获得发送权。PCF基于优先级的访问无竞争的协议，通过优先级来控制站点获得数据发送权的先后。802.11的层次结构如图4-6所示，PCF位于DCF之上，但DCF可直接向上层（LLC层）提供争用服务，PCF向上层提供无争用服务，它们同属于MAC层。

图4-6　802.11协议层次结构

1.使用CSMA/CA的必然性

802.11为什么不继续沿用802.3的CSMA/CD机制来控制局域网的接入呢？CSMA/CD的传输媒介是双绞线和同轴电缆等，这些传输媒介相对于802.11的无线传输媒介受外界的干扰要小得多，并且位于同一条总线上的两个最远站点之间的信号总能互相到达。但在无线局域网中，由于传输信号的强度随着距离的增长会快速衰减，并且很有可能因为碰到物体屏障而停止传播，站点就很容易接收不到信号，这就导致了隐蔽站点问题。

隐蔽站点问题如图4-7所示。站点A与C之间有障碍物以至于两者的信号不能到达对方，B和D因为距离太远以至于彼此的信号也不能到达对方。A先给B发送数据。C此时监听信道，收不到A的信号，便误认为信道空闲，也向B发送数据。此时B同时收到A和C的数据，冲突产生。A和C则互相隐蔽。另外一种情况是B向C发送数据，因为衰减信号到达不了D，D误认为信道空闲，也向C发送数据，冲突又产生了。B和D也互相隐蔽。

图4-7　隐蔽站点问题

在隐蔽站点问题中，两个互为隐蔽的站点同时发送数据时，无法检测到冲突，此时冲突检测失去作用，所以不能采用CSMA/CD来进行媒介访问控制，而采用了带冲突避免的CS-MA方式——CSMA/CA。

另外，从图4-7还可以看出一个问题——暴露站点问题。假设D（暴露站点）相距较远，只能检测到C的信号，这样A与B、C与D实际上可以同时通信，但如果A和B正在通信，C能侦听到B的帧，会认为信道被占而不会给D发送帧。

2.分布式协调功能DCF

DCF基于的信道接入协议为CSMA/CA，它可以解决两个互相隐蔽的站点同时发送数据时所引起的冲突问题。在CSMA/CA接入机制中，每当发送站点发送一个数据帧后，都会等待一个来自接收站点的确认（ACK）。如果没有收到确认，发送站点必须重发该数据帧。这样发送站点就可以知道发送信号时是否产生了冲突。CSMA/CA又分为基本的CSMA/CA接入和带RTS/CTS信道预约机制的CSMA/CA接入方式，下面分别介绍这两种接入方式的工作流程。

（1）基本的CSMA/CA接入

在CSMA/CA接入过程中，当站点有数据待发时，检测信道是否空闲。信道空闲的依据是信道不忙且网络分配向量（NAV）为0。NAV提供了一种虚拟载波监听的方式，它实质是一个计数器，每隔一段固定的时间就减1，直到0。当NAV不为0时，站点便认为信道忙。那么NAV何时更新呢？当站点监听到信道上传输的数据帧且数据帧的目的地不是自己时，便查看此数据帧的持续时间字段，如果该字段的值大于站点保留的NAV，就用该字段的值取代原先保留的NAV，否则，不予改变。此后继续计数器减一的过程。

基本的CSMA/CA接入过程如图4-8所示。DATA为数据帧，ACK为确认帧，DIFS为DCF帧间间隔，SIFS为短帧间间隔。

图4-8　基本的CSMA/CA站点接入过程

单个站点有数据发送时会经历以下过程。(www.daowen.com)

1）当站点想发送数据，并且检测到信道空闲时，会继续监听一个帧间间隔DIFS，如果依然空闲，站点就将数据发送出去。如果在开始检测信道时或者在监听的DIFS时间内出现信道忙，站点将计算一个下次重新发送之前的随机退避时间，设置退避定时器，同时继续监听直到信道空闲。

2）当信道由忙转闲时，站点继续监听一个帧间隔DIFS，如果信道依然空闲，便进入争用窗口，启动退避定时器。当定时器减为0时，信道依旧空闲，站点就夺得发送权，将数据发送出去。

3）如果在退避期间发现信道忙，站点就暂停退避定时器，继续监听。执行步骤2）。

当接收站点接收到数据，经过短帧间间隔SIFS后，向发送站点发送确认应答。前面提到的数据帧中的持续时间字段就是SIFS加上接收站点发送ACK所持续的时间。

其他有数据待发的站点监听到数据帧时，更新NAV值，推迟接入。当NAV值减到0，且信道变为空闲时，继续监听DIFS时长，进入争用窗口，争夺数据的发送权。

（2）带RTS/CTS的CSMA/CA接入

为了解决前面提到的隐蔽站点的问题，802.11标准又在基本的CSMA/CA的基础上增加了RTS/CTS信道预约机制。当站点希望发送数据时，先发送一个请求发送（Request To Send，RTS）帧预约信道，以表明站点希望发送数据的意愿和占用信道所持续的时间。当目的站点收到RTS后，就响应一个清除发送（Clear To Send，CTS）帧。RTS和CTS帧中均包含持续时间字段，该字段用于网络中除发送和接收站点之外的其他站点的NAV值的更新。RTS中持续时间字段=接收站点发送CTS持续时间+发送站点发送数据帧持续的时间+接收站点发送ACK持续时间+3个短帧间间隔SIFS。CTS中持续时间字段=发送站点发送数据帧持续的时间+接收站点发送ACK持续时间+2个短帧间间隔SIFS。

图4-9为带RTS/CTS信道预约机制的CSMA/CA接入过程。当站点想要发送数据，且检测到信道空闲时，会继续监听一个帧间间隔DCF帧间间隔（DCF InterFrame Space，DIFS），如果依然空闲，发送站点发送RTS帧预约信道。接收站点收到后，经过SIFS时长发送CTS帧允许发送站点的发送请求。发送站点接收到CTS帧等待SIFS时长，发送数据帧，接下来的流程与基本的CSMA/CA接入机制一致。其他站点监听到RTS、CTS和数据帧时，查看帧的持续时间字段，更新NAV值，推迟接入。当NAV值减到0，且信道变为空闲时，继续监听DIFS时长，进入争用窗口，争夺数据的发送权。

图4-9　带RTS/CTS的CSMA/CA接入

3.点协调功能PCF

DCF为分布式控制，各站点公平地争用信道，这种机制传输时延无法预测，不适合传输时间敏感的业务，比如多媒体数据。于是802.11标准在DCF的上层提供了一个可选功能，即点协调功能PCF。PCF就是在服务访问点AP对各站点的接入进行集中控制，用类似轮询的方法使各个节点得到发送权。因此PCF向上层提供的是无争用服务。

为了协调位于同一层的DCF和PCF的操作，尽量避免冲突，802.11定义了3种帧间间隔（Inter Frame Space，IFS）：SIFS、PIFS和DIFS。

1）短帧间间隔SIFS：在3种帧间间隔中最短，发送ACK和CTS帧等使用SIFS。SIFS在前面的CSMA/CA接入流程中已有说明。

2）点协调功能帧间隔PIFS：PCF轮询时使用。PIFS比SIFS长，比DIFS短，这样有利于AP的正确控制。

3）分布协调功能帧间隔DIFS：在DCF中使用，3种帧间间隔中此帧最长。DIFS在前面的CSMA/CA接入过程中也有说明。

AP使用PIFS，因为PIFS比DIFS短，AP总能先于站点得到控制权，从而对各个站点发布轮询，此时DCF便无法起作用。为了避免这种情况，定义了一种称为超帧的固定长度的时间间隔。图4-10描绘了超帧的使用。在超帧的开始部分，AP向所有设置为轮询的站点发布轮询。在余下的超帧时间内，AP放弃控制权，站点进入争用时段，以DCF方式接入媒介。在超帧结束处，AP利用PIFS争用信道的控制权。如果信道空闲，AP可立刻获得控制，进入下一个超帧周期；如果信道忙，AP必须监听直到信道空闲之后，再等待PIFS时间，然后发布轮询信息，进入下一个超帧周期。下一个实际超帧时段随着AP的推迟接入而相应地缩短了。

图4-10　DCF和PCF相结合的MAC接入