Wifi通信是在给定的载波频段(信道)上进行的,就像大家在大厅里说话一样,大家都会互相干扰。
为什么不多设几个频道?一方面,在适合无线通信的2.4GHz区域,可以不经许可使用的ISM频段非常有限;另一方面,为了保证通信速度,信道不能太窄。在802.11a/g(wifi协议)中,信道宽度为22MHz,共有14个信道(部分国家不属于ISM频段)。每个信道还会干扰周围的信道(见),这就是为什么无线路由器有十几个信道,但只有相距较远的1、6、11信道可以同时使用。
聪明的读者一定想到,既然大家都能听到对方说话,那就不要说话,直到听不到别人说话为止。这是载波侦听多路访问(CSMA)技术。但问题没这么简单。
第一个问题是,如图,1,2,3排队,1想和2通话。这个时候3在和2说话,但是1并不知道这个事实。如果2同时听到1和3,那就全乱了。在现实世界中,我们可能遇到过这样的尴尬。
第二个问题是,人的耳朵和嘴巴是 全双工可以,就是可以同时收发;但是无线通信还没有实现全双工,也就是只能在发送和接收之间切换,说话的时候听不到周围的声音。因此,在传输过程中实时监控载波是不现实的。
为了避免冲突,802.11引入了请求发送(RTS)和清除发送(cts)。在中,节点1向2发送帧,并首先发送RTS帧。1周围的节点听到RTS就会沉默。目标节点2收到RTS后,会回复CTS帧,关闭2周围的节点。1收到CTS后,您可以开始发送数据。为了保证数据能够被准确接收,还会发回一个ACK进行确认。
切换无线天线的发射和接收模式需要时间,协议需要保证应答帧开始发射时天线已经从发射状态切换到接收状态,所以增加了一些帧间隔。
SIFS(短帧间间隔)是RTS和CTS之间、CTS和数据帧之间以及数据帧和ACK之间的间隔。为了确保不发生冲突,从ACK结束到下一帧传输开始,应该有更长的DIFS(分布式帧间间隔)。在802.11a OFDM PHY(正交频分复用的物理层)中,这些间隔是:
SIFS = 16 微;sSlot time = 9 microsDIFS = 2 x时隙+SIFS = 34 micro;s
802.11a的最长帧长为1536字节,即12288位,加上6个额外的表示纠错编码结束的位,共计12294位。根据下表,在54Mbps的传输速度下,需要57个符号。TCP ACK有76个字节,6个额外的比特需要614比特。根据下表,需要3个符号。802.11 ACK只需要一个符号。
在发送实际数据之前,我们必须发送前导码。Preamble用来训练接收机,让接收机知道什么样的信号对应什么样的数据,应该用哪个天线接收等等。这些前导需要20 micros来完成传输。每个承载数据的符号需要4 micros时间传输。
TCP的传输过程是先发送TCP数据,再回复TCP ACK。传输TCP数据和TCP ACK的过程需要分别经过DIFS、802.11数据、SIFS和802.11 ACK。下表(摘自[1])计算了TCP数据包传输所需的时间。
TCP数据TCP ack difs 34 micro;s34 微;s802.11 Data20 micros+57 * 4 微;s/symbol = 20 micro;s+228 微;s = 248 micros20 micros+3 * 4 微;s/symbol = 20+12 micro;s = 32 微;sSIFS16 micros16 微;s802.11 ACK20 micros+1 * 4 微;s/symbol = 20 micro;s+4 微;s = 24 微;s = 24 微;sframe exchange total322 micros106 微;交易总计 micros
因此,每秒可以执行1,000,000/428 = 2,336次TCP数据包传输。1536个字节减去20个字节的IP报头和40个字节的TCP报头就是1476个字节的TCP有效载荷。这意味着数据传输速率可以达到3.45 MB/s(十进制1000)或3.29 MB/s(十进制1024)。考虑到TCP的滑动窗口协议允许在收到TCP ACK之前发送新的数据包,实际传输速度可能会更快。
上述速率是理想条件下的理论速率。在真实的网络环境中,
无线网络的帧长一般设置为1500字节,而不是1536字节;TCP发送方和接收方将竞争使用信道,这将增加额外的控制开销。如果多个设备访问同一个接入点(AP),它们将竞争使用信道,不仅要将一些信道让给其他设备,还会增加控制信令的额外开销。无线网络传输不如有线网络稳定,信道干扰和信源移动可能导致传输错误,需要重传;TCP本身有拥塞控制机制,不可能一直以理论最大速率发送。
综合这些因素,测得的数据传输速率只有2.3 MB/s左右(十进制1024)。从3.29M到2.3M差距还是很大的,以上因素哪个更重要,或者说哪些因素我还没考虑到,我还是不明白。欢迎朋友们一起探讨。
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