# 无线通信与自组网简介

绝大多数无线网络都采用了 IEEE802.11 标准。基本的无线网络中，都包含多个以 2.4GHz 或 5GHz 频段的无线电波广播的站点（不过，随所处地域的不同，或者为了能够更好地进行通讯，具体的频率会在 2.3GHz 和 4.9GHz 的范围内变化）。

802.11 网络有两种组织方式：在 infrastructure 模式中，一个通讯站作为主站，其他通讯站都与其关联；这种网络称为 BSS，而主站则成为无线访问点（AP）。在 BSS 中，所有的通讯都是通过 AP 来完成的；即使通讯站之间要相互通讯，也必须将消息发给 AP。在第二种形式的网络中，并不存在主站，通讯站之间是直接通讯的。这种网络形式称作 IBSS，通常也叫做 ad-hoc 网络。

802.11 网络最初在 2.4GHz 频段上部署，并采用了由 IEEE802.11 和 802.11b 标准所定义的协议。这些标准定义了采用的操作频率、包括分帧和传输速率（通讯过程中可以使用不同的速率）在内的 MAC 层特性等。稍后的 802.11a 标准定义了使用 5GHz 频段进行操作，以及不同的信号机制和更高的传输速率。其后定义的 802.11g 标准启用了在 2.4GHz 上如何使用 802.11a 信号和传输机制，以提供对较早的 802.11b 网络的向前兼容。

802.11 网络中采用的各类底层传输机制提供了不同类型的安全机制。最初的 802.11 标准定义了一种称为 WEP 的简单安全协议。这个协议采用固定的预发布密钥，并使用 RC4 加密算法来对在网络上传输的数据进行编码。全部通讯站都必须采用同样的固定密钥才能通讯。这一格局已经被证明很容易被攻破，因此目前已经很少使用。采用这种方法只能让那些接入网络的用户迅速断开。最新的安全实践是由 IEEE802.11i 标准给出，它定义了新的加密算法，并通过一种附加的协议来让通讯站向无线访问点验证身份，并交换用于进行数据通讯的密钥。更进一步，用于加密的密钥会定期地刷新，而且有机制能够监测入侵的尝试 (并阻止这种尝试)。无线网络中另一种常用的安全协议标准是 WPA。这是在 802.11i 之前由业界组织定义的一种过渡性标准。WPA 定义了在 802.11i 中所规定的要求的子集，并被设计用来在旧式硬件上实施。特别地，WPA 要求只使用由最初 WEP 所采用的算法派生的 TKIP 加密算法。802.11i 则不但允许使用 TKIP，而且还要求支持更强的加密算法 AES-CCM 来加密数据。（在 WPA 中并没有要求使用 AES 加密算法，因为在旧式硬件上实施这种算法时所需的计算复杂性较高）。

除了前面介绍的那些协议标准之外，还有一种需要介绍的标准是 802.11e。它定义了用于在 802.11 网络上运行多媒体应用，如视频流和使用 IP 传送的语音（VoIP）的协议。与 802.11i 类似，802.11e 也有一个前身标准，通常称作 WME（后改名为 WMM），它也是由业界组织定义的 802.11e 的子集，以便能够在旧式硬件中使用多媒体应用。关于 802.11e 与 WME/WMM 之间的另一项重要区别是，前者允许对流量通过服务品质（QoS）协议和增强媒体访问协议来安排优先级。对于这些协议的正确实现，能够实现高速突发数据和流量分级。

SylixOS 支持采用 802.11a、802.11b 和 802.11g 的网络。类似地，它也支持 WPA 和 802.11i 安全协议（与 11a、11b 和 11g 配合），而 WME/WMM 所需要的 QoS 和流量分级，则在部分无线设备上提供了支持。

SylixOS 不仅支持传统有线网络通信模型，例如：以太网和多种工业总线。SylixOS 同时支持新一代的无线通信组网技术：Mesh（无线网状网络）。无线 Mesh 网络也称为“多跳（ad-hoc）”网络，它是一种与 BSS 网络完全不同的新型无线网络技术。在 BSS 网络中，每个客户端均通过一条与 AP 相连的无线链路来访问网络，节点如果要进行相互通信，必须首先访问一个固定的接入点（AP）也称为热点，这种网络结构被称为单跳网络，所有网络内节点都必须在 AP 可以通信的范围内。而在无线 Mesh 网络中，任何无线设备节点都可以同时作为 AP 和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

Mesh 与 BSS 网络相比，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动地进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

与 BSS 网络相比，无线 Mesh 网络具有几个无可比拟的优势：

• 由于采用动态拓扑技术，Mesh 网络部署和安装非常简单且高效。将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。由于极大地简化了安装，用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。
• 由于 Mesh 采用自动多跳路由机制，所以很容易实现非视距传输（NLOS）。信号能够自动选择最佳路径不断从一个节点跳转到另一个节点，并最终到达无直接视距的目标节点。
• 由于 Mesh 网络没有中心节点，所以整个网络非常健壮、抗毁性强。因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在 Mesh 网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
• 由于 Mesh 网络采用动态拓扑，所以结构非常灵活。在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。

SylixOS 目前已经支持较为完备的有线与无线通信框架，同时可支持多种类型各异的通信网络，并将他们统一的抽象为通用的 TCP/IP 网络接口，可以极为方便的接入互联网。以上特点使得采用 SylixOS 作为基础操作系统的节点可以轻松的接入 Mesh 网络。

下图是 SylixOS 无线通信网络框架。

SylixOS 的无线网络可以分为 7 层，他们分别是：

• 标准通信协议层： 有线与无线网络系统在此并无任何区别，所以对于在其之上的应用程序来说，可以无缝地工作在有线与无线网络之上，他们之间没有任何差别。
• 动态路由协议层： 此层实现了无线网络的自动组网功能，目前支持的协议有 MAODV，此协议适用于中等规模且接点变化较为快速的网络。RPL 协议于 2012 年取得 RFC 标准编号（RFC 6550），成为标准的路由交换协议，它主要用在 IPv6 低功耗无线通信系统之中。
• 无线网络接口层： SylixOS 提供了标准的 IEEE802.15.4 无线网络接口分组交换功能，无线网络为了减少碰撞，一般都使用较短的数据包，但 IPv6 规定网络接口的 MTU 不得低于 1280 字节，所以这里也负责了基于 MAC 层的数据包分拆与合并功能。对于不符合 IEEE802.15.4 标准的射频接口可以在射频驱动中虚拟成此类接口。
• MAC 适配层： 根据选择的无线网络类型，SylixOS 提供了多种 MAC 访问的模型：它们是 CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突规避）、TDMA（时分多路复用）等。
• 射频周期管理层： 根据网络的应用模型，这里提供了多种设备工作周期的管理模型，例如用于低功耗的 X-MAC 模型，用于高吞吐率和实时性的 NULL 模型等。
• 加密层： 加密层为无线网络加密提供了支持，SylixOS 包含了 SIMPLE 和 AES_CCM 两种方式。
• 射频驱动： SylixOS 提供了一套标准的射频接口操作规范（radio_driver），各种模式的无线射频接口驱动程序只要符合此规范，都可以支持 Mesh 网络。