為什麼乙太網路的把戲在空中行不通
回到有線區域網路那個階梯，你見過一條共享單一條纜線的乾淨規則：CSMA/CD，也就是帶碰撞偵測的載波感測多重存取。一個站台在開口前先聆聽，而且——精巧之處在於——它在開口時持續聆聽。在導線上，你自己的訊號與一個相撞的訊號加在一起，會形成一個看起來不像乾淨資料的電壓，於是傳送端在幾微秒內就察覺撞車、停下、退避。在傳送途中偵測，正是有線乙太網路又快又公平的原因。
在空中，這個把戲因為一個你在第一篇指南看過、殘酷而物理的原因而崩潰：一台無線電從遠處收到的訊號，比它自己天線正在發射的訊號弱得驚人——輕易就弱上一百萬到十億倍。當一台 Wi-Fi 無線電正在傳送時，它自己發出的巨響會徹底震聾它的接收端。它就是聽不見從房間另一頭飄來的微弱相撞訊號，就像火警警報器旁邊的耳朵聽不見一句耳語。所以一台無線電在傳送時無法偵測碰撞。沒得商量。
CSMA/CA：聆聽、隨機等一拍、再開口
既然無線電無法在當下抓到碰撞，Wi-Fi 退而求其次：它努力讓碰撞根本不要發生。這套機制叫 CSMA/CA，其中 CA 代表碰撞避免（collision avoidance）。載波感測的那一半跟導線上一樣——先聆聽，如果已經有人在說話就保持安靜。新的那一半，是當通道變成空閒時你要做什麼。
這裡是它的核心。在導線上，纜線一安靜下來，每個人就同時撲上去——而偵測會清理隨之而來的撞車。在空中沒有清理可言，所以 Wi-Fi 禁止這種撲上去。當通道變成空閒時，每個等待中的站台不會立刻傳送；它會挑一個隨機數目的微小時槽往下倒數，只有在自己私下的倒數歸零時才送出。因為這些倒數是隨機的，兩個站台幾乎不會在同一個時槽歸零，於是它們輪流而非相撞。這是一個有禮貌的房間，在一段停頓之後，每個人默默擲骰子，點數最低的先開口。
- 感測通道。如果它已空閒一段短而固定的間隔，你就可以繼續；如果它忙碌，就等到它安靜下來。
- 挑一個隨機退避：從一個時槽視窗（比方說 0 到 15）中選一個數，只在通道保持空閒時往下數，每當別人在說話就把計數器凍結。
- 當你的計數器歸零時，傳送框幀。
- 等待接收端的一個確認。因為空中是會丟失的，每一個單點傳送的框幀都必須被明確確認——沉默被視為失敗。
- 沒收到 ACK？就假設發生了碰撞或衰落，把你的隨機退避視窗加倍，再試一次。反覆失敗就退避得更猛，這跟 TCP 那位謹慎駕駛的剎車本能如出一轍。
留意那個確認。在有線乙太網路上沒有鏈結層的 ACK——一個框幀要嘛相撞（而傳送端看到了），要嘛抵達。在 Wi-Fi 上，傳送端對發生了什麼一無所知，所以接收端必須出聲：一個缺席的 ACK，是傳送端得知它的框幀遺失了的唯一途徑，無論是因為碰撞，還是因為你上次研究過的衰落與干擾。這就是為什麼 Wi-Fi 會在鏈結層重試，早在 TCP 會注意到之前就藏起許多遺失。
隱藏終端，與 RTS/CTS 交握
載波感測在空中有一個導線從未有過的深層缺陷。想像中央有一個存取點，左邊是筆電 A，右邊是筆電 C。A 與 C 都在存取點的範圍內，但一面牆加上距離，意味著 A 與 C 彼此完全聽不見。這就是隱藏終端問題。當 A 在傳送前聆聽時，通道聽起來是空閒的——因為 C 對 A 而言是隱藏的——於是 A 傳送。C 同樣聽不見 A，也聽到空閒，於是 C 也傳送。它們的兩個訊號在中央的存取點相撞，然而兩個傳送端都無從得知。
在傳送端聆聽問錯了問題。真正要緊的是通道在接收端是否淨空，而只有接收端能回答這件事。所以 802.11 提供了一個選用的交握，RTS/CTS，讓接收端能清出場子。在送出一個大框幀之前，A 先對存取點低聲說一句小小的「請求傳送」（RTS）。存取點以一句「可以傳送」（CTS）回應——而關鍵在於，存取點能觸及的每個人都聽得見那句 CTS，包括隱藏的 C。那句 CTS 帶著一個持續時間，任何聽見它的站台都會剛好安靜那麼久。
A -----RTS----> [AP] <----(C is hidden from A) A <----CTS----- [AP] -----CTS----> C (C hears CTS, stays quiet) A -----DATA---> [AP] A <----ACK----- [AP] RTS/CTS are tiny: a collision of two short RTS frames is cheap; a collision of two big DATA frames is what we paid to avoid.
重點在於經濟划算。RTS 與 CTS 框幀都很小，所以即使兩個隱藏傳送端的 RTS 框幀相撞，幾乎沒有浪費任何空中時間——它們只要退避、重試即可。昂貴的東西，也就是一個完整的資料框幀，要等到空中被預約好了才送出。話雖如此，這個交握在每次交換都會增加額外負擔，所以真實的 Wi-Fi 只為超過某個大小門檻的框幀開啟 RTS/CTS，那種情況下保護才值得這個成本。這是一個誠實的取捨，而非免費的勝利：你總是花一點空中時間，去省下當隱藏終端否則會衝突時的大量空中時間。
802.11 架構：存取點、SSID、關聯
現在從空中時間的規則拉遠，看看一個 Wi-Fi 網路的形狀。常見的配置是基礎建設模式：每個裝置都與一個中央存取點（AP）對話，而 AP 在無線世界與它背後的有線網路之間轉送框幀。AP 扮演一個你從區域網路那個階梯已經認識的角色——很像一台會學習誰在哪裡的交換器——只不過它的連接埠是無線電通道，而它的客戶端不斷在移動。在這裡裝置不會筆電對筆電直接對話；它們全都經過 AP，這正是為什麼隱藏終端的解藥要讓 AP 送出那句 CTS。
你的手機怎麼找到一個可加入的網路？每個 AP 會週期性地廣播一個小小的信標，宣告它的 SSID——也就是像「CafeWiFi」這樣人類看得懂的網路名稱。你的手機聽見這些信標，把清單顯示給你。挑一個就開始關聯：你的裝置與 AP 交換幾個管理框幀，議定參數，並（若有加密）用密碼進行認證，而 AP 把你的裝置記錄為它的客戶端之一。只有在關聯之後，你才可以送出一般的資料框幀。把它想成在進入大樓前先到櫃台辦理報到。
還有第二種、更精簡的形狀值得認識。在隨意模式裡根本沒有存取點；裝置組成一個對等群組，彼此直接對話。它對於快速建立筆電對筆電的連結很方便，但少了中央協調者，隱藏終端問題咬得更兇，網路也無法擴展，這就是為什麼幾乎每個家庭、辦公室與咖啡店都跑基礎建設模式。一位近親住在極短的距離裡：藍牙，它用自己的主從結構與快速跳頻，來共享同樣擁擠的 2.4 GHz 頻段，供鍵盤、耳機與手錶使用——為不同的工作準備的不同規則手冊。
為什麼這件事一路向上影響到 TCP
把這一切想成低階的無線電水管工程很有誘惑力，但它會向上滲漏。記得在傳輸層那個階梯，傳統 TCP 會把任何封包遺失解讀為壅塞的徵兆，並猛踩剎車——那位謹慎的駕駛踩下踏板。然而在 Wi-Fi 上，一個遺失的框幀更常是衰落、一陣干擾，或空中的一次碰撞，而非某個路由器佇列滿了的徵兆。如果那些遺失傳到 TCP，它就會在一條其實並不壅塞的連結上毫無必要地慢下來。
你稍早看到的鏈結層 ACK 與重試，部分正是為了藏起這件事而存在。透過在放棄前於空中重送一個丟掉的框幀幾次，Wi-Fi 把許多快速的無線電遺失，變成一點額外的延遲，於是 TCP 根本看不到它們是遺失。這是一種刻意的掩蓋，多半有幫助——但這也是為什麼微弱的 Wi-Fi 訊號感覺像是卡頓而非斷線：在引擎蓋底下，連結正悄悄重送，用延遲去掩蓋第一篇指南裡那些位元錯誤的風暴。
但這種掩蓋從來不完美，而那道裂縫正是通往本階梯其餘部分的橋樑。當你走出範圍、當干擾飆升，或當你在存取點之間漫遊時，遺失與卡頓確實會傳到 TCP，而無線現實與 TCP 壅塞假設之間的這種不匹配，正是無線 TCP 效能的核心——也就是第五篇指南的主題。不過首先，第三與第四篇指南會把免授權的 Wi-Fi 頻段拋在身後，踏進蜂巢式網路那個有授權的世界，在那裡是一個基地台，而非一個有禮貌、擲骰子的房間，來排定誰在何時開口。