大学计算机基础：无线局域网技术

无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是不使用任何导线或传输电缆连接的局域网，而使用无线电波作为数据传送的介质，传送距离一般只有几十米。无线局域网的主干网路通常使用有线电缆，无线局域网用户通过一个或多个无线接取器接入无线局域网。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输介质，提供传统有线局域网LAN的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。无线局域网现在已经广泛的应用在商务区，大学，机场，及其他需要无线上网的公共区域。

1997年IEEE制定出无线局域网的协议标准802.11。802.11是个相当复杂的标准，简单来说，是以无线以太网的标准，使用星型拓扑，其中心叫做接入点AP（Access Point），在MAC层使用CSMA/CA协议。凡使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi（Wireless—Fidelity，无线保真度）。

802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集（BSS，Basic Service Set）。一个BSS包括一个基站和若干移动站，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时都必须通过本BSS的基站。BSS中的基站就是接入点AP，当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID（Service Set IDentifier）和一个信道。一个BSS所覆盖的地理范围叫作一个基本服务区BSA（Basic Service Area），直径一般不超过100米。一个BSS可以是孤立的，也可以通过接入点AP连接到一个分配系统DS（Distribution System），然后再连接到另一个BSS，这样就构成了一个扩展的服务集ESS（Extended Service Set），见图4-16。

图4-16　无线局域网的扩展服务集

在20世纪90年代初，IEEE成立了专门的802.11工作组，专门研究和定制WLAN（无线局域网）的标准协议，并在1997年6月推出了第一代WLAN协议——IEEE 802.11，协议定义了物理层工作在2.4G频段，数据传输速率设计为2Mbps。该协议由于在速率和传输距离上的设计不能满足人们的需求，并未被大规模使用。

随后，IEEE在1999年推出了802.11a和802.11b。802.11a工作在5GHz的频段上，并且选择了正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，能有效降低多路径衰减的影响和提高频谱的利用率，使802.11a的物理层速率可达54Mbps。802.11b则依然工作在2.4GHz的频段，但在802.11的基础上进行了技术改进，使802.11b的通信速率达到11Mbps。虽然802.11b提供的接入速率比802.11a低，但当时5GHz芯片研制过慢，待芯片推出时802.11b已被广泛应用。由于802.11a不能兼容802.11b，再加上5GHz芯片价格较高和地方规定的限制等原因，使得802.11a没有被广泛采用。

在2000年年初，IEEE 802.11g工作组开始开发一项既能提供54Mbps速率，又能向下兼容802.11b的协议标准。并在2001年11月提出了第一个IEEE 802.11g草案，该草案在2003年正式成为标准。802.11g兼容了802.11b，继续使用2.4GHz频段。为了达到54Mbps的速率，802.11g借用了802.11a的成果，在2.4GHz频段采用了OFDM技术。IEEE 802.11g的推出，满足了当时人们对带宽的需求，对WLAN的发展起到了极大的推动作用。

在802.11b时代，虽然所有的802.11b产品都使用相同的802.11b标准，但为了保证不同厂商的产品能够具有良好的兼容性，1999年一些WLAN设备生产厂商一起成立了一个工业联盟——无线以太网兼容性联盟WECA（Wireless Ethernet Compatibility Alliance），后更名为Wi-Fi联盟。Wi-Fi联盟建立了一套验证802.11b产品兼容性的测试程序，称为Wi-Fi认证，通过该程序认证的产品可以使用Wi-Fi认证标签。后来，Wi-Fi认证的范围逐步扩展到802.11a，802.11g和802.11n。另外，由于忍受不了802.11n漫长的标准化进程和市场需求的推动，Wi-Fi联盟以802.11n2.0版草案作为产品认证的依据，在802.11n标准推出之前已经认证批准了数百个802.11n产品。这也是为什么当时802.11n标准还未正式发布，而我们在市场上早已可以购买到各类兼容性良好的802.11n产品的原因。

虽然11a产品比11g产品有很多技术上的优势，没有向后兼容的问题所以协议效率大大增加，5G频段的可用信道远高于2G频段因而相邻网络的干扰机会大大减低，但因为价格和兼容已有设备的原因并未能广泛应用。而且越高频的信号随距离衰减得越快，穿越障碍物时也衰减得更多，这使得使用5G频段的设备的覆盖范围要短一些。当周围干扰不严重时，2G设备使用起来相对还是更加方便。(www.xing528.com)

当11n标准出现时才真正促进了Wi-Fi设备在5G频段的应用。11n的几大主要改进包括：①多天线技术；②信道绑定；③报文聚合协议；④波束成形技术。Wi-Fi是第一次将多天线技术从理论应用于商业化的产品，取得了巨大的成功。11n最多支持4x4配置，也就是两台4天线设备之间可以同时最多支持四条数据流并行。最初的11n产品通常支持2条数据流。11a/b/g标准都是使用20MHz带宽的信道，而11n开始支持将两个相邻的信道绑定使用也就是支持40MHz的信道。基于此两项改进，11n最大可支持600Mbps的速率（对比11a/g只能支持最大54Mbps），最常见的双天线11n设备通常可支持最大300Mbps的速率。这里的速率只是说明最基本的物理层速率而不包括各网络层的协议所消耗的额外成本。因为Wi-Fi使用的是共享频谱，它所需要支持的共享协议会使得每次报文发送的额外成本（除数据报文本身外的共享信道需等待的时间以及必要的报文头所消耗的发送时间）更高。根据11a/b/g协议，Wi-Fi设备一次只能发送一个IP报文，那即使物理速率从54Mbps提高到300Mbps，用户所能体验到的数据传输速率最多也只能从大约30Mbps提升到45Mbps左右，也就是说在物理层数倍的性能增长并不能体现到最终应用的使用效果中。报文聚合则帮助解决这个问题，在速率提高时可以在一次发送时聚合多个报文因而大大提高发送的效率。应用报文聚合协议后，在300Mbps物理速率下，实际的数据传输率可以高达260Mbps，真正实现了性能和用户体验的飞跃。波束成形则是一种基带的信号处理技术，可以帮助更进一步得提高Wi-Fi的覆盖距离。

随着11n产品的成熟，Wi-Fi设备的用户体验大大改进，价格进一步下降，在家庭和企业的普及度大大提高。智能手机的普及使得用户对Wi-Fi接入的需求越来越高，使得很多公共场所（比如机场，公交，购物中心等）以及运营商也开始把提供Wi-Fi接入作为一项重要的服务策略。用户的需求不只局限于数据传输率而是还包括了安全性，移动性（无缝漫游），易用性等等。

安全性：最初的Wi-Fi标准只定义了WEP加密模式，它的安全性非常低并且易于破解，这也是以前国内很流行的Wi-Fi破解工具的主要目标。后来的11i标准则是着重于加强802.11安全性的扩展协议，其中主要定义了TKIP和AES—CCMP两种加密方式以及PSK（共享密钥）和802.1X两种无线认证的方式。TKIP在设计时要求必须能够在现有硬件上运行，其作为一种临时的解决方案，因此无法使用最先进的AES加密算法，安全性仍然比较脆弱。AES则作为一种长期的解决方案被推出，具有极强的安全性并已在目前市场上的Wi-Fi产品中得到全面支持。在终端接入的认证方式方面，PSK（共享密钥）比较简单多用于家用（或小商业用户），所有网络用户都使用同一个预设的密码进行接入认证（注意：用于数据加密的密钥还是不同的），安全性相对较差且不方便网络管理。802.1X使用后台服务器允许每个用户使用不同的账户进行认证并动态分配密钥，其安全性高并易于管理大量用户，其在企业网环境中得到广泛的应用。

移动性：人们对随时随地能够访问网络的需求越来越高，而且随着实时应用（例如实时语音或视频）的广泛普及人们希望在移动时这些应用也没有中断，这就对Wi-Fi网络提出了更高的要求。因为一台Wi-Fi接入点的覆盖范围通常为几十米，即使用户以步行速度移动，移动设备的最优接入点也经常会从当前接入点变为另一个相邻的接入点。这就要求移动设备能及时地选择新的更加合适的接入点并能够快速的切换，这两点都要求终端设备和接入网络之间的配合。802.11r扩展标准（Fast Transition Management）就是定义了终端漫游时与漫游目标接入点的提前交互而支持各种认证加密模式下的无缝漫游。但是前述的另一个问题一直没有很好的解决。Wi-Fi协议中，终端接入和漫游的动作完全是终端自己决定和发动的，接入点只是被动的支持。在实际使用中因为信息不全或者终端本身软硬件设计质量的问题，很多终端在这方面的设计并不好而不会主动漫游到更合适的接入点。传统上因为缺乏协议的支持，接入点和终端之间无法沟通或协商这些问题，有一些接入点则只能以主动踢除终端下线的方式来希望终端会重新选择更合适的接入点，但这样的代价是终端会经历一个比较长的网络中断时间并且仍然无法保证终端重新接入时的选择。直到802.11v扩展标准中定义的BTM（BSS Transition Management）协议出现（11v中同时定义了很多其他协议但并未得到广泛的关注）才得到业界较广泛的支持作为前述问题的解决方法。根据BTM的定义AP接入点可以建议终端在合适的时间点漫游到其他候选AP。BTM中也定义了其他的一些AP与终端之间的信息交互。

易用性：Wi-Fi的接入认证方式有很多种。在公共场所开放给公众使用的Wi-Fi服务通常是开放不加密的，而通过web portal的方式要求用户确认接受使用协议并出于不同的商业目的会有一些额外的要求，比如有些地方要求输入手机号接收短信密码，有些要求登陆社交媒体的账户。因为不支持加密，这些服务具有一定的安全风险。而认证方式的复杂性影响了接入的方便和速度，人们在看到周围有多个Wi-Fi热点不知道那个是最适合自己当时情况的选择，甚至一些对这些认证方式不熟悉的人无法接入。随着移动智能设备的普及，运营商及其他一些服务商迫切希望能够能够给Wi-Fi设备提供类似于蜂窝移动设备的最为方便的用户体验，使得设备可以自动的接入最合适的Wi-Fi网络并在Wi-Fi与蜂窝服务之间无缝切换，Wi-Fi联盟适时得推出了Passpoint技术。Passpoint技术支持多种认证方式，包括基于SIM卡或基于证书的方式，并要求最可靠的AES加密方式。支持Passpoint的接入点可以在一个网络上同时支持多家运营商的用户，而终端设备可以自动发现和接入最适合自己的Wi-Fi网络。目前主流的AP供应商和智能手机厂商已经开始支持Passpoint技术，运营商的Wi-Fi网络也逐渐开始在实际运营中支持Passpoint功能。

在802.11n获得市场认同之后IEEE又很快在2011年推出了进一步升级的802.11ac标准。11ac进一步拓展了对带宽，调制码率，天线数等物理参数的支持，使得最高理论速率从11n的600Mbps提高到了6.93Gbps（基于8天线数据流，160MHz带宽）。更重要的是11ac最新支持了下行方向的MU—MIMO基于多天线的多用户并发技术，使得一台接入点设备可以同时并行发送数据给多台终端（之前Wi-Fi只支持时分复用频段），可以大大提升频谱的使用效率提升网络容量。随着智能手机越来越普及而大多数手机只支持单天线（有少数支持双天线），支持更高的带宽和MU—MIMO技术是最有效的提升用户体验的方法。第一代的11ac设备从2013年开始进入市场，最高可支持3×3天线及80MHz带宽，最高速率达到1.3Gbps，单天线的智能手机可支持433Mbps的最高速率。而第二代的11ac设备从2015年开始进入市场，开始支持MU—MIMO技术，并可支持4x4天线及160MHz带宽，最高速率可达到惊人的3.47Gbps。随着11ac设备的普及Wi-Fi希望能够给用户提供接近于千兆以太网的用户体验。

在开发11ac标准的同时，IEEE还推出了802.11ad，802.11ah等技术。不同于传统Wi-Fi，11ad使用60GHz频段，因而可以使用高达2GHz的带宽获得最高7Gbps的速率。因为60GHz的毫米波信号穿透性很差，11ad设备覆盖距离较短，在室内时通常只能在同一个房间内使用，但同时也减少了信号干扰的问题。与11ad主要面向高速的多媒体应用相反，11ah则是主要针对要求超低功耗的传感器应用。它使用900MHz的低频频段，只有100kbps的低速率，但在低功耗的情况下覆盖距离可以轻松达到1千米。