【无线网络技术】——无线局域网（学习笔记）

📖 前言：本章首先介绍无线局域网的基本概念，然后详细介绍IEEE 802.11的基本工作原理，侧重于媒体访问控制和一跳范围内的通信技术。

🕒 1. 概述

🕘 1.1 覆盖范围

• 无线局域网是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。

• 局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区别主要在于数据传输的范围不同(但覆盖范围界限的区别并不十分明显)，从而引起网络设计和实现方面的一些区别。

• 介于广域网WAN和局域网LAN之间还有一种局部网络，称为城域网

• 比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区)域网。

• 广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。

• 无线网络可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。

🕘 1.2 特点

优点：

• 移动性（Mobility）：半移动
• 灵活性（Flexibility）：高于有线网络
• 可伸缩性（Scalability）：扩展容易
• 经济性（Saving）：比有线网络更便宜

局限性：

• 干扰：不同的无线局域网间、其它同频无线通信
• 可靠性（Reliability）
• 带宽与系统容量：共享带宽
• 安全性（Security and Safety）：无线传输带来的安全挑战，以及电磁安全
• 节能管理
• 多业务与多媒体：QoS

无线通信的经典问题：隐蔽终端与暴露终端

• 隐藏终端：节点之间无法互相监听对方。但当其不可以同时传输时，其同时传输，从而导致冲突发生。
• 暴露终端：节点之间能够互相监听对方。但其可以同时传输时，其不传输，从而造成浪费。

Rogue AP：是指未经授权安装在安全网络上的无线接入点。这些接入点可能会对您的无线网络造成严重的安全威胁，如恶意软件、身份盗窃和网络损坏。

🕘 1.3 发展历程

• 第一代无线局域网：1985年，FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路
• 第二代无线局域网：基于IEEE 802.11标准的无线局域网
• 第三、四代无线局域网：符合IEEE 802.11b标准的产品已经较为普及，归为第三代无线局域网产品；而将符合IEEE 802.11a、HiperLAN2和IEEE 802.11g标准的产品称为第四代无线局域网产品
• 第五代无线局域网：IEEE802.11ac
• 第六代无线局域网：2018年802.11ax，其理论传输速率可达5Gbps。

🕘 1.4 分类与应用

无线局域网可根据不同的层次、不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的应用等进行分类。

按拓扑结构：Peer to Peer/Infrastructure等
支持移动性角度：

• 固定（Fixed）/半移动（Nomadic）或便携式（Portable）/全移动（Mobile）
• 移动速度/协议层次

应用：

• 场景：室内应用/室外应用或永久/临时组网
• 应用内容：接入/网络无线互联/定位

常见术语解释：


dBm

• 是功率单位
• miliwatt 毫瓦特
• 1w=1000mw（10lg(1000)=30dBm）
• 0dBm=1mw （10lg(1)=0）
• -10dBm=0.1mw（10lg（1/10）=-10）

dBi/dBd

• 是功率增益单位
• dBi参考基准是全向天线；dBd参考基准是偶极天线

ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）

• ISM频段在各国的规定并不统一。在美国有三个频段902-928 MHz， 2400-2483.5 MHz and 5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部分用于GSM通信。

MIMO（Multiple Input Multiple Output）

• 4x4mimo天线和2x2mimo

SISO（Single Input Single Output）：最多分成4个

🕒 2. 无线局域网的体系结构与服务

🕘 2.1 组成

• 站（Station， STA）也称主机（Host）或终端（Terminal），是无线局域网的最基本组成单元，包括以下几部分：
  • 终端用户设备
  • 无线网络接口
  • 网络软件

• 无线介质（Wireless Medium， WM）：是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。空气是无线电波和红外线传播的良好介质。无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义。

• 基站（Base Station， BS）或接入点（Access Point， AP）

无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。是一种特殊的站，通常处于BSA的中心，固定不动。
基本功能：
1.作为接入点，完成其他非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站间的通信联结。
2.作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。
3.作为BSS的控制中心完成对其他非AP的站的控制和管理。

• 分布式系统DS：为了覆盖更大的区域，把多个BSA（Basic Service Area）通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区ESA（Extended Service Area），通过DS互相连接起来的属于同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组ESS（Extended Service Set）。

分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连：

🕘 2.2 无线局域网的拓扑结构

• 从物理拓扑分类看：单区网SCN和多区网MCN
• 从逻辑上看：对等式、基础结构式和线型、星型、环型
• 从控制方式方面来看：无中心分布式、有中心集中控制式
• 从与外网的连接性来看：独立WLAN和非独立WLAN

🕤 2.2.1 分布对等式拓扑

分布对等式网络是一种独立的(Independent) BSS(IBSS)，它至少有两个站。是一种典型的、以自发方式构成的单区网，该工作模式被称作特别网络或自组织网络(Ad Hoc Network)

🕤 2.2.2 基础结构集中式拓扑

🕤 2.2.3 ESS网络拓扑

ESS：AP间通过DS实现无线中继、互联
桥接：副路由广播自身SSID；中继：副路由广播主路由SSID
中继就是在两个无线点间把无线信号放大一次，使得远端的客户端可以接收到更强的无线信号

🕤 2.2.4 中继或桥接型网络拓扑

• 两个或多个网络(LAN或WLAN)或网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来。
• 采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。

🕘 2.3 无线局域网的服务

• 与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服务主要有两种类型：STA服务和分布式系统服务(DSS)，这两种服务均由MAC层使用。
• IEEE 802.11标准中定义了九种服务，三种用来移动数据，其余六种是管理操作。

🕤 2.3.1 STA服务(SS)

由STA提供的服务被称为STA服务，它存在于每个STA和AP中。SS包括：

• 认证(Authentication)
• 解除认证(Deauthentication)
• 保密(Privacy)

🕤 2.3.2 分布式系统服务(DSS)

由DS提供的服务被称为分布式系统服务。在WLAN中，DSS通常由AP提供。包括：

• 联结(Association)：由移动STA激活
• 重新联结(Reassociation) ：由移动STA激活
• 解除联结(Disassociation) ：由移动STA或AP激活
• 分布(Distribution)：AP间无线互联
• 集成(Integration)：AP与LAN互联

🕤 2.3.3 服务之间的关系

对于通过WM进行直接通信的STA均有认证状态(值为未被认证和已认证)和联结状态(值为未联结和已联结)两个状态变量。这两个变量为每个远端STA建立了三种本地状态：

• 状态1：初始启动状态，未认证，未联结；
• 状态2：已认证，未联结；
• 状态3：已认证，已联结。

🕤 2.3.4 状态变量与业务之间的关系

🕒 3. 无线局域网的协议体系

无线网络逻辑结构：

IEEE 802.11x无线局域网协议体系：

IEEE 802.11x标准较为完整的协议体系：

Wi-Fi联盟的作用：

• 在无线局域网标准的采纳和市场化推进中，Wi-Fi联盟(论坛)起到了主导作用。
• 无线以太兼容性联盟WECA1999年成立，后更名Wi-Fi联盟，建立了用于验证802.11b产品互操作能力的一套测试程序。
• 2004年起，验证的802.11b产品使用名称是Wi-Fi。
• Wi-Fi针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5

🕒 4. IEEE802.11物理层

🕘 4.1 初始的IEEE 802.11物理层

• 工作在2.4GHz的ISM波段上的直接序列扩频，数据速率为1Mb/s和2Mb/s。
• 工作在2.4GHz的ISM波段上的跳频扩频，数据速率为1Mb/s和2Mb/s。
• 工作在波长介于850nm~950nm的红外波段上，其数据速率为1Mb/s和2Mb/s。

🕘 4.2 IEEE 802.11a

1. 信道结构
   IEEE 802.11a使用通用网络信息基础结构UNII的频带。UNII-1频段(5.15_{5.25GHz)用于室内；UNII-2频段(5.25}5.35GHz)用于室内或者室外；UNII-3频段(5.725~5.825GHz)用于室外。

2. 编码和调制

   IEEE 802.11a使用正交频分复用OFDM。OFDM也称多载波调制，在不同频率上使用多个载波信号，在每个信道上发送若干位，类似于FDM。

3. 编码率计算
   编码效率（编码率）=信息比特数/编码后比特数
   未编码数据率计算=(288*3/4)/4μs=54Mb/s
   已编码数据率计算=288/4μs=72Mb/s

🕘 4.3 IEEE 802.11b

IEEE 802.11b是IEEE 802.11 DSSS模式的一个扩充，提供了在ISM频段上5.5 Mb/s和11 Mb/s的数据速率。

为在相同的分片速度、相同带宽下获得更高的数据速率，使用了一种名为补码键控(complementary code keying，CCK)的调制模式。

🕘 4.4 IEEE 802.11g

IEEE 802.11g将802.11b的数据率扩展到20Mb/s以上，达到54Mb/s。

与802.11b相同，802.11g操作在2.4GHz范围内，二者兼容。

该标准使得802.11b的设备在连接到一个802.11g的AP上时仍能工作，802.11g的设备连接到一个802.11b的AP上时仍能工作。这两种情况下都使用较低的802.11b的数据率。

🕘 4.5 IEEE 802.11n

为满足不断提高WLAN性能的要求，2003年下半年成立了IEEE802.11工作组TGn，目标是通过修正IEEE802.11的PHY层和MAC层，能够传输最低也要达100Mbps的有效数据率。

IEEE802.11n的两个关键技术是MIMO无线通信和扩展信道带宽的OFDM。

🕒 5. IEEE802.11 媒体访问控制层

🕘 5.1 可靠的数据传送

IEEE 802.11使用帧交换协议。当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认(ACK)帧。此交换被作为一个原子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。如果因为数据帧被损坏或因为返回的ACK被损坏，源站点在一个短的时间周期中没有收到ACK，它会重发该帧。

为了更进一步地增强可靠性，可以使用四帧交换。（RTS/CTS）

🕘 5.2 接入控制

• 分布接入协议
• 集中接入协议

IEEE 802.11的协议体系结构：

1. 分布协调功能

• DCF子层利用一个简单的载波监听多点接入CSMA算法：如果一个站点有一个MAC帧要发送，它监听媒体。如果媒体空闲，站点可以发送，否则，该站点必须等到当前发送已完成才能发送。
• 为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔IFS实现。

IEEE 802.11媒体接入的控制逻辑：

三种IFS：

• SIFS(short IFS，短IFS)：最短的IFS。被用于所有的立即响应动作中。
• PIFS(point coordination function IFS，点协调功能IFS)：一个中间长度的IFS。在发布轮询时，被中央控制器用于PCF模式。
• DIFS(distributed coordination function IFS，分布协调功能IFS)：最长的IFS。作为一个最小的时延，用于非同步帧的接入竞争。

基本的接入方法：

2. 点协调功能
   PCF是一个在DFC之上实现的替代接入方式。该操作由中央轮询主机(点协调者)的轮询组成。点协调者在发布轮询时使用PIFS。由于PIFS小于DIFS，点协调者能获得媒体，并在发布轮询及接收响应期间，锁住所有的非同步通信。

不同的MAC帧类型：

• 控制帧：6种子类型
• 数据帧：8种子类型
• 管理帧：11种子类型

🕒 6. 无线局域网安全

🕘 6.1 安全威胁War-Xing

• War-Driving
• War-Biking
• War-Walking
• War Chalking

War-Driving，也被称为"战争驾驶"，是指在无线网络世界中，黑客组织使用的一种技术来入侵无线网络。这种技术的实施方式相对简单，黑客们通常会携带配备有802.11无线网卡的笔记本电脑或PDA，然后驾车沿着街道行驶，尝试找到并识别无线网络，进而渗透它们。另一种解释是"沿街扫描"，这是指利用车载设备对周围的无线网络进行扫描和识别。

🕘 6.2 IEEE802.11安全标准

IEEE 802.11i着重三个主要的安全性领域：认证、密钥管理和数据传递的保密性。

802.11i要求使用认证服务器AS并定义了一个更为健壮的认证协议。

🕤 6.2.1 WEP（有线等效保密）

• WEP是Wired Equivalent Privacy的简称。
• 有线等效保密（WEP）协议是对在两台设备间无线传输的数据进行加密的方式，用以防止非法用户窃听或侵入无线网络。
• 在2003年被 Wi-Fi Protected Access (WPA) 淘汰，又在2004年由完整的 IEEE 802.11i 标准（又称为 WPA2）所取代。

WEP有2种认证方式：

• 开放式系统认证（open system authentication）：不需要密钥验证就可以连接。
• 共有键认证（shared key authentication）：客户端需要发送与接入点预存密钥匹配的密钥。

共有键认证一共有四个步骤：

🕤 6.2.2 WPA（Wi-Fi网络安全接入）

WPA全名为Wi-Fi Protected Access，有WPA、WPA2和WPA3三个标准，是一种保护无线电脑网络（Wi-Fi）安全的系统。

WPA-PSK是指Pre-Shared Key，就是用户已经有了一个Key，通过这个Key来进行WPA认证，不需要认证服务器。

WPA 2比 WPA ，最显着的变化之一是强制使用 AES 算法和引入 CCMP （计数器模式密码块链消息完整码协议）替代 TKIP 。

WPA/WPA2四次握手：

WPA3 SAE 认证过程：

加密强度：WPA3 > WPA2-PSK AES算法 > WPA-PSK TKIP算法 > WEP

🕤 6.2.3 WAPI

WAPI（Wireless Lan Authentication and Privacy Infrastructure）无线局域网鉴别和保密基础结构

WAPI是中国无线局域网安全强制性标准。

与WIFI的单向加密认证不同，WAPI双向均认证，从而保证传输的安全性。

🕒 6. WIFI5和WIFI6(E)

5G Wi-Fi（即第五代）速率从最初的2Mbit/s提升到了最高3.6Gbit/s。

5G Wi-Fi的入门级速度是433Mbit/s，这至少是802.11n速率的三倍，一些高性能的5G Wi-Fi还能达到1Gbit/s以上。

WIFI6E：

6GHz频段能够实现更高并发、更低时延和更高带宽，工作频率范围为 5925 MHz 至 7125 MHz（包含7个160MHz信道、14个80MHz信道、29个40MHz信道、60个20MHz信道，总计110个信道），相比较5Ghz的45以及2.4Ghz的4个信道，容量更大，吞吐量大大提升。

Wi-Fi vs WLAN：
Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一种无线局域网技术，用于在城市及其郊区范围的分布节点之间传输信息的本地分配无线网络，也称为无线城域网（WMAN）123。WLAN 是无线局域网的缩写，是一个广泛的无线网络技术术语，用于描述任何基于无线电波传输数据的局域网。WLAN 是无线局域网的统称，而 Wi-Fi 只是无线局域网的一种认证功能，是一种商业认证，具有 Wi-Fi 认证的产品符合 IEEE 802.11b 无线网络规范，它是当前应用最为广泛的 WLAN 标准。

🕒 7. Li-Fi

• Li-Fi全称Light Fidelity，即“光保真技术”，学名可见光无线通信
• 运用已铺设好的设备（无处不在的LED灯），通过在灯泡上植入一个微小的芯片形成类似于AP（即Wi-Fi热点）的设备，使终端随时能接入网络。
• 理论上来讲，Li-Fi方式下的数据传输速率可以达到224Gb/s，相当于Wi-Fi的100倍。

三大限制：

• 光信号不能穿墙
• 无法在户外使用
• 只能单向通信

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作者：HinsCoder
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