Wi-Fi科普講稿

Wi-Fi 從入門到??

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什麼是Wi-Fi

Wi-Fi 在中文裏又稱做「無線熱點」，是Wi-Fi聯盟製造商的商標作爲產品的品牌認證，是一個建立於IEEE 802.11標準的無線局域網技術。基於兩套系統的密切相關，也常有人把Wi-Fi當作IEEE 802.11標準的同義術語。「Wi-Fi」常被寫成「WiFi」或「Wifi」，可是它們並無被Wi-Fi聯盟承認。

那什麼是802.11

IEEE定義的802.11是一系列的用於WLAN的標準,它也是WLAN最通用的標準，與此同時中華人民共和國從2003年開始陸續頒佈一系列國家標準WAPI。

同時802.x自己也是至關龐大的協議族，常見的有

IEEE 802.1—— 通用網絡概念及網橋等
IEEE 802.2—— 邏輯鏈路控制等
IEEE 802.3——CSMA/CD訪問方法及物理層規定（著名的以太網標準）
IEEE 802.4——ARCnet總線結構及訪問方法,物理層規定
IEEE 802.5——Token Ring訪問方法及物理層規定等
IEEE 802.6—— 城域網的訪問方法及物理層規定
IEEE 802.7—— 寬帶局域網
IEEE 802.8—— 光纖局域網(FDDI)
IEEE 802.9—— ISDN局域網
IEEE 802.10—— 網絡的安全
IEEE 802.11—— 無線局域網

那WLAN又是什麼

無線局域網（Wireless LAN）是不使用任何導線或傳輸電纜鏈接的局域網，而使用無線電波做爲數據傳送的介質，傳送距離通常只有幾十米。無線局域網的主幹網路一般使用有線電纜，無線局域網用戶經過一個或多個無線接取器接入無線局域網。無線局域網如今已經普遍的應用在商務區，大學，機場，及其餘須要無在線網的公共區域。

因此三者的關係是怎麼回事

大部分人都是認爲Wi-fi = 802.11 = WLAN

但關係並不是這麼簡單

Wi-Fi是802.11協議的子集

Wi-Fi最開始是聽從IEEE 802.11b標準的一種通訊技術，和藍牙同級，但同時也是一個商標。隨着IEEE 802.11新的標準和新的頻段的使用，以及移動設備的井噴式的增加，人們將Wi-Fi和IEEE 802.11等同起來

802.11是WLAN的子集

WLAN除了Wi-Fi協議爲表明802.11協議之外，還有如藍牙協議的標準版本爲802.15.1，ZigBee（802.15.4）等等。。。

總的來講

• WLAN是Wireless LAN，是一個概念
• 802.11是IEEE 802.11 Task Group制定的一系列標準（用於WLAN的標準也不是隻有美國的IEEE一家）
• Wi-Fi是設備商成立的一個聯盟，負責測試認證。

Wi-Fi是任何一個基於802.11標準的WLAN產品（"wireless local area network (WLAN) products that are based on the IEEE 802.11 standard."）。802.11項目組只管制定。究竟是不是由Wi-Fi Alliance說了算。

（圖略。。）

由圖可看出，Wi-Fi協議的本質就是802.11協議標準的引用

Wi-Fi Standards and Their Specifications

Wi-Fi is technically referred to as the 802.11 protocol. The various standards that have evolved throughout the years are represented by lowercase letters as a suffix. Here are some:

• 802.11 — The first version, launched in 1977. It is now no longer used. It worked on 2.4 GHz.
• 802.11a — Works on 5GHz. Speed, 54 Mbps. Has difficulty passing through obstacles, hence has poor range.
• 802.11b — Works on the more reliable 2.4Ghz and gives up to 11 Mbps. This version came around when Wi-Fi exploded in popularity.
• 802.11g — Released in 2003. Still, works on reliable 2.4GHz but increases the maximum speed to 54 Mbps. Many devices are still running this version with success because it is cheaper to implement.
• 802.11n — Changes in network technicalities and transmission mechanisms increase the speed to up to 600 Mbps, with some other advantages.
• 802.11ac — An improvement of the previous standard, making better use of the 5Ghz spectrum and giving speeds well beyond 1 Gbps.
• 802.11ax — This improves 802.11ac to increase the speed greatly, theoretically reaching up to 10 Gbps. It also increases the efficiency of WLANs.

802.11對應的OSI分層

首先簡單回顧一下OSI模型的7層結構

Layer 7: Application
Layer 6: Presentation
Layer 5: Session
Layer 4: Transport
Layer 3: Network
Layer 2: Data-Link
Layer 1: Physical

相對於802.3以太網協議，802.11協議是對Layer1和Layer2兩層進行定義，其中數據鏈路層又分爲邏輯鏈路控制層和媒介訪問控制層，即LLC層和MAC層

爲何只定義鏈路層和物理層？

從無線網卡進來的包攜帶的是無線報文頭部，從有線網卡進來的包攜帶是有線報文頭部，兩種包只要將他們的頭部和尾部校驗都去掉就剩下須要傳輸的有效數據域。因此當數據幀去除頭部進入到Layer3之後，是分不出該包是有線報文仍是無線報文的，由於這些報文都統一看做是IP報文或TCP報文。

數據鏈路層

MAC Service Data Unit (MSDU)：當一個數據包從Layer3傳到Layer2數據鏈路層的時候，在LLC會添加一些內容（好比前面提到過的一些加密信息）造成MSDU，須要注意的時候，802.11協議有規定三種類型的幀，控制幀、管理幀和數據幀，只有數據幀纔會在LLC中造成MSDU，通常MSDU的最大size是2304（不含加密信息部分）

1.管理幀

有線通訊和無線通訊的最大區別就是後者有沒有用網線
有線客戶端若是想鏈接某個網絡，只要將網線接到對應的路由器上就行了，
可是無線客戶端想完成這個「接入」動做應該怎麼辦呢？這就須要管理幀的幫忙

管理幀的主要工做就是管理無線客戶端的接入和斷開

2.控制幀

有線通訊和無線通訊另一個區別是傳輸媒介的穩定性，無線由於傳輸媒介是電磁波，容易受到各類幹而變得不穩定，爲了保證數據的穩定傳輸，就須要控制幀的幫忙。

3.數據幀

在802.11協議中，大部分數據幀都是經過攜帶MSDU來傳輸數據的，固然有一些特殊用途的空幀不會攜帶MSDU（好比用來通知power save status的幀），因此傳輸時不會對它進行加密。通常來講，控制幀、管理幀和空的數據幀都是不須要加密的。

訪問機制

CSMA/CA（載波偵聽多路複用/碰撞避免）

基本思想：終端傳送數據單元時，它首先檢測媒介是否空閒，若是空閒，它將佔用媒介傳送數據，同時將媒介標誌爲忙狀態；若是媒介忙，它將採用一種隨機退避算法，等待一段時間後再次檢測媒介是否空閒。

（大量圖略。。）

802.11物理層

IEEE802.11標準中的物理層定義了數據傳輸的信號特徵和調製。

直接序列擴頻(DSSS)採用BPSK和DQPSK調製技術，支持1Mbps和2Mbps數據速率。
跳頻擴頻(FHSS)採用2～4電平GFSK調製技術，支持1Mbps數據速率，共有22組跳頻圖案，包括79信道。
OFDM是一種多載波調製技術，能夠有效提升信道的頻譜利用率，支持數據速率爲54Mbps。
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的中文名稱爲多輸入多輸出技術，是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號經過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通訊質量，支持數據速率爲270Mbps。

（大量圖略。。）

802.11的網絡成員和結構

站點（Station）：網絡最基本的組成部分。

基本服務單元（Basic Service Set，BSS）：網絡最基本的服務單元。最簡單的服務單元能夠只由兩個站點組成。站點可動態連結（associate）到基本服務單元中。

分配系統（Distribution System，DS）：分配系統用於連結不一樣的基本服務單元。邏輯上，分配系統使用的介質（Medium）和基本服務單元使用的介質徹底不一樣，儘管物理上它們可能會是同一個介質，例如同一個無線頻段。

接入點（Access Point，AP）：接入點即有普通站點的身份，又有鏈接到分配系統的功能。擴展服務單元（Extended Service Set，ESS）。由分配系統和基本服務單元組合而成。這種組合是邏輯上，並不是物理上。不一樣的基本服務單元物有可能在地理位置相去甚遠。分配系統也可使用各類各樣的技術。

關口（Portal）：也是一個邏輯成分，用於將無線局域網和有線局域網或其它網絡聯繫起來。

這裏有3種介質，站點使用的無線介質，分配系統使用的介質，以及和無線局域網集成一塊兒的其它局域網使用的介質。物理上它們可能互相重疊。IEEE 802.11只負責在站點使用的無線的介質上的尋址（Addressing）。分配系統和其它局域網的尋址不屬無線局域網的範圍。