Wi-Fi科普讲稿

Wi-Fi 从入门到??

组员：deleted

什么是Wi-Fi

Wi-Fi 在中文里又称作“无线热点”，是Wi-Fi联盟制造商的商标做为产品的品牌认证，是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。基于两套系统的密切相关，也常有人把Wi-Fi当做IEEE 802.11标准的同义术语。“Wi-Fi”常被写成“WiFi”或“Wifi”，但是它们并没有被Wi-Fi联盟认可。

那什么是802.11

IEEE定义的802.11是一系列的用于WLAN的标准,它也是WLAN最通用的标准，与此同时中华人民共和国从2003年开始陆续颁布一系列国家标准WAPI。

同时802.x本身也是相当庞大的协议族，常见的有

IEEE 802.1—— 通用网络概念及网桥等
IEEE 802.2—— 逻辑链路控制等
IEEE 802.3——CSMA/CD访问方法及物理层规定（著名的以太网标准）
IEEE 802.4——ARCnet总线结构及访问方法,物理层规定
IEEE 802.5——Token Ring访问方法及物理层规定等
IEEE 802.6—— 城域网的访问方法及物理层规定
IEEE 802.7—— 宽带局域网
IEEE 802.8—— 光纤局域网(FDDI)
IEEE 802.9—— ISDN局域网
IEEE 802.10—— 网络的安全
IEEE 802.11—— 无线局域网

那WLAN又是什么

无线局域网（Wireless LAN）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。无线局域网现在已经广泛的应用在商务区，大学，机场，及其他需要无在线网的公共区域。

所以三者的关系是怎么回事

大部分人都是认为Wi-fi = 802.11 = WLAN

但关系并非这么简单

Wi-Fi是802.11协议的子集

Wi-Fi最开始是遵从IEEE 802.11b标准的一种通信技术，和蓝牙同级，但同时也是一个商标。随着IEEE 802.11新的标准和新的频段的使用，以及移动设备的井喷式的增长，人们将Wi-Fi和IEEE 802.11等同起来

802.11是WLAN的子集

WLAN除了Wi-Fi协议为代表802.11协议以外，还有如蓝牙协议的标准版本为802.15.1，ZigBee（802.15.4）等等。。。

总的来说

• WLAN是Wireless LAN，是一个概念
• 802.11是IEEE 802.11 Task Group制定的一系列标准（用于WLAN的标准也不是只有美国的IEEE一家）
• Wi-Fi是设备商成立的一个联盟，负责测试认证。

Wi-Fi是任何一个基于802.11标准的WLAN产品（"wireless local area network (WLAN) products that are based on the IEEE 802.11 standard."）。802.11项目组只管制定。到底是不是由Wi-Fi Alliance说了算。

（图略。。）

由图可看出，Wi-Fi协议的本质就是802.11协议标准的引用

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对应的OSI分层

首先简单回顾一下OSI模型的7层结构

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

相对于802.3以太网协议，802.11协议是对Layer1和Layer2两层进行定义，其中数据链路层又分为逻辑链路控制层和媒介访问控制层，即LLC层和MAC层

为什么只定义链路层和物理层？

从无线网卡进来的包携带的是无线报文头部，从有线网卡进来的包携带是有线报文头部，两种包只要将他们的头部和尾部校验都去掉就剩下需要传输的有效数据域。所以当数据帧去除头部进入到Layer3以后，是分不出该包是有线报文还是无线报文的，因为这些报文都统一看作是IP报文或TCP报文。

数据链路层

MAC Service Data Unit (MSDU)：当一个数据包从Layer3传到Layer2数据链路层的时候，在LLC会添加一些内容（比如前面提到过的一些加密信息）形成MSDU，需要注意的时候，802.11协议有规定三种类型的帧，控制帧、管理帧和数据帧，只有数据帧才会在LLC中形成MSDU，一般MSDU的最大size是2304（不含加密信息部分）

1.管理帧

有线通信和无线通信的最大区别就是后者有没有用网线
有线客户端如果想连接某个网络，只要将网线接到对应的路由器上就好了，
但是无线客户端想完成这个“接入”动作应该怎么办呢？这就需要管理帧的帮忙

管理帧的主要工作就是管理无线客户端的接入和断开

2.控制帧

有线通信和无线通信另外一个区别是传输媒介的稳定性，无线因为传输媒介是电磁波，容易受到各种干而变得不稳定，为了保证数据的稳定传输，就需要控制帧的帮忙。

3.数据帧

在802.11协议中，大部分数据帧都是通过携带MSDU来传输数据的，当然有一些特殊用途的空帧不会携带MSDU（比如用来通知power save status的帧），所以传输时不会对它进行加密。一般来说，控制帧、管理帧和空的数据帧都是不需要加密的。

访问机制

CSMA/CA（载波侦听多路复用/碰撞避免）

基本思想：终端传送数据单元时，它首先检测媒介是否空闲，如果空闲，它将占用媒介传送数据，同时将媒介标志为忙状态；如果媒介忙，它将采用一种随机退避算法，等待一段时间后再次检测媒介是否空闲。

（大量图略。。）

802.11物理层

IEEE802.11标准中的物理层定义了数据传输的信号特征和调制。

直接序列扩频(DSSS)采用BPSK和DQPSK调制技术，支持1Mbps和2Mbps数据速率。
跳频扩频(FHSS)采用2～4电平GFSK调制技术，支持1Mbps数据速率，共有22组跳频图案，包括79信道。
OFDM是一种多载波调制技术，可以有效提高信道的频谱利用率，支持数据速率为54Mbps。
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的中文名称为多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量，支持数据速率为270Mbps。

（大量图略。。）

802.11的网络成员和结构

站点（Station）：网络最基本的组成部分。

基本服务单元（Basic Service Set，BSS）：网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可动态连结（associate）到基本服务单元中。

分配系统（Distribution System，DS）：分配系统用于连结不同的基本服务单元。逻辑上，分配系统使用的介质（Medium）和基本服务单元使用的介质完全不同，尽管物理上它们可能会是同一个介质，例如同一个无线频段。

接入点（Access Point，AP）：接入点即有普通站点的身份，又有连接到分配系统的功能。扩展服务单元（Extended Service Set，ESS）。由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上。不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。

关口（Portal）：也是一个逻辑成分，用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来。

这里有3种介质，站点使用的无线介质，分配系统使用的介质，以及和无线局域网集成一起的其它局域网使用的介质。物理上它们可能互相重叠。IEEE 802.11只负责在站点使用的无线的介质上的寻址（Addressing）。分配系统和其它局域网的寻址不属无线局域网的范围。