詳細(xì)解讀局域網(wǎng)IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

　　作為全球公認(rèn)的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE 802工作組建立的標(biāo)準(zhǔn)在過去二十年內(nèi)在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。這些協(xié)議包括了802.3 Ethernet協(xié)議、802.5 Token Ring協(xié)議、802.3z 100BASE-T快速以太網(wǎng)協(xié)議。在1997年，經(jīng)過了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的第一個(gè)國際上被認(rèn)可的協(xié)議。

　　在1999年9月，他們又提出了802.11b“High Rate”協(xié)議，用來對802.11協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)吞吐速率，后來又演進(jìn)到802.11g的54Mbps，直至今日802.11n的108Mbps。

　　利用802.11b，移動(dòng)用戶能夠獲得同Ethernet一樣的性能、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、可用性。這個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)使得管理員可以根據(jù)環(huán)境選擇合適的局域網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)造自己的網(wǎng)絡(luò)，滿足他們的商業(yè)用戶和其他用戶的需求。

　　和其他IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)一樣，802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，也就是物理層和數(shù)字鏈路層（見圖1）。任何局域網(wǎng)的應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)或者像TCP/IP、Novell NetWare都能夠在802.11協(xié)議上兼容運(yùn)行，就像他們運(yùn)行在802.3 Ethernet上一樣。

　　802.11b的基本結(jié)構(gòu)、特性和服務(wù)都在802.11標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義，802.11b協(xié)議主要在物理層上進(jìn)行了一些改動(dòng)，加入了高速數(shù)字傳輸?shù)奶匦院瓦B接的穩(wěn)定性。

　　802.11 工作方式

　　802.11定義了兩種類型的設(shè)備，一種是無線站，通常是通過一臺(tái)PC機(jī)器加上一塊無線網(wǎng)絡(luò)接口卡構(gòu)成的，另一個(gè)稱為無線接入點(diǎn)（Access Point， AP），它的作用是提供無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接。一個(gè)無線接入點(diǎn)通常由一個(gè)無線輸出口和一個(gè)有線的網(wǎng)絡(luò)接口（802.3接口）構(gòu)成，橋接軟件符合802.1d橋接協(xié)議。接入點(diǎn)就像是無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)無線基站，將多個(gè)無線的接入站聚合到有線的網(wǎng)絡(luò)上。無線的終端可以是802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口的，或者是在非計(jì)算機(jī)終端上的嵌入式設(shè)備（例如802.11手機(jī)）。

　　802.11定義了兩種模式：infrastructure模式和ad hoc模式，在infrastructure模式中（見圖2），無線網(wǎng)絡(luò)至少有一個(gè)和有線網(wǎng)絡(luò)連接的無線接入點(diǎn)，還包括一系列無線的終端站。這種配置成為一個(gè)BSS（Basic Service Set 基本服務(wù)集合）。一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集合（ESS Extended Service Set）是由兩個(gè)或者多個(gè)BSS構(gòu)成的一個(gè)單一子網(wǎng)。由于很多無線的使用者需要訪問有線網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備或服務(wù)（文件服務(wù)器、打印機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)鏈接），他們都會(huì)采用這種Infrastructure模式。

　　Ad hoc模式（也成為點(diǎn)對點(diǎn)模式 pear to pear模式或IBSS Independent Basic Service Set）

　　802.11物理層

　　在802.11最初定義的三個(gè)物理層包括了兩個(gè)擴(kuò)散頻譜技術(shù)和一個(gè)紅外傳播規(guī)范，無線傳輸?shù)念l道定義在2.4GHz的ISM波段內(nèi)，這個(gè)頻段，在各個(gè)國際無線管理機(jī)構(gòu)中，例如美國的USA，歐洲的ETSI和日本的MKK都是非注冊使用頻段。這樣，使用802.11的客戶端設(shè)備就不需要任何無線許可。擴(kuò)散頻譜技術(shù)保證了802.11的設(shè)備在這個(gè)頻段上的可用性和可靠的吞吐量，這項(xiàng)技術(shù)還可以保證同其他使用同一頻段的設(shè)備不互相影響。

　　最初，802.11無線標(biāo)準(zhǔn)定義的傳輸速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS（frequency hopping spread spectrum）和DSSS（direct sequence spread spectrum）技術(shù)，需要指出的是，F(xiàn)HSS和DHSS技術(shù)在運(yùn)行機(jī)制上是完全不同的，所以采用這兩種技術(shù)的設(shè)備沒有互操作性。

　　使用FHSS技術(shù)，2.4G頻道被劃分成75個(gè)1MHz的子頻道，接受方和發(fā)送方協(xié)商一個(gè)調(diào)頻的模式，數(shù)據(jù)則按照這個(gè)序列在各個(gè)子頻道上進(jìn)行傳送，每次在802.11網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的會(huì)話都可能采用了一種不同的跳頻模式，采用這種跳頻方式主要是為了避免兩個(gè)發(fā)送端同時(shí)采用同一個(gè)子頻段。

　　FHSS技術(shù)采用的方式較為簡單，這也限制了它所能獲得的最大傳輸速度不能大于2Mbps，這個(gè)限制主要是受FCC規(guī)定的子頻道的劃分不得小于1MHz。這個(gè)限制使得FHSS必須在2.4G整個(gè)頻段內(nèi)經(jīng)常性跳頻，帶來了大量的跳頻上的開銷。

　　和FHSS相反的是，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)將2.4Ghz的頻寬劃分成14個(gè)22MHz的通道（Channel），臨近的通道互相重疊，在14個(gè)頻段內(nèi)，只有3個(gè)頻段是互相不覆蓋的，數(shù)據(jù)就是從這14個(gè)頻段中的一個(gè)進(jìn)行傳送而不需要進(jìn)行頻道之間的跳躍。為了彌補(bǔ)特定頻段中的噪音開銷，一項(xiàng)稱為“chipping”的技術(shù)被用來解決這個(gè)問題。在每個(gè)22MHz通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)都被轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶冗余校驗(yàn)的Chips數(shù)據(jù)，它和真實(shí)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行傳輸用來提供錯(cuò)誤校驗(yàn)和糾錯(cuò)。由于使用了這項(xiàng)技術(shù)，大部分傳送錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行糾錯(cuò)而不需要重傳，這就增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

　　802.11b的增強(qiáng)物理層

　　802.11b在無線局域網(wǎng)協(xié)議中最大的貢獻(xiàn)就在于它在802.11協(xié)議的物理層增加了兩個(gè)新的速度：5.5Mbps和11Mbps。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，DSSS被選作該標(biāo)準(zhǔn)的唯一的物理層傳輸技術(shù)，這是由于FHSS在不違反FCC原則的基礎(chǔ)上無法再提高速度了。這個(gè)決定使得802.11b可以和1Mbps和2M的802.11bps DSSS系統(tǒng)互操作，但是無法和1Mbps和2Mbps的FHSS系統(tǒng)一起工作。

　　最初802.11的DSSS標(biāo)準(zhǔn)使用11位的chipping-Barker序列-來將數(shù)據(jù)編碼并發(fā)送，每一個(gè)11位的chipping代表一個(gè)一位的數(shù)字信號(hào)1或者0，這個(gè)序列被轉(zhuǎn)化成波形（稱為一個(gè)Symbol），然后在空氣中傳播。這些Symbol以1MSps（每秒1M的symbols）的速度進(jìn)行傳送，傳送的機(jī)制稱為BPSK（Binary Phase ShifTIng Keying ），在2Mbps的傳送速率中，使用了一種更加復(fù)雜的傳送方式稱為QPSK（Quandrature Phase ShifTIng Keying），QPSK中的數(shù)據(jù)傳輸率是BPSK的兩倍，以此提高了無線傳輸?shù)膸挕?/p>

　　在802.11b標(biāo)準(zhǔn)中，一種更先進(jìn)的編碼技術(shù)被采用了，在這個(gè)編碼技術(shù)中，拋棄了原有的11位Barker序列技術(shù)，而采用了CCK（Complementary Code Keying）技術(shù)，它的核心編碼中有一個(gè)64個(gè)8位編碼組成的集合，在這個(gè)集合中的數(shù)據(jù)有特殊的數(shù)學(xué)特性使得他們能夠在經(jīng)過干擾或者由于反射造成的多方接受問題后還能夠被正確地互相區(qū)分。5.5Mbps使用CCK串來攜帶4位的數(shù)字信息，而11Mbps的速率使用CCK串來攜帶8位的數(shù)字信息。兩個(gè)速率的傳送都利用QPSK作為調(diào)制的手段，不過信號(hào)的調(diào)制速率為1.375MSps。這也是802.11b獲得高速的機(jī)理。表1中列舉了這些數(shù)據(jù)。

　　為了支持在有噪音的環(huán)境下能夠獲得較好的傳輸速率，802.11b采用了動(dòng)態(tài)速率調(diào)節(jié)技術(shù)，來允許用戶在不同的環(huán)境下自動(dòng)使用不同的連接速度來補(bǔ)充環(huán)境的不利影響。在理想狀態(tài)下，用戶以11M的全速運(yùn)行，然而，當(dāng)用戶移出理想的11M速率傳送的位置或者距離時(shí)，或者潛在地受到了干擾的話，這把速度自動(dòng)按序降低為5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同樣，當(dāng)用戶回到理想環(huán)境的話，連接速度也會(huì)以反向增加直至11Mbps。速率調(diào)節(jié)機(jī)制是在物理層自動(dòng)實(shí)現(xiàn)而不會(huì)對用戶和其它上層協(xié)議產(chǎn)生任何影響。

　　802.11數(shù)字鏈路層

　　802.11的數(shù)據(jù)鏈路層由兩個(gè)之層構(gòu)成，邏輯鏈路層LLC（Logic Link Control）和媒體控制層MAC（Media Access Control）。802.11使用和802.2完全相同的LLC之層和802協(xié)議中的48位MAC地址，這使得無線和有線之間的橋接非常方便。但是MAC地址只對無線局域網(wǎng)唯一。

　　802.11的MAC和802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是在一個(gè)共享媒體之上支持多個(gè)用戶共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的可用性。在802.3協(xié)議中，是由一種稱為CSMA/CD（Carrier Sense MulTIple Access with Collision DetecTIon）的協(xié)議來完成調(diào)節(jié)，這個(gè)協(xié)議解決了在Ethernet上的各個(gè)工作站如何在線纜上進(jìn)行傳輸?shù)膯栴}，利用它檢測和避免當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的沖突。在802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測存在一定的問題，這個(gè)問題稱為“Near/Far”現(xiàn)象，這是由于要檢測沖突，設(shè)備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號(hào)一邊傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，而這在無線系統(tǒng)中是無法辦到的。

　　鑒于這個(gè)差異，在802.11中對CSMA/CD進(jìn)行了一些調(diào)整，采用了新的協(xié)議CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）或者DCF（Distributed Coordination Function）。 CSMA/CA利用ACK信號(hào)來避免沖突的發(fā)生，也就是說，只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的ACK信號(hào)后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的。

　　CSMA/CA協(xié)議的工作流程是：一個(gè)工作站希望在無線網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)，如果沒有探測到網(wǎng)絡(luò)中正在傳送數(shù)據(jù)，則附加等待一段時(shí)間，再隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間片繼續(xù)探測，如果無線網(wǎng)路中仍舊沒有活動(dòng)的話，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接受端的工作站如果受到發(fā)送端送出的完整的數(shù)據(jù)則回發(fā)一個(gè)ACK數(shù)據(jù)報(bào)，如果這個(gè)ACK數(shù)據(jù)報(bào)被接收端收到，則這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成，如果發(fā)送端沒有收到ACK數(shù)據(jù)報(bào)，則或者發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有被完整地收到，或者ACK信號(hào)的發(fā)送失敗，不管是那種現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)據(jù)報(bào)都在發(fā)送端等待一段時(shí)間后被重傳。

　　CSMA/CA通過這種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機(jī)制在處理無線問題時(shí)非常有效。然而不管是對于802.11還是802.3來說，這種方式都增加了額外的負(fù)擔(dān)，所以802.11網(wǎng)絡(luò)和類似的Ethernet網(wǎng)比較總是在性能上稍遜一籌。

　　另一個(gè)的無線MAC層問題是“hidden node”問題。兩個(gè)相反的工作站利用一個(gè)中心接入點(diǎn)進(jìn)行連接，這兩個(gè)工作站都能夠“聽”到中心接入點(diǎn)的存在，而互相之間則可能由于障礙或者距離原因無法感知到對方的存在。為了解決這個(gè)問題，802.11在MAC層上引入了一個(gè)新的Send/Clear to Send（RTS/CTS）選項(xiàng)，當(dāng)這個(gè)選項(xiàng)打開后，一個(gè)發(fā)送工作站傳送一個(gè)RTS信號(hào)，隨后等待訪問接入點(diǎn)回送RTS信號(hào)，由于所有的網(wǎng)絡(luò)中的工作站能夠“聽”到訪問接入點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，所以CTS能夠讓他們停止傳送數(shù)據(jù)，這樣發(fā)送端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)和接受ACK信號(hào)而不會(huì)造成數(shù)據(jù)的沖突，這就間接解決了“hidden node”問題。由于RTS/CTS需要占用網(wǎng)絡(luò)資源而增加了額外的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，一般只是在那些大數(shù)據(jù)報(bào)上采用（重傳大數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)耗費(fèi)較大）。

　　最后，802.11MAC子層提供了另兩個(gè)強(qiáng)壯的功能，CRC校驗(yàn)和包分片。在802.11協(xié)議中，每一個(gè)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)都被附加上了校驗(yàn)位以保證它在傳送的時(shí)候沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，這和Ethernet中通過上層TCP/IP協(xié)議來對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)有所不同。包分片的功能允許大的數(shù)據(jù)報(bào)在傳送的時(shí)候被分成較小的部分分批傳送。這在網(wǎng)絡(luò)十分擁擠或者存在干擾的情況下（大數(shù)據(jù)報(bào)在這種環(huán)境下傳送非常容易遭到破壞）是一個(gè)非常有用的特性。這項(xiàng)技術(shù)大大減少了許多情況下數(shù)據(jù)報(bào)被重傳的概率，從而提高了無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。MAC子層負(fù)責(zé)將收到的被分片的大數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重新組裝，對于上層協(xié)議這個(gè)分片的過程是完全透明的。

　　聯(lián)合結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和漫游

　　802.11的MAC子層負(fù)責(zé)解決客戶端工作站和訪問接入點(diǎn)之間的連接。當(dāng)一個(gè)802.11客戶端進(jìn)入一個(gè)或者多個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍時(shí)，它會(huì)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱以及包錯(cuò)誤率來自動(dòng)選擇一個(gè)接入點(diǎn)來進(jìn)行連接（這個(gè)過程也稱為加入一個(gè)基本服務(wù)集合BSS）。一旦被一個(gè)接入點(diǎn)接受，客戶端就會(huì)將發(fā)送接受信號(hào)的頻道切換為接入點(diǎn)的頻段。在隨后的時(shí)間內(nèi)，客戶端會(huì)周期性的輪詢所有的頻段以探測是否有其它接入點(diǎn)能夠提供性能更高的服務(wù)。如果它探測到了的話，它就會(huì)和新的接入點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商，然后將頻道切換到新的接入點(diǎn)的服務(wù)頻道中。（見圖4）

　　這種重新協(xié)商通常發(fā)生在無線工作站移出了它原連接的接入點(diǎn)的服務(wù)范圍，信號(hào)衰減后。其他的情況還發(fā)生在建筑物造成的信號(hào)的變化或者僅僅由于原有接入點(diǎn)中的擁塞。在擁塞的情況下，這種重新協(xié)商實(shí)現(xiàn)了“負(fù)載平衡”的功能，它將能夠使得整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的利用率達(dá)到最高。

　　這個(gè)動(dòng)態(tài)協(xié)商連接的處理方式使得網(wǎng)絡(luò)管理員可以將無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)大，這是通過在這些地區(qū)布置多個(gè)覆蓋范圍重疊的接入點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。IT管理員必須注意的是，802.11 的DSSS頻道之間的覆蓋必須遵守一定的規(guī)范，鄰近的相同頻道之間不能互相覆蓋（見圖5），在前面說過802.11的DSSS中一共存在著相互覆蓋的14個(gè)頻道，在這14個(gè)頻道中，僅有三個(gè)頻道是完全不覆蓋的，利用這些頻道來作為多蜂窩覆蓋是最合適的。如果兩個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍互相影響，同時(shí)他們使用了互相覆蓋的頻段，這會(huì)造成他們在信號(hào)傳輸時(shí)的互相干擾，從而降低了他們各自網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

　　時(shí)間型數(shù)據(jù)的支持

　　語音和視頻這類和時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)在802.11的MAC層受到了支持，這是通過一種稱為PCF（Point Coordination Function）的功能來實(shí)現(xiàn)的。和DCF將所有的控制交給客戶端工作站不同，在PCF的工作方式下，接入點(diǎn)全權(quán)控制傳輸媒體。如果一個(gè)基本服務(wù)集合中PCF被打開，則就由PCF和DCF（CDMA/CA）方式來分享控制時(shí)間，當(dāng)處于PCF模式的時(shí)候，接入點(diǎn)將一個(gè)接著一個(gè)詢問客戶端以獲取數(shù)據(jù)，還沒有被詢問到的客戶端沒有權(quán)利發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端只有在被詢問到的時(shí)候才能夠重接入點(diǎn)處收取數(shù)據(jù)。由于PCF處理每個(gè)客戶端的時(shí)間和順序是固定的，所以一個(gè)固定的時(shí)延能夠保證。PCF的一個(gè)不利點(diǎn)就是它的伸縮性不是非常好，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大后，由于它輪詢的客戶端數(shù)量變多，造成網(wǎng)絡(luò)效率的急劇下降。

　　電源管理

　　802.11 HR MAC層支持省電模式來延長手持設(shè)備的電池使用壽命。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直至兩種電源利用模式，分別稱為CAM（Continuous Aware Mode）和PSPM（Power Save Polling Mode）。在前面一種模式，信號(hào)是始終存在并耗費(fèi)電源，在后一種模式中，由接入點(diǎn)的特殊信號(hào)來調(diào)節(jié)客戶端的設(shè)備處于“睡眠”和“喚醒”狀態(tài)?？蛻舳说脑O(shè)備將周期性地進(jìn)入“喚醒”狀態(tài)接受接入點(diǎn)傳來的“beacon”信號(hào)，這個(gè)信號(hào)中包含了是否有其他客戶端需要和本機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送活動(dòng)的信息，如果有，則客戶端在接受“beacon”后進(jìn)入“喚醒”狀態(tài)接受數(shù)據(jù)，隨后再進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)。

　　安全健康

　　802.11提供了MAC之層（OSI的第二層）的訪問控制功能和加密機(jī)制，這種加密機(jī)制稱為WEP（Wired Equivalent Privacy），這就使得無線的網(wǎng)絡(luò)具有和有線網(wǎng)絡(luò)相同的安全。對于訪問控制來說，ESSID（又稱為WLAN服務(wù)區(qū)域編號(hào)）可以在任何接入點(diǎn)中根據(jù)自己的要求進(jìn)行編碼，這個(gè)編號(hào)需要在需要訪問的無線客戶端設(shè)備中進(jìn)行設(shè)置。另外，還在接入點(diǎn)中規(guī)定了訪問控制列表來限制能夠訪問接入點(diǎn)的客戶，只有具有列在訪問控制列表中的MAC地址的客戶端才可以訪問接入點(diǎn)。

　　對于數(shù)據(jù)加密，標(biāo)準(zhǔn)提供的加密方式使用的是RSA數(shù)據(jù)加密中的40位RC4的PRNG公鑰算法。所有在終端和接入點(diǎn)發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)都使用密鑰進(jìn)行了加密。另外，當(dāng)加密使用時(shí)，接入點(diǎn)將發(fā)布一個(gè)加密發(fā)起數(shù)據(jù)報(bào)給所有連接范圍內(nèi)的客戶端?？蛻舳吮仨毎l(fā)回使用正確密鑰進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)報(bào)，隨后才能獲得網(wǎng)絡(luò)的連接。

　　除了在第二層工作外，802.11 HR 無線網(wǎng)絡(luò)還可以支持其他802局域網(wǎng)的安全訪問控制標(biāo)準(zhǔn)（例如網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的注冊行為）或加密方式（IPSec和其他應(yīng)用層的加密）。這些高層的加密技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)包含無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的端對端安全網(wǎng)絡(luò)。