WiFi、WLAN的区别以及深入探索理解802.11协议

1. WiFi、WLAN与802.11相关背景知识

1.1 WiFi、WLAN与802.11相互之间的关系

1.1.1 定义

1. WLAN（wireless local network）无线局域网，是一种采用分布式无线电广播ISM (Industrial, Scientific, Medical) 频段将一个区域里面(如学校，家庭)的两个或者多个支持无线协议的设备连接起来的系统。也就是说它就是一个系统通过这些方式进行实现但是并没有去指定用哪些标准去实现。
   • WLAN的802.11a标准使用5GHz频段，支持的最大速度为54Mbps
2. WiFi：WiFi是一种符合802.11标准的WLAN，但是随着发展已经不仅仅是802.11标准了其中也包括了其他的标准，它是通过WiFi联盟进行认证；
   • 工作在2.4GHz频段上的IEEE 802.11b标准，支持最大11Mbps
3. 802.11：IEEE 802.11标准是由一系列的信道访问控制MAC (media access control)协议和物理层(PHY)标准组成的，它们是由IEEE LAN/MAN标准委员会(IEEE 802.11)创建和维护的。

1.1.2 三者之间的区别

最初的WiFi包含在WLAN之内，后来由于对带宽以及速度的追求包含并使用了其他的标准（比如如今的WiFi6），而802.11标准是一种可以对WLAN以及WiFi进行实现的标准。这三者最初是WiFi和WLAN使用802.11实现，其中WLAN可以使用多种方式实现不一定使用802.11，但是发展到今天他们之间的关系已经越来越复杂。只是合适的场景合适的预算使用对应的标准不严格一一对应，主要由于后来WiFi所纳入的标准相对有所扩充。

2. 802.11协议相关详解

我们首先注意到802.11是用于无线局域网，与以太网的区别在于以太网信道信号更好更容易反馈信息，但是802.11又不包括所有无线局域网，所以这里我们对无线局域网分一下类，如下：

1. 有固定基础设施的（IEEE制定的802.11实现的无线局域网，特点有AP）
2. 无固定基础设施的（无线自组织网络，特点无AP，每个节点有类似路由器的功能）

这里我们只是稍微介绍一下无线自组织网络，主要是进行8002.11协议的详解。

2.1 无线自组织网

2.1.1 具有的几个突出性的问题需要进行解决：

1. 每个节点参与路由的功能，也就是需要实现并参加IP转发的功能；
2. 并且由于没有接入点AP的控制以及维护，每个节点还肩负着周围节点的维护功能
3. 在传输信号的需要实现多播功能，但是无线自组织网需要实时性好、效率高。所以相关协议对于这方面要求较高

2.1.2 与移动IP的区别

• 移动IP技术使漫游的主机可以用多种方式连接到互联网。使用互联网中的路由协议通过无线链路连接到固定网络上的另一个子网。
• 区别：
  • 移动IP的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。
  • 但移动自组网络是把移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和互联网相连。
    • 即使在和互联网相连时，移动自组网络也是以残桩网络 （stub network）方式工作的——通信量可以进入残桩网络，也可以从残桩网络发出，但不允许外部的通信量穿越残桩网络。

2.1.3 与接入相关的四个方式（不一定都出现在自组织网络中）：

1. 固定：用户地理位置保持不变
2. 移动：以车辆速度（一般取为每小时120公里）移动时进行网络通信。当发生切换（即用户移动到不同蜂窝小区）时，通信仍然是连续的。
3. 便携：受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力。
4. 游牧：至少在进行网络通信时保持不变。如果用户设备移动了位置（改变了蜂窝小区），那么再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站。

2.1.2 运用的领域

1. 军事领域

   • 由于战场上往往没有预先建好的固定接入点，其移动站就可以利用临时建立的移动自组网络进行通信。

2. 民用领域

   • 日常需要：持有笔记本电脑的人可以利用这种移动自组网络方便地交换信息，而不受便携式电脑附近没有电话线插头的限制；
   • 出现自然灾害：在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时通信往往也是很有效的（一般现有基站被破坏或者受到一定的影响）。

3. 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）

   • 大量的节点组成无线自组织网路，用来收集相关数据，不需要很高的带宽，但是在大部分时间必须保持低功耗，以节省电池的消耗。

   • 无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求

   • 实物图（a）以及组成（b）：

     

2.2 802.11协议详解

2.2.1 历史背景

国际上1997年IEEE制定出无线局域网的协议标准802.11［W-IEEE802.11］系列标准。2003年5月，我国在加入密码算法以及无线电频率详细定标的基础上颁布了WLAN的国家标准。该国标在2004年6月已经正式执行，不符合此标准的WLAN产品将不允许出现在国内市场上。——属于强制性的标准。

2.2.2 802.11的基本结构以及相关功能

1. 基本结构：

   

   • 接入点AP：由于采用星形结构，利用中心节点处理周边节点的状态以及请求，并且各个节点需要从AP中介入，所以它就叫接入点；——就是基本服务集内的基站
   • 基本服务集BSS （Basic Service Set）：无线局域网的最小构件，包括一个基站和若干个移动站，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。所以他就是一个必要的中介点；
   • SSID：指使用该AP的无线局域网的名字；
   • 基本服务区BSA（Basic Service Area）：一个基本服务集 BSS所覆盖的地理范围；
   • 扩展的服务集 ESS（Extended Service Set）：
   • 分配系统DS （Distribution System）：
     • 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基本服务集，这样就构成了一个扩展的服务集 ESS。

2. 相关概念的区别：

   • AP与路由器的区别
     • 无线AP分类：单纯型AP和扩展型AP
       1. 单纯型AP的功能相对来比较简单缺少路由功能，只能相当无线集线器;对于此类无线AP，还没有发现可以互连的产品；
       2. 扩展型AP也就是市场上的无线路由器，由于它功能比较全面，大多数扩展型AP不但具有路由交换功能还有DHCP、网络防火墙等功能。

3. 场景应用：

   • 个人PC或台式计算机，其主板上都已经有了内置的无线局域网适配器；
   • 由于无线信道的使用日益增多，因此现在也出现了无线互联网服务提供者 WISP（Wireless Internet Service Pro vider），用户可以通过无线信道接入到WISP，然后再经过无线信道接入到互联网。

4. 相关功能

   • 漫游：移动站A通过从一个基本服务集的AP1与AP2漫游到另一个基本服务集里的移动站B；
   • 移动站与接入点AP建立连接：
     1. 被动扫描：移动站等待接收接入点AP周期性发出的（例如每秒10次或100次）信标帧（beacon frame）
        • 信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符SSID以及支持的速率等）
     2. 主动：移动站主动发出探测请求帧 （probe request frame），然后等待从接入点发回的探测响应帧 （probe response frame）
   • 与AP接入的安全性：
     • 加密方式演进：WEP→WPA→WAP2（现在基本WAP2已经普及，802.11n中强制执行的加密方案，微软的Windows XP和WIN7都支持WPA2。）
     • 全称：
       1. WEP（Wired Equivalent Privacy，意思是“有线等效的保密”）——容易被***
       2. WPA（WiFi Protected Access，意思是“无线局域网受保护的接入”）

2.2.3 物理层

1. 几种常用的802.11无线局域网：

   

   • 调制解调的方式详见：物理层上的调制/解调模式——OFDM与MIMO
   • 扩频技术有四种，最初还使用过跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）和红外技术IR（InfraRed），但现在已经很少使用了。其中四种方式如下：
     1. 直接序列扩频：利用正交序列，这样相互之间不影响接收端也能够轻易提取；
     2. 载波频率跳变；
     3. 跳时；
     4. 混合扩频（利用前面三种相互之间组合）；

2. 新增的标准以及笔记本常见使用的标准

   • 新增的标准（下述三种标准使用相同的mac层，所以都可以使用在有基础设施的情景或者无基础设施的情景）：
     1. 2012年的802.11ad，工作频段在60GHz，最高数据率可达7Gbit/s。适用于单个房间（不能穿越墙壁）内的高速数据传输；
     2. 2013年的802.11ac，是802.11n的升级版本，工作频段为5GHz，最高数据率为1Gbit/s。；
     3. 2016年的802.11ah，工作频段在900MHz，最高数据率为18Mbit/s，功耗低、传输距离长（最长可达1km），很适合于物联网设备之间的通信。
   • 笔记本常使用802.11b标准，工作频段在2.41GHZ。

2.2.4 mac层协议

无线局域网具有如下两个特点：

1. 由于没有具体的线路使得实现碰撞检测成本过高并且准备率也不是很高；
   • 成本过高的原因——由于无线信道的传输条件特殊，其信号强度的动态范围非常大，因此在802.11适配器上接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度(信号强度可能相差百万倍)
2. 即使检测到了，我们也没有用于马上实现避免碰撞的机制。

1. 使用的相关协议以及相关需要实现的功能

1. 所以要使用CSMA/CD首先就得要碰撞检测，那么现在不能进行碰撞检测我们只能另辟蹊径。使用一个合适于无线信道的协议——CSMA/CA

   • 设计原则：采用避免的方式，尽可能减少碰撞的可能性；

   • 相关概念：

     1. 帧间间隔IFS ：所有的站在完成发送后，必须等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧；

        • 高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间；

        • 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，低优先级帧只能再推迟发送，这样就减少了发生碰撞的机会；

        • 分类：

          1. SIFS ，即短 （Short）帧间间隔 ，长度为28µs。SIFS是最短的帧间间隔，在这段时间内，一个站应当能够从发送方式切换到接收方式。使用SIFS的帧类型有：ACK帧、CTS帧
          2. DIFS ，即分布协调功能帧间间隔 ，它比SIFS的帧间间隔要长得多，长度为128µs。在DCF方式中，DIFS用来发送数据帧和管理帧。

     2. 虚拟载波监听 （Virtual Carrier Sense）：

        • 让源站把它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）及时通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据，这样就大大减少了碰撞的机会。
        • 虚拟指的是：其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

     3. 争用窗口：在等待一个DIFS的间隔之后，进入一段争用窗口的时间段，然后就可以发送帧的内容；

        • 注意：在信道从忙态转为空闲时，为了避免几个站同时发送数据（一旦发送就要把一帧发送完，不能中途停止），所有想发送数据的站就都要执行退避算法

     4. 比以太网另外多的一个协议是：停止等待协议——也就是在链路层进行确认

     5. 协调功能：来确定在基本服务集BSS中的移动站，在什么时间能发送数据或接收数据。

        • 分布协调功能DCF （Distributed Coordination Function）
          • DCF不采用任何中心控制，而是在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。
          • 802.11协议规定，所有的实现都**必须有** DCF功能。
        • 点协调功能PCF （Point Coordination Function）。
          • PCF是选项 ，是用接入点AP集中控制整个BSS内的活动，因此自组网络就没有PCF子层。PCF使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。
          • 对于时间敏感的业务，如分组话音，就应使用提供无争用服务的点协调功能PCF。

        

     6. 退避机制：

        • 退避计时器（有利于继续启动退避计时器的站更早地接入到信道中）：
          1. 当退避计时器的时间减小到零时，就开始发送数据；
          2. 也可能当退避计时器的时间还未减小到零时而信道又转变为忙态，这时就冻结退避计时器的数值，重新等待信道变为空闲，再经过时间DIFS后，继续启动退避计时器（从剩下的时间开始）；
          3. 第i 次退避是在时隙${ 0,1, \cdot \cdot \cdot ,{2^{2 + i}} - 1} $中随机地选择一个。——为了使不同站点选择相同退避时间的概率减少。

        

2. 另一个需要解决的问题：

   

   

   1. 隐藏问题：
      • A和C都想和B通信。但A和C相距较远，彼此都听不见对方。当A和C检测到信道空闲时，就都向B发送数据，结果发生了碰撞。
   2. 暴露问题：
      • 站点B向A发送数据，而C又想和D通信，但C检测到信道忙，于是就不敢向D发送数据，其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据（如果是A向B发送数据，同时C也向D发送数据，这时就会干扰B接收A发来的数据。但现在是假定B向A发送数据）
   • 解决方案：
     • RTS，CTS机制对信道进行预约：
       • 网络分配向量 NAV（Network Allocation Vector）：指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。
       • 基本思想：通过短的控制包来预留出带宽
       • 方法如下：
         1. 发送方通过发送RTS请求请求发送。;
         2. 接收方用CTS回应发送请求;
         3. CTS为发送方预留带宽的同时通告所有节点.
       • 需要注意这样一种机制是有选择性动物，因为虽然对于有一定长度的数据可以有效避免碰撞，但是对于短的数据这样的机制就是徒增功耗时间，所以就有以下三种选择，按照对应的情形去选择一种合适的：
         1. 使用RTS帧和CTS帧。
         2. 只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS帧和CTS帧（显然，当数据帧本身就很短时，再使用RTS帧和CTS帧只能增加开销）。
         3. 不使用RTS帧和CTS帧。
       • 使用机制之后依然发生碰撞的情况：
         1. 有两个站同时向同一个目的站发送RTS帧。这两个RTS帧发生碰撞后，使得目的站收不到正确的RTS帧，因而目的站就不会发送后续的CTS帧。

3. 使用RTS，CTS机制的CSMA/CA处理流程图：

   

2 . mac帧

1. 局域网mac帧的格式示意图：

   

2. 802.11数据帧由以下三大部分组成：

   1. MAC首部，共30字节。帧的复杂性都在帧的MAC首部。
   2. 帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过802.11帧的长度通常都小于1500字节。
   3. 帧检验序列FCS是MAC尾部，共4字节。

3. 序号控制字段、持续期字段和帧控制字段

   1. 序号控制字段：

      • 作用：使接收方能够区分开是新传送的帧还是因出现差错而重传的帧。
      • 序号子字段 占12位（从0开始，每发送一个新帧就加1，到4095后再回到0）
      • 分片子字段 占4位（不分片则保持为0。如分片，则帧的序号子字段保持不变，而分片子字段从0开始，每个分片加1，最多到15）。

   2. 持续期字段：

      • 作用：CSMA/CA协议允许发送数据的站点预约信道一段时间，并把这个时间写入到持续期字段中。
      • 持续期不能超过2 15 –1＝32767，单位是微秒。

   3. 帧控制字段 共分为11个子字段

      1. 类型字段 和子类型字段 用来区分帧的功能。

         • 802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧 和管理帧 ，而每一种帧又分为若干种子类型。例如，控制帧有RTS，CTS和ACK等几种不同的子类型。

      2. 更多分片字段 置为1时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一。

         • 考虑到网络不好可能将帧进行切片；

         • 帧长为n 而误比特率p ＝10 ^−4 时，正确收到这个帧的概率P ＝（1–p ）^ n 。若n ＝12144bit（相当于1518字节长的以太网帧），则算出这时P ＝0.2969，即正确收到这样的帧的概率还不到30％。

         • 帧的分片示意图：

           

   4. 有线等效保密字段 WEP（Wired Equivalent Privacy）：

      • 占1位。若WEP＝1，就表明采用了WEP加密算法。

4. 4个地址段的意义：

   1. 网络图：

      

   2. 地址4用于自组网络。这里只讨论前三种地址。这三个地址的内容取决于帧控制字段中的“去往AP”（发送到接入点）和“来自AP”（从接入点发出）这两个子字段的数值。常见组合如下：

      

文章参考：

1. 谢希仁著 计算机网路
2. Wi-Fi、WLAN、802.11有何区别？
3. 星形拓扑
4. 接入点AP与路由器的区别？
5. 什么是扩频技术
6. 直接序列扩频技术
7. RTS、CTS机制