1、协议 X 档案:IEEE 802.11 协议详细介绍作为全球公认的局域网权威，IEEE 802 工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域内独领风骚。这些协议包括了 802.3 Ethernet 协议、 802.5 Token Ring 协议、802.3z 100BASE-T 快速以太网协议。在 1997 年，经过了 7 年的工作以后，IEEE 发布了 802.11 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。在 1999 年 9 月，他们又提出了 802.11b“High Rate“协议，用来对 802.11 协议进行补充，802.11b 在 802.11 的1Mbps 和 2
2、Mbps 速率下又增加了 5.5Mbps 和 11Mbps 两个新的网络吞吐速率,后来又演进到802.11g 的 54Mbps，直至今日 802.11n 的 108Mbps。802.11a高速 WLAN 协议，使用 5G 赫兹频段。最高速率 54Mbps，实际使用速率约为 22-26Mbps与 802.11b 不兼容，是其最大的缺点。也许会因此而被 802.11g 淘汰。802.11b目前最流行的 WLAN 协议，使用 2.4G 赫兹频段。最高速率 11Mbps，实际使用速率根据距离和信号强度可变（150 米内 1-2Mbps，50 米内可达到 11Mbps）802.11b 的较低速率使得无线
3、数据网的使用成本能够被大众接受（目前接入节点的成本仅为 10-30 美元）。另外，通过统一的认证机构认证所有厂商的产品，802.11b 设备之间的兼容性得到了保证。兼容性促进了竞争和用户接受程度。802.11e基于 WLAN 的 QoS 协议，通过该协议 802.11a,b,g 能够进行 VoIP。也就是说，802.11e 是通过无线数据网实现语音通话功能的协议。该协议将是无线数据网与传统移动通信网络进行竞争的强有力武器。802.11g802.11g 是 802.11b 在同一频段上的扩展。支持达到 54Mbps 的最高速率。兼容 802.11b。该标准已经战胜了 802.11a 成为下一步无
4、线数据网的标准。802.11h802.11h 是 802.11a 的扩展，目的是兼容其他 5G 赫兹频段的标准，如欧盟使用的HyperLAN2。802.11i802.11i 是新的无线数据网安全协议，已经普及的 WEP 协议中的漏洞，将成为无线数据网络的一个安全隐患。802.11i 提出了新的 TKIP 协议解决该安全问题。利用 802.11b，移动用户能够获得同 Ethernet 一样的性能、网络吞吐率、可用性。这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络，满足他们的商业用户和其他用户的需求。和其他 IEEE 802 标准一样，802.11 协议主要工作在 I
5、SO 协议的最低两层上，也就是物理层和数字链路层(见图 1)。任何局域网的应用程序、网络操作系统或者像TCP/IP、Novell NetWare 都能够在 802.11 协议上兼容运行，就像他们运行在 802.3 Ethernet 上一样。802.11b 的基本结构、特性和服务都在 802.11 标准中进行了定义，802.11b 协议主要在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。802.11 工作方式802.11 定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台 PC 机器加上一块无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点(Access Point, AP)，它的作用
6、是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口(802.3 接口)构成，桥接软件符合 802.1d 桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。无线的终端可以是 802.11PCMCIA 卡、PCI接口、ISA 接口的，或者是在非计算机终端上的嵌入式设备(例如 802.11 手机)。图 1:802.11 和 ISO 模型802.11 定义了两种模式:infrastructure 模式和 ad hoc 模式，在 infrastructure 模式中(见图 2)，无线网络至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系
7、列无线的终端站。这种配置成为一个 BSS(Basic Service Set 基本服务集合)。一个扩展服务集合(ESS Extended Service Set)是由两个或者多个 BSS 构成的一个单一子网。由于很多无线的使用者需要访问有线网络上的设备或服务(文件服务器、打印机、互联网链接)，他们都会采用这种 Infrastructure 模式。Ad hoc 模式(也成为点对点模式 pear to pear 模式或 IBSS Independent Basic Service Set)802.11 物理层图 2:Infrastructure 模式在 802.11 最初定义的三个物理层包括了两个
8、扩散频谱技术和一个红外传播规范，无线传输的频道定义在 2.4GHz 的 ISM 波段内，这个频段，在各个国际无线管理机构中，例如美国的 USA，欧洲的 ETSI 和日本的 MKK 都是非注册使用频段。这样，使用 802.11 的客户端设备就不需要任何无线许可。扩散频谱技术保证了 802.11 的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量，这项技术还可以保证同其他使用同一频段的设备不互相影响。最初，802.11 无线标准定义的传输速率是 1Mbps 和 2Mbps，可以使用 FHSS(frequency hopping spread spectrum)和 DSSS(direct sequence s
9、pread spectrum)技术，需要指出的是，FHSS 和 DHSS 技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性。使用 FHSS 技术，2.4G 频道被划分成 75 个 1MHz 的子频道，接受方和发送方协商一个调频的模式，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送，每次在 802.11 网络上进行的会话都可能采用了一种不同的跳频模式，采用这种跳频方式主要是为了避免两个发送端同时采用同一个子频段。FHSS 技术采用的方式较为简单，这也限制了它所能获得的最大传输速度不能大于2Mbps，这个限制主要是受 FCC 规定的子频道的划分不得小于 1MHz。这个限制使得 FHSS
10、 必须在 2.4G 整个频段内经常性跳频，带来了大量的跳频上的开销。和 FHSS 相反的是，直接序列扩频技术将 2.4Ghz 的频宽划分成 14 个 22MHz 的通道(Channel)，临近的通道互相重叠，在 14 个频段内，只有 3 个频段是互相不覆盖的，数据就是从这 14 个频段中的一个进行传送而不需要进行频道之间的跳跃。为了弥补特定频段中的噪音开销，一项称为“chipping“的技术被用来解决这个问题。在每个 22MHz 通道中传输的数据中的数据都被转化成一个带冗余校验的 Chips 数据，它和真实数据一起进行传输用来提供错误校验和纠错。由于使用了这项技术，大部分传送错误的数据也可以进
11、行纠错而不需要重传，这就增加了网络的吞吐量。图 3:Ad Hoc 模式802.11b 的增强物理层802.11b 在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在 802.11 协议的物理层增加了两个新的速度:5.5Mbps 和 11Mbps。为了实现这个目标，DSSS 被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这是由于 FHSS 在不违反 FCC 原则的基础上无法再提高速度了。这个决定使得802.11b 可以和 1Mbps 和 2M 的 802.11bps DSSS 系统互操作，但是无法和 1Mbps 和 2Mbps的 FHSS 系统一起工作。最初 802.11 的 DSSS 标准使用 11 位的 chip
12、ping-Barker 序列-来将数据编码并发送，每一个 11 位的 chipping 代表一个一位的数字信号 1 或者 0，这个序列被转化成波形(称为一个 Symbol)，然后在空气中传播。这些 Symbol 以 1MSps(每秒 1M 的 symbols)的速度进行传送，传送的机制称为 BPSK(Binary Phase Shifting Keying )，在 2Mbps 的传送速率中，使用了一种更加复杂的传送方式称为 QPSK(Quandrature Phase Shifting Keying)，QPSK中的数据传输率是 BPSK 的两倍，以此提高了无线传输的带宽。在 802.11b 标
13、准中，一种更先进的编码技术被采用了，在这个编码技术中，抛弃了原有的 11 位 Barker 序列技术，而采用了 CCK(Complementary Code Keying)技术，它的核心编码中有一个 64 个 8 位编码组成的集合，在这个集合中的数据有特殊的数学特性使得他们能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接受问题后还能够被正确地互相区分。5.5Mbps使用 CCK 串来携带 4 位的数字信息，而 11Mbps 的速率使用 CCK 串来携带 8 位的数字信息。两个速率的传送都利用 QPSK 作为调制的手段，不过信号的调制速率为 1.375MSps。这也是802.11b 获得高速的机理。表 1
14、 中列举了这些数据。为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率，802.11b 采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以 11M 的全速运行，然而，当用户移出理想的 11M 速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这把速度自动按序降低为 5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话，连接速度也会以反向增加直至 11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。数据传送率 编码长度 调制方式 波串速率 位数/波串1 Mbps 11 (BS 串) BPS
15、K 1 MSps 12 Mbps 11 (BS 串) QPSK 1 MSps 25.5 Mbps 8(CCK) QPSK 1.375 MSps 411 Mbps 8(CCK) QPSK 1.375 MSps 8表 1:802.11b 数据传送速率规范802.11 数字链路层802.11 的数据链路层由两个之层构成，逻辑链路层 LLC(Logic Link Control)和媒体控制层 MAC(Media Access Control)。802.11 使用和 802.2 完全相同的 LLC 之层和 802 协议中的 48 位 MAC 地址，这使得无线和有线之间的桥接非常方便。但是 MAC 地址只
16、对无线局域网唯一。802.11 的 MAC 和 802.3 协议的 MAC 非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。在 802.3 协议中，是由一种称为CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的协议来完成调节，这个协议解决了在 Ethernet 上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。在 802.11 无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为“Near/Far“现象
17、，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。鉴于这个差异，在 802.11 中对 CSMA/CD 进行了一些调整，采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA 利用 ACK 信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的 ACK 信号后才确认送出的数据已经正确到达目的。CSMA/CA 协议的工作流程是:一个工作站希望在无线网络中传送数据
18、，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个 ACK 数据报，如果这个 ACK 数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，如果发送端没有收到 ACK 数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK 信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。CSMA/CA 通过这种方式来提供无线的共享访问，这种显式的 ACK 机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是对于 802.11 还是 802.3 来说，这种方式都增加了额外
19、的负担，所以 802.11 网络和类似的 Ethernet 网比较总是在性能上稍逊一筹。另一个的无线 MAC 层问题是“hidden node“问题。两个相反的工作站利用一个中心接入点进行连接，这两个工作站都能够“听“到中心接入点的存在，而互相之间则可能由于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。为了解决这个问题，802.11 在 MAC 层上引入了一个新的 Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项，当这个选项打开后，一个发送工作站传送一个RTS 信号，随后等待访问接入点回送 RTS 信号，由于所有的网络中的工作站能够“听“到访问接入点发出的信号，所以 CTS 能够让他们停止传
20、送数据，这样发送端就可以发送数据和接受 ACK 信号而不会造成数据的冲突，这就间接解决了“hidden node“问题。由于 RTS/CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。最后，802.11MAC 子层提供了另两个强壮的功能，CRC 校验和包分片。在 802.11 协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传送的时候没有出现错误，这和 Ethernet 中通过上层 TCP/IP 协议来对数据进行校验有所不同。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下
21、(大数据报在这种环境下传送非常容易遭到破坏)是一个非常有用的特性。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。MAC子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是完全透明的。联合结构、蜂窝结构和漫游802.11 的 MAC 子层负责解决客户端工作站和访问接入点之间的连接。当一个 802.11客户端进入一个或者多个接入点的覆盖范围时，它会根据信号的强弱以及包错误率来自动选择一个接入点来进行连接(这个过程也称为加入一个基本服务集合 BSS)。一旦被一个接入点接受，客户端就会将发送接受信号的频道切换为接入点的频段。在随后的时间内，客户端会
22、周期性的轮询所有的频段以探测是否有其它接入点能够提供性能更高的服务。如果它探测到了的话，它就会和新的接入点进行协商，然后将频道切换到新的接入点的服务频道中。(见图 4)图 4:接入点的漫游服务这种重新协商通常发生在无线工作站移出了它原连接的接入点的服务范围，信号衰减后。其他的情况还发生在建筑物造成的信号的变化或者仅仅由于原有接入点中的拥塞。在拥塞的情况下，这种重新协商实现了“负载平衡“的功能，它将能够使得整个无线网络的利用率达到最高。这个动态协商连接的处理方式使得网络管理员可以将无线网络覆盖范围扩大，这是通过在这些地区布置多个覆盖范围重叠的接入点来实现的。IT 管理员必须注意的是，802.11
23、 的 DSSS 频道之间的覆盖必须遵守一定的规范，邻近的相同频道之间不能互相覆盖(见图 5)，在前面说过 802.11 的 DSSS 中一共存在着相互覆盖的 14 个频道，在这 14 个频道中，仅有三个频道是完全不覆盖的，利用这些频道来作为多蜂窝覆盖是最合适的。如果两个接入点的覆盖范围互相影响，同时他们使用了互相覆盖的频段，这会造成他们在信号传输时的互相干扰，从而降低了他们各自网络的性能和效率。图 5:无限漫游技术时间型数据的支持语音和视频这类和时间相关的数据在 802.11 的 MAC 层受到了支持，这是通过一种称为 PCF(Point Coordination Function)的功能来实
24、现的。和 DCF 将所有的控制交给客户端工作站不同，在 PCF 的工作方式下，接入点全权控制传输媒体。如果一个基本服务集合中PCF 被打开，则就由 PCF 和 DCF(CDMA/CA)方式来分享控制时间，当处于 PCF 模式的时候，接入点将一个接着一个询问客户端以获取数据，还没有被询问到的客户端没有权利发送数据，客户端只有在被询问到的时候才能够重接入点处收取数据。由于 PCF 处理每个客户端的时间和顺序是固定的，所以一个固定的时延能够保证。PCF 的一个不利点就是它的伸缩性不是非常好，在网络规模变大后，由于它轮询的客户端数量变多，造成网络效率的急剧下降。电源管理802.11 HR MAC 层支
25、持省电模式来延长手持设备的电池使用寿命。这个标准直至两种电源利用模式，分别称为 CAM(Continuous Aware Mode)和 PSPM(Power Save Polling Mode)。在前面一种模式，信号是始终存在并耗费电源，在后一种模式中，由接入点的特殊信号来调节客户端的设备处于“睡眠 “和“唤醒“状态。客户端的设备将周期性地进入 “唤醒“状态接受接入点传来的“beacon“信号，这个信号中包含了是否有其他客户端需要和本机进行数据传送活动的信息，如果有，则客户端在接受“beacon“ 后进入 “唤醒“状态接受数据，随后再进入“睡眠“ 状态。安全健康802.11 提供了 MAC 之层(OSI 的第二层) 的访问控制功能和加密机制，这种加密机制称
