詳細解讀局域網(wǎng)IEEE 802.11協(xié)議標準

　　作為全球公認的局域網(wǎng)權威，IEEE 802工作組建立的標準在過(guò)去二十年內在局域網(wǎng)領(lǐng)域內獨領(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(guò)了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)領(lǐng)域內的第一個(gè)國際上被認可的協(xié)議。

　　在1999年9月，他們又提出了802.11b“High Rate”協(xié)議，用來(lái)對802.11協(xié)議進(jìn)行補充，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(lái)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(hù)能夠獲得同Ethernet一樣的性能、網(wǎng)絡(luò )吞吐率、可用性。這個(gè)基于標準的技術(shù)使得管理員可以根據環(huán)境選擇合適的局域網(wǎng)技術(shù)來(lái)構造自己的網(wǎng)絡(luò )，滿(mǎn)足他們的商業(yè)用戶(hù)和其他用戶(hù)的需求。

　　和其他IEEE 802標準一樣，802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，也就是物理層和數字鏈路層（見(jiàn)圖1）。任何局域網(wǎng)的應用程序、網(wǎng)絡(luò )操作系統或者像TCP/IP、Novell NetWare都能夠在802.11協(xié)議上兼容運行，就像他們運行在802.3 Ethernet上一樣。

　　802.11b的基本結構、特性和服務(wù)都在802.11標準中進(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)，加入了高速數字傳輸的特性和連接的穩定性。

　　802.11 工作方式

　　802.11定義了兩種類(lèi)型的設備，一種是無(wú)線(xiàn)站，通常是通過(guò)一臺PC機器加上一塊無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口卡構成的，另一個(gè)稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)（Access Point， AP），它的作用是提供無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的橋接。一個(gè)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)通常由一個(gè)無(wú)線(xiàn)輸出口和一個(gè)有線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )接口（802.3接口）構成，橋接軟件符合802.1d橋接協(xié)議。接入點(diǎn)就像是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)無(wú)線(xiàn)基站，將多個(gè)無(wú)線(xiàn)的接入站聚合到有線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )上。無(wú)線(xiàn)的終端可以是802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口的，或者是在非計算機終端上的嵌入式設備（例如802.11手機）。

　　802.11定義了兩種模式：infrastructure模式和ad hoc模式，在infrastructure模式中（見(jiàn)圖2），無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )至少有一個(gè)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，還包括一系列無(wú)線(xiàn)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)擴展服務(wù)集合（ESS Extended Service Set）是由兩個(gè)或者多個(gè)BSS構成的一個(gè)單一子網(wǎng)。由于很多無(wú)線(xiàn)的使用者需要訪(fǎng)問(wèn)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的設備或服務(wù)（文件服務(wù)器、打印機、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)擴散頻譜技術(shù)和一個(gè)紅外傳播規范，無(wú)線(xiàn)傳輸的頻道定義在2.4GHz的ISM波段內，這個(gè)頻段，在各個(gè)國際無(wú)線(xiàn)管理機構中，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(hù)端設備就不需要任何無(wú)線(xiàn)許可。擴散頻譜技術(shù)保證了802.11的設備在這個(gè)頻段上的可用性和可靠的吞吐量，這項技術(shù)還可以保證同其他使用同一頻段的設備不互相影響。

　　最初，802.11無(wú)線(xiàn)標準定義的傳輸速率是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，FHSS和DHSS技術(shù)在運行機制上是完全不同的，所以采用這兩種技術(shù)的設備沒(méi)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)調頻的模式，數據則按照這個(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(huà)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(jiǎn)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)頻段內經(jīng)常性跳頻，帶來(lái)了大量的跳頻上的開(kāi)銷(xiāo)。

　　和FHSS相反的是，直接序列擴頻技術(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，只有3個(gè)頻段是互相不覆蓋的，數據就是從這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。為了彌補特定頻段中的噪音開(kāi)銷(xiāo)，一項稱(chēng)為“chipping”的技術(shù)被用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在每個(gè)22MHz通道中傳輸的數據中的數據都被轉化成一個(gè)帶冗余校驗的Chips數據，它和真實(shí)數據一起進(jìn)行傳輸用來(lái)提供錯誤校驗和糾錯。由于使用了這項技術(shù)，大部分傳送錯誤的數據也可以進(jìn)行糾錯而不需要重傳，這就增加了網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。

　　802.11b的增強物理層

　　802.11b在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議中最大的貢獻就在于它在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)現這個(gè)目標，DSSS被選作該標準的唯一的物理層傳輸技術(shù)，這是由于FHSS在不違反FCC原則的基礎上無(wú)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系統互操作，但是無(wú)法和1Mbps和2Mbps的FHSS系統一起工作。

　　最初802.11的DSSS標準使用11位的chipping-Barker序列-來(lái)將數據編碼并發(fā)送，每一個(gè)11位的chipping代表一個(gè)一位的數字信號1或者0，這個(gè)序列被轉化成波形（稱(chēng)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，傳送的機制稱(chēng)為BPSK（Binary Phase ShifTIng Keying ），在2Mbps的傳送速率中，使用了一種更加復雜的傳送方式稱(chēng)為QPSK（Quandrature Phase ShifTIng Keying），QPSK中的數據傳輸率是BPSK的兩倍，以此提高了無(wú)線(xiàn)傳輸的帶寬。

　　在802.11b標準中，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)集合中的數據有特殊的數學(xué)特性使得他們能夠在經(jīng)過(guò)干擾或者由于反射造成的多方接受問(wèn)題后還能夠被正確地互相區分。5.5Mbps使用CCK串來(lái)攜帶4位的數字信息，而11Mbps的速率使用CCK串來(lái)攜帶8位的數字信息。兩個(gè)速率的傳送都利用QPSK作為調制的手段，不過(guò)信號的調制速率為1.375MSps。這也是802.11b獲得高速的機理。表1中列舉了這些數據。

　　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)速率調節技術(shù)，來(lái)允許用戶(hù)在不同的環(huán)境下自動(dòng)使用不同的連接速度來(lái)補充環(huán)境的不利影響。在理想狀態(tài)下，用戶(hù)以11M的全速運行，然而，當用戶(hù)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(huà)，這把速度自動(dòng)按序降低為5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同樣，當用戶(hù)回到理想環(huán)境的話(huà)，連接速度也會(huì )以反向增加直至11Mbps。速率調節機制是在物理層自動(dòng)實(shí)現而不會(huì )對用戶(hù)和其它上層協(xié)議產(chǎn)生任何影響。

　　802.11數字鏈路層

　　802.11的數據鏈路層由兩個(gè)之層構成，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(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)之間的橋接非常方便。但是MAC地址只對無(wú)線(xiàn)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(hù)共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數據前先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )的可用性。在802.3協(xié)議中，是由一種稱(chēng)為CSMA/CD（Carrier Sense MulTIple Access with Collision DetecTIon）的協(xié)議來(lái)完成調節，這個(gè)協(xié)議解決了在Ethernet上的各個(gè)工作站如何在線(xiàn)纜上進(jìn)行傳輸的問(wèn)題，利用它檢測和避免當兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò )設備需要進(jìn)行數據傳送時(shí)網(wǎng)絡(luò )上的沖突。在802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測存在一定的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題稱(chēng)為“Near/Far”現象，這是由于要檢測沖突，設備必須能夠一邊接受數據信號一邊傳送數據信號，而這在無(wú)線(xiàn)系統中是無(wú)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信號來(lái)避免沖突的發(fā)生，也就是說(shuō)，只有當客戶(hù)端收到網(wǎng)絡(luò )上返回的ACK信號后才確認送出的數據已經(jīng)正確到達目的。

　　CSMA/CA協(xié)議的工作流程是：一個(gè)工作站希望在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中傳送數據，如果沒(méi)有探測到網(wǎng)絡(luò )中正在傳送數據，則附加等待一段時(shí)間，再隨機選擇一個(gè)時(shí)間片繼續探測，如果無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路中仍舊沒(méi)有活動(dòng)的話(huà)，就將數據發(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據則回發(fā)一個(gè)ACK數據報，如果這個(gè)ACK數據報被接收端收到，則這個(gè)數據發(fā)送過(guò)程完成，如果發(fā)送端沒(méi)有收到ACK數據報，則或者發(fā)送的數據沒(méi)有被完整地收到，或者ACK信號的發(fā)送失敗，不管是那種現象發(fā)生，數據報都在發(fā)送端等待一段時(shí)間后被重傳。

　　CSMA/CA通過(guò)這種方式來(lái)提供無(wú)線(xiàn)的共享訪(fǎng)問(wèn)，這種顯式的ACK機制在處理無(wú)線(xiàn)問(wèn)題時(shí)非常有效。然而不管是對于802.11還是802.3來(lái)說(shuō)，這種方式都增加了額外的負擔，所以802.11網(wǎng)絡(luò )和類(lèi)似的Ethernet網(wǎng)比較總是在性能上稍遜一籌。

　　另一個(gè)的無(wú)線(xiàn)MAC層問(wèn)題是“hidden node”問(wèn)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(tīng)”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(wú)法感知到對方的存在。為了解決這個(gè)問(wèn)題，802.11在MAC層上引入了一個(gè)新的Send/Clear to Send（RTS/CTS）選項，當這個(gè)選項打開(kāi)后，一個(gè)發(fā)送工作站傳送一個(gè)RTS信號，隨后等待訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)回送RTS信號，由于所有的網(wǎng)絡(luò )中的工作站能夠“聽(tīng)”到訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)發(fā)出的信號，所以CTS能夠讓他們停止傳送數據，這樣發(fā)送端就可以發(fā)送數據和接受ACK信號而不會(huì )造成數據的沖突，這就間接解決了“hidden node”問(wèn)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 )負擔，一般只是在那些大數據報上采用（重傳大數據報會(huì )耗費較大）。

　　最后，802.11MAC子層提供了另兩個(gè)強壯的功能，CRC校驗和包分片。在802.11協(xié)議中，每一個(gè)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據報都被附加上了校驗位以保證它在傳送的時(shí)候沒(méi)有出現錯誤，這和Ethernet中通過(guò)上層TCP/IP協(xié)議來(lái)對數據進(jìn)行校驗有所不同。包分片的功能允許大的數據報在傳送的時(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（大數據報在這種環(huán)境下傳送非常容易遭到破壞）是一個(gè)非常有用的特性。這項技術(shù)大大減少了許多情況下數據報被重傳的概率，從而提高了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的整體性能。MAC子層負責將收到的被分片的大數據報進(jìn)行重新組裝，對于上層協(xié)議這個(gè)分片的過(guò)程是完全透明的。

　　聯(lián)合結構、蜂窩結構和漫游

　　802.11的MAC子層負責解決客戶(hù)端工作站和訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)之間的連接。當一個(gè)802.11客戶(hù)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 )根據信號的強弱以及包錯誤率來(lái)自動(dòng)選擇一個(gè)接入點(diǎn)來(lái)進(jìn)行連接（這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)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(hù)端就會(huì )將發(fā)送接受信號的頻道切換為接入點(diǎn)的頻段。在隨后的時(shí)間內，客戶(hù)端會(huì )周期性的輪詢(xún)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(huà)，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(jiàn)圖4）

　　這種重新協(xié)商通常發(fā)生在無(wú)線(xiàn)工作站移出了它原連接的接入點(diǎn)的服務(wù)范圍，信號衰減后。其他的情況還發(fā)生在建筑物造成的信號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)現了“負載平衡”的功能，它將能夠使得整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的利用率達到最高。

　　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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍擴大，這是通過(guò)在這些地區布置多個(gè)覆蓋范圍重疊的接入點(diǎn)來(lái)實(shí)現的。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范，鄰近的相同頻道之間不能互相覆蓋（見(jiàn)圖5），在前面說(shuō)過(guò)802.11的DSSS中一共存在著(zhù)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(lái)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)間型數據的支持

　　語(yǔ)音和視頻這類(lèi)和時(shí)間相關(guān)的數據在802.11的MAC層受到了支持，這是通過(guò)一種稱(chēng)為PCF（Point Coordination Function）的功能來(lái)實(shí)現的。和DCF將所有的控制交給客戶(hù)端工作站不同，在PCF的工作方式下，接入點(diǎn)全權控制傳輸媒體。如果一個(gè)基本服務(wù)集合中PCF被打開(kāi)，則就由PCF和DCF（CDMA/CA）方式來(lái)分享控制時(shí)間，當處于PCF模式的時(shí)候，接入點(diǎn)將一個(gè)接著(zhù)一個(gè)詢(xún)問(wèn)客戶(hù)端以獲取數據，還沒(méi)有被詢(xún)問(wèn)到的客戶(hù)端沒(méi)有權利發(fā)送數據，客戶(hù)端只有在被詢(xún)問(wèn)到的時(shí)候才能夠重接入點(diǎn)處收取數據。由于PCF處理每個(gè)客戶(hù)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 )規模變大后，由于它輪詢(xún)的客戶(hù)端數量變多，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(lái)延長(cháng)手持設備的電池使用壽命。這個(gè)標準直至兩種電源利用模式，分別稱(chēng)為CAM（Continuous Aware Mode）和PSPM（Power Save Polling Mode）。在前面一種模式，信號是始終存在并耗費電源，在后一種模式中，由接入點(diǎn)的特殊信號來(lái)調節客戶(hù)端的設備處于“睡眠”和“喚醒”狀態(tài)?？蛻?hù)端的設備將周期性地進(jìn)入“喚醒”狀態(tài)接受接入點(diǎn)傳來(lái)的“beacon”信號，這個(gè)信號中包含了是否有其他客戶(hù)端需要和本機進(jìn)行數據傳送活動(dòng)的信息，如果有，則客戶(hù)端在接受“beacon”后進(jìn)入“喚醒”狀態(tài)接受數據，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(fǎng)問(wèn)控制功能和加密機制，這種加密機制稱(chēng)為WEP（Wired Equivalent Privacy），這就使得無(wú)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )具有和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相同的安全。對于訪(fǎng)問(wèn)控制來(lái)說(shuō)，ESSID（又稱(chēng)為WLAN服務(wù)區域編號）可以在任何接入點(diǎn)中根據自己的要求進(jìn)行編碼，這個(gè)編號需要在需要訪(fǎng)問(wèn)的無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端設備中進(jìn)行設置。另外，還在接入點(diǎn)中規定了訪(fǎng)問(wèn)控制列表來(lái)限制能夠訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)的客戶(hù)，只有具有列在訪(fǎng)問(wèn)控制列表中的MAC地址的客戶(hù)端才可以訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)。

　　對于數據加密，標準提供的加密方式使用的是RSA數據加密中的40位RC4的PRNG公鑰算法。所有在終端和接入點(diǎn)發(fā)送和接受的數據都使用密鑰進(jìn)行了加密。另外，當加密使用時(shí)，接入點(diǎn)將發(fā)布一個(gè)加密發(fā)起數據報給所有連接范圍內的客戶(hù)端?？蛻?hù)端必須發(fā)回使用正確密鑰進(jìn)行處理的數據報，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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )還可以支持其他802局域網(wǎng)的安全訪(fǎng)問(wèn)控制標準（例如網(wǎng)絡(luò )操作系統的注冊行為）或加密方式（IPSec和其他應用層的加密）。這些高層的加密技術(shù)可以實(shí)現包含無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的端對端安全網(wǎng)絡(luò )。