專題二十一：無線局域網—

一、WLAN簡介

WLAN（Wireless Local Area Network?）無線局域網，使用的是 IEEE 802.11 標準系列。

標準版本	發布年份	最大傳輸速率	頻段	Wi-Fi代數	特點/描述
IEEE 802.11	1997	1–2 Mbps	2.4 GHz	Wi-Fi 0	最早的無線局域網標準，傳輸速率低，主要用于基本的無線連接。
IEEE 802.11b	1999	1–11 Mbps	2.4 GHz	Wi-Fi 1	引入的第一個廣泛應用的標準，采用直接序列擴頻（DSSS）技術，主要用于家庭和小型辦公室網絡。
IEEE 802.11a	1999	6–54 Mbps	5 GHz	Wi-Fi 2	使用5 GHz頻段，避免了2.4 GHz頻段的干擾，但設備成本較高，應用較少。
IEEE 802.11g	2003	2–54 Mbps	2.4 GHz	Wi-Fi 3	支持MIMO技術，提高了多設備連接的能力，顯著提升了無線網絡性能。
IEEE 802.11n	2009	6.5–600 Mbps	2.4 GHz, 5 GHz	Wi-Fi 4	支持MIMO技術，提高了多設備連接的能力，顯著提升了無線網絡性能。
IEEE 802.11ac	2013	6.5–6933 Mbps	5 GHz	Wi-Fi 5	引入MU-MIMO和波束賦形技術，專注于高效的數據傳輸，適合高清視頻流和大規模帶寬需求。
IEEE 802.11ax	2021	0.4–9608 Mbps	2.4 GHz, 5 GHz	Wi-Fi 6	引入OFDMA、MU-MIMO等技術，提升了網絡容量，減少了延遲，適合高密度環境。
IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6E）	2021	0.4–9608 Mbps	2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	Wi-Fi 6E	在Wi-Fi 6基礎上新增6 GHz頻段，進一步提高了網絡容量，減少了干擾，支持更多設備連接。
IEEE 802.11be	預計2024	0.4–23,059 Mbps	2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	Wi-Fi 7	支持多鏈路操作（MLO），大幅提升帶寬和吞吐量，適合高帶寬和低延遲應用，如AR/VR、4K視頻流等。
IEEE 802.11bn	預計2028	100,000 Mbps	2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	Wi-Fi 8	預計提供超高速率，支持大規模設備接入和低延遲應用，成為未來無線通信的主力技術。

Wi-Fi代數：這些代號通常是指Wi-Fi品牌化后的版本。例如，“Wi-Fi 6”指的是基于IEEE 802.11ax的標準，而“Wi-Fi 5”則基于IEEE 802.11ac。
最大傳輸速率：表示標準支持的最高數據傳輸速率，實際速度會受到信道帶寬、信號質量和網絡擁堵等因素的影響。
頻段：顯示標準支持的無線頻段，不同的頻段適用于不同的環境和國家法規。

MIMO（多輸入多輸出）：從802.11n開始，支持多天線技術，使得數據傳輸更加高效，尤其在網絡密集的環境中表現突出。
MU-MIMO（多用戶MIMO）：在Wi-Fi 5（802.11ac）和Wi-Fi 6（802.11ax）中得到了廣泛應用，可以同時處理多個設備的連接請求，大大提高了網絡的并發能力。
OFDMA（正交頻分多址）：Wi-Fi 6（802.11ax）引入的技術，能夠更加高效地分配頻譜，提高了多設備環境中的性能。
波束賦形技術：Wi-Fi 5及以后的標準支持波束賦形，通過動態調整信號方向，提高了無線信號的覆蓋范圍和穩定性。
6 GHz頻段：Wi-Fi 6E和未來的Wi-Fi 7將利用6 GHz頻段，減少與現有設備的干擾，增加帶寬和網絡容量。

在早期，WiFi 技術主要是按照 IEEE 802.11 標準的字母來命名，這些標準代表了不同的技術特性。WiFi聯盟在2018年將下一代WiFi技術802.11ax更名為WiFi 6，并將前兩代技術802.11ac更名為WiFi 5?，802.11n更名為WiFi 4，至于WiFi 1 2 3并沒有進行追封。下一代WiFI 7的標準協議是IEEE 802.11be。

【考點解析】各個協議的頻率范圍，調制技術和吞吐量。

二、IEEE 802.11體系

定義：IEEE 802.11是由電氣電子工程師學會（IEEE）于1997年制定的無線局域網（WLAN）通信協議標準，涵蓋物理層（PHY）與介質訪問控制層（MAC）規范。

? 802.11無線局域網是目前應用最廣泛的無線局域網之一，人們更多地將其簡稱為Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線保真度）。

??命名規則：802.11后綴表示具體版本（如802.11a/b/g/n/ac/ax/be）。

??核心目標：用于?短距離、高速率、無線上網?場景，實現2.4GHz/5GHz/6GHz頻段下的無線設備互聯與數據傳輸。

??最新標準：802.11be（Wi-Fi 7，2024年草案），支持4K-MIMO與16QAM調制。

IEEE 802.11協議棧如下表所示。

數據鏈路層	LLC		站管理
	MAC	MAC 管理
物理層 PHY	PLCP	PHY 管理
	PMD

2.1物理層

IEEE802.11定義了3中PLCP幀來對應種不同PMD子層通信技術，分別是FHSS、DSSS、DFIR。這一部分很少考察。

2.2MAC子層

MAC子層的功能是提供訪問控制機制，定義了3種訪問控制機制：CSMA/CA支持競爭訪問、RTS/CTS、點協調功能支持無競爭訪問。

分布式協調DCF，通過爭用信道來獲取發送權，802.11規定，所有實現必須有DCF功能。CSMA/CA：載波監聽多路訪問/沖突避免，采用沖突避免可以解決無線網絡中隱蔽終端問題。IEEE定義了3種幀間隔（IFS），分別是DIFS、PIFS、SIFS。

DIFS（分布式協調IFS）：最長IFS，長度128us，優先級最低，用來發送數據幀和管理幀。

PIFS（點協調IFS）：中等長度IFS，優先級居中，在PCF中使用。

SIFS（短IFS）：最短IFS，長度28us，優先級最高，用來分隔開屬于一次對話的各個幀。

點協調功能PCF，PCF是可選項，接入點AP集中控制整個BSS內的活動。

信道預約：

802.11允許要發送數據的站對信道進行預約，A向B發送數據幀之前，首先發送請求（RTS），A發送RTS之前，必須監聽信道，信道空閑等待DIFS時間后，發送RTS幀。B收到RTS幀，等待SIFS時間后，回應允許發送CTS。A收到CTS幀后，等待一段時間SIFS，A發送確認幀ACK。

三、WLAN組成

3.1 基礎架構組件

組件	功能描述
STA（Station）	終端設備（手機/PC/平板）
AP（Access Point）	無線接入點，負責信號收發與有線網絡橋接
DS（Distribution System）	無線接入點，負責信號收發與有線網絡橋接
路由器/交換機	連接Internet與內部網絡

3.2 有固定基礎設施的WLAN（Infrastructure WLAN）

定義：基于接入點（AP）構建的集中式網絡，所有終端（STA）通過AP接入核心網絡。核心特點如下：

??星型拓撲：STA ? AP ? 有線網絡/Internet

??集中管理：AP統一分配IP地址、認證用戶、控制流量

??擴展性強：通過多AP部署覆蓋大面積區域（如企業園區）

??典型應用：辦公室網絡、商場/機場公共WiFi、校園宿舍網絡

基于AP的WLAN通過AP有線接入路由設備，結合DHCP地址分配、NAT轉換及安全加密技術，實現終端設備經路由協議與公網互聯，最終通過ISP接入因特網。

3.3 Ad-Hoc網絡（點對點自組織網絡）

定義：無需AP，終端設備直接通過無線鏈路互聯的對等網絡。核心特點如下：

??動態組網：設備開機即自動發現鄰居節點并組網

??去中心化：無單一管理節點，所有節點平等參與路由

??有限覆蓋：適合小范圍臨時組網（如會議討論、無人機編隊）

??典型應用：災害救援臨時通信、智能家居設備間互聯、車載自組網（V2X）

自組織網絡組網方便，不需要基站，并且具有非常好的生存性，這使得自組織網絡在軍用和民用領域都有很好的應用前景。

802.11無線局域網的ad hoc模式允許網絡中的各站點在其通信范圍內直接通信，也就是支持站點間的單跳通信，而標準中并沒有包括多跳路由功能。因此，802.11無線局域網的ad-hoc模式應用較少。

3.4?關鍵組件詳解

組件	全稱	功能描述	場景
AP	Access Point	無線接入點，負責信號發射、用戶認證、數據轉發	家庭路由器、企業樓層交換機
BSS	Basic Service Set	基本服務集，由一個AP及其覆蓋范圍內的STA組成	單個AP覆蓋的辦公室區域
ESS	Extended Service Set	擴展服務集，由多個BSS（通過DS互聯）組成的大范圍網絡	跨樓層/跨建筑的企業WLAN
DS	Distribution System	分布式系統，實現AP間數據傳輸（如交換機、控制器）	企業級網絡中AP通過有線交換機組網
SSID	Service Set Identifier	服務集標識符，用于區分不同無線網絡（ASCII字符串，最長32字符）	"HomeNetwork"、"CompanyWiFi"

四、WLAN安全

3.1?WEP

WEP（Wired Equivalent Privacy）有線等效保密，是IEEE802.11標準一部分，采用RC4算法進行加密，采用CRC-32校驗保證數據完整性。初期采用24位初始向量加40位字符串，構成64位WEP密鑰，后期使用24位初始向量加上104位字符串，構成128位WEP密鑰。依賴靜態密鑰，在2004年已被WI-FI聯盟淘汰。

3.2WPA

WPA（Wi - Fi Protected Access）?Wi-Fi保護接入，設計中包含了認證、加密和數據完整性校驗共3個組成部分。采用802.1X對用戶MAC地址進行認證；其次增加中WEP協議使用的密鑰長度，采用128位密鑰和48為初始向量用于RC4加密。WPA還采用TKIP（Temporary Key Integrity Protocol）臨時密鑰完整性協議，通過頻繁更換密鑰保證較少安全風險。WPA使用報文完整性編碼來檢測偽造數據包，并在報文認證碼中包含計數器，還可以防重放攻擊。