WiFi技术简介

-1-第4章WiFi技术-2-本章目标了解WiFi技术标准掌握WiFi拓扑结构掌握WiFi协议架构理解WiFi网络加入过程了解WiFi-M03模块的工作模式掌握WiFi-M03模块的配置方法和流程-3-4.1WiFi技术概述4.2WiFi系统组成4.3WiFi信道4.4TCP/IP协议4.5WiFi网络安全机制4.6WiFi模块4.7WiFi应用开发-4-4.1WiFi技术概述WiFi是一个国际无线局域网（WLAN）标准，全称为WirelessFidelity，又称IEEE802.11b标准。WiFi最早是基于IEEE802.11协议，发表于1997年，定义了WLAN的MAC层和物理层标准。继802.11协议之后，相继有众多版本被推出，最典型的是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n-5-4.1WiFi技术概述标准描述IEEE802.11发表于1997年，原始标准，支持速率2Mbps，工作在2.4GHzISM频段。定义了物理层数据传输方式：DSSS（直接序列扩频，1Mbps）、FHSS（跳频扩频，2Mbps）和红外线传输，在MAC层采用了类似于有线以太网CSMA/CD协议的CSMA/CA协议。IEEE802.11a1999年推出，802.11b的后继标准，又称高速WLAN标准，工作在5GHzISM频段，采用OFDM调制方式，速率可高达54Mbps，但与802.11b不兼容，并且成本也比较高。IEEE802.11b1999年推出，最初的WiFi标准，工作在2.4GHzISM频段，兼容802.11。802.11b修改了802.11物理层标准，使用DSSS和CCK调制方式，速率可达11Mbps。是目前的主流标准。IEEE802.11d根据各国无线电规定做了调整，所用频率的物理层电平配置、功率电平、信号带宽可遵从当地RF规范，有利于国际漫游业务。IEEE802.11e增强了802.11的MAC层，规定所有IEEE802.11无线接口的服务质量（QualityofService，QoS）要求，能保证提供网络电话（VoiceoverInternetProtocol，VoIP）等业务。提供TDMA的优先权和纠错方法，从而提高时延敏感型应用的性能。IEEE802.11f定义了推荐方法和公用接入点协议，使得接入点之间能够交换需要的信息，以支持分布式服务系统，保证不同生产厂商的接入点的互联性，例如支持漫游。IEEE802.11g2003年推出，工作在2.4GHzISM频段，组合了802.11b和802.11a标准的优点，在兼容802.11b标准的同时，采用OFDM调制方式，速率可高达54Mbps。IEEE802.11h5GHz频段的频谱管理，使用动态频率选择和传输功率控制，满足欧洲对军用雷达和卫星通信的干扰最小化的要求。-6-IEEE802.11i指出了用户认证和加密协议的安全弱点，在安全和鉴权方面作了补充，采用高级加密标准和IEEE802.1x认证。IEEE802.11j日本对IEEE802.11a的扩充，在4.9~5.0GHz之间增加RF信道。IEEE802.11k通过信道选择、漫游和TPC来进行网络性能优化。通过有效加载网络中的所有接入点，包括信号强度强弱的接入点，来最大化整个网络吞吐量。IEEE802.11n工作在2.4GHz和5GHzISM频段，兼容IEEE802.11b/a/g，采用MIMO（导入多重输入输出）无线通信技术和OFDM等技术、更宽的RF信道及改进的协议栈，传输速率可高达300Mbps甚至600Mbps，完全符合绝大多数个人和社会信息化的需求。IEEE802.11o802.11o针对VoWLAN(VoiceoverWLAN)而制定，更快速的无限跨区切换，以及读取语音比读取数据有更高的传输优先权。IEEE802.11p车辆环境无线接入，提供车辆之间的通信或车辆的路边接入点的通信，使用工作在5.9GHz的授权智能交通系统。IEEE802.11q实现对VLAN的支持，可以使用一个AP向不同用户提供不同业务及权限。IEEE802.11r支持移动设备从基本业务区到基本业务区的快速切换，支持时延敏感服务，如VoIP在不同接入点之间的站点漫游。IEEE802.11s扩展了IEEE802.11MAC来支持扩展业务区网状网络。IEEE802.11s协议使得消息在自组织多跳网状拓扑结构网络中传递。IEEE802.11T评估IEEE802.11设备及网络的性能测量、性能指标及测试过程的推荐方法，大写字母T表示推荐而不是技术标准。4.1WiFi技术概述-7-4.1WiFi技术概述802.11的技术转变-8-4.2WiFi系统组成WiFi是用无线通信技术将计算机设备互联WiFi局域网的本质特点：不再使用通信电缆将计算机与网络进行连接，而是用无线的方式，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。-9-4.2WiFi系统组成网络拓扑结构协议架构-10-4.2.1网络拓扑结构WiFi可以通过不同的网络拓扑结构进行组网，其发现和接入网络也有自身的要求和步骤。WiFi无线网络包括两种类型的拓扑形式：基础网（Infrastructure）和自组网（Ad-hoc）。两个重要的基本概念：•站点(Station，STA)：网络最基本的组成部分，每一个连接到无线网络中的终端（如笔记本电脑、PDA及其它可以联网的用户设备）、都可称之为一个站点。•无线接入点(AccessPoint，AP)：无线网络的创建者，也是网络的中心节点。一般家庭或办公室使用的无线路由器就一个AP。-11-4.2.1网络拓扑结构AP：有线无线互联的设备需设置信道、密钥（如WEP）、网络协议（如DHCP）、桥接等客户端为台式、笔记本、掌上电脑等用户设备-12-4.2.1网络拓扑结构——基础网（Infrastructure）平板电脑笔记本电脑手机PDA用户终端AP服务器基于AP组建的基础无线网络由AP创建，众多STA加入所组成AP是整个网络的中心各STA间不能直接通信，需经AP转发-13-4.2.1网络拓扑结构——基础网（Infrastructure）WLAN网络的基本元素——BSS(BasicServiceSet)ServiceSetID(服务集识别码)-14-4.2.1网络拓扑结构——基础网（Infrastructure）-15-4.2.1网络拓扑结构——基础网（Infrastructure）集中控制式-16-4.2.1网络拓扑结构——自组网（Ad-hoc）PDA笔记本电脑用户终端仅由两个及以上STA组成，网络中不存在AP。各设备自发组网，设备之间是对等的。网络中所有的STA之间都可以直接通信，不需要转发。Ad-hoc模式也称为对等模式，允许一组具有无线功能的计算机或移动设备之间为数据共享而迅速建立起无线连接。-17-4.2.1网络拓扑结构——自组网（Ad-hoc）IBSS（IndependentBSS）-18-4.2.2协议架构与蓝牙一样，WiFi的协议体系遵循OSI参考模型：物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层比特流传输提供介质访问、链路管理等寻址和路由选择建立主机端到端连接建立、维护和管理会话处理数据格式、数据加密等提供应用程序间通信OSI参考模型-19-4.2.2协议架构物理层（PHY）数据链路层逻辑链路控制（LLC）子层介质访问控制（MAC）子层网络层（IP）传输层（TCP/UDP）应用层WiFi协议体系软件实现硬件实现-20-4.2.2协议架构物理层：802.11b定义了工作在2.4GHzISM频段上数据传输率为11Mbps的物理层，使用跳频扩频传输技术（Frequency-HoppingSpread、Spectrum，FHSS）和直接序列扩频传输技术（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）。MAC层：MAC层提供了支持无线网络操作的多种功能。通过MAC层站点可以建立网络或接入已存在的网络，并传送数据给LLC层。LLC层：IEEE802.11使用与IEEE802.2完全相同的LLC层和48位MAC地址，这使得无线和有线之间的桥接非常方便。但MAC地址只对WLAN唯一确定。-21-4.2.2协议架构网络层：采用IP协议，是互联网中最重要的协议，规定了在互联网上进行通信时应遵守的准则。传输层：采用TCP/UDP协议，TCP是面向连接的协议，可以提供IP环境下的可靠传输；UDP是面向非连接的协议，不为IP提供可靠性传输。对于高可靠的应用，传输层一般采用TCP协议。应用层：根据应用需求实现，如HTTP协议、DNS（Domainnamesystem，域名解析系统）协议。-22-4.3WiFi信道信道也称作通道、频段，是以无线信号作为传输载体的数据信号传送通道。无线信道不是独占的，而是所有通信中的AP公用的。相同信道上工作的AP会降低吞吐量。IEEE802.11n就是在IEEE802.11g的基础上，把马路的宽度增加一倍，同时又缩短了前后车辆的车距，才获得了更高的数据吞吐量。-23-4.3WiFi信道实际的2.4GHzWiFi信道使用规定因国家不同而有所差异：•美国标准——11信道•欧洲标准——13信道•日本标准——14信道-24-4.3WiFi信道常用的一种2.4GHz信道划分如下：信道中心频率（MHz）频率范围（MHz）124122401~2423224172406~2428324222411~2433424272416~2438524322421~2443624372426~2448724422431~2453824472436~2458924522441~24631024572446~24681124622451~24731224672456~24781324722461~2483-25-4.3WiFi信道-26-4.3WiFi信道从图中可以看出：每个信道带宽为22MHz，其中有效宽度是20MHz，另外还有2MHz的强制隔离频带。相邻的信道间有重叠，尽量不要同时使用，以免造成干扰。3个不重叠的信道：1、6、11；2、7、12；3、8、131-13个信道的中心频率：2414+（n-1）*5MHz-27-2.4GHz频段由于使用ISM频段，干扰较多。目前很多WiFi设备开始使用5.8GHz附近（5.725~5.850GHz）的频带，可用带宽为125MHz。该频段共划分为5个信道，每个信道宽度为20MHz，每个信道与相邻信道都不发生重叠，因而干扰较小。缺点：5.8GHz频率较高，在空间传输时衰减较为严重。如果距离稍远，性能会严重降低。4.3WiFi信道-28-4.4TCP/IP协议TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol,传输控制协议/因特网互联协议)TCP/IP协议是Internet最基本的协议，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成TCP/IP协议是WiFi协议体系的重要组成部分在WiFi中，TCP/IP协议用来完成数据的装包和拆包过程，并保证数据的正确性。-29-4.4TCP/IP协议TCP连接及确认传送机制•TCP为保证数据的正确，每发出一个包，都要求接收方收到后返回一个确认包。同时，发送端也要对所有接收到的包进行确认。-30-4.4TCP/IP协议TCP的可靠传输控制方法•TCP协议采用确认机制和流量控制等机制保证数据传送的正确性。•采用TCP进行传送时，发送端通过发送计时器控制数据包的确认。如果特定时间内没有接收到数据发送确认信息，则发送端就认为数据包已经丢失，随之进行数据包的重发。•在接收端，错误的IP数据包将被重新排序，重复的数据包将被丢弃。从而保证正确的IP数据包序列传送到应用层。•TCP还进行数据传送过程中的流量控制，以防止数据传送过程中接收缓存区的溢出。-31-4.4TCP/IP协议TCP的慢启动与拥塞控制机制•如果发送端所传