WLAN的演进发展与应用前景

WLAN的演进发展与应用前景摘要在介绍了WLAN(无线局域网)诞生背景的基础上，阐述了包括Wi-Fi安全性问题、WAPI兴起及相应频率规划等在内的WLAN演进发展状况及其应用前景。1引言无线局域网WLAN，顾名思义是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段，可提供传统有线局域网的所有功能。它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，系统用无线接入的一个子集，但原则上与蓝牙有类似性，覆盖无线个人域网(WPAN)范畴。与蓝牙相比，它能支持较高传输速率(2~54Mbit/s，甚至更高)，利用射频无线电或红外线，借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)，GMSK，OFDM等技术，甚至可达到与UWB超宽带技术相比拟的传输速率600Mbit/s~1Gbit/s左右，实现固定、半移动网络终端对Internet网络进行较远距离的高速连接访问。因此，原则上它与速率较低的蓝牙技术有不同市场定位，相互支持补充，构成一种完整有效的WLAN/WPAN/WBAN无线接入。1997年6月，IEEE推出了802.11标准，开创了WLAN标准的先河。我国自主创新的WAPE/TEPA技术对确保WLAN安全性作出了重要贡献。早期加入WLAN领域的一些标准有IEEE1/b/a/g(最高速率54Mbit/s，工作于2.4GHzIMS频段及5GHz频段)。HiperLAN是由ETSI的RES10工作组提出的欧洲WLAN标准，工作频段为5.12~5.30GHz及17.1~17.3GHz，最高速率54Mbit/s。在5GHz频段运行的WLAN在不同国家与地区有不同的叫法。例如，在欧共体称为HiperLAN，在澳大利亚称为RLAN(RadioLAN)，在加拿大称为LELAN(License-exemptWirelessLAN)。彼此虽有一定类似性，但亦有不同做法与管理要求。HiSWANx是日本ARAB的多媒体移动接入通信的WLAN系列标准，HiSWANa工作于5GHz频段，HiSWANb工作于25/27GHz频段，数据传输速率为6~54Mbit/s。宽带家用射频WidebandHomeRF主要为家庭网络设计，是IEEE802.11与数字无绳DECT标准的结合体，工作在2.4GHz频段，能同步支持多路高质量语音信道，可支持系列速率1Mbit/s，2Mbit/s，5Mbit/s和10Mbit/s。典型的数字无绳，如DECT及PHS等亦曾加入WLAN的有效竞争行列。红外线数据接入IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的手段，其软硬件技术均已较成熟，传输速率可高达16Mbit/s。其主要优点为体积小、成本低、功率小、适应移动需求，早期约有95%的手提电脑上安装了IrDA接口，但连接设备间不能有遮档物，多个设备间如欲连接，需调整其位置及角度，比较复杂，其核心部件红外线LED也不甚耐用。目前，WLAN领域主要是IEEE802.11x系列。我国自主创新标准WAPE及欧洲HiperLAN/x系列等几种标准在积极发挥作用。近代通用无线接入作为先进手段实施接入网的全部或部分功能，它已成为有线接入的有效支持、补充与延伸，是快速、灵活装备与实现普遍服务的重要途径。无线接入目前虽大部分为窄带，但中宽带与宽带(WidebandandBroadband)无线接入，包括2.5G/3G移动接入、不对称IP接入及卫星接入已成为可能。而WLAN/WPAN/WBAN技术可视为一种最接近用户的短距离、微功率、微微小区(Pico-cell)型无线接入手段，加上毫微微小区Femtocell以及M2M-传感网/物联网(WSN/WVSN/InternetofThings)等助力，在构筑新世纪泛在/普适全球个人通信网络及无线连接世界方面将发挥其独特的重要作用。很明显，由于通用无线接入可综合包括宏大区、大区、小区、微小区、微微小区、毫微微小区、高速移动、全移动、半移动(包括Nomadic游牧式)、可搬移(Transportable)及固定等多种接入覆盖模式，可有效覆盖三维物理空间的任一角落及有效地在任何时候以各种适当手段连接至任何个人用户，它对未来全球个人通信的实际连接覆盖的普遍化与重要性显而易见。无线接入与Internet联合运作的所谓无线Internet/移动IP，以及更进一步以全球移动通信的演进发展沿2G→2G+(2.5G，2.75G)→3G→3G+→4G这一发展脉络，将及时大量运用及嵌入3G/4G，Bluetooth，WLAN/WPAN/WBAN之类新手段，进入所谓嵌入式(Embedded)世界，实现以Pico-cell小区个人接入为中心展开的无线个人域与物体域网络(WPAN/WBAN)时代。这将成为未来全球个人通信世界中的最重要环节之一。2802.11x及其速率增强第二次世界大战后，无线通讯因在军事上应用的成功而受到重视，但缺乏广泛的通讯标准。于是，IEEE在1997年为无线局域网制定了第一个标准──IEEE802.11，其中定义了媒体存取控制层(MAC层)和物理层。物理层定义了在2.4GHz的ISM频段上工作，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以以自组织(AdHoc)的方式进行，也可以在基站BS(BaseStation)或访问点AP(AccessPoint)的协调下进行。为了在不同的通讯环境下取得良好的通讯质量，采用了CSMA/CA(CarrierSenseMultiAccess/OllisionAvoidance)多址连接方式。IEEE802.11标准最初主要用于解决办公室局域网和校园网中用户的无线接入，其业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbit/s。之后，由于速率和传输距离都不能满足人们的需要，IEEE小组又相继推出了更高速率的标准802.11b和802.11a。802.11b支持较高速率达1Mbit/s，同样工作于2.4GHzISM频段，亦称Wi-Fi(无线保真，WirelessFedelity)，可为笔记本电脑或桌面电脑提供完整的网络系统服务。802.11a为利用5GHz频段的WLAN方式，传输速率更高，可达25Mbit/s或更高，借助OFDM技术，其速率可高达54Mbit/s。它亦被称为Wi-Fi5，可适应话音、数据、图像等多媒体业务的需要。802.11x标准即由Wi-Fi联盟推进其产业化与应用工作。为使进入广泛商用的WLAN取得更高速率、更可靠的QoS及安全性，IEEE进行了一系列补充修订，向802.1ｘ系列标准化努力，包括OFDM，高状态M-QAM调制与FEC技术，MIMO，CR，DFM等近代先进无线设备与网络技术的运用。3Wi-Fi-802.11i的安全协议缺陷IEEE802.11i是IEEE为了弥补802.11脆弱的安全加密功能(WEP，WiredEquivalentPrivacy)而制定的修正案，于2004年7月完成，其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP(CTRwithCBC-MACProtocol)。无线网络中的安全问题从暴露到最终解决经历了相当长的时间，而各大通信芯片商显然无法接受在这期间什么都不出售，所以Wi-Fi厂商以802.11i的草案3为蓝图设计了一系列通信设备，称为支持WPA(Wi-FiProtectedAccess)的设备。这个协议包含向前兼容RC4的加密协议TKIP(TemporalKeyIntegrityProtocol)，它沿用了WEP所使用的硬件并修正了一些缺失，但在安全方面仍然存在缺陷。之后将支持802.11i最终版协议的通信设备称为支持WPA2(Wi-FiProtectedAccess2)的设备。如众所知，随着传统意义上的WLAN演进为公众通信P-WLAN/O-WLAN，WLAN已成为中国几大公众业务基础运营商共同关注的焦点。公众运营商级的WLAN用户主要为企业客户、经常出差的商务人员及家庭用户等，多半属高端用户，对服务质量及安全性非常关注。而IEEE802.11x标准中原先提出的安全方案已被广泛证实存在安全漏洞。例如，基于有线环境设计的端口访问控制协议802.1x，安全协议WEP及RC4流密码，DHCP+WEB认证中的用户名和密码系按明文HTTP1.0或弱加密HTTP1.1的MD5算法。MAC地址过滤及非法接入及目前使用较多的PPPoE认证方式也是用明文或弱加密方式传送口令，不适合于开放无线环境。且PPP报文及PPPoE封装效率较低，无后续数据加密，均对电信运营商级高可靠性要求带来较大隐患。针对这些情况，我国依据“商用密码管理条例”制定的WLAN安全标准WAPI(无线网络鉴别保密基础结构)，采用基于公共密钥密码体系的证书机制，动态密钥综合安全度高。而采用我国SMS4密码算法及ECDSA，ECDH密码算法的椭园曲线及参数，是我国商用密码在无线局域网及宽带无线网络安全领域的典型应用，创新地提出了R-A-S三元安全架构，赋予接入点以独立认证身份，解决了无线网络中“伪造网络，中间人攻击”等问题，保障了合法用户接入合法网络，相比Wi-Fi有明显安全技术优势。用户只需安装一张证书即可方便地在WLAN覆盖的不同地区实现漫游，可支持包括Windows98/2000/XP及Linux等多种操作系统，可满足运营商、企业及家庭等多种应用模式，能提供与现有计费技术兼容的服务。完善的安全认证也是实施身份识别、分类计费、路由策略和流量控制等优良运营用户管理的基础。这一安全标准符合我国国家标准与法规要求，同时该WAPI协议已由ISO/IEC授权的IEEE注册权威机构IEEERA(RegistrationAuthority)审查认可，并分配了用于该协议机制的以太型字段0x88b4等8大方面。这是我国在WLAN安全领域取得的自主创新成果，有重要国际影响与战略意义。这些成果有可能打破外国企业在这一市场的绝对垄断格局，从而引起了相应外国政府和企业、组织的强烈关注与严重不安。他们采用政府高层施压、Wi-Fi联盟反对、芯片禁运等各种手段抵制与阻挠实施，使WAPI标准受阻。2004年4月29日，国家认监委和国家标准委联合发布2004年第44号公告，声明WAPI国家标准的强制性认证实施时间后延。此前，吴仪副总理已在2004年4月22日中美商务会议上与美方会谈后表示，中国同意在6月1日最后期限到来之时，不强制实施我国自主创新制定的WAPI技术标准，并与WLAN国际标准机构密切合作。究其原因，最主要的因素是一些国家在标榜与要求别国“技术中立”的同时，却充分利用自身技术垄断与贸易实力方面的优势，以贸易摩擦为由推行“技术标准政治化”，以维护其技术产品的市场垄断地位，其中芯片量产上的Wi-Fi，WiMAX等市场利益的策略考虑是其重要方面。在自主创新其他新标准之际，我国WAPI标准受阻失利的经验教训确实值得反思。但应该指出，国内参与WAPI标准化工作的单位，在重压情况下仍再接再厉，团结合作，进一步将WAPI标准完善和务实推进，并推向新的共赢合作高度值得赞扬。国外一些有识之士已经指出，中国能够在标准大战中凭借其庞大的市场和迅猛增长来获胜，全球科技和电信公司需要对中国标准方案进行评估，并在适当时候与中国企业联手共同打造技术标准。制订标准的目的是要促使市场健康有效地发展，一个国家或一个组织的标准不可能无条件垄断全球，也谈不上可以在全球垄断创新，尤其当自身标准不完善之际，博采众长与集思广益才属上策。霸权式标准化准则绝对不合情理，所谓全球化标准想要占领甚至独占中国这块全球最有吸引力的市场，不树立切实的共赢合作思想是不会如愿以偿的，可能会吃大亏。期望长久依靠“贸易磨擦与技术政治化方式”维持技术产品垄断及单方面不平等受益，是肯定行不通的。我国政府不遗余力地支持WAPI。2005年，财政部、发改委及当时的信息产业部联合下发了“关于印发无线局域网产品政府采购实施意见的通知”，表示在政府采购中将优先考虑符合国家标准的产品。国家密码管理构也表示将开放WAPI密码算法，这大大降低了国内外企业进入WAPI市场的门槛，推进WAPI产业联盟的工作。加紧芯片制造，借助政府采购快速推