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WIFI基础知识整理
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1.无线网络的优缺点
无线网络相比有线网络的优点:
⑴灵活性和移动性。
在有线网络中,网络设备的安放位置受网络位置的限制,而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。
无线局域网另一个最大的优点在于其移动性,连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。
⑵安装便捷。
无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量,一般只要安装一个或多个接入点设备,就可建立覆盖整个区域的局域网络。
(3)故障定位容易。
有线网络一旦出现物理故障,尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断,往往很难查明,而且检修线路需要付出很大的代价。
无线网络则很容易定位故障,只需更换故障设备即可恢复网络连接。
(4)易于扩展。
无线局域网有多种配置方式,可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络,并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。
由于无线局域网有以上诸多优点,因此其发展十分迅速。
最近几年,无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。
无线网络相比有线网络,还是有许多的缺点的:
(1)通信双方因为是通过无线进行通信,所以通信之前需要建立连接;而有线网络就直接用线缆连接,不用这个过程了。
通信双方通信方式是半双工的通信方式;而有线网络可以是全双工。
相对有线网络吞吐量低,这一点正在逐步改善,802.11n协议可以达到600Mbps的吞吐量。
(2)通信时在网络层以下出错的概率非常高,所以帧的重传概率很大,需要在网络层之下的协议添加重传的机制(不能只依赖上面TCP/IP的延时等待重传等开销来保证);而有线网络出错概率非常小,无需在网络层有如此复杂的机制。
(3)数据是在无线环境下进行的,所以抓包非常容易,存在安全隐患。
因为收发无线信号,所以功耗较大。
WIFI生产厂家
目前WIFI芯片主流供应商主要有三家,分别为Atheros,Marvell和broadcom,具体介绍如下:
(1)Atheros:
中文名称为创锐讯通讯技术,Atheros是一家年轻的公司,1999年由斯坦福大学的TeresaMeng博士和斯坦福大学校长,MIPS创始人JohnHennessy博士共同在硅谷创办,现已和高通合并。
(2)Marvell:
中文为美满科技集团有限公司,成立于1995年,总部在硅谷,在中国上海设有研发中心,是一家提供全套宽带通信和存储解决方案的全球领先半导体厂商,针对高速,高密度,数字资料存贮和宽频数字数据网络市场,从事混合信号和数字信号处理集成电路设计、开发和供货的厂商。
(3)broadcom:
中文为博通公司,broadcom是全球领先的有线和无线通信半导体公司。
其产品实现向家庭、办公室和移动环境以及在这些环境中传递语音、数据和多媒体。
Broadcom为计算和网络设备、数字娱乐和宽带接入产品以及移动设备的制造商提供业界最广泛的、一流的片上系统和软件解决方案。
目前linux下,已支持的wifi卡有如下厂家的卡:
–Marvell8385andMarvell868687648787
–Intersil公司Prism54chipsseries
–IntelIWL4965andIWL3945
–Atheroscorporation5xxxchipset,AR9344AR9331AR9341AR6302/AR9271/AR9374/AR1021
2.专业术语
(1)WLAN(WirelessLocalAreaNetworks,即无线局域网)LAN是局域网,其实大多数指的是有线网络中的局域网,无线网络中的局域网,一般用WLAN。
(2)AP(Accesspoint的简称,即访问点,接入点):
是一个无线网络中的特殊节点,通过这个节点,无线网络中的其它类型节点可以和无线网络外部以及内部进行通信。
一般,AP和无线路由都在一台设备上。
(3)Station(工作站):
表示连接到无线网络中的设备,这些设备通过AP,可以和内部其它设备或者无线网络外部通信。
(4)BSS(BasicServiceSet):
由一组相互通信的工作站组成,是802.11无线网络的基本组件。
主要有两种类型,IBSS和基础结构型网络。
IBSS又叫ADHOC,组网是临时的,通信方式为Station<->Station;基础结构形网络,其通信方式是Station<->AP<->Station,也就是所有无线网络中的设备要想通信,都得经过AP。
在无线网络的基础形网络中,最重要的两类设备:
AP和Station。
(5)SSID:
用来标识一个无线网络,每个无线网络都有它自己的SSID。
表示一个子网的名字,无线路由通过这个名字可以为其它设备标识这个无线路由的子网。
设备进行扫描的时候,就会将相应SSID扫描到,然后就能够选择相应的SSID连接到相应的无线网络。
SSID可以和其它的重复,这样扫描的时候会看到两个同样SSID的无线网络,其实这一般用于将一个无线网络扩大的情况:
当想要扩大一个无线网络(即SSID固定)的范围的时候,可以给多个路由设置相同的SSID来达到这个目的。
(6)DS(DistributedSystem):
即分布式系统。
分布式系统属于802.11逻辑组件,负责将帧转发至目的地址,802.11并未规定其技术细节,大多数商业产品以桥接引擎和分步式系统媒介共同构成分布式系统。
分步式系统是接入点之间转发帧的骨干网络,一般是以太网。
其实,骨干网络并不是分步系统的全部,而是其媒介。
主要有三点:
骨干网(例如以太网)、桥接器(具有有线无线两个网络接口的接入点包含它)、属于骨干网上的接入点所管辖的基础性网络的station。
总之,分步式系统骨干网络(例如以太网)做为媒介,连接各个接入点,每个接入点与其内的station可构成BSS,各个接入点中的桥接控制器有到达骨干网络和其内部BSS无线网的接口(类似两个MAC地址),station通信需要通过分布式系统。
3.技术参数
(1)Band(频率范围)
一般AP可以支持5GHZ或2.4GHZ两个频率范围段的无线信号。
如果两者同时可以设置,而不是互斥那么,这个路由器还能够同时支持两种频段(频段即Band),这相当于这个AP可建立两个无线网络,它们采用不同的频段(这类似收音机在长波范围内收音和短波范围内收音)。
(2)Channel(信道)Channel是对频段的进一步划分(将5GHZ或者2.4GHZ的频段范围再划分为几个小的频段,每个频段称作一个Channel),处于不同传输信道上面的数据,如果信道覆盖范围没有重叠,那么不会相互干扰。
(3)ChannelWidth(信道宽度)
这里的ChannelWidth是信道的带宽,有20MHZ、40MHZ等,它表示一个Channel片段的宽度(假设5GHZ的频段宽度总共为100M,平均划分为互不干扰的10个Channel,那么每个Channel的ChannelWidth就为100M/10=10M,实际Channel并不一定是完全不重叠的)。
(4)TransmissionRate
设置传输速率。
这里采用不同的无线网络传输协议(802.11b,802.11g,802.11n等),那么可以设置的速率范围有所不同,这里的速度是指理论的速度,实际中,由于各种干扰因素,传输的速率可能会比设置的小。
一般而言,在无线网络中,对于某种协议的性能进行描述时,我们需要注意的是,描述时提到的传输速率(Datarate)和吞吐量(Throughput)是不同的。
Datarate是理论上面最大数据传输速率,而Throughput是数据的实际最大吞吐量。
因为厂家以及传输时所使用的协议等各种因素造成的开销,会导致实际吞吐量比理论吞吐量要小,一般实际最大吞吐为理论最大的50%左右
(5)BeaconInterval:
表示无线路由定期广播其SSID的时间间隔。
这个一般不会特别设置,就采用默认值即可。
如果不广播了,那么Station端扫描的时候可能会发现不定期广播的AP对应的SSID的网络不见了,所以可能会断开连接。
4.通信协议
802.11采用2.4GHz和5GHz这两个ISM频段,按照时间顺序发展,主要有:
IEEE802.11,1997年,原始标准(2Mbit/s,工作在2.4GHz)。
IEEE802.11a,1999年,物理层补充(54Mbit/s,工作在5GHz)。
IEEE802.11b,1999年,物理层补充(11Mbit/s工作在2.4GHz)。
IEEE802.11c,符合802.1D的媒体接入控制层桥接(MACLayerBridging)。
IEEE802.11d,根据各国无线电规定做的调整。
IEEE802.11e,对服务等级(QualityofService,QoS)的支持。
IEEE802.11g,2003年,物理层补充(54Mbit/s,工作在2.4GHz)。
IEEE802.11h,2004年,无线覆盖半径的调整,室内(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz频段)。
IEEE802.11i,2004年,无线网络的安全方面的补充。
IEEE802.11n,2009年9月通过正式标准,WLAN的传输速率由802.11a及802.11g提供的54Mbps、108Mbps,提高达350Mbps甚至高达475Mbps。
IEEE802.11p,2010年,这个通讯协定主要用在车用电子的无线通讯上。
它设定上是从IEEE802.11来扩充延伸,来符合智慧型运输系统(IntelligentTransportationSystems,ITS)的相关应用。
应用的层面包括高速率的车辆之间以及车辆与5.9千兆赫(5.85-5.925千兆赫)波段的标准ITS路边基础设施之间的资料数据交换。
IEEE802.11k,2008年,该协议规范规定了无线局域网络频谱测量规范。
该规范的制订体现了无线局域网络对频谱资源智能化使用的需求。
IEEE802.11r,2008年,快速基础服务转移,主要是用来解决客户端在不同无线网络AP间切换时的延迟问题。
IEEE802.11s,2007年9月.拓扑发现、路径选择与转发、信道定位、安全、流量管理和网络管理。
网状网络带来一些新的术语。
IEEE802.11ac,802.11n之后的版本。
工作在5G频段,理论上可以提供高达每秒1Gbit的数据传输能力。
802.11b
IEEE802.11b是无线局域网的一个标准。
其载波的频率为2.4GHz,传送速度为11Mbit/s。
IEEE802.11b是所有无线局域网标准中最著名,也是普及最广的标准。
它有时也被错误地标为Wi-Fi。
实际上Wi-Fi是无线局域网联盟(WLANA)的一个商标,该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作,与标准本身实际上没有关系。
在2.4GHz-ISM频段共有14个频宽为22MHz的频道可供使用。
802.11b是所有WLAN标准演进的基石,未来许多的系统大都需要与802.11b向后向兼容。
802.11g
IEEE802.11g2003年7月,通过了第三种调变标准。
其载波的频率为2.4GHz(跟802.11b相同),原始传送速度为54Mbit/s,净传输速度约为24.7Mbit/s(跟802.11a相同)。
802.11g的设备与802.11b兼容。
802.11g是为了提高更高的传输速率而制定的标准,它采用2.4GHz频段,使用CCK技术与802.11b后向兼容,同时它又通过采用OFDM技术支持高达54Mbit/s的数据流。
802.11n
IEEE802.11n,传输速度估计将达475Mbps(需要在物理层产生更高速度的传输率),此项新标准应该要比802.11b快45倍,而比802.11g快8倍左右。
802.11n也将会比之前的无线网络传送到更远的距离。
802.11n在MAC层上进行了一些重要的改进,所以导致网络性能有了很大的提升,802.11n的MIMO(多输入输出)特性,使得两对天线可以在同时同Channel上传输数据,而两者却能够不相互干扰(采用了OFDM特殊的调制技术)。
802.11ac
主流厂商(Qualcomm,Broadcom,Intel等)正在开发的协议版本,它使用5GHz频段,采用:
更宽的基带(最高扩展到160Mhz)、更多的MIMO、高密度的调制解调(256QAM)。
理论上,11ac可以为多个站点服务提供1Gbit的带宽,或是为单一连接提供500Mbit的传输带宽。
协议
发布日期
频带
最大传输速度
调制技术
距离
802.11
1997
2.4-2.5GHz
2Mbps
FHSS/DSSS/IR
100
802.11a
1999
5.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875GHz
54Mbps
OFDM(正交频分复用)
50-100
802.11b
1999
2.4-2.5GHz
11Mbps
DSSS(直序列扩频调制技术)/CCK
100-300
802.11g
2003
2.4-2.5GHz
54Mbps
DSSS/CCK/OFDM
100-300
802.11n
2009
2.4GHz或者5GHz
600Mbps(40MHz*4MIMO)
DSSS/CCK/OFDM/MIMO(多入多出)
802.11ac
2011.2
2.4GHz或者5GHz
867Mbps,1.73Gbps,3.47Gbps,6.93Gbps(8MIMO,160MHz)
DSSS/CCK/OFDM/MIMO
5.通信原理
数据链路层包括两个子层:
逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层,媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。
与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层,而LLC子层则与传输媒体无关,不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。
网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址。
如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理,否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。
链路层主要是CSMA/CA协议的实现。
发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部,成为以太网的帧。
接收时将以太网的帧剥去首部和尾部,然后送交上一层。
Station和AP进行通信要经过搜寻、认证、关联三步。
搜寻是为了寻找和加入一个网络,或漫游时寻找一个新的AP。
有主动和被动两种方法。
被动方法:
通过侦听AP定期发送的beacon帧来发现网络,beacon帧中包含该AP所属的BSS的基本信息以及AP的基本能力级,包括:
SSID(AP的MAC地址)、支持的速率、支持的认证方式、加密算法、beacon帧发送间隔、使用的信道等。
主动方式:
在每个信道上发送proberequest报文,从proberesponse中获取BSS的基本信息,proberesponse包含的信息和beacon帧类似。
认证是STA在扫描到合适的AP之后,只有通过认证该STA才能通过AP使用WLAN。
现有的认证方式有:
(1)open,即不需要认证,只要交互一个null帧
(2)sharedkey,需要一个4次握手的过程(3)802.11i,需要到认证服务器认证
802.11i主要涉及WEP、WPA等技术,WEP(WiredEquivalentPrivacy),采用名为RC4的RSA加密技术;WPA(Wi-FiProtectedAccess),采用新的TKIP算法。
关联:
station通过association和一个AP建立连接,后续的数据报文的收发只能和建立association关系的AP进行。
Station和Ap建立开放Association的过程:
(0)Ap周期性地广播Beacon帧
(1)Station广播ProbeRequest到达Ap
(2)Ap向Station发送ProbeReponse
(3)Station向Ap发送ACK
(4)Station向Ap发送AuthenticationRequest
(5)Ap向Station发送ACK
(6)Ap向Station发送AuthenticationReponse
(7)Station向Ap发送ACK
(8)Station向Ap发送AssociationRequest
(9)Ap向Station发送ACK
(10)Ap向Station发送AssociationReponse
(11)Station向Ap发送ACK
(12)Station和Ap开始相互通信。
与以太网的CSMA/CD机制(冲突检测)相对,802.11采用的CSMA/CA机制(冲突避免)。
采用这个机制,可以保证每次通信的原子性(即每次通信所需要传输的多种不同类型的帧之间没有夹杂其它通信的帧的干扰)。
CSMA/CA机制就是所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。
这段时间的通称是帧间间隔IFS(InterFrameSpace)。
用不同的帧间隔来定义优先级。
高优先级帧需要等待的时间短,可以获得优先发送权,低优先级帧等待的时间长。
信道从忙态变为空闲时,任何一个站要发送数据帧时,不仅都必须等待一个IFS的间隔,而且还要进入竞争窗口,并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。
大体过程是:
(a)链路空闲下来之后,所有Station在发送帧之前都首先等待一段时间(即IFS,又称帧间隔时间);
(b)到达IFS之后,所有的Station进入竞争时间窗口(就是竞争期间),将这个竞争时间窗口分割成多个Slot(退避时间间隔),然后每个Station随机选择一个Slot;
(c)当某个Station到达它的Slot对应的时间之后,就开始发送数据。
这里,选择的Slot越靠前,则表示Station在IFS之后再等待的时间(退避时间)越短,也就会越早发送实际数据;
(d)退避窗口的Slot有多个,选择的时候,可能某个Slot被多个站点同时选取,这个时候发送会产生真正的数据冲突(如果多个人同时发送,那么它们都要经过AP来转发,AP无法同时听见多个人的“说话声音”)那么Station就会再重新选择并发送;
(e)当一个Station发送数据之后,所有Station会检测到链路忙,于是放弃尝试发送,等那个Station发送完数据之后,链路开始空闲,于是又进入到(a)重新开始这个过程。
CSMA是基于任一站的发送都能被所有站点听到,但是在无线环境下,只有在发送站点一定半径范围内的节点才能监听到信道上的载波。
于是就存在隐藏节点和暴露节点问题。
隐藏节点在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端。
A向B发送,C听不到A的发送,C也同时发送时在B发送碰撞。
暴露节点:
在发送者的通信范围之内而在接收者的通信范围之外的终端。
B向A发送,C听到B的发送,不能向D发送,造成不必要的延时。
可以采用RTS/CTS方式进行避免这些问题。
这里的RTS是Request-To-Send的简写,RST包含目的地址和数据发送的持续时间,通知所有节点在此期间退避。
CTS是Clear-To-Send的简写,为发送者预留信道,同时告诉所有节点信道被占用。
设置好RTS的阈值之后,如果超过这个阈值就会在发送信息之前先发送RTS,以减少干扰,相应的CTS会回应之前的RTS。
一般都是AP发送CTS数据,而Station发送RTS数据。
在A想要通信的时候,先广播发送RTS给B,告诉B“它想要通信”,同时接受到RTS的别的Station(它们对发送RTS的Station而言可见)会知道A将要发送数据,于是它们不会发送数据以免干扰A;B收到RTS之后,会广播发送CTS,告诉所有在B范围内的Station(包括对A而言的隐藏节点C)A将要通信(同时也相当于告诉A,A可以无干扰的发送信息了)”,这样对A而言的隐藏节点B也知道有一个A的存在并且要发送信息了,于是B就不会干扰A了。
6帧格式
在802.11中的帧有三种类型:
管理帧(如Beacon帧、Probe帧、Authentication帧、Association帧)、控制帧(如RTS帧、CTS帧、ACK帧)、数据帧(承载数据的载体,其中的DS字段用来标识方向很重要)。
数据帧是用户的数据报文,控制帧协助数据帧的报文收发控制,管理帧是站和AP之间的交互、认证、关联等管理。
帧头部中的类型字段中会标识出该帧属于哪个字段。
802.11帧分为三个部分:
帧头(Macheader)、帧实体(body)、CRC域。
分为MACheader、FrameBody和CRC。
MACheader由4个字段构成,分别为:
FrameControl、DurationID、Address、Sequence-control。
帧结构:
| framecontrol | duiration/ID | addr1 | addr2 | addr3 |Sequence-control| addr4 | frame-body | FCS |
Framecontrol两个字节的控制字段,控制帧类型、传输方向等信息。
Duration表示成功发送这帧数据可能占用信道的时间。
Address1~4每个地址的含义由Framecontrol中的DS解释。
Sequence-control用来标识分段,以便进行分段号重组。
Data包含要传输的数据。
CRC包含校验码。
(1)数据帧
帧控制字段
Version用来显示该帧所使用的MAC版本。
目前802.11MAC只有一个版本,它的协议编号为0。
Type与Subtype:
制定使用帧类型(控制帧、数据帧、管理帧)
Managementframe(管理帧:
Type=00)
0000
Associationrequest(关联请求)
0001
Associationresponse(关联响应)
0010
Reassociationrequest(重新关联请求)
0011
Reassociationresponse(重新关联响应)
0100
Proberequest(探测请求)
0101
Proberesponse(探测响应)
1000
Beacon(信标)
1001
ATIM(通知传输指示消息)
1010
Disassociation(取消关联)
1011
Authentication(身份验证)
1100
Deauthentication(解除身份验证)
1101~1111
Reserved(保留,未使用)
Controlframe(控制帧:
Type=01)
1010
PowerSave(PS)-Poll(省电-轮询)
1011
RTS(请求发送)
1100
CTS(清除发送)
1101
ACK(确认)
1110
CF-End(无竞争周期结束)
1111
CF-End(无竞争周期结束)+CF-ACK(无竞争周期确认)
Dataframe(数据帧:
Type=10)
0000
Data(数据)
0001
Data+CF-ACK
0010
Data+CF-Poll
0011
Data+CF-ACK+CF-Poll
0100
Nulldata(无数
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