前言

好久没更新，春节假期比较忙，刚回来又开始上课了，这两天把笔记补一下。

无线局域网标准

无线局域网 (Wireless LANs, WLANs)是在物理层通过射频(radio frequencies, RF)将本地设备连接在一起的。WLAN通常将客户端通过AP连接到网络。

WLAN有一个国际标准——IEEE 802.11，又称无线保真或Wi-Fi™。IEEE 802.11定义了无线链路的物理层和数据链路层如何使用未授权频段中的无线电频率。

如今的IEEE 802.11包含有如下：

2.4GHz是生活中最常见的频段，例如微波炉、无绳电话工作等均使用该频率，因此电磁波干扰非常严重。

OFDM是多载波调制(MCM：Multi-Carrier Modulation)的一种，它将信道(Channels)分成许多正交的子信道，每个子信道都近似平坦，大大消除了符号间干扰。

从WiFi4开始，开始使用多天线收发信号的技术使得传输速率大大提高。

IEEE 802.11建立了信道(Channels)方案，这些方案在不同的地区会有所不同。2.4 GHz 频段 2.4 GHz 频段在北美分为 11 个信道，在欧洲分为 13 个信道。如图：

这些重叠信道之间的中心频率间隔仅为 5MHz，频率占用为22MHz。频率占用为 22MHz。这样就可以在同一区域内使用 3 个不重叠、不干扰的频道。如图：

我们在整个给定区域中的2.4 GHz信道可以通过在重复使用3个不重叠的信道而不受干扰地部署。如图以1、5、11信道为例，它们呈蜂窝状。

而5GHz的信道分布就更多了，它可以至少维持8个不重叠的信道而不受干扰，具体频段划分可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/480226290

为了保证WLAN的信号传输(速度、距离、支持设备数)，可以使用更多的频带或不同的方法(扩频和调制技术)增加数据量，并且减少干扰。

理论上，我们可以根据香农公式计算信道的最大传输速率，在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C：C = W * log₂ (1 + S/N) bpsC是数据速率的极限值(bps)；W为信道带宽(Hz)；S是信号功率(w)，N是噪声功率(w)。

我们可以采取的方法有扩频和调制技术。扩频(Spread Spectrum)是一种发射方式，其设计在一定程度上具有抗干扰性，难以探测和拦截的能力。

IEEE 802.11标准现在使用的两种扩频技术有：DSSS(直接序列扩频, Direct Sequence Spread Spectrum)和OFDM(正交频分复用, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。

DSSS将信道分成更小的部分以产生更多的通道，但是每个通道速率较慢。每个数据位表示一个码片序列，如果存在干扰信号，接收机实际上可能会丢失几个比特，并且仍然能够识别代码是1还是0，而不会降低吞吐量或性能。

例如用1表示码片序列101, 0表示010. 数据传输时若为100 010 101 101, 100收到了干扰导致信息改变，但还是可以猜出发送原信息，增加了安全性。

OFDM将一个高速数据载波分解为多个低速子载波，然后并行传输。每个高速载波为20 MHz宽，并被分成52个子通道，每个子信道约为300 KHz宽。OFDM使用这些子通道中的48个子通道用于数据，而剩余的4个子通道用于纠错(头尾)。在一个通道采样时其他频道频率为0，减少了干扰。

而调制是将能量低的消息信号与能量高的载波信号进行混合，产生一个新的高能量信号，以增加信号传输的距离。

减少干扰的另一个思路是减少信号冲突，在传统局域网中我们会使用CSMA/CD技术避免冲突，但在WLAN中，因为信号是360度发送的，无法检测所有方向的碰撞。而且无线局域网不能使用碰撞检测，只要开始发送数据，就一定把整个帧发送完毕。

如果在无线局域网的发送过程中，一旦发生了碰撞，那么整个信道资源在这段时间就白白浪费了。因此，无线局域网应当尽量减少碰撞的发生。例如A和C都想和B通信。但A和C相距较远，彼此都听不见对方。当A和C检测到信道空闲时，就都向B发送数据，结果发生了碰撞。

这种问题称为隐蔽站问题(hidden node problem)。为解决这个问题，WLAN使用CSMA/CA协议，CA表示Collision Avoidance，为避免冲突。首先我们来看WLAN的MAC层，它通过协调功能(Coordination Function)来确定在什么时间能发送数据或接收数据。

分布协调功能DCF规定了一个避免冲突的过程：

当一个站点有数据帧要发送时，它会等待一个随机的退避时间。(参考退避算法)
如果站点在等待随机后退时间的期间，感知到信道繁忙，它会暂停计时器，直到信道变为空闲状态。
在退避期结束时，如果信道仍然空闲，站点将等待一个DIFS(Distributed Inter-Frame Space，分布式帧间间隔) 的时间，并再次检测信道。 DIFS是在进行信道访问之前必须等待的时间间隔，用于确保在发送数据之前信道确实处于空闲状态。
如果信道仍然空闲，站点发送一个RTS（Request to Send，请求发送）帧，RTS帧是用于协调数据传输的一种控制帧。通过发送RTS帧，站点向目标设备表达其意图发送数据，并请求目标设备在一定时间内保持信道空闲，以便它能够顺利发送数据帧。
如果目标站点可用，它将使用CTS（Clear to Send，允许发送）帧作出回应，目标设备收到RTS帧后，如果它也空闲并且愿意接收数据，则会发送一个CTS（Clear to Send，允许发送）帧作为回应，以确认信道的可用性。这种基于RTS/CTS的机制可以减少数据冲突和碰撞，提高数据传输的可靠性和效率。
然后发送数据帧。
在发送完帧后，发送站点等待一个SIFS时间来接收确认帧（Short Inter-Frame Space，短帧间间隔）。
在传输过程结束后，站点再次等待退避时间，以准备下一次传输。

最后我们来看WLAN帧的格式，如图：

能分辨与Ethernet帧的区别即可。

无线局域网操作

说完了WLAN的一些物理层和数据链路层原理，接下里就到了了解WLAN中的种种操作。

先从WLAN设备开始，终端设备是通过无线适配器(Wireless Adapter, 又称网卡)将数据编码和调制成射频，并连接到WLAN中。

而在WLAN网络中，接入点（Access Point, AP）是一个收发器，充当无线和有线网络之间的连接点或独立无线网络的中心点。有些AP需要通过天线(Antenna)来辐射或接收电磁波信号。

WLAN中，我们同样可以使用无线电功率(Radio power)描述信号做功的快慢。它的单位为dB(decibels, 分贝)：Power = 10 * log₁₀ (Signal / Reference) dB

Signal是信号的功率，Reference是参考功率。我们可以与功率常见的单位w来比较，dBw是与1 w相比的分贝值，而dBm是与1 mW相比的分贝值。

在WLAN中，服务集(service set)是设备的逻辑分组。服务集标识符（SSID）是设备用于区分同一附近的多个无线网络的唯一标识符。SSID可以是2到32个字符长的任何字母数字、区分大小写的条目。

在WLAN中，有几种常见的网络拓扑模式——ac hop模式、基本服务集(BSS)和扩展服务集（ESS）模式。

ac hop模式：又称独立基本服务集（IBSS）模式，是由两个或多个设备之间的互相连接组成的无线网络。(例如热点)

基本服务集(BSS)模式：由单个AP互连所有关联的无线客户端组成。

其中，每个AP的第2层MAC地址称为基本服务集标识符（BSSID），用于唯一标识每个BSS。

除此之外还有扩展服务集（ESS）模式：由多个AP组成的拓展无线网络。

每个ESS由SSID（也称为ESSID）标识，而在ESS中，每个BSS由其BSSID标识。

总的来说，SSID = Extended Service Set IDentifier(ESSID), BSSID是每个AP的MAC地址。

整个连接WLAN的过程分为三个阶段：探测阶段、认证阶段和关联阶段。

探测阶段(Probing Stage)：客户端通过射频发送探测请求。不同的AP通过射频发送探测响应。客户端评估探测响应并选择最佳AP。
认证阶段(Authentication Stage)：客户端通过射频向所选AP发送认证请求，包含认证类型和认证信息。认证类型可以有开放式和WEP(有线等效保护，预共享密钥身份验证机制)等方式。
关联阶段(Association Stage): 在关联阶段，客户端和AP之间建立数据链路。客户端获知BSSID。流量可以通过AID(关联标识符，相当于逻辑接口)在两个设备之间来回传输。

其中在认证阶段，因为WEP秘钥不会改变，所以存在一些安全漏洞。IEEE 802.11i标准规定了一些使用临时密钥完整性协议（TKIP）的WPA和使用高级加密标准（AES）的WPA2加密方式。

在 IEEE 802.1x中还引入由可扩展身份验证协议（EAP）管理的身份验证框架，使客户端输入用户名和密码后才能接入AP。