IEEE802.11协议在计算机网络中的应用

1.物理层

IEEE802.11标准中定义了WLAN所使用的无线频段和调制方式。目前常用的几种物理层协议标准有以下几种。

（1）IEEE802.11。定义了三种物理媒介：

第一种，工作在2.4GHz的ISM频段上，调制方式为直接序列扩频（DSSS），数据速率为1Mbps和2Mbps，多达十三个信道。

第二种，工作在2.4GHz的ISM频段上，调制方式为跳频扩频（FHSS），数据速率为1Mbps和2Mbps，多达七十个信道。

第三种，工作在波长为850～950nm的红外波段上，数据速率为1Mbps和2Mbps。

（2）IEEE802.11a。

工作在5GHz的ISM频段上，采用OFDM调制方式，数据速率为54Mbps。如在美国的标准中，使用了三个ISM频段，每个频段有四个不重叠的信道，每个信道带宽为20MHz，每个信道容纳五十二个OFDM子载波，中心频率间相隔312.5kHz，其中四个子载波用作导频，另外四十八个子载波用于承载数据。

（3）IEEE802.11b。

工作在2.4GHz的ISM频段上，采用直接序列扩频（DSSS）调制，数据速率为11Mbps。在2.4～2.484GHz频段上，分成了许多带宽为22MHz的相互重叠的信道。美国批准了十一个信道，欧洲批准了十三个信道，日本批准了十四个信道。

（4）IEEE802.11g。

工作在2.4GHz的ISM频段上，采用OFDM调制方式，数据速率为54Mbps。其OFDM的调制和编码方案与IEEE802.11a相同，每个20MHz的信道分成五十二个子信道，四个子载波用作导频，另外四十八个子载波用于承载数据。

（5）IEEE802.11n。

可以选择工作在2.4GHz或5GHz的ISM上频段，两个频段上都可自由选择20MHz或40MHz带宽。采用MIMO（多输入多输出）和OFDM技术。在标准带宽（20MHz）上，使用4×MIMO时，理论上数据速率最高为300Mbit/s；当使用40MHz带宽和4×MIMO时，理论上数据速率最高可达600Mbit/s。

（6）IEEE802.11ac。

工作在5.0GHz的ISM频段上，信道宽带为40MHz或者80MHz，甚至有可能达到160MHz。采用MIMO（多输入多输出）和OFDM技术，理论传输速度最高有望达到1Gbps。

2.MAC层(www.xing528.com)

IEEE802.11的MAC层协议与有线局域网IEEE802.3的MAC协议，没有本质差别。IEEE802.11的MAC层覆盖了三个功能区：可靠的数据传输、接入控制和安全。

（1）可靠的数据传输。

在无线网络中，由于媒介的开放性，噪声、干扰和传播衰落等会造成大量误码或者帧丢失，使得数据传输不可靠。为了可靠地传输数据，IEEE802.11在MAC协议中包括了帧交换协议，当一个站点收到另一个站点发来的数据帧时，向源站点返回一个确认（ACK）帧。此交换帧被作为原子单元处理，不会被其他数据帧打断。如果源站点在一定的时间内没有收到ACK，则会重发数据帧。

（2）接入控制。

IEEE802.11的接入控制采用分布基础无线MAC（DFWMAC）的算法，为本地接入提供竞争服务和无竞争服务。

第一种，竞争服务。

与有线局域网类似，WLAN也采用载波侦听（CSMA）的方法，来决定数据发送的时机。但由于无线信号的开放性，发送站点很难有效识别是噪声还是信号，也就无法检测冲突，不能使用有线网络的CSMA/CD协议，而是采用载波侦听/冲突避免的CSMA/CA协议。CSMA/CA不能完全避免冲突的发生，但是可以降低碰撞的概率。

基本的CSMA/CA算法很简单：①当监听到某个信道空闲时间超过一个帧间间隔（IFS，Inter-Frame Space）则立即开始发送。②否则坚持侦听直到信道空闲超过IFS，选择随机退避时延进入退避；退避结束后如果信道空闲则立即发送，否则继续上述过程，并按二进制指数增加选择退避时延。③接收站点在收到数据后，等信道空闲一个IFS后发送ACK帧，如果信道忙则选择随机退避后重新尝试。

基本的CSMA/CA利用物理层提供的载波监测指示信号（CS）监测信道忙闲。IEEE802.11的MAC对应有三种接入优先级，IFS也不同。

shor t优先级：需要立即响应业务（如MAC的ACK帧、PCF轮询响应帧等控制帧）的优先级，其IFS最小，称为SIFS。

PCF（无竞争方式）优先级：PCF接入时的优先级，其IFS居中，称为PIFS。

DCF（竞争方式）优先级：DCF接入时的优先级，其IFS最大，称为DIFS。

第二种，无竞争服务。

无竞争服务采用集中访问控制，AP以PCF（中心协调方式，Point Coordination Function）优先级向参与无竞争业务的站发送下行数据帧（CF-Down），使用帧头的控制域轮询比特进行轮询，若被轮询到的站有缓冲数据，则检测到SIFS后立即发送。若AP发出轮询后PIFS内没有响应，AP恢复控制信道，发送下一个轮询。被轮询的站无须对CF-Down进行确认。

（3）安全。

对于家庭用户、公共场景安全性要求不高的用户，使用VLAN（Virtual Local Area Network）隔离、MAC地址过滤、服务区域认证ID（ESSID）、密码访问控制和无线静态加密协议WEP（Wired Equivalent Privacy）可以满足其安全性需求。但对于公共场景中，安全性要求较高的用户，仍然存在着安全隐患，需要将有线网络中的一些安全机制引进到WLAN中，在无线接入点AP实现复杂的加密解密算法，通过无线接入控制器AC，利用PPPoE或者DHCP+WEB认证方式对用户进行第二次合法认证，对用户的业务流实行实时监控。这方面的WLAN安全策略有待于实践与进一步探讨并完善。