WLAN协议——IEEE 802.11协议的介绍

　　在无线局域网(WLAN）当中，IEEE 802.11是其广泛使用的协议标准，它由国际电工电子工程学会也就是IEE制定的，因此命名为IEEE 802.11。在这里，我们大家就来学习一下这个IEEE 802.11协议。

　　IEEE 802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2MbPS。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层。

　　历史

　　自第二次世界大战，无线通讯因在军事上应用的成果而受到重视，无线通讯一直发展，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版本标准──IEEE 802.11。其中定义了媒体访问控制层(MAC层)和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种展频作调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以设备到设备(ad hoc)的方式进行，也可以在基站(Base Station, BS)或者访问点(Access Point，AP)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CSMA/CA (Carrier Sense Multi Access/Collision Avoidance)硬件沟通方式。

　　1999年加上了两个补充版本：802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。 2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用，因此802.11b得到了最为广泛的应用。苹果公司把自己开发的802.11标准起名叫AirPort。1999年工业界成立了Wi-Fi联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。 802.11标准和补充。

　　IEEE 802.11，1997年，原始标准(2Mbit/s，工作在2.4GHz)。

　　IEEE 802.11a，1999年，物理层补充(54Mbit/s，工作在5GHz)。

　　IEEE 802.11b，1999年，物理层补充(11Mbit/s工作在2.4GHz)。它有时也被错误地标为Wi-Fi。实际上Wi-Fi是Wi-Fi联盟的一个商标，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。

　　IEEE 802.11c，符合802.1D的媒体接入控制层桥接(MAC Layer Bridging)。

　　IEEE 802.11d，根据各国无线电规定做的调整。

　　IEEE 802.11e，对服务等级(Quality of Service, QoS)的支持。

　　IEEE 802.11f，基站的互连性(Iapp，Inter-Access Point Protocol)，2006年2月被IEEE批准撤销。

　　IEEE 802.11g，2003年，物理层补充(54Mbit/s，工作在2.4GHz)。

　　IEEE 802.11h，2004年，无线覆盖半径的调整，室内(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz频段)。

　　IEEE 802.11i，2004年，无线网络的安全方面的补充。.

　　IEEE 802.11j，2004年，根据日本规定做的升级。

　　IEEE 802.11l，预留及准备不使用。

　　IEEE 802.11m，维护标准;互斥及极限。

　　IEEE 802.11n，更高传输速率的改善，支持多输入多输出技术(Multi-Input Multi-Output，MIMO)。

　　IEEE 802.11k，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。

　　IEEE 802.11p，这个通信协定主要用在车用电子的无线通信上。它设置上是从IEEE 802.11来扩充延伸，来符合智能型运输系统(Intelligent Transportation Systems，ITS)的相关应用。

　　除了上面的IEEE标准，另外有一个被称为IEEE 802.11b+的技术，通过PBCC技术(Packet Binary Convolutional Code)在IEEE 802.11b(2.4GHz频段)基础上提供22Mbit/s的数据传输速率。但这事实上并不是一个IEEE的公开标准，而是一项产权私有的技术，产权属于德州仪器。

　　802.11帧结构

      IEEE 802.11协议规定的数据帧的格式如图1所示。

 

图1 802.11帧结构

　　控制：由多个子域组成，完成帧控制功能。

　　持续时间：表示占用信道的持续时间。

　　地址：共有4个地址，表示基本服务集BSS的地址、源地址、目的地址、发送地址与接收站地址等，具体含义由ToDS、FromDS标志位确定。

　　序号：表示节点发送的协议数据单元的顺序号。

　　数据域：帧校验和。

　　802.11帧类型

　　针对帧的不同功能，可将802.11中的MAC帧细分为以下3类：

　　• 数据帧：用于在竞争期和非竞争期传输数据;

　　• 控制帧：用于竞争期间的握手通信和正向确认(RTS信道预约、CTS预约成功、ACK等)、结束非竞争期等，为数据帧的发送提供辅助功能;

　　• 管理帧：主要用于STA与AP之间协商、关系的控制，如关联、认证、同步等。

　　802.11工作原理

　　802.11的MAC层采用CSMA/CA控制发送与接收。每一个发送节点在发送帧之前需要先倾听信道。如果信道空闲，节点可以发送帧。发送节点在发送完帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收站是否发回帧的确认ACK。如果接收到确认，则说明此次发送没有出现冲突，发送成功。如果在规定的时间内没有接收到确认，表明出现冲突，发送失败，重发该帧。直到在规定的最大重发次数之内，发送成功。这个时间间隔叫做帧间隔(IFS)。帧间隔IFS的长短取决于帧类型。高优先级帧的帧间隔IFS短，因此可以优先获得发送权。常用的帧间隔IFS有三种：

　　短帧间隔(SIFS)

　　点帧间隔(PIFS)

　　分布帧间隔(DIFS)

　　点帧间隔PIFS与分布帧间隔DIFS也叫作点协调功能帧间隔与分布协调功能帧间隔。

　　短帧间隔SIFS用于分隔属于一次对话的个帧，如确认ACK帧。它的值与物理层相关。

　　802.11管理功能–用户接入过程

      STA (工作站)启动初始化、开始正式使用、AP 传送数据幀之前，要经过三个阶段才能接入:(1)扫描(SCAN)、(2)认证(Authentication)、(3)关联(Association)，如图2所示。

 

图2 802.11管理功能–用户接入过程

　　(1)802.11管理–扫描(SCAN)

　　1) 若无线站点 STA 设成 Ad-hoc (无AP)模式：

　　STA先寻找是否已有 IBSS(与STA所属相同的SSID)存在，如有，则参加(join);若无, 则会自己创建一个IBSS，等其他站来 join。

　　2) 若无线站点 STA 设成 Infrastructure (有AP)模式：

　　--主动扫描方式 (特点：能迅速找到)

　　•依次在每个信道上发送Probe request报文，从Probe Response中获取BSS的基本信息， Probe Response包含的信息和Beacon帧类似

　　-- 被动扫描方式 (特点：找到时间较长，但STA节电)

　　• 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： BSSID(AP的MAC地址)、 SSID、支持的速率、支持的认证方式，加密算法、 Beacons帧发送间隔，使用的信道等

　　• 当未发现包含期望的SSID的BSS时，STA可以工作于IBSS状态

　　(2)802.11管理功能–认证(Authentication)

　　802.11支持两种基本的认证方式:

　　• Open-system Authentication

　　1) 等同于不需要认证，没有任何安全防护能力

　　2) 通过其他方式来保证用户接入网络的安全性，例如Address filter、用户报文中的SSID

　　• Shared-Key Authentication

　　1) 采用WEP加密算法

　　2) Attacker可以通过监听AP发送的明文Challenge text和STA回复的密文Challenge text计算出WEP KEY

　　另外，STA可以通过Deauthentication来终结认证关系。

　　(3)802.11管理功能–关联(Association)

　　1) Association

　　• STA通过Association和一个AP建立关联，后续的数据报文的收发只能和建立Association关系的AP进行

　　2) Reassociation

　　• STA在从一个老的AP移动到新AP时通过Reassociation和新AP建立关联

　　• Reassociation前必须经历Authentication过程

　　3) Deassociation

　　• STA通过Deassociation和AP解除关联关系

　　以上就是本文的所有内容了，大家可以仔细地多阅读几遍以便可以把这些知识点消化吸收，小编希望这篇文章可以给大家学习IEEE 802.11协议带来一定的帮助，感谢阅读!更多内容情前往课课家教育进行学习。