無線局域網(wǎng)研究綜述

摘? 要：無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks，WLAN）是指采用無線媒體或介質(zhì)，利用射頻技術(shù)，在一定的區(qū)域內(nèi)所形成的無線網(wǎng)絡(luò)。無線局域網(wǎng)絡(luò)使得用戶得以擺脫網(wǎng)線等物理傳輸媒介的束縛，在無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍之內(nèi)，能夠低成本、高速、便捷地訪問互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)。如今無線局域網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家，為人們的生活帶來極大便利。本文將從無線局域網(wǎng)的產(chǎn)生、發(fā)展、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用和發(fā)展趨勢五個(gè)方面對無線局域網(wǎng)進(jìn)行分析和介紹。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng);CSMA;隱藏終端

中圖分類號：TN925? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0060-03

1? 無線局域網(wǎng)的產(chǎn)生

1971年6月，夏威夷大學(xué)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)性電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：ALOHAnet系統(tǒng)，被認(rèn)為是世界上最早出現(xiàn)的無線局域網(wǎng)絡(luò)。ALOHAnet采用無線電波為載體，替代雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，來克服自然環(huán)境因素造成的布線困難。

夏威夷大學(xué)位于夏威夷州檀香山市中心，共有十個(gè)校區(qū)，分布在夏威夷群島的不同島嶼之上。為了各個(gè)校區(qū)的教師和學(xué)生都能共享主校區(qū)的大型計(jì)算機(jī)，需要構(gòu)建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)把各個(gè)校區(qū)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連通起來。從夏威夷大學(xué)的地理位置和各個(gè)校區(qū)的分布情況來看，采用無線電波作為網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介是最佳選擇。ALOHAnet為中心型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最初由7臺計(jì)算機(jī)組成，工作頻段在400MHz，設(shè)置有上行和下行兩個(gè)廣播信道。主機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)下行信道發(fā)往各個(gè)用戶終端。終端用戶使用ALOHA通信協(xié)議，通過集線器將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過上行信道經(jīng)ALOHAnet中心站發(fā)送至主機(jī)。

2? 無線局域網(wǎng)的發(fā)展

雖然70年代就已經(jīng)出現(xiàn)無線局域網(wǎng)的技術(shù)，但是直到90年代，無線局域網(wǎng)技術(shù)并沒有獲得過多的關(guān)注和研究。90年代初期，IEEE 802委員會成立了獨(dú)立的IEEE 802.11任務(wù)組，制定了IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，802.11支持的最高傳輸速率為2Mbps，由于其高昂的成本和相比于有限局域網(wǎng)較低的傳輸速率，使得其應(yīng)用范圍十分有限。1999年，IEEE 802.11任務(wù)組通過了IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，802.11b最大帶寬為11Mbps，在傳輸速率得到大幅提升的同時(shí)，無線局域網(wǎng)的硬件設(shè)備價(jià)格大幅下降，WLAN開始大規(guī)模進(jìn)入市場，作為眾多網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的選擇之一。802.11b的帶寬，在支持一般的網(wǎng)頁瀏覽和電子郵件等應(yīng)用上面，并沒有什么問題，但是在網(wǎng)絡(luò)電視等新興應(yīng)用面前，就顯得捉襟見肘。為了獲得更高帶寬，業(yè)界相繼提出802.11a和HiperLAN/2標(biāo)準(zhǔn)，它們都工作在5GHz頻段，最大帶寬都為54Mbps，兩種網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備無法兼容，使得無線局域網(wǎng)的發(fā)展陷入多標(biāo)準(zhǔn)的混亂局面。2003年IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，結(jié)束了這一混亂局面。802.11g仍然工作在2.4GHz頻段，但是最大帶寬提高到54Mbps。802.11g能夠與802.11b在同一無線局域網(wǎng)共存，保障了后向兼容性，對WLAN的發(fā)展起到很大的推動作用。下面簡單介紹WLAN主要標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)[1]。

2.1? IEEE 802.11

1997年，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)制定完成并通過。802.11使用2.4GHz ISM通信頻段，無需申請執(zhí)照。支持最高傳輸速率為2Mbps，最大傳輸距離100m，物理層支持紅外傳輸、跳頻擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻三種調(diào)制方式。

2.2? IEEE 802.11b

1999年，802.11工作組又制定并通過了IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)。802.11b同樣采用2.4GHz通信頻段，采用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制方式，支持最高傳輸速率為11Mbps，辦公環(huán)境中最大傳輸距離100m，并向下兼容802.11。

2.3? IEEE 802.11a

在802.11b推出之后，802.11a小組也正在研究更高頻段、更高速率的802.11a標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.11a應(yīng)用的是5GHz的頻段，物理層上采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)[2]。802.11a支持最高傳輸速率為54Mbps，最大傳輸距離50m。

2.4? IEEE 802.11g

802.11a作為802.11b的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)，雖然傳輸速率得到很大提升，但是802.11a和802.11b工作在不同的頻段，采用不同的調(diào)制方式，所以802.11a保準(zhǔn)并不能兼容已有的802.11b產(chǎn)品。此外，802.11a使用的5GHz頻段，在許多國家尚未獲得正式批準(zhǔn)。由于802.11a和802.11b都無法完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求，IEEE 802小組于2001年通過了802.11g標(biāo)準(zhǔn)。802.11g仍然工作在2.4GHz頻段，最大帶寬提高到54Mbps，802.11g能夠與802.11b在同一無線局域網(wǎng)共存，保證了后向兼容性。

2.5? HiperLAN/1、HiperLAN/2

HiperLAN（High Performance Radio LAN）是歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的無線局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。HiperLAN/1采用2.4GHz頻段，最大帶寬可以達(dá)到20Mbps，與802.11b相對應(yīng)。HiperLAN/2采用5GHz頻段，最大帶寬可以達(dá)到54Mbps，與802.11a相對應(yīng)。HiperLAN與802.11最大的不同之處在于他們的數(shù)據(jù)鏈路層采用不同的技術(shù)：802.11采用基于以太網(wǎng)的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）技術(shù)，而HiperLAN采用面向連接的無線ATM技術(shù)。

3? IEEE 802.11無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1? CSMA/CA

802.11無線局域網(wǎng)的訪問控制層和802.3以太網(wǎng)的訪問控制層很相似，都是在支持多個(gè)用戶共享同一傳輸媒介，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要對網(wǎng)絡(luò)的可用性進(jìn)行檢測，只有在網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)候才能發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免沖突的發(fā)生。在802.3協(xié)議中，利用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）協(xié)議來檢測和避免當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的網(wǎng)絡(luò)沖突，CSMA/CD通過碰撞偵聽來判斷信道使用狀況。在802.11協(xié)議中，無線信號的傳輸性質(zhì)決定了無線通信終端無法進(jìn)行碰撞的偵聽，因此無法采用CSMA/CD協(xié)議避免沖突，因此設(shè)計(jì)了CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行無線局域網(wǎng)環(huán)境下的沖突檢測和避免。CSMA/CA采取了碰撞避免的措施，通過確認(rèn)信號來判斷傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否被正確接收。任何原因造成的數(shù)據(jù)發(fā)送方在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)沒有收到確認(rèn)信號，都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重新發(fā)送。

3.2? 解決隱藏終端問題

不論是在基本結(jié)構(gòu)單元（BSS），還是在擴(kuò)展結(jié)構(gòu)單元（ESS）中，由于無線媒介的特殊性，隱藏終端問題都有可能發(fā)生，都會導(dǎo)致信號碰撞的發(fā)生[3]。

如圖1所示，A、B、C三個(gè)無線接入點(diǎn)，分別構(gòu)成三個(gè)無線局域網(wǎng)，WLAN A和WLAN B覆蓋范圍有重疊，WLAN B和WLAN C覆蓋范圍有重疊，接入點(diǎn)A和接入點(diǎn)B可以直接通信，接入點(diǎn)B和接入點(diǎn)C可以直接通信，接入點(diǎn)A和接入點(diǎn)C不能直接通信，也感知不到彼此的存在。如果接入點(diǎn)A向B發(fā)送信息的同時(shí)，接入點(diǎn)C也向B發(fā)送信息，就會引發(fā)信號沖突從而導(dǎo)致信息丟失。IEEE 802.11通過RTS/CTS方式解決隱藏終端問題。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送前先發(fā)送“發(fā)送請求控制包”，即RTS給目的節(jié)點(diǎn);如果信道空閑，目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送“發(fā)送響應(yīng)控制包”，即CTS給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，如果信道忙，則不發(fā)送CTS包;如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS包，則證明信道空閑，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1? 隱藏終端示意圖

3.3? 安全技術(shù)

由于無線局域網(wǎng)采用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相比于有線網(wǎng)絡(luò)，天然缺少兩個(gè)重要的安全特性：1、訪問控制，有線網(wǎng)絡(luò)所有的終端必須接入線纜后才可以收發(fā)數(shù)據(jù)。2、傳輸安全，有線網(wǎng)絡(luò)線纜可以保證傳輸信號不會泄露，外部用戶無法獲取線纜內(nèi)部的傳輸信號。

802.11在安全性方面的目標(biāo)是在數(shù)據(jù)鏈路層提供與有線網(wǎng)絡(luò)相同級別的安全性。對于上面提到的第一個(gè)問題，IEEE 802.11通過鑒權(quán)服務(wù)提供對WLAN的訪問控制。無線局域網(wǎng)中的終端通過鑒權(quán)來確定與其進(jìn)行通信的站點(diǎn)身份，如果兩者之間鑒權(quán)沒有通過，則無法建立通信連接。對于第二個(gè)問題，IEEE 802.11通過加密的方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，將數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行加密，將加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收方收到加密的數(shù)據(jù)后，采用與發(fā)送方相同的數(shù)據(jù)加密算法進(jìn)行解密。

4? 無線局域網(wǎng)的應(yīng)用

無線局域網(wǎng)由于其方便性得到了非常廣泛的應(yīng)用，主要分為室內(nèi)應(yīng)用和室外應(yīng)用。室內(nèi)應(yīng)用場景主要有公司、會議室、商場、餐館、影院等;室外應(yīng)用場景主要有校園網(wǎng)、旅游景區(qū)、城域網(wǎng)等。

公司辦公網(wǎng)絡(luò)。目前大部分公司的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，都少不了無線局域網(wǎng)的身影，無線局域網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)全公司無死角網(wǎng)絡(luò)覆蓋，極大方便了辦公室的網(wǎng)絡(luò)接入，提高工作效率。

商場、餐館、影院等商業(yè)場所。也在相繼地建設(shè)無線局域網(wǎng)，以滿足顧客的網(wǎng)絡(luò)通信需求，提升顧客消費(fèi)體驗(yàn)。

校園網(wǎng)。目前國內(nèi)各大高?；旧隙冀⒘俗约旱臒o線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)校范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，方便師生利用網(wǎng)絡(luò)資源，使其更容易接入到互聯(lián)網(wǎng)以獲取知識和關(guān)注新聞。

大型會議和展覽。由于很多大型會議和展覽都是臨時(shí)性的，有線網(wǎng)絡(luò)接入不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本也非常高昂。無線局域網(wǎng)組網(wǎng)簡單，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且按照不同會議和展覽對于網(wǎng)絡(luò)的不同需求，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

5? 無線局域網(wǎng)的發(fā)展趨勢

經(jīng)過三十余年的發(fā)展，無線局域網(wǎng)因?yàn)槠潇`活性、低成本、高帶寬的特點(diǎn)，得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線局域網(wǎng)也面臨著新的問題。

5.1? 提高網(wǎng)絡(luò)帶寬

在信息時(shí)代，人們從互聯(lián)網(wǎng)上獲取的信息越來越豐富，從最初的文字、音頻到圖片、文件，再到高清視頻，對于網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求也越來越高。無線局域網(wǎng)如果不能繼續(xù)突破帶寬的限制，那么發(fā)展必然受到限制。如何提高無線局域網(wǎng)的帶寬以滿足日新月異的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求，并且保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，必然是無線局域網(wǎng)的研究方向之一。

5.2? 提高網(wǎng)絡(luò)的安全性

安全和隱私已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱門話題，近年來由于網(wǎng)絡(luò)安全問題而導(dǎo)致的個(gè)人信息泄露和財(cái)產(chǎn)損失事件層出不窮。無線局域網(wǎng)雖然有訪問控制和加密機(jī)制，但是仍然不夠健全，如何進(jìn)一步提高無線網(wǎng)絡(luò)的安全性，也是無線局域網(wǎng)發(fā)展所要面臨的重要問題。

5.3? 增強(qiáng)和新技術(shù)之間的融合

通信技術(shù)不斷發(fā)展，新的通信技術(shù)也在不斷地出現(xiàn)。無線局域網(wǎng)滿足了人們隨時(shí)隨地接入到互聯(lián)網(wǎng)的需求，但是無線局域網(wǎng)也有它的局限性，當(dāng)人們處在多種類型的網(wǎng)絡(luò)接入的環(huán)境下，無線局域網(wǎng)無法很好地滿足人們的需求時(shí)，怎樣與其他類型網(wǎng)絡(luò)融合與互通，提供更好的網(wǎng)絡(luò)接入能力也是值得關(guān)注和研究的重要問題。

6? 結(jié)? 論

隨著信息化和數(shù)字化的快速發(fā)展，無線局域網(wǎng)也不斷發(fā)展和完善，承載的業(yè)務(wù)越來越多。無線局域網(wǎng)將會向無線互聯(lián)網(wǎng)的方向不斷發(fā)展，為人們提供更加便捷和高速的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 尹桂杰，盧建川，鄧潔.無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展綜述 [J].電訊技術(shù)，2002（2）：134-139.

作者簡介：范毓林（1974.07-），男，漢族，山東東阿人，本科，中級工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程。