WiFi（Wireless Fidelity）基础（一）

志明_

已于 2023-05-13 14:56:50 修改

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文章标签：网络安全网络协议

于 2023-05-08 13:59:58 首次发布

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本文介绍了WiFi的基本概念，包括网络架构、协议栈、安全性和网络管理。WiFi是一种无线局域网，允许设备在无需电缆的情况下连接到互联网。物理层负责无线信号的传输，MAC层管理设备间的通信，而IP层则确保数据在网络中的传输。安全方面，WPA2和WPA3是常用的安全标准。此外，文章还提及了QoS、漫游、网络管理和不同802.11标准的发展。

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目录
一、基本介绍（Introduction）
二、进化发展（Evolution）
三、PHY帧（（PHY Frame ）
四、MAC帧（MAC Frame ）
五、协议（Protocol）
六、安全（Security）
七、802.11ac标准
八、802.11ad标准
九、802.11ax ( WiFi 6 )标准
十、WiFi直接连接（WiFi Direct）
十一、测试（Testing）
十二、WiFi射频测量（WiFi RF Meas.）
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一、基本介绍（Introduction）
1、总体网络架构（Overall Network Architecture）

使用WLAN的最常见方式如下。在大多数情况下（ In most case），主通信线路将是有线线路，我们将AP（Access Point接入点）连接到有线骨干网（wireline backbone），如下所示（as shown below）。接入点是一种与客户端设备client device（如笔记本电脑Laptop或智能手机）通信并通过有线主干（wireline backbone）传输（convey）数据的设备。接入点有两个不同的接口（interface），一个用于使用有线协议（wireline protocol）连接到有线骨干网，另一个用于通过无线协议（wireless protocol）与各种移动设备通信。

当我们在技术上说WLAN时，它通常是指在无线通信方法中用于连接移动客户端（mobile client）和接入点的技术。我将发布（post）的页面也将是关于移动客户端和接入点之间的无线通信技术。
在这里插入图片描述
WLAN（Wireless Local Area Network无线局域网）基本上是一种设置（setup），可以让你在不使用任何电缆（cable）的情况下将笔记本电脑（laptops）、手机或平板电脑（tablet）等设备连接到互联网。无线局域网的主要部分是接入点（APs）、无线设备（wireless devices）和有线骨干网（wired backbone）。

当你将设备连接到Wi-Fi时，它会与接入点通信，然后接入点通过有线骨干网将你的数据发送到需要的地方。这种设置可以让你在没有任何电缆的情况下使用互联网和共享数据，这非常方便（pretty convenient）。

1）接入点（APs）就像是无线设备和有线网络之间的中间人（middleman）。它们会产生一个Wi-Fi信号，这样你就可以将你的设备连接到互联网上。当你有很大的空间需要覆盖时，你可能需要多个AP来确保你在任何地方都能得到良好的覆盖（coverage）。

2）无线设备（wireless devices）是你用来连接Wi-Fi的设备，比如你的手机、笔记本电脑或平板电脑。他们有一个无线适配器（wireless adapter），可以使用Wi-Fi信号与接入点通话。

3）有线主干网（wired backbone）连接所有接入点和其他网络设备，如交换机（switch）或路由器（router）。它有点像整个系统的主干，确保数据到达需要的地方。它使用以太网电缆（Ethernet cable）将所有东西连接在一起，有时甚至使用光纤电缆（fiber-optic cable）来实现更快的速度和更长的距离。

2、协议栈（Protocol Stack）

顾名思义（As the terminology implies），WLAN也是LAN（局域网Local Area Network）的一种，因此它使用了标准LAN协议的大部分，尤其是在更高层。唯一的区别是非常低层的部分（PHY和低MAC）。我将要处理（deal with）的大部分内容将是关于协议栈（protocol stack）的PHY/MAC部分。
在这里插入图片描述
让我们以一种更随意的（casual）方式来分解（break down）它，重点关注（focus on）Wi-Fi协议栈和三个主要层：物理层（PHY/Physical）、媒体访问控制层（MAC/Media Access Control）和互联网协议层（IP/Internet Protocol）。

1）物理（PHY）层：
物理层就像无线网络的无线电台（radio station）。它负责（take care of）将您的数据转换为可以通过空中发送的无线电信号（radio signal）。不同的Wi-Fi版本（如802.11a、b、g、n、ac和ax）使用不同的方法和射频（RF：radio frequency）以不同的速度和距离发送数据。它也有一些技巧（trick）来检测（detect）和修复（fix）传输过程中可能发生的错误。

2）媒体访问控制（MAC）层：
MAC层就像一个交通警察（traffic cop），确保所有使用Wi-Fi的设备都能很好地配合使用。由于每个人共享相同的无线电波（airwave），MAC层使用一个名为CSMA/CA的系统来帮助设备确定（figure out）何时轮到他们说话。它还负责（in charge of）寻址（addressing）等事务，以便数据到达正确的位置，并在需要时将大块数据（big chunks）分解（break into）成小块（smaller pieces）。

3）互联网协议（IP）层：
IP层本身并不是Wi-Fi的一部分，但它对于让一切协同工作非常重要。这就像是你的数据的GPS，为每个设备提供一个地址，并帮助你的信息从一个地方找到另一个地方，即使它必须通过（go through）不同的网络。有几个（a couple of ）不同版本的IP，如IPv4和IPv6，可以帮助实现这一点。

因此，简言之（in a nutshell），Wi-Fi协议栈有负责处理无线电信号的PHY层，有帮助设备共享无线电波的MAC层，还有将数据引导到需要的地方的IP层。它们一起确保你可以毫无障碍地（without a hitch）连接Wi-Fi和上网（surf the web）。

3、安全（Security）

安全就是保护你的Wi-Fi网络免受黑客和爱管闲事的邻居（hackers and nosy neighbors）的攻击。有不同的方法来保护你的网络，比如使用密码和加密（encryption）。WPA2和WPA3是确保Wi-Fi安全和数据安全的最佳选择（option）。

注意：WiFi安全的更多细节（Further details）在此处的单独注释（separate note）中进行了解释。

4、网络管理（Network Management）

管理Wi-Fi网络意味着确保一切顺利运行。你需要规划网络，设置它，关注（keep an eye on）它的运行情况，解决问题（fix problems），并随着时间的推移使其变得更好。有一些工具和软件可以帮助网络管理员（network admin）完成所有这些工作。

5、服务质量（QoS/Quality of Service）

QoS是指确保网络上的重要内容(（important stuff）得到优先（priority）考虑。例如，如果你正在流媒体播放电影（stream a movie）或进行视频通话（video call），你不希望因为别人正在下载（download）一个巨大的文件而速度缓慢或断断续续（choppy）。QoS通过优先考虑重要的东西来帮助保持一切顺利运行。

6、漫游（Roaming）

漫游是指当你带着设备四处移动（move around）时，它会自动切换（switch）到最佳的Wi-Fi信号。它在办公室或校园（campuse）等有很多不同Wi-Fi接入点的大地方非常有用。漫游可以确保您保持联系，不会出现任何问题（without any hiccups）。

7、范围和覆盖范围（Range and Coverage）

范围和覆盖范围是关于你的Wi-Fi信号能走多远，以及它覆盖该地区的程度。很多事情都会影响（affect）这一点，比如接入点的功率有多大，它有什么样的天线（antenna），甚至墙上的建筑材料。有时，为了获得更好的覆盖，你可以使用网状网络（mesh network）之类的东西，这有助于扩展（extend）Wi-Fi信号，而不需要更多的电线。

8、基本功能（Basic Features）

WiFi基于半双工（TDD/Half-Duplex）。
使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多路访问），而有线以太网（wired ethernet）使用CSMA/CD
使用WEP（Wired Equivalent Privacy，有线等效隐私）、WPA（WiFi Protected Access，WiFi保护访问）、WPA2（802.11i）

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IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) Part 1 - Fundamental Concepts (Sep 2013)
IEEE 802.11无线局域网（WLAN）第2部分（2013年9月）
IEEE 802.11无线局域网（WLAN）第3部分（2013年9月）
The story of Wi Fi (Mar 2015)
802.11ac Frames - What’s Changed? (Sep 2015)
The Evolution of IEEE 802 11 standards - BAG NAC (Sep 2018)
802.11ax - What’s New Webinar (May 2018)
2018 Wi-Fi Trek - Mark Williams (Wireless Power Saving Mechanisms) (Feb 2019)
Explained: WiFi 1, 2, 3, 4, 5 and 6 (May 2019)

二、信标（Beacon）

信标是从AP（接入点）定期（periodically）广播的一种特殊类型的信号（消息），AP将其ID和能力（capability）携带（carry）到AP周围的每个设备。Beacon的整体框架结构（overall frame structure）如下。
在这里插入图片描述
以下是显示信标帧头部分（Beacon Frame Header part）的示例

IEEE 802.11 Beacon frame, Flags: …m…C

Type/Subtype: Beacon frame (0x08)

Frame Control Field: 0x8020

    .... ..00 = Version: 0

    .... 00.. = Type: Management frame (0)

    1000 .... = Subtype: 8

    Flags: 0x20

        .... ..00 = DS status: Not leaving DS or network is operating in AD-HOC mode

                    (To DS: 0 From DS: 0) (0x00)

                    // (To DS: 0 From DS: 0) mean the address 1 is Destination address

                     // the address 2 is Source address

        .... .0.. = More Fragments: This is the last fragment

        .... 0... = Retry: Frame is not being retransmitted

        ...0 .... = PWR MGT: STA will stay up

        ..1. .... = More Data: Data is buffered for STA at AP

        .0.. .... = Protected flag: Data is not protected

        0... .... = Order flag: Not strictly ordered

.000 0000 0000 0000 = Duration: 0 microseconds

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