无线网络架构

无线网络分两种：

• 对等模式：Ad-hoc
  没有主设备，无线网卡设置为相同的SSID即可连接
• 普通模式
  所有无线客户端都连接到同一AP，数据通过AP转发

BSS

AP: Access Point
STA: station, 任意无线终端设备
SSID：Service Set的标识，是最大32字节的字符串
BSS: Basic Service Set, 基本服务集
BSSID：基本服务集ID，指AP的MAC地址

ESS：Extended Service Set

多个AP使用相同的SSID，组成一个扩展服务组，同一ESS内STA可以相互访问，可以在AP之间漫游
连接BSS的组件称为分布式系统(DS)

WDS

WDS：无线分布系统
AP和AP，或AP和extender可以通过WDS来扩展无线的服务范围

三种模式

• Lazy mode(bridge)

• Bridge mode – 不可级联
  

• Repeater mode – 可级联
  

EasyMesh

AP和extender通过WDS或有线连接
Extender自动同步AP的SSID和password
遵循IEEE1905规范，兼容性强，各厂家设备可以互联

射频相关名词

损耗和增益

信号经过器件后会衰减或增强, 衰减和增强的程度用分贝(dB)来表示
dB = 10 * lg(增强倍数)
3dB = 10 * lg2 = 增强2倍
10dB = 10 * lg10 = 增强10倍
20dB = ?倍
dBm/dBw/dBi

带宽

带宽是描述频率范围的方法，是器件发送最高频率和最低频率的差值。
2.4G CH1 HT20: 2.401GHz ~ 2.423GHz

信号调制

编码：将要发送的数据转换成数字信号
调制：将要发送的信号叠加到载波信号上
问题：三种方式如何扩展，增加传输速率？

随着半导体技术的发展，调制技术也跟随发展
BPSK -> QPSK -> 8PSK

QAM

AM+PM=QAM
16QAM->64QAM->256QAM->1024QAM

MCS （Modulation and Coding Scheme）

802.11ax （wifi6）速率表

频段 & 国家码

现在使用的WiFi主要使用2.4G和5G两个频段

• 2.4G
  2.412G-2.472G
• 5G
  5.180G - 5.825G
  

国家码

每个国家使用信道范围及发射功率不一样，使用哪些信道和发射功率由国家码确定

WiFi发展历史

802.11

Phy种类

• FHSS (跳频扩频) - 802.11
• DSSS (直接序列扩频)
  Barker - 802.11
  CCK：编码时会结合相位同时进行编码，编码效率更高 - 802.11b
  PBCC：不再用
• HR/DSSS（高速直序扩频）== DSSS/CCK - 802.11b
  TR(红外）
• OFDM(正交频分复用), 802.11a/g

补充：
HT OFDM - 11n
VHT OFDM - 11ac
HE OFDM - 11ax

1997年发布
工作在2.4G频道
带宽22MHz
PHY层使用跳频扩频(FHSS), 直接序列扩频(DSSS/Barker)
支持速率集：1M, 2M

802.11b

1999年发布
工作在2.4G频道
带宽22MHz
PHY层使用DSSS/CCK（补码键控）
支持速率集：1M, 2M, 5.5M, 11M

802.11a

1999年发布
工作在5G频道
带宽20MHz
PHY层使用OFDM
支持速率集： 6M, 9M, 12M, 18M, 24M, 36M, 48M, 54M

5G信道范围从ch36-ch165, 分为UNII-1/UNII-2/UNII-2 extend/UNII-3几个部分。由于UNII-2 / UNII-2 extend信道和欧洲军方雷达频率有重叠，所以欧洲及部分其他国家要求出售的WLAN产品需要具备TPC和DFS功
能 (802.11h)

• TPC - Transmit Power Control
  ➢最大发射功率不超过限定值，每个国家有自己的限制标准
• DFS - Dynamic Frequency Selection
  ➢初始化信道时进行CAC(Channel Available Check)检查， 时长60s(dfs channel) or 600s(weather channel)
  ➢检测到雷达信号要跳到其他信道
  ➢检测到雷达信号的信道30分钟内不能再使用
  

802.11g

2003年发布
工作在2.4G频道
带宽20MHz
PHY层使用CCK/OFDM，兼容11b。
支持速率集：6M, 9M, 12M, 18M, 24M, 36M, 48M, 54M，也可以使用DSSS/CCK降速到1M, 2M, 5.5M, 11M

速率计算

• 影响传输速率的因素
➢ 子信道数 （带宽）
➢ 每次传输比特数 （调制方式）
➢ 传输码率 （编码方式）
➢ 一次传输占用时间 （4微秒）
➢ 空间流数（天线个数）
• 速率 = (1/一次传输时间) * 子信道数 * 每次传输bit数 * 码率 * 空间流
• 802.11g采用的OFDM能够提供52个子载波信道（其中只有48个用于数据传输）
• 所采用的64-QAM编码方式能够在每个子载波信道通过一次传输过程携带6bit的数据位
• 64-QAM编码每次传输提供3/4的码率（即有效数据容量）
• 一次传输占用的时间为4微秒
根据以上的计算因子， 802.11g能提供的最大速率计算如下：
➢ (1s/4us） * 48 * 6bit * ¾ = 54Mbit/s

802.11n

2009年发布，对WiFi技术做了较大的改进
首次同时支持2.4G和5G频道的WiFi技术
首次支持40MHz
首次支持多天线，最高速率150*4 Mbps
首次使用Short GI (800ns ->400ns)
支持帧聚合

HT40

➢使用两个20M带宽的信道
➢Control Sideband – Upper & Lower
➢Channel 6l :ch6（主） + ch10（辅），中心频道8
➢Channel 6u: ch2（辅） + ch6 （主），中心频道4
➢2.4G Channel list: 1-13, ?l-?l, ?u-?u
➢主信道发beacon和部分data，辅信道发送其他数据

MIMO – 多天线

➢获取N倍的性能提升
➢N=min(接收天线数,发送天线数)
➢利用多天线实现TXBF

TxBF (Transmit beamforming) 波束成型

➢调整各天线发射相位，让信号能量集中在一个方向上传输
➢增加信号强度和传输距离 - 2x2天线获取约2.5db增益
➢减小信号冲突域，提高整个网络传输质量。
➢TxBF分为显式(Explicit)和隐式(Implicit)两种

Short GI

➢射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的，为了数据传输的可靠性，数据块之间会有GI（Guard Interval），用以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。
➢802.11a/g采用的800ns的GI，每次传输耗时(3.2+0.8)us
➢在802.11n模式中，将GI时长减少至400ns，每次传输耗时(3.2+0.4)us
➢提高数据传输速率11%左右。

帧聚合 A-MSDU & A-MPDU

正常封装流程

A-MSDU

技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文(MSDU)时，会打上Ethernet报文头，我们称之为A-MSDU Subframe；而在通过射频口发送出去前，需要一一将其转换成802.11报文格式。而A-MDSU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送。从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble， PLCP Header和802.11MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。

A-MPDU

与A-MSDU不同的是， A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCPPreamble， PLCP Header，从而提高系统吞吐量。

BA (Block Ack)

➢ 为保证数据传输的可靠性， 802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以ACK帧。
➢ A-MPDU的接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，因此同样针对每一个MPDU发送应答帧。
➢ Block Acknowledgement通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。

802.11ac Wave1

2013年发布
工作在5G频道
带宽支持20/40/80MHz
单根天线速率433Mbps
最大支持3根天线，速率达到1.3Gbps

802.11ac Wave2

2015年发布
工作在5G频道
带宽支持20/40/80/160/80+80MHz
单根天线速率867Mbps
最大支持8根天线，速率6.9Gbps
支持MU-MIMO (max 4 users)
动态信道管理
放弃隐式TxBF，只支持显式TxBF
放弃A-MSDU，只支持A-MPDU

HT160 & HT80+80

(DL) MU-MIMO

➢MIMO可以改善单用户吞吐量，但服务模式还是一对一的，当服务一个客户端时，其他客户端需要等待。当客户端本身只有1根天线时会浪费大量带宽
➢MU-MIMO可以同时向最多4个客户端发送数据，提升带宽利用率。
➢客户端向AP发送数据要一个一个发送，不能并发（no UL MU-MIMO）

动态信道管理

➢以20M带宽为单位做评估，在子信道忙时可用主信道及其他子信道通信

802.11ax

2019年发布
支持2.4G和5G频段
支持1024QAM
更多的子载波
支持UL MU-MIMO
支持OFDMA
更好的节能技术TWT

1024QAM

一次传递10bit

更多的子载波

在Wi-Fi5及以前（802.11a/b/g/n/ac），子载波宽度是312.5KHz，到了Wi-Fi 6（802.11ax），子载波宽度缩小为78.125KHz，相当于将同样宽度的路划分成了更多的车道，更窄的带宽增加了传输距离。

Long OFDM symbol

采用Long OFDM symbol发送机制，3.2us -> 12.8us, 降低丢包率。

OFDMA

UL MU-MIMO

➢实现和SU-MIMO类似，只是将单用户的多天线上行，改为多用户多天线上行，由AP发送触发帧HE_Trig, 声明STA发送数据的时间、持续时长等。

BSS Color

相同BSS干扰门限低，不同BSS干扰门限高

TWT (Target Wakeup Time)

➢AP与STA之间通过协商约定STA苏醒时间或周期
➢支持非周期性唤醒

总结

WiFi基本功能

帧类型

SSID
Guest SSID
BSSID
Hide AP
Clients Isolation
➢SSID Isolation
➢User Isolation
WMM - Wi-Fi Multimedia - WME (Wireless Multimedia Extensions )
➢ IEEE802.11e - 为WLAN网络提供QoS (VO > VI > BE > BG)
WMF - Wireless Multicast Forwarding
Max Client

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
物理载波侦听。 空闲：802.11帧<-82dBm, 非802.11帧<-62dBm
DIFS（Distributed Inter-frame Spacing）分布式帧间间隙, 128us
SIFS（Short inter-frame space）短帧间间隔, 28us
Slot Time: 随机退让时间
在CSMA/CA中，发一个帧之前，都需要"等待"一个相应的帧间间隔，比如发送数据之前至少要等待DIFS时间，发送ACK之前需要等待SIFS时间

RTS/CTS

为了解决隐藏终端问题，引入RTS/CTS机制
虚拟载波侦听
RTS不是开关形式存在，而是以RTS_threshold形式存在
默认值2347，表示数据包大于2347才启用RTS/CTS机制
可以根据实际情况来调节，改善网络性能

国家码

定义一个国家和地区的信道个数、各channel在各种phy下的发射功率
格式：country/region，如US/0, US/123

WPS

Wi-Fi Protected Setup == WSC
AP启动WPS后，会在beacon、 probe
request、 probe response里加入WSC IE。
三种触发方式
➢PBC
➢AP pin
• AP产生pin， STA输入pin码
➢STA pin
• STA产生pin， AP输入pin码

WiFi认证加密

Open & WEP

早期的IEEE802.11定义了两种链路认证方式：
➢ 开放系统认证（OpenSystem authentication）
➢ 共享密钥认证（SharedKey authentication）
• 主要使用WEP加密， WEP使用RC4算法

链路认证过程

WPA & WPA2

• WEP 2001年被破解，现已不再使用
• WPA (Wi-Fi Protected Access)
➢WPA = 802.1x + EAP + TKIP + MIC = Pre-shared Key + TKIP + MIC
➢WPA2 = 802.1x + EAP + AES + CCMP = Pre-shared Key + AES + CCMP
注：
➢802.1x + EAP 或 Pre-shared Key属于接入认证方式
➢TKIP上是WEP的加强版，还是使用RC4加密算法，安全性比AES差，而且会降低无线性能，建议使用WPA2-PSK + AES

WPA2-PSK 无线关联过程

➢扫描
• 主动扫描（Probe Request、 Probe Response）
• 被动扫描（Beacon ）
➢认证
➢关联
➢EAPOL四次握手