浅谈无线网络

无线网络是每个人都比较熟悉的一种网络连接方式，给我们的生活带来了许多便利和机遇，其亦包含多方面的技术知识。下面我们将从概念开始，探索无线网络的秘密。

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是基于无线电波传输的局域网技术，能够用于无线数据传输和设备连接，目前广泛应用于家庭、办公室、公共场所和各种物联网场景中。

十九世纪末至二十世纪初，无线电波的发现使得各类广播形式不断发展，电台的数量不断增加，同频段信号干扰问题也逐渐暴露出来，因此政府部门着手制定并实施针对无线广播频段的管制措施。

1997年，工程师Michael提出释放一些未授权的频段用于短距离通信，并允许这些设备增加发射功率。美国联邦通信委员会释放了2.4GHz和5.8GHz等频段用于免授权频谱通信，规定发射功率可达到1W，成就了Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等短距离扩频通信技术。

之后，美国IEEE（电气与电子工程师协会）定义了一套通用的频谱标准802.11，让不同的设备可以相互兼容。

‌‌‌1999年12月和2000年1月，两个不同的标准版本802.11b（工作于2.4GHz频段）和802.11a（工作于5.8GHz频段）获得批准。

‌‌‌1999年，Intersil、3Com、诺基亚、Aironet 、Symbol和朗讯6家公司组成了无线以太网兼容性联盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance，缩写为WECA)。为了更好的市场推广，联盟给IEEE 802.11b标准取了个响亮的名字——“Wi-Fi”。

‌‌‌1999年7月，苹果公司在其推出的新一代iBook笔记本电脑中首次配置了Wi-Fi无线适配器。

‌‌‌2002年10月，WECA正式改名为Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)。

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站点（STA，Station）：WLAN网络中的终端设备。

AP（Access Point）：无线接入点，为网络的中心节点。

AC（Wireless Access Point Controller）：无线接入控制器，是集中管理AP的设备。

BSS（Basic Service Set）：基本服务集，由一个AP和若干STA组成，BSS是一个AP的覆盖范围，是无线网络的基本服务单元。

SSID（Service Set Identifier）：WLAN网络名字，最多由32个字符组成，区分大小写。大部分AP具有隐藏SSID的功能，能够创建多个SSID。

BSSID：SSID的MAC地址，有默认值，可更改。对于STA来说，接入AP的MAC地址就是BSSID。

将工作频段按照一定的宽度等分成若干小的频率范围，规定每个用户最大只能占用这个频率范围，这种小的频率范围就是信道。

（1）划分信道可以更加高效地利用频率。把频率划分后分配给不同的用户使用，从而可以保证系统的容量。

（2）划分信道便于寻址、降低干扰。通过指定不同用户使用相应的信道进行通信，可以从频率上区分用户，并且降低用户之间的干扰。

假如将网络比作公路，网络上的数据包比作车辆。那么，频段即为对公路类型进行区分，包括普通公路、高速公路。频率为对车进行限速，频率越高允许的车速越快，数据传输速度越快。‌‌‌频宽为车道宽度，频宽越大承载的车辆越多，数据量越大。信道为车道，信道越多可通行的车辆数量就越多，数据传输速度及传输量成倍增大。

目前Wi-Fi主要使用2.4GHz和5GHz频段（无线电波频率范围）。‌‌‌2.4G频段为普通公路，5G频段为高速公路，Wi-Fi 6E及以上版本新增的6G频段，为超高速公路。

‌‌‌由于2.4GHz频段开放得早，所以很多其他设备例如微波炉、空调、蓝牙设备等也在这个频段上工作，导致这个频段很容易拥挤，再加上相邻AP的2.4GHz信号穿透串扰，使得在这个频段上的无线Wi-Fi网络干扰非常大，速度较慢。但它频率低、波长长，所以信号在穿越障碍物时衰减相对较少，它能传播的距离更远，覆盖的范围更广。相比之下，5GHz拥有更多的可用信道，能提供更大的带宽和更高的传输速度，更容易避免干扰，但是穿透能力较差，可覆盖的范围较小。

2.4GHz的频率范围为2.400-2.4835GHz，划分为13个子信道，每个子信道宽度为20MHz（802.11g、802.11n每个信道占用20MHz，802.11b每个信道占用22MHz）。13个信道中，信道1、6、11为三个互不干扰的独立信道，实际应用中AP多采用这三个信道进行传输。 

5GHz的频率范围为5.150GHz-5.350GHz和5.725GHz-5.850GHz，划分为24个子信道，每个子信道宽度为20MHz，可进行信道绑定（将两个信道绑定成一个，提供更大带宽，提升了传输速率但缩小了信号覆盖范围、降低了信号穿透能力）。24个信道中，实际应用多采用信道36、40、44、48、149、153、157、161、165进行数据传输。

功能方面，AP分为瘦AP（FIT AP）和胖AP（FAT AP）。瘦AP也称为无线网桥，用于无线局域网中接收和发送数据。瘦AP无法直接配置，需要使用AC（无线控制器）对所有瘦AP进行统一管理。胖AP具备WAN、LAN两个接口，支持NAT、防火墙等网络功能，为独立的无线路由器。

外观方面，AP分为吸顶AP和面板AP，吸顶AP可吸顶安装或壁挂安装，面板AP可安装在墙上暗盒中。

AC+FIT AP是一种中型或大型无线网络的组网方案，AC作为控制器统一管理所有安装在场景中的AP，每个点位的AP通过无线信号与终端进行数据交互。AC+FIT AP组网的优点包括：

（1）AC统一管理，所有AP通过AC控制，可根据场景内不同位置的上网体验进行配置调整，AP即插即用。

（2）自动调整功率、信道，AC具备自动调整功能，可实现AP自动上线、动态调整AP使用的信道和发射功率。

（3）无缝漫游，可使用户在场景内自动切换所连接的AP，切换时间控制在毫秒级。

（4）PoE供电，AP使用网线即可连接使用，无需其它线缆。

集中转发和本地转发是无线网络中的两种数据转发方式，主要区别为：

（1）数据流，集中转发中所有业务数据都通过AC进行转发，AP与AC建立隧道，对AC的性能要求较高；本地转发中业务数据通过AP直接转发，不经过AC，有利于减轻AC的负担，提升网络吞吐。

（2）适用场景，集中转发适用于需要统一管理和配置、易于部署和维护的场景；本地转发适用于规模大、带宽需求高的场景。

无线网络采用公共电磁波作为载体传输数据信号，数据传输风险较大，因此无线网络安全也成为了人们经常讨论的话题。常用的无线网络安全技术包括三个方面：

（1）认证。用户在访问无线网络前，需要经过认证验证身份，决定其是否有相关权限，授权允许接入后，用户才可访问权限内的资源。目前无线网络中采用的认证方式主要有Web认证、Portal认证、802.1X认证和PPPoE认证。

（2）访问控制。用户通过认证后，还需要获取相关网络资源的访问权限，访问控制机制实现了对用户的授权，其能够基于以下属性控制权限：源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议类型、用户ID等。

（3）加密。无线网络加密方式有多种，包括WEP、WPA、WPA2、WPA3等。WEP加密方式由于安全性较低，已逐渐被淘汰，WPA3（Wi-Fi Protected Access 3）是目前更安全的选择。相对于WPA2，WPA3使用了更强大的加密算法，可防止KRACK攻击（Key Reinstallation Attack），提供了隐私保护功能。

本文为普及无线网络基础知识而作。无线网络涵盖了多方面的技术知识，感兴趣的读者可以继续对相关原理进行深入研究。

1. WiFi基础知识超详解.

文章作者｜孟远