专题二十一：无线局域网——WLAN
一、WLAN简介
WLAN（Wireless Local Area Network ）无线局域网，使用的是 IEEE 802.11 标准系列。
| 标准版本 | 发布年份 | 最大传输速率 | 频段 | Wi-Fi代数 | 特点/描述 |
| IEEE 802.11 | 1997 | 1–2 Mbps | 2.4 GHz | Wi-Fi 0 | 最早的无线局域网标准，传输速率低，主要用于基本的无线连接。 |
| IEEE 802.11b | 1999 | 1–11 Mbps | 2.4 GHz | Wi-Fi 1 | 引入的第一个广泛应用的标准，采用直接序列扩频（DSSS）技术，主要用于家庭和小型办公室网络。 |
| IEEE 802.11a | 1999 | 6–54 Mbps | 5 GHz | Wi-Fi 2 | 使用5 GHz频段，避免了2.4 GHz频段的干扰，但设备成本较高，应用较少。 |
| IEEE 802.11g | 2003 | 2–54 Mbps | 2.4 GHz | Wi-Fi 3 | 支持MIMO技术，提高了多设备连接的能力，显著提升了无线网络性能。 |
| IEEE 802.11n | 2009 | 6.5–600 Mbps | 2.4 GHz, 5 GHz | Wi-Fi 4 | 支持MIMO技术，提高了多设备连接的能力，显著提升了无线网络性能。 |
| IEEE 802.11ac | 2013 | 6.5–6933 Mbps | 5 GHz | Wi-Fi 5 | 引入MU-MIMO和波束赋形技术，专注于高效的数据传输，适合高清视频流和大规模带宽需求。 |
| IEEE 802.11ax | 2021 | 0.4–9608 Mbps | 2.4 GHz, 5 GHz | Wi-Fi 6 | 引入OFDMA、MU-MIMO等技术，提升了网络容量，减少了延迟，适合高密度环境。 |
| IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6E） | 2021 | 0.4–9608 Mbps | 2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz | Wi-Fi 6E | 在Wi-Fi 6基础上新增6 GHz频段，进一步提高了网络容量，减少了干扰，支持更多设备连接。 |
| IEEE 802.11be | 预计2024 | 0.4–23,059 Mbps | 2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz | Wi-Fi 7 | 支持多链路操作（MLO），大幅提升带宽和吞吐量，适合高带宽和低延迟应用，如AR/VR、4K视频流等。 |
| IEEE 802.11bn | 预计2028 | 100,000 Mbps | 2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz | Wi-Fi 8 | 预计提供超高速率，支持大规模设备接入和低延迟应用，成为未来无线通信的主力技术。 |
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Wi-Fi代数：这些代号通常是指Wi-Fi品牌化后的版本。例如，“Wi-Fi 6”指的是基于IEEE 802.11ax的标准，而“Wi-Fi 5”则基于IEEE 802.11ac。
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最大传输速率：表示标准支持的最高数据传输速率，实际速度会受到信道带宽、信号质量和网络拥堵等因素的影响。
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频段：显示标准支持的无线频段，不同的频段适用于不同的环境和国家法规。
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MIMO（多输入多输出）：从802.11n开始，支持多天线技术，使得数据传输更加高效，尤其在网络密集的环境中表现突出。
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MU-MIMO（多用户MIMO）：在Wi-Fi 5（802.11ac）和Wi-Fi 6（802.11ax）中得到了广泛应用，可以同时处理多个设备的连接请求，大大提高了网络的并发能力。
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OFDMA（正交频分多址）：Wi-Fi 6（802.11ax）引入的技术，能够更加高效地分配频谱，提高了多设备环境中的性能。
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波束赋形技术：Wi-Fi 5及以后的标准支持波束赋形，通过动态调整信号方向，提高了无线信号的覆盖范围和稳定性。
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6 GHz频段：Wi-Fi 6E和未来的Wi-Fi 7将利用6 GHz频段，减少与现有设备的干扰，增加带宽和网络容量。
在早期，WiFi 技术主要是按照 IEEE 802.11 标准的字母来命名，这些标准代表了不同的技术特性。WiFi联盟在2018年将下一代WiFi技术802.11ax更名为WiFi 6，并将前两代技术802.11ac更名为WiFi 5，802.11n更名为WiFi 4，至于WiFi 1 2 3并没有进行追封。下一代WiFI 7的标准协议是IEEE 802.11be。
【考点解析】各个协议的频率范围，调制技术和吞吐量。
二、IEEE 802.11体系
定义：IEEE 802.11是由电气电子工程师学会（IEEE）于1997年制定的无线局域网（WLAN）通信协议标准，涵盖物理层（PHY）与介质访问控制层（MAC）规范。
• 802.11无线局域网是目前应用最广泛的无线局域网之一，人们更多地将其简称为Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真度）。
• 命名规则：802.11后缀表示具体版本（如802.11a/b/g/n/ac/ax/be）。
• 核心目标：用于 短距离、高速率、无线上网 场景，实现2.4GHz/5GHz/6GHz频段下的无线设备互联与数据传输。
• 最新标准：802.11be（Wi-Fi 7，2024年草案），支持4K-MIMO与16QAM调制。
IEEE 802.11协议栈如下表所示。
| 数据链路层 | LLC | 站 管 理 | |
| MAC | MAC 管理 | ||
| 物理层 PHY | PLCP | PHY 管理 | |
| PMD |
2.1物理层
IEEE802.11定义了3中PLCP帧来对应种不同PMD子层通信技术，分别是FHSS、DSSS、DFIR。这一部分很少考察。
2.2MAC子层
MAC子层的功能是提供访问控制机制，定义了3种访问控制机制：CSMA/CA支持竞争访问、RTS/CTS、点协调功能支持无竞争访问。
分布式协调DCF，通过争用信道来获取发送权，802.11规定，所有实现必须有DCF功能。CSMA/CA：载波监听多路访问/冲突避免，采用冲突避免可以解决无线网络中隐蔽终端问题。IEEE定义了3种帧间隔（IFS），分别是DIFS、PIFS、SIFS。
DIFS（分布式协调IFS）：最长IFS，长度128us，优先级最低，用来发送数据帧和管理帧。
PIFS（点协调IFS）：中等长度IFS，优先级居中，在PCF中使用。
SIFS（短IFS）：最短IFS，长度28us，优先级最高，用来分隔开属于一次对话的各个帧。
点协调功能PCF，PCF是可选项，接入点AP集中控制整个BSS内的活动。
信道预约：
802.11允许要发送数据的站对信道进行预约，A向B发送数据帧之前，首先发送请求（RTS），A发送RTS之前，必须监听信道，信道空闲等待DIFS时间后，发送RTS帧。B收到RTS帧，等待SIFS时间后，回应允许发送CTS。A收到CTS帧后，等待一段时间SIFS，A发送确认帧ACK。
三、WLAN组成
3.1 基础架构组件
| 组件 | 功能描述 |
| STA（Station） | 终端设备（手机/PC/平板） |
| AP（Access Point） | 无线接入点，负责信号收发与有线网络桥接 |
| DS（Distribution System） | 无线接入点，负责信号收发与有线网络桥接 |
| 路由器/交换机 | 连接Internet与内部网络 |
3.2 有固定基础设施的WLAN（Infrastructure WLAN）
定义：基于接入点（AP）构建的集中式网络，所有终端（STA）通过AP接入核心网络。核心特点如下：
• 星型拓扑：STA ↔ AP ↔ 有线网络/Internet
• 集中管理：AP统一分配IP地址、认证用户、控制流量
• 扩展性强：通过多AP部署覆盖大面积区域（如企业园区）
• 典型应用：办公室网络、商场/机场公共WiFi、校园宿舍网络
基于AP的WLAN通过AP有线接入路由设备，结合DHCP地址分配、NAT转换及安全加密技术，实现终端设备经路由协议与公网互联，最终通过ISP接入因特网。
3.3 Ad-Hoc网络（点对点自组织网络）
定义：无需AP，终端设备直接通过无线链路互联的对等网络。核心特点如下：
• 动态组网：设备开机即自动发现邻居节点并组网
• 去中心化：无单一管理节点，所有节点平等参与路由
• 有限覆盖：适合小范围临时组网（如会议讨论、无人机编队）
• 典型应用：灾害救援临时通信、智能家居设备间互联、车载自组网（V2X）
自组织网络组网方便，不需要基站，并且具有非常好的生存性，这使得自组织网络在军用和民用领域都有很好的应用前景。
802.11无线局域网的ad hoc模式允许网络中的各站点在其通信范围内直接通信，也就是支持站点间的单跳通信，而标准中并没有包括多跳路由功能。因此，802.11无线局域网的ad-hoc模式应用较少。
3.4 关键组件详解
| 组件 | 全称 | 功能描述 | 场景 |
| AP | Access Point | 无线接入点，负责信号发射、用户认证、数据转发 | 家庭路由器、企业楼层交换机 |
| BSS | Basic Service Set | 基本服务集，由一个AP及其覆盖范围内的STA组成 | 单个AP覆盖的办公室区域 |
| ESS | Extended Service Set | 扩展服务集，由多个BSS（通过DS互联）组成的大范围网络 | 跨楼层/跨建筑的企业WLAN |
| DS | Distribution System | 分布式系统，实现AP间数据传输（如交换机、控制器） | 企业级网络中AP通过有线交换机组网 |
| SSID | Service Set Identifier | 服务集标识符，用于区分不同无线网络（ASCII字符串，最长32字符） | "HomeNetwork"、"CompanyWiFi" |
四、WLAN安全
3.1 WEP
WEP（Wired Equivalent Privacy）有线等效保密，是IEEE802.11标准一部分，采用RC4算法进行加密，采用CRC-32校验保证数据完整性。初期采用24位初始向量加40位字符串，构成64位WEP密钥，后期使用24位初始向量加上104位字符串，构成128位WEP密钥。依赖静态密钥，在2004年已被WI-FI联盟淘汰。
3.2WPA
WPA（Wi - Fi Protected Access） Wi-Fi保护接入，设计中包含了认证、加密和数据完整性校验共3个组成部分。采用802.1X对用户MAC地址进行认证；其次增加中WEP协议使用的密钥长度，采用128位密钥和48为初始向量用于RC4加密。WPA还采用TKIP（Temporary Key Integrity Protocol）临时密钥完整性协议，通过频繁更换密钥保证较少安全风险。WPA使用报文完整性编码来检测伪造数据包，并在报文认证码中包含计数器，还可以防重放攻击。
3.3WPA2
WPA2是对WPA协议的全面升级，称为IEEE802.11i标准的一部分，与WPA对比，WPA2制定新的加密协议，称为CCMP(CBC-MAC协议的计时器模式)，基于AES算法，采用128位密钥。WPA2还提供一种可选的加密方案WRAP（Wireless Rboust Authentication Protocol），其中CCMP是强制，WRAP是可选的。
3.4WPA3
WI-FI联盟在2018年推出WPA3协议，WPA3引入多项新功能。
SAE协议：WAP3采用SAE协议替代了WPA2的PSK认证机制，SAE基于零知识证明。
前向保密性：攻击者即使获得到某一时刻的加密密钥，也无法解密之前的数据。
加密的开放网络：为开放性网络的用户数据传输提供了更加安全的保护，采用Diffie-Hellman密钥交换算法进行密钥交换，为用户数据传输进行加密，有效防止了非法攻击者的接入和数据窃取。
五、软考真题
2024年5月网络工程师：
下列WAP 无线加密技术的说法中错误的是( )。
A.WAP 可以防止重放攻击
B.WAP使用802.1x协议对用户的MAC地址进行认证
C.WAP的初始向量长度为32位
D.WAP无线加密方案包含了认证、加密和数据完整性校验
【解析】答案是C。题目中WPA写成了WAP。WPA使用RC4算法加密，相对于WEP增加了密钥和初始向量长度，初始向量长度是48位。
WiFi6 的传输速率可以达到( )。
A.5Gbps
B.1Gbps
C.9.6Gbps
D.2Gbps
【解析】答案是C，WiFi6的标准是IEEE802.11AX，传输速率9600Mbps，需记忆。