WLAN 技术指南：从入门到原理

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前言

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一.WLAN 基本概念

 有线侧组网概念

AP-AC 组网方式

AC 连接方式

CAPWAP 协议

 无线侧组网概念

无线信道

 BSS/SSID/BSSID

 VAP 

 ESS

 二.WLAN 组网架构

 基本的 WLAN 组网架构

概念	全称	核心功能 / 作用	典型场景 / 特点	关联协议 / 架构（结合图中逻辑）
AP	Access Point（无线接入点）	把有线网络信号转为无线 Wi-Fi，让手机 / 电脑等无线设备连网	是无线覆盖的 “基础单元”，单台可独立工作（如家用无线路由器）	无线侧依赖 802.11 协议（图中 “无线侧组网 802.11 协议” ）
AC	Access Controller（无线控制器）	统一管理多个 AP，包括配置下发、信号调优、漫游切换、安全策略管控等 “指挥调度” 工作	多 AP 场景必备（几十 / 上百个 AP 时），让无线网络更稳定、易维护	图右侧架构：作为核心管理节点，通过 CAPWAP 协议对接瘦 AP
胖 AP（FAT AP）	同 AP，强调 “功能全”	除基础无线接入外，自带路由、DHCP、安全策略等功能，无需 AC 即可独立运行	适合小场景（家庭、小办公室），但多台部署时需逐台配置（改 Wi-Fi 名 / 密码要单独操作 ）	图左侧架构：直接接入园区网络，独立承载无线业务
瘦 AP（FIT AP）	同 AP，强调 “功能精简”	仅负责无线信号发射、数据转发，配置 / 管理完全依赖 AC，自身无复杂网络功能	适合大场景（商场、企业园区），靠 AC 统一调度，支持大规模部署 + 无缝漫游（设备移动时 Wi-Fi 不断线	图右侧架构：通过 CAPWAP 协议连 AC，由 AC 集中管控

 四.WLAN 工作原理

 AP 上线

        FIT AP 需要完成上线过程，AC才能实现对AP的集中管理和控制，以及业务下发。AP的上线过程包括如下步骤：

• AP 获取IP地址
• AP 发现AC并与之建立CAPWAP隧道
• AP接入控制
• CAPWAP隧道维持

AP 获取 IP 地址阶段

 CAPWAP 隧道建立阶段

AC通过CAPWAP隧道来实现对AP的集中管理和控制。CAPWAP隧道可以实现：

• AP与AC间的状态维护；
• AC对AP进行管理和业务配置下发；
• 业务数据经过CAPWAP隧道集中到AC上转发。

1. Discovery阶段（AP发现AC阶段）：通过发送Discovery Request报文，找到可用的AC。AC判断是否允许该AP接入，判断流程和AP接入控制阶段相同，可参见图2，对于不允许接入的AP发送的Discovery Request报文，AC不会回应。

   AP发现AC有静态和动态两种方式：

   • 静态方式

     AP上预先配置了AC的静态IP地址列表。AP上线时，AP分别发送Discovery Request单播报文到所有预配置列表对应IP地址的AC。然后AP通过接收到AC返回的Discovery Response报文，选择一个AC开始建立CAPWAP隧道。

   • 动态方式

     动态发现AC又分为：DHCP方式、DNS方式和广播方式。

     • DHCP方式：AP通过DHCP服务获取AC的IP地址（），然后向AC发送Discovery Request单播报文。AC收到后，向AP回应Discovery Response报文

     • 广播方式：在如下情况，AP会发送Discovery Request广播报文自动发现同一网段中的AC，然后通过AC响应的Discovery Response报文选择一个待关联的AC开始建立CAPWAP隧道。
       • AP未获取到AC的IP地址，则发送广播报文。如果发送2次广播报文无AC响应，则认为发现AC失败。发现AC失败的情况下，每等待一段时间后，AP就会重新执行上述过程。
       • AP获取到了AC的IP地址，先向AC发送单播报文，如果重复发送3次单播报文AC均无响应，再发送1次广播报文。如果仍无AC响应，则再重复一遍发送单播报文和广播的过程。2次均无AC响应，则认为发现AC失败。发现AC失败的情况下，每等待一段时间后，AP就会重新执行上述过程。

1. 建立CAPWAP隧道阶段：

   完成CAPWAP隧道建立，包括数据隧道和控制隧道：
   • 数据隧道：AP接收的业务数据报文经过CAPWAP数据隧道集中到AC上转发。
   • 控制隧道：通过CAPWAP控制隧道实现AP与AC之间的控制报文的交互。同时还可以选择对控制隧道进行数据传输层安全DTLS（Datagram Transport Layer Security）加密，使能DTLS加密功能后，CAPWAP控制报文都会经过DTLS加解密。

AP 接入控制阶段

AP的版本升级阶段

AP根据收到的Join Response报文中的参数判断当前的系统软件版本是否与AC上指定的一致。如果不一致，则AP开始更新软件版本，升级方式包括AC模式、FTP模式和SFTP模式。FTP模式存在安全风险，建议使用AC模式或SFTP模式。

AP在软件版本更新完成后重新启动，重复进行前面三个步骤。

CAPWAP隧道维持阶段

AP与AC之间交互Keepalive(UDP端口号为5247)报文来检测数据隧道的连通状态。

AP与AC交互Echo(UDP端口号为5246)报文来检测控制隧道的连通状态。

AC业务配置下发阶段

AC向AP发送Configuration Update Request请求消息，AP回应Configuration Update Response消息，AC再将AP的业务配置信息下发给AP。

 WLAN 业务配置下发

        AC 向 AP 发送 Configuration Update Request 请求消息，AP 回应 Configuration Update Response 消息，AC 再将 AP 的业务配置信息下发给 AP。

配置射频

配置 VAP 

 STA  接入

CAPWAP隧道建立完成后，用户就可以接入无线网络。STA接入过程分为三个阶段：

• 扫描阶段
• 链路认证阶段
• 关联阶段

STA支持以IPv4和IPv6两种方式接入，优先选择以IPv4的方式接入。

STA最终能否接入无线网络受AC接入用户数和单个AP接入用户数规格限制。

• 如果STA关联的AP已经达到AP的接入用户数规格，但并未达到AC接入用户数的规格，则STA无法在这台AP上线，但可以通过关联其他AP接入无线网络。
• 如果STA关联的AP未达到AP的接入用户数规格，但是AC上在线的STA个数已经达到AC的接入用户数规格，则该STA无法接入到无线网络中。
• 如果STA关联的AP未达到AP的接入用户数规格，同时AC上在线的STA个数也未达到AC的接入用户数规格，则该STA可以接入到无线网络中。

扫描阶段

STA可以通过主动扫描和被动扫描获取到周围的无线网络信息：

主动扫描

STA工作过程中，会定期地搜索周围的无线网络，也就是主动扫描周围的无线网络。根据Probe Request帧（探测请求帧）是否携带SSID，可以将主动扫描分为两种：

• 客户端发送携带有指定SSID的Probe Request：STA依次在每个信道发出Probe Request帧，寻找与STA有相同SSID的AP，只有能够提供指定SSID无线服务的AP接收到该探测请求后才回复探查响应，如图1所示，STA发送Probe Request帧寻找SSID为wlan的AP。

  这种方法适用于STA通过主动扫描接入指定的无线网络。

  图1 携带有指定SSID的主动扫描过程

  

• 客户端发送广播Probe Request：如图2所示，客户端会定期地在其支持的信道列表中，发送Probe Request帧扫描无线网络。当AP收到Probe Request帧后，会回应Probe Response帧通告可以提供的无线网络信息。

  这种方法适用于STA通过主动扫描可以获知是否存在可使用的无线服务。

  图2 携带空SSID的主动扫描过程
   

  

被动扫描

如图3所示，STA在每个信道上侦听AP定期发送的Beacon信标帧（信标帧中包含SSID、支持速率等信息），以获取AP的相关信息。

当用户需要节省电量时，可以使用被动扫描。一般VoIP语音终端通常使用被动扫描方式。

图3 被动扫描过程
 

链路认证阶段

为了保证无线链路的安全，接入过程中AP需要完成对STA的认证。802.11链路定义了两种认证机制：开放系统认证和共享密钥认证。

• 开放系统认证(Open System Authentication)：即不认证，任意STA都可以认证成功，如图4所示。

  图4 开放系统认证过程
   

  

• 共享密钥认证(Shared-key Authentication)：STA和AP预先配置相同的共享密钥，AP在链路认证过程验证两边的密钥配置是否相同。如果一致，则认证成功；否则，认证失败。

  图5 共享密钥认证过程
   

  

  如图5所示，共享密钥的认证过程为：
  1. STA向AP发送认证请求（Authentication Request）。
  2. AP随即生成一个“挑战短语（Challenge）”发给STA。
  3. STA使用预先设置好的密钥加密“挑战短语”（EncryptedChallenge）并发给AP。
  4. AP接收到经过加密的“挑战短语”，用预先设置好的密钥解密该消息，然后将解密后的“挑战短语”与之前发送给STA的进行比较。如果相同，认证成功；否则，认证失败。

关联阶段

终端关联过程实质上是链路服务协商的过程。完成链路认证后，STA会继续发起链路服务协商，具体的协商通过Association报文实现，敏捷分布Wi-Fi方案架构中关联阶段如图6和图7所示。

图6 敏捷分布Wi-Fi方案架构中STA关联过程（中心AP内漫游）

图7 敏捷分布Wi-Fi方案架构中STA关联过程（非中心AP内漫游）

• 敏捷分布Wi-Fi方案架构中关联阶段处理过程
  1. STA向RU发送Association Request请求，请求帧中会携带STA自身的各种参数以及根据服务配置选择的各种参数（主要包括支持的速率、支持的信道、支持的QoS的能力以及选择的接入认证和加密算法）。
  2. RU收到Association Request请求帧后将其进行CAPWAP封装，并上报中心AP。
  3. 中心AP检查本地是否有用户表项。
     • 如果中心AP本地有用户表项，说明是中心AP内漫游，中心AP进行本地漫游处理，并向RU回应Association Response。
     • 如果中心AP本地没有用户表项，说明不是中心AP内漫游，中心AP向AC转发Association Request请求，AC收到关联请求后判断是否需要进行用户的接入认证，并向中心AP回应Association Response。

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总结