Wi-Fi 的發(fā)源地

Wi-Fi 的發(fā)源地是夏威夷，Wi-Fi 是一種無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議。而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的多址接入?yún)f(xié)議的歷史可以追述到 1971 年的 ALOHAnet，按照 WiKi 的記錄，ALOHAnet 是一個(gè)在夏威夷大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為什么要構(gòu)建這個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是因?yàn)橄耐膷u嶼之間不易布置有線鏈路，如果布置的話，其成本也會(huì)很高。所以當(dāng)時(shí)就采用了一種相對(duì)成本比較低廉的無(wú)線設(shè)備，構(gòu)造一個(gè)以 Oahu 島為中心和其他夏威夷島嶼通信的無(wú)線鏈路。這也就是 Wi-Fi 最開(kāi)始的雛形。

Wi-Fi 的定義及發(fā)展

Wi-Fi 是一種允許電子設(shè)備連接到無(wú)線局域網(wǎng)的技術(shù)，通常使用的是 2.4G UHF 或 5G SHF ISM 射頻頻段，它是由 IEEE 定義的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,也被稱(chēng)之為是 IEEE802.11，在 Wi-Fi 的整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，其主要的幾個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是這樣的：

• 1997年發(fā)表了第一個(gè)版本，也就是 802.11

• 1999年，Wi-Fi 聯(lián)盟正式成立，為什么要成立 Wi-Fi 聯(lián)盟呢？是因?yàn)?IEEE 的協(xié)議偏重于理論設(shè)計(jì)，然而在真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境下，所需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是不同廠家的互兼容性，產(chǎn)品測(cè)試之類(lèi)，Wi-Fi 聯(lián)盟就是基于這樣一個(gè)目的而成立的。

• 同樣是 1999 年，IEEE 頒布了 802.11b 協(xié)議，802.11b 相對(duì)于 802.11 來(lái)說(shuō)，在物理層進(jìn)行了補(bǔ)充，實(shí)際上大家開(kāi)始接觸的 Wi-Fi 很多也是從 802.11b 開(kāi)始的，802.11b 是 802.11 協(xié)議中的第一個(gè)里程碑，早期的帶 Wi-Fi 功能的筆記本，或者是 PSP游戲機(jī)，其所帶的無(wú)線功能都是基于 802.11b 的，802.11b 協(xié)議是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中很重要的一步。也是在這一年，基于 Wi-Fi 原理的 Airport 技術(shù)也有蘋(píng)果在 iBooks 中正式推出。

• 2000年，802.11a 也正式發(fā)布，但是它并沒(méi)有獲得像 802.11b 那樣的成功，它引入了一種新的物理層技術(shù) OFDM ，這里就不展開(kāi)講了，為什么會(huì)不成功呢，是因?yàn)?802.11a 在當(dāng)時(shí)所使用的 OFDM 技術(shù)，當(dāng)時(shí)只在 5GHz 頻段開(kāi)放了 OFDM 技術(shù)，而在 1999~2000 年間，美國(guó)非軍事所使用的 5G 頻段僅僅只有幾個(gè)指定的信道。而且還有另外一個(gè)非常重要的原因是，由于 802.11a 和 802.11b 所在的頻段不同，所以新出的設(shè)備同時(shí)兼容 802.11b 和 802.11a 就會(huì)造成成本增加，所以實(shí)際 802.11a 的應(yīng)用很少。

• 2003年，802.11g 協(xié)議正式通過(guò)，802.11g 和 802.11a 協(xié)議上整體是一致的，比較有區(qū)別的一點(diǎn)就在于 802.11g 是將 802.11a 搬到 2.4GHz 頻段上，在上述我們說(shuō)只在 5GHz 的頻段開(kāi)放了 OFDM 技術(shù)，那把頻段搬到 2.4GHz 有什么用呢？這是因?yàn)樵?2002 年，2.4GHz 頻段也可以使用 OFDM 技術(shù)了，所以?xún)H僅在一年后，也就是 2003 年，802.11g 發(fā)布了。802.11g 協(xié)議的頒布是 802.11協(xié)議中的第二個(gè)里程碑。

• 2004年，由于以往的 Wi-Fi 的發(fā)展都是在于其 PHY 層和 MAC 層的性能上，協(xié)議的安全性并沒(méi)有得到發(fā)展，因此，在 2004 年，專(zhuān)門(mén)針對(duì) Wi-Fi 安全的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 802.11i 正式發(fā)布。

• 2005年，802.11MAC的重要改良 802.11e 協(xié)議正式通過(guò)

• 2009年，Wi-Fi 發(fā)展的第三個(gè)里程碑，802.11n 協(xié)議正式通過(guò)，相比于之前的 Wi-Fi 技術(shù)，802.11n 的核心技術(shù)概念是 MIMO,之前的無(wú)線通信技術(shù)都是單天線的傳輸系統(tǒng)，在 MIMO 的設(shè)計(jì)上，我們可以通過(guò)多根天線，并行傳輸多個(gè)不同數(shù)據(jù)，從而提高傳輸速率，提供更高的系統(tǒng)帶寬。如下圖所示，同時(shí)傳輸 x1,x2兩個(gè)信號(hào)至 RX 端。

• 2014年，Wi-Fi 的第四個(gè)里程碑 802.11ac 技術(shù)正式通過(guò)，802.11ac 的關(guān)鍵詞是 MU-MIMO。如下圖所示，傳統(tǒng)的單波束網(wǎng)路，同一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備進(jìn)行發(fā)送。但是在 MU-MIMO 技術(shù)下，通過(guò)波束的 細(xì)化，路由器發(fā)送兩個(gè)波束，分別對(duì)準(zhǔn)筆記本和手機(jī)，從而達(dá)到同時(shí)傳輸?shù)哪康?，如下圖右圖所示：

• 上述就是 Wi-Fi 發(fā)展的一個(gè)大致歷程，其作為一個(gè)經(jīng)歷了 46 年發(fā)展的成熟技術(shù)，還在不停的發(fā)展中，對(duì)于 Wi-Fi 協(xié)議的將來(lái)，肯定還會(huì)存在更為廣泛的應(yīng)用。

Wi-Fi 的信道劃分

與傳統(tǒng)的晶體管收音機(jī)類(lèi)似，WiFi網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線電在空中傳輸信息，無(wú)線電波是一種電磁輻射，其在電磁波譜中的波長(zhǎng)比紅外光長(zhǎng)。無(wú)線電波也具有頻率，而 Wi-Fi 通信所采用的通信頻率，一般是 2.4GHz / 5GHz，先說(shuō)一下 2.4GHz 的信道劃分。

2.4GHz 信道劃分

現(xiàn)在主流的 2.4GHz 無(wú)線 WIFI 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不管是 802.11b/g 還是 802.11b/g/n ，一般都支持 13 個(gè)信道。他們的中心頻率雖然不同，但是因?yàn)檎紦?jù)一定的頻率范圍，所以會(huì)有一些相互重疊的情況。如下圖所示，2.4GHz 頻帶的信道劃分，實(shí)際一共有 14 個(gè)信道，但第 14 個(gè)信道一般不采用，中國(guó)采用的是 2.412 ~ 2.472GHz 的 13 個(gè)信道。

如上圖所示，信道的劃分也具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：每個(gè)信道的有效寬度是 20MHz，另外還有 2MHZ 的強(qiáng)制隔離頻帶，類(lèi)似于公路上的隔離帶，除了上圖所示的 1、6、11 三個(gè)一組互不干擾的信道外，還有 2、7、12；3，8，13；4，9，14三組互不干擾的信道

5GHz 信道劃分

5GHz 頻段被分為 24 個(gè) 20MHz 寬的信道，且每個(gè)信道都為獨(dú)立信道。這為 5G Wi-Fi 提供了豐富的信道資源，如果將 2 條或更多的相鄰信道綁定為一條信道使用，就像將 2 股道路合并為 1 股道路，顯然能夠承載更多的信息，從而成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率。下圖中的紅色部分表示的就是綁定 2 條信道。

在 5GHz 頻段綁定 2 條信道（40MHz）或者 4 條信道（80MHz）是比較合理的選擇。

Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹

在 802.11 協(xié)議里面規(guī)定了兩種結(jié)構(gòu)：基本服務(wù)集（簡(jiǎn)稱(chēng) BSS ）和擴(kuò)展服務(wù)集（簡(jiǎn)稱(chēng) ESS），下面分別對(duì)這兩個(gè)概念進(jìn)行闡述。

基本服務(wù)集（BSS）

基本服務(wù)集是 802.11 LAN 的基本組成模塊。能夠互相進(jìn)行無(wú)線通信的 STA 可以組成一個(gè) BSS 。如果一個(gè)站移出 BSS 的覆蓋范圍，它將不能夠再與 BSS 的其他成員通信。示意圖

更為直觀的例子就是我們?nèi)タ系禄詵|西，如果這個(gè)肯德基很小，只需要一個(gè) AP 就能覆蓋全場(chǎng)，那么也就是說(shuō)這個(gè)服務(wù)集中只有一個(gè) AP ，那么這個(gè)服務(wù)集就可以認(rèn)為是基本服務(wù)集 BSS。BSS 是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本服務(wù)單元。所有的終端都關(guān)聯(lián)到一個(gè) AP 上，這個(gè) AP 連接其他有線設(shè)備，并且控制和主導(dǎo)整個(gè) BSS 中的全部數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程。

注：AP 也就是無(wú)線接入點(diǎn)，是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。與之對(duì)應(yīng)的是 STA 站點(diǎn)，每一個(gè)連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端都可以被稱(chēng)之為是一個(gè)站點(diǎn)，比如說(shuō)筆記本電腦、平板等

擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）

多個(gè) BSS 可以構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）網(wǎng)絡(luò)，一個(gè) ESS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的 STA 可以互相通信。怎么直觀的理解這個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集呢，同樣的，我們來(lái)看一個(gè)示意圖：

上圖就是一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集的示意圖，那什么地方會(huì)用到擴(kuò)展服務(wù)集呢？剛剛所說(shuō)的肯德基，由于占地面積比較小，一個(gè) AP 就可以覆蓋全場(chǎng)，但是如果到了一個(gè)比較大的商場(chǎng)，而如果要讓 Wi-Fi 覆蓋整個(gè)商場(chǎng)，那么就需要擴(kuò)展服務(wù)集的概念，而要構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集，這其中就隱含了 2 個(gè)條件：

• 這些 BSS 要比鄰安置

• 這些 BSS 通過(guò)分布式系統(tǒng)互聯(lián)，有線或者無(wú)線都可以，一般來(lái)講都是以太網(wǎng)

• 這些 BSS 的 AP 提供的 SSID 都是相同的

此外，如果現(xiàn)在有兩家肯德基，分別提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)都是一樣的，但是這顯示不是一個(gè) ESS。繼續(xù)來(lái)看 ESS ，由于處在 ESS 構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，我們用戶(hù)而言是感覺(jué)不到我們是連接在多個(gè) BSS 上的，而是感覺(jué)到就像是連接到同一個(gè) AP 一樣。終端在 ESS 內(nèi)的通信也與在 BSS 內(nèi) 的通信相似，這里舉一個(gè)例子，如果是上圖中的 STA1 想要跟 STA3 通信，那么它的數(shù)據(jù)流向是這樣一個(gè)過(guò)程：STA1 -> AP1 -> AP2 ->STA3。上圖還標(biāo)明了一條虛線，表示的是 STA 從左邊的這個(gè)基本服務(wù)集切換到了右邊的基本服務(wù)集，這樣的一個(gè)過(guò)程叫做漫游，漫游之后 STA 的接入點(diǎn)就發(fā)生了改變。

ESSID & BSSID

在 Wi-Fi 構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，我們使用的是 SSID 來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于 SSID 來(lái)說(shuō)，它通常是一個(gè)不超過(guò) 32 個(gè)字符的字符串，這個(gè) SSID 又叫做是 ESSID，是對(duì) ESS 的標(biāo)識(shí)，在前文中，我們說(shuō)，當(dāng)用戶(hù)處在一個(gè) ESS 內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶(hù)是不知道自己接入了哪一個(gè) BSS 的，但是對(duì)于用戶(hù)使用的設(shè)備需要知道當(dāng)前是連入了哪一個(gè) BSS ，這個(gè)時(shí)候，就有了 BSSID 的概念，這個(gè) BSSID 就是用來(lái)標(biāo)識(shí) BSS 的，這個(gè)標(biāo)識(shí)符是一個(gè)長(zhǎng)度為 48 位的二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符，通常是這個(gè) BSS 里面 AP 的 MAC 地址。

VAP 虛擬接入點(diǎn)

在上述的敘述中，我們說(shuō)到了基本服務(wù)集和擴(kuò)展服務(wù)集，基本服務(wù)集中的一個(gè) AP 就能覆蓋全場(chǎng)，不需要多個(gè) AP ，但是對(duì)于場(chǎng)地比較寬闊的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，就需要使用到擴(kuò)展服務(wù)集，擴(kuò)展服務(wù)集需要多個(gè) AP ，但是多個(gè) AP 的 SSID 必須相同，且多個(gè) AP 需要通過(guò)有線或者無(wú)線的方式連接到一起。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，還有另外一種情況，比如說(shuō)我們?nèi)タ系禄詵|西的時(shí)候，可能會(huì)搜索到網(wǎng)絡(luò)名類(lèi)似的兩個(gè) SSID ，為什么會(huì)這么做呢，其實(shí)這是為了將員工使用的 WIFI 和消費(fèi)者使用的 WIFI 分開(kāi)，消費(fèi)者使用的 WiFi 是公開(kāi)的，員工使用的 WiFi 是不公開(kāi)的，當(dāng)然公開(kāi)給消費(fèi)者使用的 WiFi 就上網(wǎng)速度就一般般了，供給內(nèi)部員工使用的 WiFi 質(zhì)量會(huì)比較好?，F(xiàn)在來(lái)思考一下，構(gòu)建這樣一個(gè) WiFi 網(wǎng)絡(luò)需要有兩個(gè)不同的 SSID ，那是不是這樣就必須使用兩個(gè) AP 來(lái)搭建這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)呢？答案是否定的，這就需要使用到 VAP 這個(gè)概念，虛擬接入點(diǎn)，為用戶(hù)提供差異化的 WLAN 業(yè)務(wù)。

那什么是 VAP 呢，簡(jiǎn)而言之，就是在一個(gè)物理實(shí)體 AP 上虛擬出來(lái)多個(gè)虛擬的 AP，每一個(gè)被虛擬出來(lái)的 AP 就是一個(gè) VAP，每一個(gè) VAP 提供和物理實(shí)體 AP 一樣的功能，下面是一個(gè) VAP 的示意圖：

通過(guò)上圖我們可以看到雖然只有一個(gè) AP 接入點(diǎn)，但是卻虛擬出來(lái)了兩個(gè) VAP，SSID 和 BSSID 都不同，這也是 VAP的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)所在，網(wǎng)絡(luò)管理員可以為不同的 VAP 設(shè)置不同的 SSID，安全設(shè)置，Qos設(shè)置等策略和功能，增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

剛剛我們說(shuō)，兩個(gè) VAP 的 BSSID 是不同的，但是其物理 AP 只有一個(gè)，怎么會(huì)有多個(gè)不同的 BSSID 呢？這其實(shí)是因?yàn)?VAP 的 MAC 地址和真實(shí)的物理 AP 地址存在一個(gè)映射關(guān)系，下面是與一個(gè) VAP 的 BSSID 和 真實(shí)物理 AP 地址的一個(gè)映射關(guān)系圖：

通過(guò)上圖的示意圖中標(biāo)紅的部分，映射關(guān)系也比較強(qiáng)清楚了，第一個(gè) VAP 的 BSSID 和真實(shí)物理 AP 的 BSSID 是一致的，然后依次遞增。

注：上述提到了 WLAN ，好多人會(huì)把它與 WiFi 混淆了，其實(shí)它是兩個(gè)不同的概念，WiFi 是一種技術(shù)手段， WLAN 的全稱(chēng)是 Wireless Local Area Networks，翻譯過(guò)來(lái)是無(wú)線局域網(wǎng)，是一張網(wǎng)，而這張網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方式可以是多樣的，藍(lán)牙也可以構(gòu)成是無(wú)線局域網(wǎng)，WiFi 也可以組建無(wú)線局域網(wǎng)。

總結(jié)

上述就是本次分享的關(guān)于 WiFi 的相關(guān)內(nèi)容了，涉及到 WiFi 的起源，發(fā)展，信道劃分以及 WiFi 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然這只是 WiFi 的一個(gè)基本知識(shí)，要實(shí)際的把一個(gè) WiFi 模塊使用起來(lái)，還需要關(guān)注一些更為細(xì)節(jié)的東西。這次的分享內(nèi)容就到這里啦，下次見(jiàn)~

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