Wi-Fi 的發(fā)源地

Wi-Fi 的發(fā)源地是夏威夷，Wi-Fi 是一種無線局域網(wǎng)協(xié)議。而對于網(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)開發(fā)的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，為什么要構(gòu)建這個(gè)無線網(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，其成本也會很高。所以當(dāng)時(shí)就采用了一種相對成本比較低廉的無線設(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線鏈路。這也就是 Wi-Fi 最開始的雛形。

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)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,也被稱之為是 IEEE802.11，在 Wi-Fi 的整個(gè)發(fā)展過程中，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)鍵問題就是不同廠家的互兼容性，產(chǎn)品測試之類，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 相對于 802.11 來說，在物理層進(jìn)行了補(bǔ)充，實(shí)際上大家開始接觸的 Wi-Fi 很多也是從 802.11b 開始的，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)，其所帶的無線功能都是基于 802.11b 的，802.11b 協(xié)議是無線網(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)也有蘋果在 iBooks 中正式推出。

• 2000年，802.11a 也正式發(fā)布，但是它并沒有獲得像 802.11b 那樣的成功，它引入了一種新的物理層技術(shù) OFDM ，這里就不展開講了，為什么會不成功呢，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 頻段開放了 OFDM 技術(shù)，而在 1999~2000 年間，美國非軍事所使用的 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，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，在上述我們說只在 5GHz 的頻段開放了 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，所以僅僅在一年后，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)議的安全性并沒有得到發(fā)展，因此，在 2004 年，專門針對 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

• 2009年，Wi-Fi 發(fā)展的第三個(gè)里程碑，802.11n 協(xié)議正式通過，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)信號至 RX 端。

• 2014年，Wi-Fi 的第四個(gè)里程碑 802.11ac 技術(shù)正式通過，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，通過波束的 細(xì)化，路由器發(fā)送兩個(gè)波束，分別對準(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，對于 Wi-Fi 協(xié)議的將來，肯定還會存在更為廣泛的應(yīng)用。

Wi-Fi 的信道劃分

與傳統(tǒng)的晶體管收音機(jī)類似，WiFi網(wǎng)絡(luò)使用無線電在空中傳輸信息，無線電波是一種電磁輻射，其在電磁波譜中的波長比紅外光長。無線電波也具有頻率，而 Wi-Fi 通信所采用的通信頻率，一般是 2.4GHz / 5GHz，先說一下 2.4GHz 的信道劃分。

2.4GHz 信道劃分

現(xiàn)在主流的 2.4GHz 無線 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（簡稱 BSS ）和擴(kuò)展服務(wù)集（簡稱 ESS），下面分別對這兩個(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，那么也就是說這個(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)的傳輸過程。

注：AP 也就是無線接入點(diǎn)，是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。與之對應(yīng)的是 STA 站點(diǎn)，每一個(gè)連接到無線網(wǎng)絡(luò)中的終端都可以被稱之為是一個(gè)站點(diǎn)，比如說筆記本電腦、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，那什么地方會用到擴(kuò)展服務(wù)集呢？剛剛所說的肯德基，由于占地面積比較小，一個(gè) AP 就可以覆蓋全場，但是如果到了一個(gè)比較大的商場，而如果要讓 Wi-Fi 覆蓋整個(gè)商場，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 通過分布式系統(tǒng)互聯(lián)，有線或者無線都可以，一般來講都是以太網(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)名稱都是一樣的，但是這顯示不是一個(gè) ESS。繼續(xù)來看 ESS ，由于處在 ESS 構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，我們用戶而言是感覺不到我們是連接在多個(gè) BSS 上的，而是感覺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 來標(biāo)識一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而對于 SSID 來說，它通常是一個(gè)不超過 32 個(gè)字符的字符串，這個(gè) SSID 又叫做是 ESSID，是對 ESS 的標(biāo)識，在前文中，我們說，當(dāng)用戶處在一個(gè) ESS 內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶是不知道自己接入了哪一個(gè) BSS 的，但是對于用戶使用的設(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 就是用來標(biāo)識 BSS 的，這個(gè)標(biāo)識符是一個(gè)長度為 48 位的二進(jìn)制標(biāo)識符，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，不需要多個(gè) AP ，但是對于場地比較寬闊的場景來說，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 需要通過有線或者無線的方式連接到一起。在實(shí)際的應(yīng)用場景中，還有另外一種情況，比如說我們?nèi)タ系禄詵|西的時(shí)候，可能會搜索到網(wǎng)絡(luò)名類似的兩個(gè) SSID ，為什么會這么做呢，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，消費(fèi)者使用的 WiFi 是公開的，員工使用的 WiFi 是不公開的，當(dāng)然公開給消費(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)量會比較好?，F(xiàn)在來思考一下，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)，為用戶提供差異化的 WLAN 業(yè)務(wù)。

那什么是 VAP 呢，簡而言之，就是在一個(gè)物理實(shí)體 AP 上虛擬出來多個(gè)虛擬的 AP，每一個(gè)被虛擬出來的 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，兩個(gè) VAP 的 BSSID 是不同的，但是其物理 AP 只有一個(gè)，怎么會有多個(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 的全稱是 Wireless Local Area Networks，翻譯過來是無線局域網(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)成是無線局域網(wǎng)，WiFi 也可以組建無線局域網(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，要實(shí)際的把一個(gè) WiFi 模塊使用起來，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~

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