无线局域网研究综述

2019-09-10范毓林

现代信息科技 2019年9期

摘要：无线局域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）是指采用无线媒体或介质，利用射频技术，在一定的区域内所形成的无线网络。无线局域网络使得用户得以摆脱网线等物理传输媒介的束缚，在无线局域网络覆盖的范围之内，能够低成本、高速、便捷地访问互联网或局域网。如今无线局域网已经进入寻常百姓家，为人们的生活带来极大便利。本文将从无线局域网的产生、发展、关键技术、应用和发展趋势五个方面对无线局域网进行分析和介绍。

关键词：无线局域网;CSMA;隐藏终端

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0060-03

1 无线局域网的产生

1971年6月，夏威夷大学开发的实验性电脑网络系统：ALOHAnet系统，被认为是世界上最早出现的无线局域网络。ALOHAnet采用无线电波为载体，替代双绞线作为数据传输介质，来克服自然环境因素造成的布线困难。

夏威夷大学位于夏威夷州檀香山市中心，共有十个校区，分布在夏威夷群岛的不同岛屿之上。为了各個校区的教师和学生都能共享主校区的大型计算机，需要构建一个局域网络把各个校区的计算机网络连通起来。从夏威夷大学的地理位置和各个校区的分布情况来看，采用无线电波作为网络传输媒介是最佳选择。ALOHAnet为中心型拓扑结构，最初由7台计算机组成，工作频段在400MHz，设置有上行和下行两个广播信道。主机的数据经下行信道发往各个用户终端。终端用户使用ALOHA通信协议，通过集线器将要传输的数据通过上行信道经ALOHAnet中心站发送至主机。

2 无线局域网的发展

虽然70年代就已经出现无线局域网的技术，但是直到90年代，无线局域网技术并没有获得过多的关注和研究。90年代初期，IEEE 802委员会成立了独立的IEEE 802.11任务组，制定了IEEE 802.11标准，802.11支持的最高传输速率为2Mbps，由于其高昂的成本和相比于有限局域网较低的传输速率，使得其应用范围十分有限。1999年，IEEE 802.11任务组通过了IEEE 802.11b标准，802.11b最大带宽为11Mbps，在传输速率得到大幅提升的同时，无线局域网的硬件设备价格大幅下降，WLAN开始大规模进入市场，作为众多网络接入技术的选择之一。802.11b的带宽，在支持一般的网页浏览和电子邮件等应用上面，并没有什么问题，但是在网络电视等新兴应用面前，就显得捉襟见肘。为了获得更高带宽，业界相继提出802.11a和HiperLAN/2标准，它们都工作在5GHz频段，最大带宽都为54Mbps，两种网络的硬件设备无法兼容，使得无线局域网的发展陷入多标准的混乱局面。2003年IEEE 802.11g标准的出现，结束了这一混乱局面。802.11g仍然工作在2.4GHz频段，但是最大带宽提高到54Mbps。802.11g能够与802.11b在同一无线局域网共存，保障了后向兼容性，对WLAN的发展起到很大的推动作用。下面简单介绍WLAN主要标准及特点[1]。

2.1 IEEE 802.11

1997年，IEEE 802.11标准制定完成并通过。802.11使用2.4GHz ISM通信频段，无需申请执照。支持最高传输速率为2Mbps，最大传输距离100m，物理层支持红外传输、跳频扩频和直接序列扩频三种调制方式。

2.2 IEEE 802.11b

1999年，802.11工作组又制定并通过了IEEE 802.11b标准。802.11b同样采用2.4GHz通信频段，采用直接序列扩频调制方式，支持最高传输速率为11Mbps，办公环境中最大传输距离100m，并向下兼容802.11。

2.3 IEEE 802.11a

在802.11b推出之后，802.11a小组也正在研究更高频段、更高速率的802.11a标准，IEEE 802.11a应用的是5GHz的频段，物理层上采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术[2]。802.11a支持最高传输速率为54Mbps，最大传输距离50m。

2.4 IEEE 802.11g

802.11a作为802.11b的后续标准，虽然传输速率得到很大提升，但是802.11a和802.11b工作在不同的频段，采用不同的调制方式，所以802.11a保准并不能兼容已有的802.11b产品。此外，802.11a使用的5GHz频段，在许多国家尚未获得正式批准。由于802.11a和802.11b都无法完全满足实际应用需求，IEEE 802小组于2001年通过了802.11g标准。802.11g仍然工作在2.4GHz频段，最大带宽提高到54Mbps，802.11g能够与802.11b在同一无线局域网共存，保证了后向兼容性。

2.5 HiperLAN/1、HiperLAN/2

HiperLAN（High Performance Radio LAN）是欧洲标准化组织制定的无线局域网络标准。HiperLAN/1采用2.4GHz频段，最大带宽可以达到20Mbps，与802.11b相对应。HiperLAN/2采用5GHz频段，最大带宽可以达到54Mbps，与802.11a相对应。HiperLAN与802.11最大的不同之处在于他们的数据链路层采用不同的技术：802.11采用基于以太网的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）技术，而HiperLAN采用面向连接的无线ATM技术。

3 IEEE 802.11无线局域网关键技术

3.1 CSMA/CA

802.11无线局域网的访问控制层和802.3以太网的访问控制层很相似，都是在支持多个用户共享同一传输媒介，发送者在发送数据之前，需要对网络的可用性进行检测，只有在网络空闲的时候才能发送数据，以避免冲突的发生。在802.3协议中，利用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议来检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传输时的网络冲突，CSMA/CD通过碰撞侦听来判断信道使用状况。在802.11协议中，无线信号的传输性质决定了无线通信终端无法进行碰撞的侦听，因此无法采用CSMA/CD协议避免冲突，因此设计了CSMA/CA协议进行无线局域网环境下的冲突检测和避免。CSMA/CA采取了碰撞避免的措施，通过确认信号来判断传输的数据是否被正确接收。任何原因造成的数据发送方在规定的时间之内没有收到确认信号，都会导致数据的重新发送。

3.2 解决隐藏终端问题

不论是在基本结构单元（BSS），还是在扩展结构单元（ESS）中，由于无线媒介的特殊性，隐藏终端问题都有可能发生，都会导致信号碰撞的發生[3]。

如图1所示，A、B、C三个无线接入点，分别构成三个无线局域网，WLAN A和WLAN B覆盖范围有重叠，WLAN B和WLAN C覆盖范围有重叠，接入点A和接入点B可以直接通信，接入点B和接入点C可以直接通信，接入点A和接入点C不能直接通信，也感知不到彼此的存在。如果接入点A向B发送信息的同时，接入点C也向B发送信息，就会引发信号冲突从而导致信息丢失。IEEE 802.11通过RTS/CTS方式解决隐藏终端问题。发送节点在数据发送前先发送“发送请求控制包”，即RTS给目的节点;如果信道空闲，目的节点发送“发送响应控制包”，即CTS给发送节点，如果信道忙，则不发送CTS包;如果发送节点收到CTS包，则证明信道空闲，可以进行数据通信。

图1 隐藏终端示意图

3.3 安全技术

由于无线局域网采用无线传输的方式进行数据传输，相比于有线网络，天然缺少两个重要的安全特性：1、访问控制，有线网络所有的终端必须接入线缆后才可以收发数据。2、传输安全，有线网络线缆可以保证传输信号不会泄露，外部用户无法获取线缆内部的传输信号。

802.11在安全性方面的目标是在数据链路层提供与有线网络相同级别的安全性。对于上面提到的第一个问题，IEEE 802.11通过鉴权服务提供对WLAN的访问控制。无线局域网中的终端通过鉴权来确定与其进行通信的站点身份，如果两者之间鉴权没有通过，则无法建立通信连接。对于第二个问题，IEEE 802.11通过加密的方式来保证数据传输的安全性。发送方在发送数据之前，将数据内容进行加密，将加密后的数据发送出去，接收方收到加密的数据后，采用与发送方相同的数据加密算法进行解密。

4 无线局域网的应用

无线局域网由于其方便性得到了非常广泛的应用，主要分为室内应用和室外应用。室内应用场景主要有公司、会议室、商场、餐馆、影院等;室外应用场景主要有校园网、旅游景区、城域网等。

公司办公网络。目前大部分公司的网络建设，都少不了无线局域网的身影，无线局域网可以实现全公司无死角网络覆盖，极大方便了办公室的网络接入，提高工作效率。

商场、餐馆、影院等商业场所。也在相继地建设无线局域网，以满足顾客的网络通信需求，提升顾客消费体验。

校园网。目前国内各大高校基本上都建立了自己的无线局域网，实现学校范围内的网络覆盖，方便师生利用网络资源，使其更容易接入到互联网以获取知识和关注新闻。

大型会议和展览。由于很多大型会议和展览都是临时性的，有线网络接入不仅费时费力，成本也非常高昂。无线局域网组网简单，可以在短时间内实现网络覆盖，并且按照不同会议和展览对于网络的不同需求，提供灵活的网络服务。

5 无线局域网的发展趋势

经过三十余年的发展，无线局域网因为其灵活性、低成本、高带宽的特点，得到了非常广泛的应用。但是随着科学技术的不断发展，无线局域网也面临着新的问题。

5.1 提高网络带宽

在信息时代，人们从互联网上获取的信息越来越丰富，从最初的文字、音频到图片、文件，再到高清视频，对于网络带宽的要求也越来越高。无线局域网如果不能继续突破带宽的限制，那么发展必然受到限制。如何提高无线局域网的带宽以满足日新月异的网络应用要求，并且保证网络的稳定性，必然是无线局域网的研究方向之一。

5.2 提高网络的安全性

安全和隐私已经成为人们关注的热门话题，近年来由于网络安全问题而导致的个人信息泄露和财产损失事件层出不穷。无线局域网虽然有访问控制和加密机制，但是仍然不够健全，如何进一步提高无线网络的安全性，也是无线局域网发展所要面临的重要问题。