IEEE 802.11无线局域网标准简介

摘要:本文描述了IEEE 802.11无线局域网的相关标准,整理自《无线局域网设计与优化》一书,作者:广州杰赛通信规划设计院。

概述

  IEEE 802委员会成立于1980年2月,其任务是制订局域网的国际标准。802委员会目前有12个分委员会,他们研究的内容如下:

  • 802.1:局域网概述、体系结构、网络管理和性能测量等;
  • 802.2:逻辑链路控制协议;
  • 802.3:总线网介质访问控制协议及物理层技术规范;
  • 802.4:令牌环总线网介质访问控制协议及其物理层技术规范;
  • 802.5:令牌环网介质访问控制协议及其物理层技术规范;
  • 802.6:城域网MAC介质访问控制协议及其物理层技术规范;
  • 802.7:宽带技术咨询组,为其他分委员会提供宽带网络技术的建议;
  • 802.8:光纤技术咨询组,为其他分委员会提供光纤网络技术的建议;
  • 802.9:综合话音/数据的局域网介质访问控制协议及其物理层技术规范;
  • 802.10:局域网安全技术标准;
  • 802.11:无线局域网的介质访问控制协议及其物理层技术规范;
  • 802.12:100 Mbit/s高速以太网按需优先的介质访问控制协议;
  • 802.14:社区公共天线电视(Community Antenna Television,CATV);
  • 802.15:无线个域网;
  • 802.16:无线城域网;
  • 802.17:弹性分组环。

  IEEE 802.11应用于无线局域网,标准包含多个方面,分别针对不同的应用领域,分类如下:

  • 物理和MAC 层接入标准;
  • 组网标准;
  • 信息安全标准;
  • 应用优化标准;
  • 网络测试与管理标准。

  802.11 标准的分类组成如下表所示,表中的数字大小表示同类别标准公布的先后顺序。

发布顺序 物理层和MAC层接入 组网 信息安全 应用优化 网络测试与管理
1 IEEE 802.11 IEEE 802.11u IEEE 802.11i IEEE 802.11h IEEE 802.11k
2 IEEE 802.11b IEEE 802.11s IEEE 802.11w IEEE 802.11e IEEE 802.11v
3 IEEE 802.11a IEEE 802.11r IEEE 802.11t
4 IEEE 802.11d
5 IEEE 802.11g
6 IEEE 802.11n
7 IEEE 802.11p
8 IEEE 802.11ac
9 IEEE 802.11ad

物理和MAC层接入标准

  物理和MAC层接入有以下标准:

  • IEEE 802.11;
  • IEEE 802.11b;
  • IEEE 802.11d;
  • IEEE 802.11a;
  • IEEE 802.11p;
  • IEEE 802.11g;
  • IEEE 802.11n;
  • IEEE 802.11ac;
  • IEEE 802.11ad。

  它们的功能和作用概述如下。

1.IEEE 802.11

  全称:The original 1 Mbit/s and 2 Mbit/s,2.4 GHz RF and IR standard。
  中文名称:最初的1 Mbit/s和2 Mbit/s速率(的技术标准),应用在2.4 GHz的无线频段和红外频段。
  它是IEEE针对WLAN的第一个物理层和MAC层的信息接入/传送技术标准,它工作在 2.4 GHz 频段,在物理层同时支持慢速跳频和直序扩频技术,在 MAC 层采用DCF竞争机制,整体速率只达到1~2 Mbit/s。

2.IEEE 802.11b

  全称:Enhancements to 802.11 to support 5.5 and 11 Mbit/s。
  中文名称:支持5.5 Mbit/s和11 Mbit/s速率的802.11增强(技术标准)。
  802.11b是工作在2.4 GHz频段的、物理层和MAC层的WLAN 信息收/发的技术标准,它在802.11技术标准的基础上,对802.11的直序扩频技术进行了扩充,提出了高速直序扩频技术规范,使最高速率达到11 Mbit/s。

3.IEEE 802.11d

  全称:International(country-to-country)roaming extensions。
  中文名称:国家之间的国际漫游扩充(的技术标准)。
  802.11d是在802.11b的技术基础上,针对不同国家对802.11b使用的频率、带宽、跳频机制下频点选择等的不同限制,在物理层对频率、带宽、跳频机制下的调频表都提供了灵活配置的技术,并且在MAC层对物理层的修改部分,在MAC层的关联部分也做了相应的修改。

4.IEEE 802.11a

  全称:54 Mbit/s,5 GHz standard。
  中文名称:工作频段为5 GHz,整体速率达到54 Mbit/s(的技术标准)。
  802.11a是工作在5 GHz频段的、WLAN 的物理层和MAC层信息接入/传送的技术标准,它在物理层采用了OFDM技术,使得最高数据速率达到54 Mbit/s。

5.IEEE 802.11p

  全称:WAVE -WirelessAccess for the Vehicular Environment。
  中文名称:车辆环境下的无线接入(的技术标准)。
  802.11p是工作在5.9 GHz频段,采用802.11a的OFDM技术的物理层和MAC层信息收/发技术标准,它在802.11a基础上增加了对高速移动情况下通信的技术支持,同时与用于车辆通信的IEEE的std 1609网络通信协议簇、在1609协议簇之上的用于车辆通信和多媒体应用的ISO的CAMML5协议都建立了良好的融合机制,它是车辆专用领域的802.11 WLAN 信息收/发的技术标准。

6.IEEE 802.11g

  全称:54 Mbit/s,2.4 GHz standard(backwards compatible with b)。
  中文名称:工作频段为2.4 GHz,整体速率达到54 Mbit/s的技术标准(后向兼容802.11b)。
  802.11g 是工作在 2.4 GHz 频段的、物理层和 MAC 层的 WLAN 信息收/发的技术标准。它在物理层采用和802.11a类似的OFDM技术,使得整体的数据速率达到 54 Mbit/s;同时,在物理帧头设计和调制编码设计方面依然保持了对 802.11b的向下兼容,即在同一网络中,可以有 802.11g和 802.11b的站点同时在同一个802.11g网络中相互通信。

7.IEEE 802.11n

  全称:Higher throughput improvements using MIMO。
  中文名称:通过使用MIMO技术,达到更高吞吐量(的技术标准)。
  802.11n是可工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段的,物理层和MAC层的WLAN信息收/发的技术标准。它在802.11g和802.11a的OFDM的技术基础上,在2.4 GHz和5 GHz 两个频段的物理层均引入多天线的多进多出(MIMO)技术,并将OFDM和MIMO技术相结合,同时在MAC层引入帧聚合技术,使得整体的数据速率提高到600 Mbit/s。而且,在它的物理帧头设计中,依然保持了对802.11b、802.11a、802.11g的向下兼容,使到这3种不同的站点都可以同时在同一个802.11n的网络中相互通信。

8.IEEE 802.11ac

  全称:Enhancements forVery HighThroughput for Operation in Bands below 6 GHz。
  中文名称:工作在低于6 GHz频段,提供非常高吞吐量增强处理(的技术标准)。
  802.11ac是工作在5 GHz频段的、物理层和MAC 层的WLAN 信息收/发的技术标准。802.11ac 在802.11n 的MIMO+OFDM 的技术基础上,将带宽从20 MHz/40 MHz 提高到 80 MHz/160 MHz,并采用比 802.11n 更强的 OFDM 技术(子载波数可达234个)、更高阶的调制编码(256QAM)、更多的空间流技术(最多可同时支持8个空间流)以及更强的MAC帧聚合技术,使整体的数据速率大幅提高,最高可达 3.47 Gbit/s。
  2013年12月,802.11ac-2013版本在802.11ac D6版草案的基础上推出,其MAC层的整体速率达到7 Gbit/s。由于还没有通过Wi-Fi 认证测试,可能会存在不稳定的现象,因此802.11ac尚未作为公开标准正式发布,但显然,802.11ac是目前WLAN发展最快的物理层和MAC层接入技术。

9.IEEE 802.11ad

  全称:Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band。
  中文名称:工作在 60 GHz 频段的,提供非常高吞吐量增强处理(的技术标准)。
  802.11ad是工作在60 GHz频段的,物理层和MAC层的WLAN 信息收/发的技术标准。它具备以下技术特点。
  ① 支持高达2.16 GHz的信道带宽,物理层传输速率接近7 Gbit/s;
  ② 同时采用单载波和OFDM技术;
  ③ 采用高增益、低复杂度和低处理时延的低密度奇偶校验码;
  ④ 采用旋转调制、差分调制、扩展QPSK等改进的调制技术;
  ⑤ 采用波束赋形技术对抗60 GHz频段的高路径损耗;
  ⑥ 采用增强的安全协议和功率管理技术;
  ⑦ 支持在2.4 GHz、5 GHz和60 GHz频带之间的快速会话转移;
  ⑧ 支持与其他60 GHz系统(如IEEE802.15.3c)的共存。
  由于其上述特点,IEEE 802.11ad目前在业界被认为是下一代的WLAN的接入标准。

网络组网标准

  网络组网方面有以下两项标准:

  • IEEE 802.11s;
  • IEEE 802.11u。

  它们的功能和作用概述如下。

1.IEEE 802.11s

  全称:ESS Mesh Networking。
  中文名称:在扩展服务集架构下的全连通网络的组网(的技术标准)。
  802.11s 是用于 802.11 WLAN 进行 Mesh 组网的 MAC 协议的技术标准,它通过提供一个树状预置路由协议和一个收敛的 ad Hoc 按需路由协议,以及相应的空时编码的路径耗费算法,解决了WLAN的各个节点在无AP(无中心)的情况下,采用Mesh结构组网时不同网络节点之间的相互访问问题。它包括了MAC协议和路由协议两大部分。
  (1)MAC协议部分
  MAC协议由以下部分组成:

  • Mesh节点的探索与发现;
  • Mesh节点的配对管理;
  • Mesh节点的安全机制;
  • Mesh节点的信标与同步;
  • Mesh节点的信道访问协调机制;
  • Mesh节点的功率控制;
  • Mesh节点不同信道的切换;
  • 多地址的MAC帧格式;
  • Mesh网络的网关设计;
  • Mesh网络的内部拥塞控制。

  (2)路由协议部分
  路由协议由以下部分组成:

  • 按需路由协议;
  • 树状预置路由协议。

2.IEEE 802.11u

  全称:Interworking with non-802 networks (for example,cellular)。
  中文名称:和非802.11网络(如蜂窝网)互操作(的技术标准)。
  IEEE 802.11u是规定了802.11 WLAN与其他不同网络间互操作的技术标准,通过802.11u协议,WLAN设备就可以自动连接到接入点而无需用户介入。
  802.11u 协议中的一个重要部分是使用接入网络查询协议 (Access Network Query Protocol,ANQP)。在认证之前,移动终端向带有802.11u 功能的AP 发送一个ANQP查询,AP通过广告服务器(Advertisement Server)提供热点的域名和SSID等相关信息。接下来,移动终端检查自己的证书并确认可以连接的漫游服务商列表,移动终端比较自己的列表和从 AP 处获得的漫游列表,这样就可以确定选择哪一个SSID成功地进行身份识别,从而解决了自动选择网络的问题。

信息安全

  信息安全标准有以下部分:
  (1)IEEE 802.11i;
  (2)IEEE 802.11w。
  它们的功能和作用概述如下。

1.IEEE 802.11i

  全称:Enhanced security。
  中文名称:安全强化(技术标准)。
  802.11i是802.11 WLAN的安全信息标准。它在MAC层,通过引入临时密钥管理协议(Temporal Key Integrity Protocol,TKIP),将WLAN 信息加密的密钥从WEP使用的固定密钥改为动态密钥,使密钥的强度得到很大的提高。
  同时,它还具有以可扩展认证协议(Extensible Authentication Protocol,EAP)为核心的用户审核机制,可以通过服务器审核接入用户的ID,在一定程度上可避免黑客非法接入。
  另外,它还规定了一个基于高级加密标准(AES)加密算法的 CCMP(CounterMode/CBC-MACProtocol)标准,这种加密标准支持128、192以及256位的密钥,使得用户的网络安全性得到很大的加强。802.11i是未来WLAN的主要安全标准。

2.IEEE 802.11w

  全称:Protected Management Frames。
  中文名称:保护管理帧(的技术标准)。
  802.11w是一种通过信息安全技术对802.11 WLAN网络中的管理帧提供保护的技术标准,它提供3种类型的保护。
  第一种用于单播管理帧,即一个接入点和一个客户端之间的帧。未受保护的单播管理帧可以成为攻击者的有力武器。攻击者则可以利用它来发现网络的布局,找出设备的地点,并且对网络发动更加成功的攻击。802.11w解决这一问题的方法是,使用现有的临时密钥完整性协议(Temporal Key Integrity Protocol)或基于高级加密标准的算法,将现有的数据加密算法扩展到单播管理帧中。
  第二种用于一般广播管理帧。802.11w 建议只对此类帧提供防伪造保护,而不提供保密性保护。这种最简单的方式依靠的是一条信息完整性代码,附加在无加密的管理帧上。接入点可以与每一个安全的关联客户端共享一个密钥,包括窃听者在内的所有设备都可以看到这些信息。
  第三种用于解除验证和解除关联帧。通过在接入点和客户端上使用一对相互关联的密钥,客户端可以确定解除验证是否有效。

应用优化标准

  应用优化标准有以下部分:

  • IEEE 802.11e;
  • IEEE 802.11h;
  • IEEE 802.11r。

1.IEEE 802.11e

  全称:Enhancements:QoS。
  中文名称:强化QoS的技术标准。
  802.11e是为WLAN的MAC层提供QoS服务的技术标准,它支持语音、视频等多媒体业务在无线局域网中的应用。
  它扩展了802.11的MAC层原有的DCF(分布式协调技术)和PCF(点对点协调技术)信道接入机制,形成了EDCA(enhanced distributed channel access,增强的分布式信道接入)和HCCA[HCF controlled channel access,HCF(hybrid coordination functions,混合协调功能)控制的信道接入]规范。前者通过区分不同优先级的 AC接入信道的能力,保障了空口资源依据数据流优先级分配从而增强了DCF机制,并在一定程度上保障了高优先业务的带宽。后者增强了PCF机制,通过QAP(quality of service access point:接入点的服务质量)的集中控制,以轮询方式为QSTA(quality of service station:终端服务质量)分配空口资源,提供改善的访问带宽,并且减少了高优先级业务的延迟。

2.IEEE 802.11h

  全称:Spectrum Managed 802.11a (5 GHz) for European compatibility。
  中文名称:兼容欧洲的802.11a的频谱管理(技术标准)。
  802.11h是为了与欧洲的HiperLAN2相协调而制定的WLAN技术标准,目的在于通过此项技术,减少同处于5 GHz频段的雷达、基站以及其他通信设备对WLAN的干扰。
  802.11h通过两种技术来达到上述目的。一种是动态频率选择(DFS),即接入点不停地扫描5 GHz频段上的雷达、接入点和相关的基站,随时改变自身信道的频率,最大限度地减少干扰,均匀分配WLAN流量;另一种技术是传输功率控制(TPC),通过对场强的测量控制相应的功率输出,这项技术使总的传输功率可以最多减少3 dB。

3.IEEE 802.11r

  全称:Fast roaming Working。
  中文名称:快速漫游工作的技术标准。
  802.11r是用于802.11 WLAN 的移动性管理的技术标准,它在MAC 层提供了网络节点在不同的802.11网络之间进行切换时,进行数据恢复等移动性管理的技术标准和规范。
  (1)概述
  802.11r 规定了用户终端在同一扩展服务集(Extend Service,ESS)内各个 AP之间进行切换的通信流程(包括验证密钥),实现了基于无线数据和无线语音的快速漫游协议。至于用户终端在不同ESS下的AP之间的切换,则不在802.11r的规定范围之内。
  802.11r技术适用于IEEE 802.11i的RSN 和IEEE 802.11e网络,也适用于不支持802.11i的RSN 和IEEE 802.11e网络。
  当用户终端发生切换时,应与当前AP断开连接,与新AP建立新的连接,这个过程引起了短暂的连接消失,因此可能导致丢包和上层协议的重传,最终导致切换时延变长。切换时延包括实现 802.11i 中规定的认证时延、密钥交换时延以及重关联时延等。
  802.11r 通过新的认证协议、新的密钥管理协议、更快的 PTK算法以及在重关联或者关联之前的资源的预留,尽量让验证和切换的时间压缩到最小限度。
  (2)切换的阶段划分
  802.11r协议将切换划分为以下3个阶段:

  • 目标发现;
  • 资源确认和配置;
  • 快速切换。

  在上述3个阶段中,目标发现是指在用户终端发生切换之前,通过扫描其他的无线信道,发现候选切换的 AP,并筛选出切换的目标 AP 的过程。如果用户终端当前连接支持的业务需要某些的资源,那么切换的目标AP也应该能够具备相应的资源,以支持此业务的切换。
  (3)切换的方式
  802.11r定义了两种切换方式实现快速切换。
  ① 基本方式(Basic Mechanism)。
  即在重关联阶段才进行资源的分配和其他所需信息的交互。这种方式适用于AP工作在轻负载状态、终端,并且通过Beacon/Probe响应消息获得目标AP的资源状况的场合。在支持IEEE 802.11 的QoS 网络中,AP 通过Beacon/Probe 响应消息中的信息元素(QBSSIE)向终端进行能力通告,其QBSSIE通告信息包括:已经关联的STA数、BSS信道使用情况、允许的接入能力。
  ② 预先保留资源方式(Pre-Reservation Mechanism)。
  指在重新关联阶段之前预先进行资源确认和分配。这种机制适用于采用 DS架构网络,且AP变化缓慢或者希望通过明确的AP资源保留来确保业务QoS的场合。

网络测试与管理标准

  网络测试和管理标准有以下部分:

  • IEEE 802.11k;
  • IEEE 802.11T;
  • IEEE 802.11v。

  它们的功能和作用概述如下。

1.IEEE 802.11k

  全称:Radio resource measurement enhancements。
  中文名称:无线资源测量改进(的技术标准)。
  802.11k为WLAN提供了进行信道选择、漫游服务和传输功率控制的技术标准。它通过对无线资源管理,让频段、通道、载波等无线资源更灵活动态地调整、调度,使有限的频段在整体运用效益上获得提升。

2.IEEE 802.11T

  全称:Wireless Performance Prediction。
  中文名称:无线性能预测(的技术标准)。
  802.11T是一个WLAN的测试规范技术标准,目前它还在不断地修改完善当中,所以准确地说还是一个没有完全固化的标准,因此以大写字母表示。802.11T定义了各种应用下的测试标准。主要包括数据、延迟敏感性和流媒体3方面的内容。
  ① 数据测试。
  数据测试包括Web下载、文件传输、文件共享、电子邮件和其他内容。标准规定面向数据的流量通常使用低优先级传送。对于数据应用比较重要的性能测试衡量应包括吞吐速率与传输距离、接入点容量和每个接入点吞吐速率。
  ② 延迟敏感性测试。
  延迟敏感性测试主要针对通过Wi-Fi传输的VoI P应用。标准规定测试这些应用的QoS要求包括:语音质量(延迟、抖动和包丢失)与传输距离、语音质量与网络负载、语音质量与呼叫负载等。
  ③ 流媒体测试。
  流媒体测试包括实时音频/视频流、存储的内容流和组播高清晰度电视流的应用。
  802.11T还规定了诸如吞吐量与路径损失、快速基本服务集(BSS)过渡、接收器敏感度,以及接入点容量和相关性能等衡量标准。

3.IEEE 802.11v

  全称:Wireless network management。
  中文名称:无线网络管理(的技术标准)。
  802.11v是一个正在发展当中的WLAN网络管理的技术标准,它为WLAN提供简化网络部署和治理的重要和高效率机制。这项标准规定了在无线基础设施上的要害参数,如确定连接哪个网络接入点等。它对802.11的无线终端设备控制、网络选择、网络优化和统计数据获取与监测都提供了相应的建议。
  其中,在负载平衡方面,802.11v建议通过将终端设备引导到具有可用带宽和资源的接入点,使负载平衡变得对用户透明。
  在网络部署方面,802.11v建议实现从基础设施进行安全终端配置的功能,这将大大减少大型网络中的部署时间。
  同时,802.11v还定义了几种用于控制和提供终端上的各种属性(如操作数据速率和功率治理方案)的 SNMP 式管理信息库(MIB),规范了以无线方式从网络基础设施控制MIB的功能,在此基础上还将提供控制终端上的MIB的机制,从而简化终端配置。