WLAN基本知识之802.11标准

WLAN技术基础

1.4 802.11标准介绍

1.4.1 IEEE 802.11协议族成员

• IEEE 805.11无线工作组制定的规范分两部分：
  一是802.11物理层相关标准
  二是802.11MAC层相关标准

• 物理层主要是定义了无线协议的工作频段，调制编码方式及最高速度的支持；MAC层主要是做无线网络里面的一些功能，或者是一些具体协议的体现，如QOS是对网络做一个限速，Mesh技术，无线安全标准。
  

1.4.2 IEEE 802.11标准与WiFi的世代

• 2018年10月，WiFi联盟对不同WiFi标准指定了新的命名，802.11ax被命名为WiFi 6，WiFi 4之前不做时代命名。

• 如图所示，基本上所有的标准都是使用OFDM技术，唯有WiFi 6 差异较大， 它的编码方式、空间流数、信道带宽都异于WiFi 4，WiFi 4是四个空间流，WiFi 6 可以做到12条空间流，

• OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。

• OFDM技术由MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

1.4.3 802.11a/b/g差异

1.4.4 802.11n

• 802.11n是无线传输标准协议，它是划时代的技术。它的目标在于改善先前的两项无线网上标准，包括802.11a与802.11g，在网上流量上的不足。

• 它的最大传输速度理论值为600Mbit/s，与先前的54Mbit/s相比有大幅提升，传输距离也会增加。

• IEEE 802.11工作组于2002年成立了高吞吐量（HT）研究组着手制定新一代标准，并于2009年正式颁布基于MIMO-OFDM的802.11n标准，其最显著的是在速率上较之前有了突破性的进展。
  

• 802.11采用多项新技术，带来了全新的用户体验，极大推动了WLAN产业的发展，也使得WiFi的概念深入人心，到现在仍有大量的802.11n终端在网使用。

• 802.11n技术实现了大带宽，给WiFi带来了更大的应用场景。

• 802.11n带来了许多全新技术，802.11n结合物理层和MAC层的优化，来充分提高WLAN技术的吞吐，物理层技术设计的MIMO非常关键，使用MIMO-OFDM 40Mhz、Short GI技术，从而将物理层吞吐提高到600Mbps。

• GI是指由于多径效应的影响，信息将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI干扰，为此802.11a g标准，要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号间，存在0.8us的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval。

• 802.11n除了物理层优化，还对MAC协议层进行了优化，采用Block Ack块确认，帧聚合等技术，大大提高了MAC的效率。如果不对MAC层协议进行优化，仅仅物理层优化，就好比是修建了宽敞的马路，但是没有做好车道的规划，依然快不起来。
  

1.4.5 802.11n关键技术

1.4.6 IEEE 802.11ac标准

• IEEE 802.11ac标准的颁布，使得WLAN技术正式迈入千兆领域，但是该标准仅支持工作在5Ghz频段。
• 2.4Ghz的干扰对他来说都不生效。之前说到的2.4G信道设备，蓝牙、红外都不会对5G网络产生影响，
  
  802.11n突破了原有WiFi标准带宽的瓶颈，它在802.11n基础上，增加了空间流数从4到8，信道从40Mhz增加至160Mhz，更定义了MU-MIMO技术，支持下行多用户并行传输。

1.4.7 IEEE 802.ax标准（又称WiFi 6）

• IEEE 802.11ax，WiFi联盟称为WiFi 6，又称为高效率无线局域网，是无线局域网标准，11ax支持2.4Ghz 和 5Ghz频段，兼容802.11a/b/g/n/ac。
  
  802.11ax为了实现更大带宽，采纳了大多数802.11ac技术之上，又重新定义了OFDMA调制与复用技术，支持更窄的子载波间隔，并使用了1024-QAM调制模式，同时还引入上行MU-MIMO技术，使得WiFi 6 AP的整机理论速率突破10Gbps的同时，进一步提升高密场景下的吞吐量和服务质量。
  
  OFDMA DL/UL技术：OFDM即正交频分复用；A access接入的意思，适用于多用户同时进行；
  MU-MIMO DL/UL：增加支持上行
  1024-QAM：编码技术达到1024-QAM，编码效率变高。
  基本服务器着色：既属于物理层，又属于MAC层，它在物理层增加了 Color的字段，却提供MAC层的功能，作用就是解决同频干扰的问题。通过着色，让终端区分开来两个AP，以达到提升效率作用。
  目标唤醒时间：不同手机对应不同需求，如果不用WiFi模块，可休眠该模块，使用时在激活，既灵活使用，又节约设备供电。
  双NAV机制：数据传输过程中，用于控制是否进行传输，协商与调制的工作机制。

1.4.8 WiFi 6理论速率计算

理解：空间流数量影响传输速率，子载波编码bit数即每个子载波能传输多少个bit，编码率越高越好，有多少个有效的子载波数用来承载数据传输的子载波数量。

1.5 WLAN的关键技术

1.5.1 IEEE 802 与TCP/IP对等模型

• WLAN是一种基于 IEEE 802.11标准的无线局域网技术。
• 802.11标准聚焦在TCP/IP对等模型的下两层：
  数据链路层：实现各种技术，如信道接入、寻址、数据帧校验、错误检测、安全机制等。
  物理层：负责在空口（空中接口）传输比特流，例如频段。
  

1.5.2 802.11物理层技术

• 802.11所采用的无线电物理层使用了三种不同的技术：
  跳频、直接序列、正交频复用（目前主要使用正交频复用，即OFDM）

1.5.3 OFDM

• OFDM是一种特殊的多载波调制技术，其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。各子载波相互正交，扩频调制后的频道可以互相重叠，不但减少了子载波间的干扰，还提高了频谱利用率。
• 当一个子载波到达波峰的时候，另一个子载波幅度为0，即为两个子载波正交无干扰。
• OFDM之所以能够使用相互重叠的子载波，主要是因为定义了副载波，因此可以轻易区分彼此。
  
  信号分三个副载波，每个副载波波峰均为数据编码用，如图圆点。这些副载波之间经过刻意设计，彼此保持正交关系。每个副载波的波峰，此时其它两个副载波的振幅均为0。

OFDM 5Ghz信道

5Ghz信道有52个子载波，每个子载波有312.5Khz，有48个信道传输数据，4个信道用来做相位参考。

OFDM子信道调制技术使用QAM（QAM是Quadrature Amplitude Modulation的缩写，中文译名为“正交振幅调制”），QAM同时利用了载波的振幅和相位来传递信息。

1.6 WLAN基本概念

1.6.1 BSS和BSA

• 组成WLAN的基本单元是基本服务集（BSS），BSS包含一个固定的AP和多个终端。
• AP是BSS的中心，位置固定，AP在哪，BSS就在哪，而终端分布在AP周围，位置相对AP不固定
• AP的覆盖范围称为基本服务区域（BSA），终端可以自由进出BSA，进入BSA的终端才可以和AP通信。
• SSID相当于无线网络的名称，也是无线网络的身份标识，SSID的作用是便于用户辨识。
• BSSID是AP的身份标识，它也是通常所说的MAC地址；
  

1.6.2 VAP

• VAP，即虚拟AP，AP通常支持创建多个虚拟AP（Virtual Access Point），每个VAP对应1个BSS。
• 家用路由器也可以释放两个，2.4G和5G信号。
  

1.6.3 DS

DS（Distribution system ,DS）称为BSS的分布式系统，BSS解决了1个区域内多个终端无线通信，但终端通信往往分散在各个地方，甚至地球另一端，这需要AP连接到更大的网络，就是AP的上行网络，它把不同区域的BSS连起来，让终端可以通信。

1.6.4 ESS（扩展服务集）

• BSS覆盖范围一般是15M，为了覆盖更大面积，可以用多个BSS来扩展。
• 为了消除用户对BSS变化的感知，需要让每个BSS使用相同的SSID，这样用户走到哪，都是同一个WLAN。
• 扩展服务集要求：
  1、两个独立BSS的AP一定要连接到同一个分布式系统
  2、两个SSDI一定要相同
  3、两个BSS一定要有重叠的覆盖区域。

ESS主要提供漫游服务，意思从一个AP移动到另一个AP的覆盖范围，网络不中断。

这种扩展BSS的范围方式称为扩展服务集（Extend services set，ESS），它以BSS为自由单位，让WLAN部署极为灵活。

• 扩展服务集标识（ESSID，即各BSS相同的SSID成了ESS的身份标识，用于对终端通告一个连续的WLAN。
  

1.7 WLAN组网架构即典型组网方案

1.7.1 FAT AP架构（胖AP）

• FAT AP（胖AP）架构，又称为自治式网络架构
• 胖AP架构无需部署集中控制设备（AC），但企业规模大，FAT数量多，且独立工作，缺少统一管理，维护FAT AP十分麻烦，因此，对企业而言，不推荐使用FAT AP架构。
  

1.7.2 AC+FIT架构（瘦AP）

• AC：负责WLAN的接入控制、转发和统计、AP的配置监控、漫游管理、AP的网管代理、安全控制。
• FIT AP：负责802.11报文的加解密、802.11物理层功能、接受AC的管理、空口的统计等。
• AC和AP之间使用的通信协议是CAPWAP
• 相比于FAT AP架构，AC+FIT架构配置和部署更容易、安全性更高、更新和扩展容易。（升级和扩展仅需在AC上操作一次，非常容易）
  

1.7.3 瘦AP组网方式

• 二层与三层组网：
  二层组网：AC与AP在同一广播域，AP通过本地广播可以找到AC，这种方式组网、配置、管理简单，适用于小范围组网，小型企业网络，不适合大型企业复杂、精细化的WLAN组网。

• 建议：AP不超过200台可以考虑本组网方式。
  
  三层组网：
  AC与AP不在同一网段，中间网络必须保证AP与AC之间路由可达，需要进行额外配置才能使得AP发现AC，组网灵活、易扩展。
  这种方式适用于中、大型网络，以大型园区为例，每栋楼都会部署AP进行无线覆盖，AC仅放在核心机房进行统一管控，这样AC和FIT AP间必须采用较为复杂的三层网络。
  

• 直连式与旁挂式组网：
  直连式组网：
  AC同时扮演无线控制器和汇聚交换机功能，AP数据业务和管理业务都由AC集中转发和处理，适用于中小规模网络部署。同时负担有线、无线网络数据，压力较大，不建议使用。
  
  旁挂式组网：
  旁挂式组网是指旁挂在现有网络，仅处理AP的管理业务，不做AP的数据业务处理，适用于网络改造、新建大、中型园区网络场景。
  

• CAPWAP协议

• CAPWAP（无线接入点控制和配置协议）：本协议定义了如何对AP进行管理、业务配置，即AC通过CAPWAP隧道来实现对AP的集中管控。

• CAPWAP隧道功能：
  1、AP对AC的自动发现
  2、AP与AC间的状态维护
  3、AC通过CAPWAP隧道对AP进行管理，业务配置下发
  4、采用隧道转发模式时，AP将STA发出的数据通过CAPWAP隧道实现与AC间的交互。
  

• 数据转发方式：
  1、 直接转发：
  用户数据报文到达AP后，不经过CAPWAP隧道封装而直接转发到上层网络，AC只对AP进行管理，业务数据都是由本地直接转发。优势：数据流量不经过AC，AC负担小，万兆园区网推荐方案。
  
  2、 隧道转发：
  业务数据报文由AP统一封装后到达AC实现转发，AC不但进行对AP管理，还作为AP流量的转发枢纽。
  用户的数据报文经过CAPWAP隧道封装后，再有AC转发到上层网络。优势：数据流和管理流全部经过AC，可以更容易对无线用户实施安全控制策略。流量从汇聚在进入AC，大流量建议使用直接转发的方式。
  
  AC+FIT AP 组网特点对比
  

1.7.4 VLAN与IP规划

• WLAN中VLAN分：管理VLAN和业务VLAN，管理VLAN负责传输CAPWAP隧道转发的报文，包括管理报文和CAPWAP隧道转发的业务数据报文；而业务VLAN负责传输业务数据报文，业务VLAN可以划分成多个，20个跑A部门，30个跑B部门，还可以基于业务性质、基于员工级别划分
• 需要注意的是，管理VLAN和业务VLAN分离，业务VLAN应该根据实际业务与SSID匹配映射关系。
  

1.7.5 业务VLAN和SSID的映射关系

SSID : VLAN = 1 : 1

企业需对区域A和区域B进行WLAN覆盖，希望用户搜索到1个SSID，并采用相同的数据转发控制策略，则SSID和VLAN只需要规划一个。

SSID : VLAN = 1 :N

企业需要对区域A和区域B进行WLAN覆盖，希望用户搜索到WLAN只有1个SSID，同时采用不同的数据转发控制策略，则可规划一个SSID，两个VLAN对应不同区域，此时，SSID : VLAN = 1 : 2。

SSID : VLAN = N : M

企业需要对区域A和B进行WLAN覆盖，用户搜索到WLAN即可了解地点信息等，同时采用不同的数据转发控制策略，则可规划两个SSID，两个VLAN。

1.7.6 IP地址规划

AC的源IP：用于管理AP，一般由手工配置，AP的IP地址，用于AC进行CAPWAP通信，由于AP数量较多，一般使用DHCP服务器动态分配地址，终端IP，建议用DHCP分配地址，对固定无线终端（如无线打印机）可以静态配置。