[架构之路-42]：目标系统 - 系统软件 - Linux下的网络通信-2-无线局域网WIFI原理、WIFI与3G/4G/以太网/蓝牙的协议转换

目录

第1章 无线局域网WIFI概述

1.1 无线局域协议在TCP/IP协议栈中的位置

1.2 无线局域概述

1.3 无线局域网的不足

第2章 无线网卡

第3章 无线 WIFI AP

3.1 WIFI AP概述

3.2 WIFI网络

3.3 无线路由AP的硬件组成

第4章 WIFI与其他协议的转换

4.1 WIFI局域网与以太局域网的协议转换

4.1 WIFI局域网和蓝牙网络的协议转换

4.2 WIFI局域网与3G/4G转换器

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第1章 无线局域网WIFI概述

1.1 无线局域协议在TCP/IP协议栈中的位置

 备注：

（1）WIFI和以太网都是局域网协议

（2）WIFI协议与以太网协议是并行的，属于LLC + MAC层 + 物理层协议。

（3）WIFI并不是以太网协议栈的物理层。

（4）WIFI与以太网之间进行数据交换，必须通过IP层代理才能进行。

1.2 无线局域概述

WLAN是Wireless Local Area Network的简称，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。

无线局域网本质的特点是不再使用有线通信电缆将计算机与网络连接起来，而是通过无线的方式连接，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。

它是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency； RF）的技术，使用电磁波，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，在空中进行通信连接，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

当前，无线局域网广泛用于家庭和办公室。

（1）当采用有线光信号时，为有线光纤以太网。

（2）当采用有线电信号时，为有线双绞线以太网。

（3）当采用无线电磁波信号时，为无线WIFI无线局域网。

在无线局域网WLAN发明之前，人们要想通过网络进行联络和通信，必须先用物理线缆-铜绞线组建一个电子运行的通路，为了提高效率和速度，后来又发明了光纤。当网络发展到一定规模后，人们又发现，这种有线网络无论组建、拆装还是在原有基础上进行重新布局和改建，都非常困难，且成本和代价也非常高，于是WLAN的组网方式应运而生。

WLAN起步于1997年。当年的6月，第一个无线局域网标准IEEE802. 11正式颁布实施，为无线局域网技术提供了统一标准，但当时的传输速率只有1~2 Mbit/s。随后，IEEE委员会又开始制定新的WLAN标准，分别取名为IEEE802.11a和IEEE802. 11b。IEEE802. llb标准首先于1999年9月正式颁布，其速率为11 Mbit/s。经过改进的IEEE802. 11a标准，在2001年年底才正式颁布，它的传输速率可达到54 Mbit/s，几乎是IEEE802. llb标准的5倍。尽管如此，WLAN的应用并未真正开始，因为整个WLAN应用环境并不成熟。

WLAN的真正发展是从2003年3月Intel第一次推出带有WLAN无线网卡芯片模块的迅驰处理器开始的。尽管当时的无线网络环境还非常不成熟，最为发达的美国也不例外。但是由于Intel的捆绑销售，加上迅驰芯片的高性能、低功耗等非常明显的优点，使得许多无线网络服务商看到了商机，同时11 Mbit/s的接入速率在一般的小型局域网也可进行一些日常应用，于是各国的无线网络服务商开始在公共场所（如机场、宾馆、咖啡厅等）提供访问热点，实际上就是布置一些无线访问点( Access Point，AP)，方便移动商务人士无线上网。

第六代无线网络技术（IEEE 802.11.ax）由Wi-Fi联盟正式命名为Wi-Fi6（2.4GHz）和Wi-Fi 6E（6GHz） [6]  。该标准为无线局域网的IEEE标准（WLAN）802.11.ac的下一代，该标准的主要目的是提高高密度场景中每个区域的吞吐量，如办公室、购物中心和住宅公寓。相较于802.11.ac，802.11.ax的标准速率提升了37% [7]  ，吞吐量提升300%

1.3 无线局域网的不足

无线局域网的不足之处：无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域网的不足之处体以下几个方面：

（1）性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。

（2）速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。无线局域网的最大传输速率为1Gbit/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。

（3）安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏。

第2章 无线网卡

无线网卡(英文名称：Wireless network interface controller，缩写为WNIC)是一种终端无线网络设备，它能够帮助计算机连接到无线网络上，例如WiFi或者蓝牙。换句话说无线网卡就是帮助你的电脑连接到无线网的一个装置，但是有了无线网卡也还需要一个可以连接的无线网络，因此就需要配合无线路由器或者无线 AP 使用。

（1）WIFI 射频芯片

• 天线与高频电磁波的发送
• 无线射频调制，无线以太网物理层（射频）
• 数模转换与模数转换

（2）WIFI基带芯片以及对应的协议栈

• WIFI物理层：OFDM调制、多路复用、编码、调制
• WIFI MAC层：MAC层帧（不是以太网MAC层帧）
• WIFI LLC层：无线链路控制

WIFI基带协议栈通常由WIFI芯片厂家提供。

（3）主机：Linux或Windows操作系统

• WIFI驱动程序与Linux协议栈：之间交换的IP数据包，而不是以太网MAC层帧 
• WIFI驱动程序与基带芯片：WIFI MAC层的帧，payload为IP数据包。
• 操作系统：Linux TCP/IP协议栈
• 应用程序：用户空间程序.

WIFI驱动通常由WIFI芯片厂家提供，由设备厂家进行修改、与自身系统的集成等。

第3章 无线 WIFI AP

3.1 WIFI AP概述

无线AP（Access Point）：即无线接入点，它用于无线网络的无线交换机，也是无线网络的核心。无线AP是移动计算机用户进入有线网络的接入点，主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，可以覆盖几十米至上百米。无线AP（又称会话点或存取桥接器）是一个包含很广的名称，它不仅包含单纯性无线接入点（无线AP），同样也是无线路由器（含无线网关、无线网桥）等类设备的统称。

3.2 WIFI网络

3.3 无线路由AP的硬件组成

（1）QCA9588是高通的SoC芯片

• 内部集成了主频为700MHz的CPU
• 内部集成2.4GHz频段的无线管理模块(基带+射频)
• 可支持802.11g（Wi-Fi），并连接到了3路外置的射频前端模块，也就是说2.4GHz支持3根天线。
• 内部集成以太网控制器：负责与以太网交换机的连接。

（2）QCA9880 WIFI基带+射频芯片：

• 通过PCIe连接5GHz频段的无线管理模块(基带+射频)
• 可支持802.11ac（Wi-Fi 5），也连接到了3路外置的射频前端模块，也就是说5GHz也支持3根天线。

（3）以太网交换机

• 10M/100M/1G端口
• 连接PC机或QCA9588内部集成的以太网控制器

（4）有线和无线之间转换的路由

• 必须通过SOC中集成的CPU芯片中的代理软件完成。
• SOC中集成的CPU芯片中的代理软件完成以太网MAC层协议与WIFI MAC层协议的转换。
• 详解：WIFI局域网与以太局域网的协议转换

第4章 WIFI与其他协议的转换

4.1 WIFI局域网与以太局域网的协议转换

（1）WIFI协议栈：三层：

• WIFI 物理层（RF）+ 基带
• WIFI MAC层
• WIFI LLC层

（2）以太网协议栈：二层

• 以太网MAC层
• 以太网物理层

（3）协议转换的代理程序（CPU)

• 负责在以太网协议栈和WIFI协议栈进行转换。
• 它们之间交换的数据为：IP数据包（不是MAC层帧）
• 协议转换的代理程序可以通过串口或PCIe与WIFI、以太网模块相连

4.1 WIFI局域网和蓝牙网络的协议转换

（1）WIFI协议栈分位三层：

• WIFI 物理层（RF）+ 基带
• WIFI MAC层
• WIFI LLC层

（2）蓝牙协议栈

• 蓝牙物理层
• 蓝牙MAC层
• 蓝牙数据链路层L2CAP
• SDP/RFCOMM
• PPP

（3）协议转换的代理程序（CPU)

• 负责在蓝牙协议栈和WIFI协议栈进行转换。
• 它们之间交换的数据为：IP数据包（不是MAC层帧）
• 协议转换的代理程序可以通过串口或PCIe与WIFI、蓝牙模块相连

4.2 WIFI局域网与3G/4G转换器