無線局域網技術淺談
2019-11-03 19:30:02
供稿：網友
韓昆 金然
摘 要：主要介紹了無線局域網的概念、特點，以及幾種無線局域網的協議標準和安全技術。
關鍵詞：無線局域網；ＷＬＡＮ；藍牙；ＨｏｍｅＲＦ；ＨｉｐｅｒＬＡＮ；ＩＥＥＥ802．11Ｘ
1 前言
隨著網絡的飛速發展，筆記本電腦的普及，人們對移動辦公的要求越來越高。傳統的有線局域網要受到布線的限制，如果建筑物中沒有預留的線路，布線以及調試的工程量將非常大，而且線路容易損壞，給維護和擴容等帶來不便，網絡中的各節點的搬遷和移動也非常麻煩。因此高效快捷、組網靈活的無線局域網應運而生。
2 無線局域網介紹
無線局域網ＷＬＡＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。它以無線多址信道作為傳輸媒介，利用電磁波完成數據交互，實現傳統有線局域網的功能。無線局域網具有以下特點：
?。?）安裝便捷
無線局域網免去了大量的布線工作，只需要安裝一個或多個無線訪問點（ａｃｃｅｓｓ ｐｏｉｎｔ，ＡＰ）就可覆蓋整個建筑的局域網絡，而且便于管理、維護。
?。?）高移動性
在無線局域網中，各節點可隨意移動，不受地理位置的限制。目前，ＡＰ可覆蓋10～100 ｍ。在無線信號覆蓋的范圍內，均可以接入網絡，而且ＷＬＡＮ能夠在不同運營商、不同國家的網絡間漫游。
?。?）易擴展性
無線局域網有多種配置方式，每個ＡＰ可支持100多個用戶的接入，只需在現有無線局域網基礎上增加ＡＰ，就可以將幾個用戶的小型網絡擴展為幾千用戶的大型網絡。
3 無線局域網技術
3．1 藍牙技術
藍牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技術是一種短距的無線通訊技術，工作在2．4 ＧＨｚ ＩＳＭ頻段，其面向移動設備間的小范圍連接，通過統一的短距離無線鏈路，在各種數字設備間實現靈活、安全、低成本、小功耗的話音以及數據通信。主要技術特點如下：
?。?）藍牙的指定范圍是10 ｍ，在加入額外的功率放大器后，可以將距離擴展到100 ｍ。輔助的基帶硬件可以支持4個或者更多的語音信道。
（2）提供低價、大容量的語音和數據網絡，最高數據傳輸速率為723．2ｋｂ／ｓ。
?。?）使用快速跳頻（1 600跳／ｓ）避免干擾，在干擾下，使用短數據幀來盡可能增大容量。
?。?）支持單點和多點連接，可采用無線方式將若干藍牙設備連成一個微波網，多個微波網又可互連稱特殊分散網，形成靈活的多重微波網的拓撲結構，從而實現各類設備之間的快速通信。
（5）任一藍牙設備，都可根據ＩＥＥＥ 802標準得到一個唯一的48 ｂｉｔ的地址碼，保證完成通信過程中設備的鑒權和通信的保密安全。
（6）采用ＴＤＤ方案來實現全雙工傳輸，藍牙的一個基帶幀包括兩個分組，首先是發送分組，然后是接收分組。藍牙系統既支持電路交換也支持分組交換，支持實時同步定向聯接和非實時的異步不定向聯接。
3．2 ＨｏｍｅＲＦ
?。龋铮恚澹遥萍夹g是由ＨＲＦＷＧ（ｈｏｍｅ ＲＦ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇｒｏｕｐ）工作組開發的，該工作組1998年成立，主要由Ｉｎｔｅｌ、ＩＢＭ、Ｃｏｍｐａｎｑ、3ｃｏｍ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ等幾家大公司組成，旨在制定ＰＣ和用戶電子設備之間無線數字通信的開放性工業標準，為家庭用戶建立具有互操作性的音頻和數據通信網，ＨｏｍｅＲＦ采用了ＩＥＥＥ 802．11標準的ＣＳＭＡ／ＣＡ模式，以競爭的方式來獲取信道的控制權，在一個時間點上只能有一個接入點在網絡中傳輸數據，提供了對“流業務”的真正意義上的支持，規定了高級別的優先權并采用了帶有優先權的重發機制，確保了實時性“流業務”所需的帶寬（2～11 Ｍｂ／ｓ）和低干擾、低誤碼。
ＨｏｍｅＲＦ是針對現有無線通信標準的綜合和改進，當進行數據通信時，采用ＩＥＥＥ 802．11規范中的ＴＣＰ／ＩＰ傳輸協議；進行語音通信時，則采用數字增強型無繩通信標準。因此，接收端必須捕獲傳輸信號的數據頭和幾個數據包，判斷是音頻還是數據包，進而切換到相應的模式。
ＨｏｍｅＲＦ采用對等網的結構，每一個節點相對獨立，不受中央節點的控制。因此，任何一個節點離開網絡都不會影響其它節點的正常工作。3．3 ＨｉｐｅｒＬＡＮ
?。龋椋穑澹颍蹋粒危ǎ瑁椋纾?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒａｄｉｏ ＬＡＮ）是由歐洲電信標準化協會（ＥＴＳＩ）的寬帶無線電接入網絡（ＢＲＡＮ）小組制定的無線局域網標準，已推出ＨｉｐｅｒＬＡＮ1和ＨｉｐｅｒＬＡＮ2兩個版本。ＨｉｐｅｒＬＡＮ1由于數據傳輸速率較低，沒有流行推廣。ＨｉｐｅｒＬＡＮ2在歐洲得到了比較廣泛的支持，是目前比較完善的ＷＬＡＮ協議標準，它具有如下特點：
?。?）高速的數據傳輸速率
?。龋椋穑澹颍蹋粒喂ぷ髟? ＧＨｚ頻段，采用了正交頻分復用（ＯＦＤＭ）的調制，數據是通過ＭＴ和ＡＰ之間事先建立的信令鏈接進行傳輸的，可達到54 Ｍｂ／ｓ的傳輸速率。
?。?）自動頻率分配
?。粒性诠ぷ鞯倪^程中同時監聽環境干擾信息和鄰近的ＡＰ，進而根據無線信道是否被其它ＡＰ占用和環境干擾最小化的原則選擇最合適的信道，自動頻率分配是ＨｉｐｅｒＬＡＮ2的最大特色。
?。?）安全性支持
?。龋椋穑澹颍蹋粒?網絡支持鑒權和加密。通過鑒權，使得只有合法的用戶可以接入網絡，而且只能接入通過鑒權的有效網絡。
?。?）移動性支持
在ＨｉｐｅｒＬＡＮ2中，ＭＴ必須通過“最近”的ＡＰ，或者說信噪比最高的ＡＰ來傳輸數據。因此當ＭＴ移動時，必須隨時檢測附近的ＡＰ，一旦發現其它ＡＰ有比當前ＡＰ更好的傳輸性能，就請求切換。切換之后，所有已經建立的鏈接將轉移到新的ＡＰ之上，在切換過程中，通信不會中斷。
?。?）網絡與應用的獨立性
?。龋椋穑澹颍蹋粒蔚膮f議棧具有很大的靈活性，可以適應多種固定網絡類型。因此ＨｉｐｅｒＬＡＮ2網絡既可以作為交換式以太網的無線接入子網，也可以作為第三代蜂窩網絡的接入網，并且這種接入對于網絡層以上的用戶部分來說是完全透明的。3．4 ＩＥＥＥ 802．11ｘ
?。?）ＩＥＥＥ 802．11
1990年ＩＥＥＥ 802標準化委員會成立ＩＥＥＥ 802．11無線局域網標準工作組，主要研究工作在2．4 ＧＨｚ開放頻段的無線設備和網絡發展的全球標準。1997年6月，提出ＩＥＥＥ 802．11（別名：Ｗｉ－Ｆｉ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｆｉｄｅｌｉｔｙ，無線保真）標準，標準中物理層定義了數據傳輸的信號特征和調制。在物理層中，定義了兩個ＲＦ傳輸方法和一個紅外線傳輸方法，ＲＦ傳輸方法采用擴頻調制技術來滿足絕大多數國家工作規范。在該標準中ＲＦ傳輸標準是跳頻擴頻（ＦＨＳＳ）和直接序列擴頻（ＤＳＳＳ），工作在2．400 0～2．483 5 ＧＨｚ頻段。直接序列擴頻采用ＢＰＳＫ和ＤＱＰＳＫ調制技術，支持1 Ｍｂ／ｓ和2 Ｍｂ／ｓ數據速率，使用11位Ｂａｒｋｅｒ序列，處理增益10．4 ｄＢ。跳頻擴頻采用2～4電平ＧＦＳＫ調制技術，支持1 Ｍｂ／ｓ數據速率，共有22組跳頻圖案，包括79信道，在美國規定最低跳頻速率為2．5跳／ｓ。紅外線傳輸方法工作在850～950 ｎｍ段，峰值功率為2 Ｗ，使用4或16電平ｐｕｌｓｅ－ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ調制技術，支持數據速率為1 Ｍｂ／ｓ和2 Ｍｂ／ｓ。
?。?）ＩＥＥＥ 802．11ｂ
1999年9月ＩＥＥＥ 802．11ｂ被正式批準，它是在ＩＥＥＥ 802．11的基礎上的進一步擴展，采用直接序列擴頻（ＤＳＳＳ）技術和補償編碼鍵控（ＣＣＫ）調制方式，其物理層分為ＰＬＣＰ和ＰＭＤ子層。ＰＬＣＰ是專為寫入ＭＡＣ子層而準備的一個通用接口，并且提供載波監聽和無干擾信道的評估；ＰＭＤ子層則承擔無線編碼的任務。ＩＥＥＥ 802．11ｂ實行動態傳輸速率，允許數據速率根據噪音狀況在1 Ｍｂ／ｓ、2 Ｍｂ／ｓ、5．5 Ｍｂ／ｓ、11 Ｍｂ／ｓ等多種速率下自行調整。
?。?）ＩＥＥＥ 802．11ａ
?。桑牛牛?802．11ａ也是ＩＥＥＥ 802．11標準的補充，采用正交頻分復用（ＯＦＤＭ）的獨特擴頻技術和ＱＦＳＫ調制方式，大大提高了傳輸速率和整體信號質量。ＩＥＥＥ 802．11ａ和ＩＥＥＥ 802．11ｂ都采用ＣＳＭＡ／ＣＡ協議，但物理層有很大的不同，802．11ｂ工作在2．400 0～2．483 5 ＧＨｚ頻段，而802．11ａ工作在5．15～8．825 ＧＨｚ頻段，數據傳輸速率可達到54 Ｍｂ／ｓ。
?。?）ＩＥＥ 802．11ｇ
2001年11月，ＩＥＥＥ 802實驗性地批準一種新技術802．11ｇ。它是一種混合標準，有兩種調制方式：802．11ｂ中采用的ＣＣＫ和802．11ａ中采用的ＯＦＤＭ。因此，它既可以在2．4 ＧＨｚ頻段提供11 Ｍｂ／ｓ數據傳輸速率，也可以在5 ＧＨｚ頻段提供54 Ｍｂ／ｓ數據傳輸速率。
?。?）ＩＥＥＥ 802．11ｉ
?。桑牛牛?802．11ｉ對ＷＬＡＮ的ＭＡＣ層進行了修改與整合，定義了嚴格的加密格式和鑒權機制，以改善ＷＬＡＮ的安全性。主要包括兩項內容：Ｗｉ－Ｆｉ保護訪問（ＷＰＡ）和強健安全網絡（ＲＳＮ），并于2004年初開始實行。
?。?）ＩＥＥＥ 802．11ｅ／ｆ／ｈ
ＩＥＥＥ 802．11ｅ標準對ＷＬＡＮ ＭＡＣ層協議提出改進，以支持多媒體傳輸，以支持所有ＷＬＡＮ無線廣播接口的服務質量保證ＱＯＳ機制。
?。桑牛牛?802．11ｆ，定義訪問節點之間的通訊，支持ＩＥＥＥ 802．11的接入點互操作協議（ＩＡＰＰ）。
ＩＥＥＥ 802．11ｈ用于802．11ａ的頻譜管理技術。
4 無線局域網的安全性
由于無線局域網采用公共的電磁波作為載體，更容易受到非法用戶入侵和數據竊聽。無線局域網必須考慮的安全因素有三個：信息保密、身份驗證和訪問控制。為了保障無線局域網的安全，主要有以下幾種技術：
?。?） 物理地址（ＭＡＣ）過濾
每個無線工作站的無線網卡都有唯一的物理地址，類似以太網物理地址。可以在ＡＰ中建立允許訪問的ＭＡＣ地址列表，如果ＡＰ數量太多，還可以實現所有ＡＰ統一的無線網卡ＭＡＣ地址列表，現在的ＡＰ也支持無線網卡ＭＡＣ地址的集中Ｒａｄｉｕｓ認證。這種方法要求ＭＡＣ地址列表必需隨時更新，可擴展性差。
?。?）服務集標識符（ＳＳＩＤ）匹配
對ＡＰ設置不同的ＳＳＩＤ，無線工作站必須出示正確的ＳＳＩＤ才能訪問ＡＰ，這樣就可以允許不同的用戶群組接入，并區別限制對資源的訪問。
（3）有線等效保密（ＷＥＰ）
有線等效保密協議是由802．11標準定義的，用于在無線局域網中保護鏈路層數據。ＷＥＰ使用40位鑰匙，采用ＲＳＡ開發的ＲＣ4對稱加密算法，在鏈路層加密數據。ＷＥＰ加密采用靜態的保密密鑰，各無線工作站使用相同的密鑰訪問無線網絡。ＷＥＰ也提供認證功能，當加密機制功能啟用，客戶端要嘗試連接上ＡＰ時，ＡＰ會發出一個Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｐａｃｋｅｔ給客戶端，客戶端再利用共享密鑰將此值加密后送回存取點以進行認證比對，如果正確無誤，才能獲準存取網絡的資源。40位ＷＥＰ具有很好的互操作性，所有通過Ｗｉ－Ｆｉ 組織認證的產品都可以實現ＷＥＰ互操作?，F在的ＷＥＰ也一般支持128位的鑰匙，能夠提供更高等級的安全加密。
（4）虛擬專用網絡（ＶＰＮ）
?。郑校危ǎ觯椋颍簦酰幔?ｐｒｉｖａｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）是指在一個公共的ＩＰ網絡平臺上通過隧道以及加密技術保證專用數據的網絡安全性，它主要采用ＤＥＳ、3ＤＥＳ以及ＡＥＳ等技術來保障數據傳輸的安全。
（5）Ｗｉ－Ｆｉ保護訪問（ＷＰＡ）
?。祝校粒ǎ鳎椋妫?ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ａｃｃｅｓｓ）技術是在2003年正式提出并推行的的一項無線局域網安全技術，將成為代替ＷＥＰ的無線。 ＷＰＡ是ＩＥＥＥ 802．11ｉ的一個子集，其核心就是ＩＥＥＥ 802．1ｘ和ＴＫＩＰ（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｋｅｙ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌ） 。新一代的加密技術ＴＫＩＰ與ＷＥＰ一樣基于ＲＣ4加密算法，且對現有的ＷＥＰ進行了改進，在現有的ＷＥＰ加密引擎中增加了密鑰細分（每發一個包重新生成一個新的密鑰）、消息完整性檢查（ＭＩＣ）、具有序列功能的初始向量、密鑰生成和定期更新功能等4種算法，極大地提高了加密安全強度。
另外ＷＰＡ增加了為無線客戶端和無線ＡＰ提供認證的ＩＥＥＥ 802．1ｘ的ＲＡＤＩＵＳ機制。5 結束語
以上介紹了無線局域網的概念、特點，以及無線局域網的協議標準和安全技術。無線局域網把網絡和移動應用有機地結合在一起，克服了有線局域網的不足，隨著各種技術、標準的完善，無線局域網將越來越成熟，為人們提供一個高速、靈活的多媒體網絡。
摘自 天津通信技術
