要害詞：寬帶；無線接入；信息安全；無線城域網
Abstract:The short-distance (<300 m) wireless access technologies, especially Wi-Fi (IEEE E802.11, WLAN), have been rapidly developed and become strong rivals to access technologies sUCh as 2.5G (GPRS), 3G, 4G, WAP, Bluetooth and infrared. And in the battle for "The Last Mile", WiMax (IEEE 802.16, WWAN) has become a powerful competitor to the wired broadband subcarrier (DSL) access and optical access technologies. Meanwhile, Ultra Wideband (UWB) technology has become the hot spot of current wireless access technology since it can provide users with more convenient high-speed multimedia access modes. The paper introduces the latest development of wireless access technologies, along with relevant standards, and also discusses issues related to information security.
Key Words:wireless access; information security; wireless MAN
1 無線接入技術的發展
當前信息技術發展中最突出的是網絡技術，網絡是構成信息社會的基礎?！癊verything over ip”是信息傳送的一個必然趨勢，光IP、衛星IP、移動IP等在蓬勃發展中。無線通信、光通信和Internet技術將融合為一體。
無線接入是網絡技術最為活躍、發展最快的一個方向。無線接入的方式包括：
WLAN(WiFi-IEEE 802.11、WAIP、HiperLAN)、GPRS(Generalized Packet Radio Service)、3G/4G、WAP(構成WPAN)、Bluetooth(構成WPAN)、IrDA(紅外、構成WPAN)、HomeRF(構成WPAN)、UWB(超寬帶，構成WPAN)、Wi-Max(802.16，構成WWAN，WMAN)、衛星(構成WWAN)等。
表1給出幾種無線接入技術標準的主要參數。
各種無線接入技術之間進行著激烈的爭戰。無線接入技術的未來將在以802.1x構建的WLAN和3G、4G蜂窩移動系統之間進行競爭。Steve Weinstein預言，3G可能會敗給基于802.1x的WLAN[1，2]。但也有人認為，WLAN將取代3G之類的說法是片面的、不正確的。它們之間的區分簡述如下：
未來的無線通信不是哪一種最好的技術取勝的問題，也不是所有列出的技術相加在一起。應當是遠景發展和當前技術、市場、客戶的選擇、商家的經營治理、研究者的觀點等的綜合加權的結果。某些技術適用于移動無線通信，某些技術更適用于固定無線通信，另一些則適用于語音通信，還有一些則更適用于數據通信。某些技術成本過高在未來不會有太大的發展，有些新的技術不一定會競爭得過已經廣泛配置的技術，有些誘人的技術可能翻車，有些看起來簡單的技術可能成為殺手锏。如小靈通、短信技術。更多的可能是兩種，或更多種技術相互補充、相互融合，實現更好的效益和服務。
2 最后一英里的爭戰
Internet、電話和電纜公司一直在如何領悟消費者的想法和意愿上進行爭論。爭論的焦點是在通向家庭和企業的最后一英里鏈路到戶的技術中，目標是提供具有競爭力的帶寬、數據速率和成本。在這些接入技術中，除了無線技術外，還有雙絞銅線、電力線、光纖等技術。利用電力線的接入技術與其他接入技術相比沒有太大的優勢。
電話公司一直在努力推進經由雙絞線采用DSL技術的數據業務，由于數據率不夠高、月租費用高、無移動性，很可能在蓬勃發展的寬帶變革中失去機會。
2.1 全光連通業務的發展
在美國，幸運的家庭和企業可在2005年前期享受到全光連通業務[3]。目前貝爾在美國4個區域中的3個運營公司(RBOCs或Bahy Bell、Verizon、Bell South和SBC)開展光連工作。3個公司中Verizon通信公司(紐約)早已有了最雄心勃勃的計劃，在今后10～15年，要將光纖連接到它所服務區中的每個企業和家庭，估計需要的費用達400億美元。
客戶對于帶寬的需求穩步增長是推動這一計劃實施的強大動力。2003年5月，Verizon、Bell South和SBC一起討論，對光纖到Curb的通用器件組的規范達成一致意見，并正在研究開發商對該規范的反饋意見。這3個公司可為用戶建設20 Mb/s或為電纜Modem提供40倍速率的Fiber-to-the-Curb網絡，以便遍布式地讓客戶實現高速文件共享、電視會議、按需提供電視和多種多樣高速業務。典型的Optical-to-the-curb網絡有3個載波，每個都是無源的，即在中心局和客戶間沒有功率放大器件，光纖長度與現在用的銅線差不多，可以為32個用戶提供服務。
這一技術對于電纜Modem和DSL都是很大的威脅。美國自1966年以來，對網絡的改進已投資750億美元。但全光纖本地環路的建設并達到代替銅線的目標可能要花上7～10年甚至更長時間，所以DSL還有一定的存在時間及增長空間。
2.2 無線局域網絡(WLAN)迅速發展，城域網(MAN)首次雄起
在美國，已廣泛實現了IEEE 802.11用于家庭、咖啡廳、機場和辦公室的連接，正在掀起下一代寬帶無線城域網建設的浪潮。采用IEEE 802.16實現鄰域、村鎮、城市間的連接，已完成無線寬帶業務(250～1 000 kb/s)的試驗，其最后一英里采用無線接入的方式實現，高速寬帶業務的月租金為25美元。2003年9月建立的IEEE標準802.11n工作組，目標是要將Wi-Fi的數據率增大到
100 Mb/s，是802.11g的5倍和802.11b的17～20倍。但這樣做不如降低802.11n的數據率以增大其工作距離，從而可以和DSL技術相競爭。
最近，WiMax在美國非常熱。它是基于IEEE 802.16標準的技術，是利用無線發射塔或天線，使用戶以無線形式直接接入寬帶高速數據網絡。WiMax接入速率高達75 Mb/s，勝過有線DSL技術，最大距離可達50 km，覆蓋半徑達1.6 km?？梢栽?.8 GHz、3.5 GHz和2.5 GHz這三個擁有許可證的頻段上運行[4]。
WiMAX的最初(802.16a)目標為寬帶無線接入城域網(BWA MAN)技術，亦常稱為IEEE Wireless MAN，提供城域網點對多點的寬帶無線接入手段。IEEE 802.16d是無線城域網WMAN OFDM規范，OFDM技術的引入，使WiMax可有效對抗微波寬帶傳輸的多徑效應。IEEE 805.16e是在IEEE 802.16a基礎上的改進，有效延伸了WLAN的連接距離，進一步促進了WLAN的發展。
在Intel等公司推動下，2003年4月建立了WiMax論壇，目前已有Intel、Alvarion、Siemens、Alcatel、AT&T、中國移動、Covad Com等在內約80家成員。
WiMax標準與Wi-Fi標準是兩個不同的標準，它不是Wi-Fi的擴展。Wi-Fi是802.11工作組制定的WLAN標準，為用戶提供近距離(如家庭，辦公室)無線接入Internet，而WiMax是一種替代寬帶有線接入的無線接入技術，是用戶實現遠距離寬帶接入的新方法，比有線更便宜、更便捷。其典型的應用是以一個WiMax接收機，通過家中的Wi-Fi路由器將所有計算機、PDF等連接起來。
兩個標準有不同的芯片組、不同的業務質量和安全框架，它們可以運行在不同的頻段上，其運行的無線環境也不相同。
由于Wi-Fi和WiMax運行在不同的媒質接入控制層，故兩者之間沒有競爭關系。兩個網絡器件可以通過物理網相互查詢，進行通信。
Wi-Fi的天線是全向的，可以找到一個AP，而WiMax器件一定要面向一個接入點，即基站。Wi-Fi彼此期望能相互聽到，若網絡忙就暫停傳送。WiMax要通過控制協議，僅當被基站指令時，用戶才傳送。
WiMax主要用于構筑一個固定點對多點的終端網絡，可為數百、甚至數千個用戶通過一個固定點的無線塔接入網絡。WiMax不適用于LAN。
便攜機和PDA最好采用兩個標準的芯片組以便用于雙或三頻段蜂窩電話的不同協議。IEEE已于今年6月批準WiMax無線寬帶標準，這將給WiMax技術提供一個發展良機，必將推動WiMax進入一個新階段。WiMax技術是一項極具前景的無線寬帶技術。它可望成為未來家庭寬頻上網的最后一英里解決方案。普遍認為，未來5年內WiMax的熱潮將與近2年來的Wi-Fi一樣。還有人認為，無線城域網技術WiMax的發展速度將高于無線局域網技術Wi-Fi。預計，WiMax技術將從2006年開始用于筆記本電腦產品中。因此，與Wi-Fi在內的其他無線寬帶標準一樣，WiMax很有可能成為未來的主流寬帶技術。包括Intel在內的許多公司都在大力推進這一技術的產品開發和基礎設施建設。
WiMax具備相當的技術和價格優勢，易于實施，例如服務商無需創建新的基礎設施，因此可以大幅降低寬帶運營商的成本。同時，它還非凡適用于經濟不發達、邊遠地區，可以進一步擴大運營商的寬帶市場份額。
IEEE 802.21標準目前正在制定中。IEEE 802.21不僅能使用戶接入同一網絡的不同區域，還可以接入到不同類型的網絡，例如你的PDA可以接入Wi-Fi的熱點，也能自動轉換到WiMax或蜂房數據網，這將要求現有網絡增加移動性，IEEE 802.16委員會也在考慮這一要求。當前最迫切的任務是盡快完成IEEE 802.21標準的一致性測試，保證接入器件互通性。要使IEEE 802.21產品化并推廣使用，可能需要10年或更多時間進行市場開發。
2.3 超寬帶：無插接多媒體的發展
2003年6月，由HP、Infincon、Intel、Microsoft、Mitsubishi、Panasonic、Philips、Samsung和Texas Instruments聯合組成了MultiBand OFPM Alliance，成為IEEE’s ultra wideband任務組，共同起草UWB標準。此舉將加速家用多媒體網的革命，潛在商機巨大。
UWB可以無線方式將設備互聯，實現諸如將數字攝像機圖像下載到計算機、將HDTV信號從一個接收機配發到多個TV中、將打印機連到計算機等信息傳輸[5，6]。UWB也可以配置到多種器件中并取代設備間的多種電纜連接，進而大大提高設備的集成度，如玩具、同步鐘控、測溫計、游戲機、醫療器械、DVD、PC、Tablet PC等等。UWB使用頻段為3.1 GHz～10.6 GHz(有7.5 GHz)，傳送至少500 MHz數據信號。功率遠小于蜂窩電話所答應的3 mW，技術源于軍事通信。UWB涉及低功率極短的脈串(10～1 000 ps)的傳送，占據帶寬數百兆赫茲到幾個吉赫茲，無需載波調制，采用脈沖調制。
UWB的優點：
(1)擁擠的干擾無線環境下工作的很好，因為它工作在極寬頻帶上(脈沖)；
(2)功率譜密度低，對其他設備的影響??；
(3)交互作用范圍小，可在小區域中安排多個獨立鏈接，非凡適用于戶內工作。
在室內環境下，脈沖電波的多徑延遲擴展一般為數納秒，遠大于UWB信號脈沖寬度，因此，這種回波信號可以累加在一起改善接收機性能，具有抗衰落能力。而在802.11b(Wi-Fi)情況下信號的脈沖寬度大，而帶寬要窄得多。
UWB受到的干擾：
(1)GPS信號，3.1 GHz更低的頻率；
(2)IEEE 802.11a的WLAM中5 GHz信號干擾。
802.15.3a將UWB分裂為分離的部分，可有效地避開5 GHz干擾。但實際上很少采用，工作組在尋求其他途徑。Mitsubishi Electric Corp(東京)曾實現這種分裂帶的方式。工作組的其他人則更傾向于基于載波的分解，三個公司(Xtreme Spectrum、Motorola and Partus-Cerva)傾向于直接序列碼分多址(CDMA)技術。Xtreme Spectrum的方案為100 Mb/s，功耗200 mW。至少有20個公司支持由Intel和Texas Instruments提出的建議，組合OFDM和跳頻，從一個答應頻段跳到另一個答應頻段，構成MultiBand OFDM。正交頻分多路復用在IEEE 802.11a和g上工作得很好，這里也采用了基于載波的技術，但不是用一個載波，而是采用多個載波，其中每個都可以單獨控制。在噪聲大的頻段，采用低數據率，以保證精確解調。個別載波可能完全不能傳信，可以避開。這種“灌水”原理在5 GHz四周輕易實現。
UWB的各個重要方面，如安全性、自動用戶識別、認證、授權等，設計者充分考慮了前幾代無線技術的經驗教訓。UWB將可和下一代IEEE 802.11安全機制協同，UWB的開發者試圖影響即插即用的主體工作，即USB和IEEE標準1394(即FireWire)。IEEE 802.15.3a任務組在認證上做出了很大努力，如對DVD播放機和電視顯示器都有UIUB接口。如何判定在不同房間的兩個器件工作正常，對Bluetooth也有同樣的問題。Bluetooth也是實現短距離，低功率無線數傳。Bluetooth這一投資數百萬美元、許多公司卷入，進行大量的R&D和多年標準化工作研究的技術，可能由于UWB技術出現而走向衰亡。
但Bluetooth認證方式仍在UWB中使用，UWB可能需要“Authentication button”。Intel非凡對UWB用于無線USB連接感愛好，并可能建立一個標準的CMOS處理器，這又是Intel核心聚財技術之一(Xtreme Speetrum的芯片組包括一個silicon-germanium芯片)。Intel并非是唯一用CMOS實現UWB芯片的公司，Staccato Communications自1996年就從事UWB，并希望在2005年推出第一個成品。CMOS是主要的半導體技術，其體積、成本、可靠性和功耗等性能比同類其他半導體均具優勢，在UWB上這些優點更為突出。從成本上看，在美國，每個載波的費用達400美元/載波，光纖代替銅線，數據速率高但成本更高，要掘溝、鉆墻，光纖到戶還需要10年。
DSL可覆蓋3 600 m(家用)或5 000 m(辦公用)，一個無線基站的工作范圍10～15 km。DSL租金為105美元/月(辦公用)，55美元/月（家用），而光纜為35～40美元/月。
一個無線基站要420萬美元，可為5 000 km2中的6 000個家庭服務，每年可回收250萬美元，而200 km2的DSL要投資1 100萬美元，而用無線只要450萬美元。光纖固定網安裝成本過高，這讓WiMax技術成為更具成本效益的替代解決方案。
3 無線接入網的安全性
無線接入技術與其他技術相比，雖具有很強的競爭性，但它的固有弱點是安全性上不如有線技術。在有線技術環境，攻擊者難于接入網絡，易于被發現；但在無線網環境下，攻擊者更易于接入而難于被發現。認真研究和解決無線接入網的安全是發展無線接入技術的要害。802.11協議是關于無線局域網的協議標準，它定義在MAC層上，經歷從802.11a、802.11b到802.11g、802.1x，即將到802.11i的演化過程。目前在實際應用中WLAN產品大量采用的是802.11b標準。
802.11標準規定無線局域網有3種基本的接入AP的安全措施：
服務區別號(SSID)可以將一個無線局域網分成多個接入子網，同一個無線子網中的AP、Station具有相同的SSID。無線Station必須出示正確的SSID才能訪問AP，SSID可以被看作是一個簡單的口令。每一塊無線網卡像有線網卡一樣都具有唯一的物理地址標識，即MAC地址?？梢允止ぞS護一組答應或拒絕訪問的MAC地址列表，用來進行物理地址過濾。物理地址過濾屬于硬件認證，不屬于用戶認證。在MAC地址列表中手工增刪用戶的MAC地址，這種方式只適合小型網絡。
WEP協議的安全目標是：
從實質上看，WEP應提供與有線網絡等同的安全性。WEP是一個保護鏈路層通信安全的協議，而不提供端到端的安全解決方案。在Ad hoc網絡中不能使用WEP，因為該種網絡沒有AP。但由于設上的缺陷，使WEP存在：
同時，WEP沒有定義密鑰治理機制，目前WEP密鑰都是采用手工治理方式。此外，在初始化矢量選擇、利用上存有嚴重缺陷，為攻擊者提供了機會。
治理上的不完善也是影響WLAN安全的重要因素。對802.11b標準的安全曾提出了很多改進措施，提出了TKIP，仍基于RC-4算法和802.1x協議。TKIP實現了動態密鑰更新，并提出兩項解決方案，即增加一個IV的雜湊函數和一個新的消息完整性校驗算法。IV的雜湊函數將IV與數據組一起雜湊，IV不再以明文形式出現。新采用的消息完整性校驗算法將克服Berkeley研究者所發現的CRC的弱點。TKIP是一個短期的過渡方案。2001年6月，IEEE公布了802.1x標準，用于在用戶終端和AP之間建立起經過認證的安全連接。它的核心是可擴展認證協議EAP，實質是對通信端口進行認證。假如認證通過，AP為Station打開邏輯通信端口，否則拒絕Station的接入請求。802.1x標準要求無線工作站安裝802.1x客戶端軟件，AP要內嵌802.1x認證代理，將用戶認證信息轉發給RADIUS(遠程用戶接入認證服務)服務器，由RADIUS服務器來進行認證。
在802.1x標準中沒有指定采用哪種認證協議，EAP只是一種封裝協議，可以選用不同的認證協議，如Kerberos、EAP－TLS等。802.1x為Station和AP之間進行認證和分發加密密鑰設計，可以動態生成加密密鑰。
802.1x除提供端口訪問控制能力以外，還提供基于用戶的認證系統和計費功能，非凡適用于公共場合(如賓館、候機室)的無線接入解決方案。為了完善802.11的安全性，IEEE在2004年6月24日批準了802.11i標準，標準的支持者認為這為改善無線網絡的安全性鋪平了道路。802.11i可能立即對VPN基礎架構產生影響，使其在企業網絡中居于次要地位。最興奮是英特爾，英特爾的所有迅馳芯片組都符合這一標準，包括較早的型號。
銷售商已經在推出符合802.11安全協議的硬件產品了，但是軟件要到九月才能正式推出?！癢i-Fi Alliance”到時將開始相互可操作性測試，確保設備之間能夠相互對話。符合802.11i的設備將被批準為符合WPA2(第二代有保護的Wi-Fi接入)。
802.11i加密協議以AES(先進加密標準)為基礎，符合用于保護敏感信息的“聯邦信息處理標準140-2標準”。新標準將給Wi-Fi卡添加第二層安全性，對于企業內部通信的無線網絡，無需用VPN，只是在遠程接入時，才須啟用VPN。
這種安全標準為了增強WLAN的數據加密和認證性能，定義了RSN(Robust Security Network)的概念，并且針對WEP加密機制的各種缺陷做了多方面的改進。IEEE 802.11i為無線LAN增加了更多的安全業務，并提供媒體接入控制(MAC)和無線網的物理層接入控制。認證方案根據802.1x擴充認證協議(EAP)，最終使用WLAN建立多種類型認證證書。從長遠來看，802.11i采用高級加密標準(AES)為加密業務提供了框架。IEEE 802.11i規定使用802.1x認證和密鑰治理方式，在數據加密方面，定義了TKIP(Temporal Key Integrity Protocol)、CCMP(Counter-Mode/CBC-MAC Protocol)和WRAP(Wireless Robust Authenticated Protocol)3種加密機制。
(1)TKIP采用WEP機制里的RC4作為核心加密算法，可以通過在現有的設備上升級固件和驅動程序的方法提高WLAN安全，與當前WEP中所用算法兼容。
(2)CCMP機制基于AES加密算法和CCM認證方式，使得WLAN的安全程度大大提高，是實現RSN的強制性要求。由于AES對硬件要求比較高，因此CCMP無法通過在現有設備的基礎上進行升級實現。
(3)WRAP機制基于AES加密算法和OCB(Offset Codebook)，是一種可選的加密機制。802.16標準的安全問題。制訂802.16標準的目的是解決最后一英里的無線接入，即WMAN問題。802.16標準的安全設計，又一次參考了用于解決電纜最后一英里接入的標準DOCSIS，但無線環境下的802.16和有線環境下的DOCSIS有不同的威脅模型，因此要接受802.11的經驗，避免重蹈覆轍。對于802.16標準，無線業界多數人認為其安全性弱主要是因為采用56比特DES所致，這是一種誤解。Johnston與Walker[7]研究、分析了這一標準的缺陷，并提出改進措施，以抗擊存在的威脅。IEEE 802.16e將會改進現有標準和算法中存在的缺陷。
在已有WLAN的安全解決方案的基礎上，研究WLAN、WMAN、WPAN等各種接入網的統一安全解決方案是一個有重要意義的課題。
4 參考文獻
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[6] Aiello G Roberto, Gerald D Rogerson. Ultra-Wideband Wireless Systems [J]. IEEE Mcrowave, 2003,6:36—47.
[7] Johnston D, Walker J. Overview of IEEE 802.16 Security[J]. IEEE Security & Privacy, 2004,2(3):40—48.
作者簡介：
王育民，西安電子科技大學教授，博士生導師，中國電子學會和中國通信學會會士、中國密碼學會理士、中國電子學會信息論學會委員、中國自然基金研究會會員、IEEE高級會員。主要研究方向為通信理論、信息論、編碼和密碼學。已在國內外學術刊物和會議上發表論文200余篇。
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