基于802.11无线局域网的现状与未来

2019-11-03 19:19:37

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供稿：网友

浙江工业大学信息工程学院陈凯迪李浩君

　　摘要：无线局域网是无线通信技术和计算机网络技术发展的产物。本文论述了802.11协议各版本的特点，无线局域网的体系结构，当前面临的挑战，还介绍了国外的应用情况。

　　关键词：无线局域网、协议、热点、TKip、多点传送、定位

　　1．概述

　　无线局域网是一个使用无线多址信道的分组交换网络,它的特点是在某个局域范围内,采用无线信道传输数据和采用分组交换技术进行信息交换。无线信道传输技术由多址访问协议描述,分组交换技术由IEEE802.11协议描述。

　　无线局域网与有线局域网的作用基本相同,就是在网络的各设备之间传送分组信息。不同的是,无线局域网中所用的是便携设备,其中的分组传输包括移动站之间和移动站与固定站之间的传输。

　　电路、电子器件和分组交换技术的发展,用户对便携计算机通信的需要是无线局域网得以迅速发展的关键因素。另一方面,有线网络成本高、施工周期长、维护不方便,尤其是缺乏灵活性,采用无线或无线与有线相结合的方法可以克服这些缺点。

　　在设计和实现WLAN时，带宽问题是要被认真考虑的。最初的802.11标准允许的最大比特率为2Mbps，而当前802.11b标准（Wi-Fi，无线保真度标准）支持的最大速率为11Mbps。随着802.11a和802.11g标准被逐渐采用，它们的速率最高达到54Mbps，包括移动商务在内的移动应用将开始发展起来。

　　2．各版本的比较

　　如表1所示，802.11标准有好几个版本。在频段利用上，工业的、科学的和医疗的（ISM）频段总是首先要考虑的，802.11，802.11b及新兴的802.11g标准都共享2.4-GHz频段。然而，因为使用ISM频段是不需要商业执照的，因此用户很容易会受到来自于救护车，警车，出租车及其他工作在此频段的办公设备的干扰。

　　出于对传输速率的考虑，人们不得不为WLANs规划更宽且密集度更小的频段。以IEEE802.11a为例，它使用5.0-GHz频段，但因为其它版本都工作在2.4-GHz频段，所以后向兼容成了一个问题。

　　一个可能的解决方案就是使用双频段LAN网卡，它对802.11a和802.11b是兼容的，但是没有被广泛采用。目前最新的标准IEEE802.11g，采用的频段是2.4-GHz，它在一定程度上兼容802.11b，同时能提供很高的比特率，只是采用的传输方式不同。包括苹果公司在内的许多厂商已经能够提供基于802.11g的系统。

　　频谱的选择对功率需求也有很大的影响。例如，为了覆盖同样的热点（hotspot），802.11a的信号就要比2.4-GHz频段上的信号有更强的功率；使用相同的功率，802.11a则需要更多的接入点，这对运营商来说是不经济的。虽然在物理层做的许多改进（更高效的编码、更好的天线设计和更节能的LAN协议）能够减少功率需求，但这个减少量也是很有限的。

　　在无线信道上，IEEE802.11标准传送数据的方式包括跳频扩频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）和红外线。802.11b只支持DSSS，而802.11a使用正交频分复用（OFDM）技术，一个信号源最多能利用52个载波向外传送数据，速率达到54Mbps。

　　除了802.11标准之外，还有其它WLANs的标准，如欧洲的Hiper-LAN2。虽然也是为相似的环境所设计，但这些标准在频率、比特率、功率需求和覆盖范围等方面都有所不同。

　　表1.IEEE802.11WLAN标准

　　标准频谱最大物理速率第三层数据速率传输方式与其它标准兼容主要缺点主要优点

　　802.112.4GHz2Mbps1.2Mbps FHSS/DSSS 无速率有限信号覆盖范围较广

　　802.11a5.0GHz54Mbps32Mbps OFDM 无在所有802.11标准中信号覆盖范围最小在低密集度的频谱内速率较高

　　802.11b2.4GHz11Mbps6-7Mbps DSSS 802.11 对许多新兴的应用来说速率太低广泛使用，信号覆盖范围较广

　　802.11g2.4GHz54Mbps32Mbps OFDM 802.11/

　　802.11b同一地区内WLANs的数量有限速率较高

　　3．可能的体系结构

　　如图1所示，运营商有两种方式在热点里配置WLANs。第一种WLAN-Internet结构有着很多接入点，不用通过手机或PCS（个人通信业务），它以光纤作为基础骨架。就这种方式而言，整个WLANs通过一个中心点互联，或者一组同区域内的WLANs直接与其他WLANs互联。如果需要定位管理，那么定位精确度和接入点的覆盖范围是相关的。

　　第二种方式，WLANs能够实现与其它无线网络的越区切换，且所有的网络都与Internet互联。这样，对实时要求较高的移动商务就能在手机上得到应用。同样地，基站能够把广播信号或多点传送信号越区切换到基于卫星的网络。信号的越区切换还能被应用在定位管理上，自911事件之后，定位管理的精确度要求更高了。

　　图1.配置WLANs可供选择的方案

　　(a)以光纤为基础骨架连接到Internet的有着很多接入点的WLANs

　　(b)支持越区切换到其它重叠无线网络的WLANs

　　4．国外的应用情况

　　全世界现在已经有了几千个热点（Hotspot），接下去的几年内这个数目将会有显著的增加。在美国，许多热点运营商（HSOs）已经在宾馆，机场，餐厅，书店，学校，剧院等公众聚集场所安装了Wi-Fi接入点。TeleSeaWirelessServices公司甚至可以为航海者提供宽带接入，只要他在距离美国海岸30英里之内。

　　几大无线运营商凭借他们覆盖全美的网络以及广阔的用户市场，希望能在WLAN商务领域里也能扮演支配者的角色。

　　T-Mobile公司在美国为超过半数的热点提供基于802.11b的接入，有千分之十的移动用户通过它的WLANs接入到Internet。

　　CometaNetworks公司——一个以AT&TWireless，IBM和Intel公司为背景的HSO近来宣布了一个野心勃勃的计划，在接下去的两年内与iPass公司合作建设20000个热点。与此同时，ToshibaAmerica Information Systems与Accenture合作，计划在年底之前建设超过10000个WLANs。

　　有很多城市为了提升商务和旅游环境，也已经提供或计划提供公共宽带服务。位于加州的长滩市，在市区提供免费的Wi-Fi接入。用户可以通过特殊的入口进入系统，然后可以获取商务娱乐咨讯，还可以对社区数据库进行查询。

　　许多零售商为增加销售额也开始在店里提供无线接入。例如，Starbucks在它的一千多个咖啡厅里为顾客提供了T-MobileHotSpot服务。Borders在它的几百个书店和咖啡厅里也提供了相似的服务。

　　5．面临的挑战

　　在大范围普及WLANs之前，无线运营商和制造商必须处理与802.11有关的三个问题。分别是安全性能、缺乏多点传送以及如何进行定位管理。只有这些问题得到解决，新兴的应用才能变得普及。

　　5.1对安全性的挑战

　　Wi-Fi联盟正在着手于提供一项安全解决方案，即Wi-FiPRotected access（WPA，Wi-Fi保护存取协议）。另外，IEEE的i工作组将在年内或明年初完成对安全标准802.11i的修订工作。WPA关键部分包括一个经IEEE认可的高级鉴定方案（802.11x）、临时密钥完整性协议（TKIP）和带有CBCMAC协议的计数模式。

　　TKIP将密钥位数从40增加到128，并采用动态产生以及通过认证服务器来分配的多组密钥取代了WEP（有线等效协议）的单一静态的密钥。TKIP使用一种密钥层以及密钥管理方法论，但去掉了其中入侵者可以通过其可预测性来破解的部分。

　　为了达到这个目的，TKIP采用了802.1X/EAP（可扩展身份验证协议）的架构。而认证服务器在接受用户的身份证明之后，又使用802.1X来为运算阶段产生一组唯一的主键、又称“配对”密钥。TKIP将这组密钥分配给客户端以及AP、建立密钥层以及管理系统、使用配对密钥动态来产生唯一的数据加密密钥，并以此加密所有用户在无线传输阶段所传输的数据封包。TKIP的密钥层会把WEP的单一静态密钥换成约500兆组密钥，并可用在指定的数据封包之内。

　　信息完整性检查（MIC）用来防止攻击者拦截、篡改甚至重发数据封包。MIC提供了一个强壮的数学公式，其中接收端与传送端必须各自计算并比较MIC值。如果不符，它便假设数据已遭窜改，而该封包也会被丢弃。

　　为了大幅增加密钥大小、可用的密钥数目以及附加的完整性检查机制，TKIP增加了在数据编码方面的复杂性与困难度。TKIP大幅提升了无线加密的强壮性与复杂性，让潜在入侵者极难入侵Wi-Fi网络。

　　另一个解决方案是使用带有IP安全协议隧道的虚拟专用网。用该方法入网的安全性和连续性都较好，但是所有流量都必须由一个VPN网关来处理，所以它所能支持的用户数量是有限的。

　　5.2对多点传送的支持

　　许多新兴的移动应用——包括移动商务，远程教育及交互式游戏，都需要支持群通信。当用户漫游到不同的地域、离开群或有新用户加入到群里的时候，无线多点传送是更新成员信息的最有效的方法。然而，如何在WLANs里确保可靠性、隐秘性、服务质量和低延迟的问题就凸现了出来。

　　为支持面向群的移动服务，首先要求确定不同移动服务的多点传送需求，而后修改网络协议以便能在更高的层里支持多点传送，并且根据协议的修改对开销进行建模和评估。

　　5.3对定位管理的支持

　　一种吸引更多移动用户到WLANs的途径是提供基于本地的个人化的业务。比如给用户提供附近餐厅的清单或电影播放时间表、紧急服务和跟踪服务。

　　为了增加定位精确度，运营商可以配置很多小型接入点，给WLANs增加传感器和无线频率鉴别标签，还可以使用支持定位管理的其他网络。

　　6．总结

　　尽管还存在着技术与经济方面的困难，很多人认为WLANs的未来还是光明的。运营商要想做大WLANs市场，就必须努力迎合消费者的各种要求：包括使用起来要更方便、服务质量要更高、网络管理工具要更多及价格要更实惠。

　　此外，为了能在WLANs上支持更多的应用，诸如无线流媒体和视频会议，用户对速率提出了更高的要求。为了解决这个问题，IEEE802HighThroughput Task Group（不久改名为802.11n）正在探索提高比特率的方法，以期能达到108Mbps，并且在2005年使之能达到320Mbps。

　　参考文献：

　　[1]StuartJ. Kerry, IEEE P802.11g(TM), 54Mbps Extension to 802.11b Wireless Local Area Networks, Gains Working Group Approval Final Approval Expected in June 2003,

　　http://standards.ieee.org/announcements/80211gapp2.html, Feb 2003

　　[2]StuartJ. Kerry , Popular wireless local area network gain large boost in speed,

　　http://standards.ieee.org/announcements/80211gfinal.html, June 2003

　　[3]HTSGJuly 2003 Agenda and Meeting Report,

　　http://grouper.ieee.org/groups/802/11/Documents/DocumentHolder/2003/ 11-03-0520-01-htsg-july-2003-agenda-and-meeting-report.PPT, July 2003

　　[4]J.Ala-Laurila,J.Mikkonen, and J.Rinnemaa, “Wireless LAN Access Network Architecture for Mobile Operators”, IEEE Comm., vol.39, no.11, 2001, pp. 82-89

　　[5]IEEE802.11 Task Group, http://grouper.ieee.org/groups/802/11/, 2000

　　[6]Securityin WLANs, http://grouper.ieee.org/groups/802/11/Documents/DocumentArchives/ 1993_docs/1193069.DOC, Mar 2001

----《通信世界》