wifi原理「wifi原理图」
【介绍】深入了解CSMA/CA：以太网与WLAN的传输核心
在数字化时代，网络已成为我们生活中不可或缺的一部分。以太网和无线局域网（WLAN）作为两种主要的网络传输方式，它们的核心传输协议分别是CSMA/CD和CSMA/CA。今天，让我们一起深入这两个协议的工作原理和差异。
一、CSMA/CD：以太网的心脏
CSMA/CD，全称载波侦听多路访问/冲突检测协议，是以太网中用于传输控制的关键协议。在这个协议下，网络中的设备在发送数据前，会确认线路上是否有数据传输。如果有数据传输，则不发数据；若无数据传输，则立即发送数据。“多路访问”允许所有设备共同使用同一条线路，发送的数据是广播型的。当发生冲突时，设备会进行检测并等待一段随机时间后重发数据。这种冲突检测机制确保了网络的高效运行。
二、CSMA/CA：WLAN的传输之魂
相较于以太网的CSMA/CD，无线局域网（WLAN）则采用CSMA/CA协议。由于无线网络不会产生电气信号，因此需要冲突避免（CA）机制来替代冲突检测（CD）。在CSMA/CA下，设备在发送数据时会监听线路状况，避免与其他设备同时发送数据，从而减少无线传输冲突的发生。WLAN中的设备如手机、电脑等通过无线网卡进行通信，而无线AP则作为连接STA和有线网络的桥梁。
三、WLAN的组成要素
WLAN由多个关键组成部分构成。STA，即工作站，是配有无线网卡的无线终端；AP，即无线接入点，负责连接STA和有线网络；IBSS，即独立基本服务集，是由一个或多个STA组成的无线网络；BSS，即基本服务集，由一个AP和一个及以上STA组成的无线网络；而ESS则是扩展服务集，由两个及以上的AP通过DS（分发系统）互连而成。DS作为BSS之间的逻辑连接基础，使得STA可以在不同的BSS之间实现漫游。
四、WLAN的拓扑结构
WLAN的拓扑结构主要分为两种：一种是ad-hoc模式，即终端之间直接互连；另一种是基础设施模式，通过AP连接有线网络。ad-hoc模式通常在笔记本电脑和打印机之间的无线连接或多台游戏机联机对战时使用。这种模式下，终端不能连接到互联网上。而基础设施模式则为我们提供了更为稳定和广泛的网络服务。
深入了解无线网络基础设施模式
无线网络的基础设施模式，简称Infra Mode，是WLAN的一种组网方式。在这种模式下，需要通过接入点（AP）连接到互联网。只有拥有AP和STA的设备才能顺利接入网络。
那么，什么是AP呢？AP，即接入点，是一种设备，它通过有线线缆连接到交换机或路由器上，从而将多台无线终端连接到有线网络中。AP拥有RJ-45网络接口，用于连接交换机或路由器，使得无线网络的终端可以访问有线网络或互联网。
WLAN的标准是由IEEE组织制定的，统称为IEEE 802.11。与以太网的标准IEEE 802.3相似，IEEE 802.11在物理层和数据链路层之间定义了MAC子层，规定了WLAN的传输标准、安全性、QoS 、管理等内容。
接下来，让我们了解一下几个重要的IEEE 802.11标准。
IEEE 802.11n，也被称为WiFi 4。这个标准在2009年制定完成，最大传输速率达到600 Mbit/s。它采用MIMO多通道技术，大幅提升传输速率，同时兼容早期标准如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。
再来看IEEE 802.11ac，即WiFi 5。该标准有两个版本：Wave 1和Wave 2。Wave 1使用80 Mhz频宽和SU-MIMO技术，最大传输速率达到3.46 Gbit/s。而Wave 2则采用更宽的160 Mhz频宽和DL MU-MIMO技术，最大传输速率可达6.93 Gbit/s。
的标准是IEEE 802.11ax，也就是WiFi 6。它在2018年制定完成，最大传输速率达到9.6 Gbit/s。WiFi 6支持2.4G和5G频段，覆盖各种速度的设备，覆盖范围更广。它还支持WPA 3安全协议，使无线网络更安全。它还支持TWT技术，更省电。简而言之，WiFi 6更快、更稳定、更安全、更省电。
那么，什么是WiFi呢？WiFi是基于IEEE 802.11标准的品牌认证。由于IEEE 802.11标准的推出周期较长，无线网络发展迅速，各厂家组成了WiFi联盟，完成了产品之间的互联互通认证。经过WiFi认证的STA或AP可以无障碍地互联。
在公共场所看到的“免费WiFi上网”标识，表示该场所的AP已通过WiFi认证。除了电脑和手机，家电和游戏机也可以进行WiFi认证。WiFi还定义了WPA等无线加密的相关标准。
我们来说一下“关联”。在使用WLAN的终端中，通过AP完成无线连接才能接入互联网或有线网络。这个连接过程被称为关联（Association）。无线技术的世界是一个充满奥秘与魅力的领域，STA（Station，即无线客户端）与AP（Access Point，即接入点）之间的连接过程就像是舞蹈一般精准而复杂。
STA能够连接到不同的AP，在同一时刻，它只能与一个AP保持连接状态。AP会定期发送一种被称为“beacon”的帧，这些帧就像无线海洋中的灯塔，为STA指引方向。通过接收这些beacon帧，STA能够获取关于AP的SSID信息、支持的无线传输速率以及无线信道等重要数据。
在关联过程中，STA会向AP发送一个包含关联请求的数据帧。当AP收到这个请求后，它会向STA返回一个带有状态码的关联响应数据帧。如果状态码是“successful”，那么STA与AP的关联就成功了，此时AP会分配一个专属的Association ID（AID）给STA。
WLAN的认证过程发生在关联之前，它是确保网络安全的重要环节。
至于数据帧，它是IEEE 802.11标准中的核心组成部分。MAC数据帧包含了诸多关键字段信息，如协议版本、类型、子类型等。其中，协议版本表示IEEE 802.11协议的版本；类型则指示数据帧的功能，包括控制帧、管理帧和数据帧三种。每种类型的数据帧都有多个子类型，用于实现特定的功能。
管理帧是其中一类，包括定期广播的beacon帧，以及用于认证的认证帧和关联帧等。控制帧和数据帧也是无线网络中不可或缺的部分。通常，数据帧中的Address 1表示目的地址，Address 2表示源地址，Address 3则是BSSID信息。
为了保障无线网络的安全，接入控制功能至关重要。由于无线电波的开放性，陌生用户在未经授权的情况下可能会擅自接入AP。为了防止这种情况，我们可以采取一些措施，如使用ESSID隐藏功能和MAC地址过滤功能。
ESSID隐藏是一种安全策略，通过不发出beacon帧来隐藏SSID信息。这样，STA就无法通过beacon帧获取SSID信息。需要注意的是，由于SSID在无线网络的传播中没有加密，使用无线监控工具仍有可能获取到这个隐藏的SSID。ESSID隐藏功能虽然是一种对策，但并不是非常安全的解决方案。
无线技术的世界充满了挑战与机遇。为了确保无线网络的安全和顺畅运行，我们需要深入理解其工作原理，并采取相应的安全措施。无线网络安全的双重保障：认证与加密
在无线接入点（AP）中，为了确保只有特定的无线终端（STA）能够接入无线网络，我们采用了MAC地址过滤或认证的方式。这就是所谓的MAC地址过滤或MAC地址认证。这种方法的实质是通过设置允许关联的MAC地址列表，防止未经授权的STA接入AP。
值得注意的是，MAC地址并非绝对的安全保障。尽管可以通过设置MAC地址过滤来限制接入，但MAC地址也能被伪装或冒充。仅仅依赖MAC地址过滤并不足以完全防止恶意访问。为了进一步增强无线网络的安全性，认证功能显得尤为重要。
在无线网络中，存在多种认证方式。其中，开放系统认证和共享密钥认证是最初的两种认证方式。开放系统认证允许任何STA向AP发出认证请求，适用于公共WiFi场景，通常需要结合Portal认证或VPN来完成用户访问网络的权限控制。而共享密钥认证则用于AP和STA之间的无线加密通信，它使用WEP或WPA加密标准，要求AP和STA预先配置相同的口令以建立无线通信链路。
除了上述两种认证方式，IEEE 802.1X是一种用户认证和访问控制协议，它从有线网络引入并广泛应用于无线网络。IEEE 802.1X认证由认证客户端、接入设备和认证服务器三部分组成。在认证过程中，客户端通过EAP发起认证请求，接入设备将EAP消息转发给认证服务器。当认证服务器完成认证后，客户端将被允许访问网络。认证信息可以使用用户名、口令、数字证书等方式，对应的认证协议有EAP-MD5、EAP-TLS、EAP-TTLS等。
为了防止无线通信被和篡改，还需要对信息进行加密。无线局域网（WLAN）加密有WEP、WPA、WPA2、WPA3等标准。其中WEP是最早使用的无线加密技术，但因其安全性较低，现已逐渐被淘汰。
认证和加密是保障无线网络安全的两个重要手段。通过合理的设置和使用，可以大大提高无线网络的安全性，防止未经授权的访问和数据的泄露。随着技术的不断进步，我们也需要不断更新和优化安全策略，以应对日益复杂的网络安全挑战。WPA：无线网络的保护升级之路
WEP的脆弱性让人们意识到了无线网络安全的紧迫需求，于是，WPA（WiFi Protected Access）应运而生。WPA是对SSID和WEP密钥进行加密的一种技术，并且能定期自动更新用户认证功能和密钥的TKIP。WPA有两种模式：个人模式和企模式。
个人模式的WPA主要是面向家庭和个人使用，也被称为WPA-PSK。在这种模式下，AP和STA使用相同的预共享密钥（PSK）。而企业模式的WPA则主要用于商业环境，它增加了IEEE 802.1X认证服务器，允许多个用户通过不同的用户名和密码连接到无线网络。
WPA2：新一代无线网络的安全保障
WPA2是WPA的新一代标准，它采用了AES加密算法。AES被广泛应用于IPsec和SSL等协议中，其安全性比RC4更高。WPA2兼容上一代WPA，支持WPA2的设备可以和只支持WPA的设备进行通信。其加密机制CCMP采用了类似TKIP的协议，其中CBC-MAC负责密码段连接/消息认证。
AP的加密设置可以选择WPA-PSK（TKIP）、WPA-PSK（AES）、WPA2-PSK（TKIP）或WPA2-PSK（AES），为不同需求提供了多种选择。
WPA3：WiFi连接的新标准
随着WiFi技术的发展，WPA2在2017年被发现存在安全漏洞。WiFi联盟在2018年宣布了WPA3协议，这是WiFi连接的新标准。WPA3在WPA2的基础上增加了新功能，旨在简化WiFi安全保障方法、实现更可靠的身份验证，并提高数据加密强度。所有的WPA3网络都必须实施管理帧保护PMF，以确保数据的安全性。
根据WiFi网络的用途和安全需求的不同，WPA3分为WPA3个人版和WPA3企业版。WPA3个人版增强了密码保护，而WPA3企业版则为用户提供了更高级的安全协议，以保护敏感数据。
WPA3个人版相较于WPA2个人版，提供了更可靠的基于密码的身份验证。这一改进得益于SAE（Simultaneous Authentication of Equals）协议的使用。SAE取代了WPA2个人版的PSK认证方式，能有效抵御离线字典攻击，大大增加暴力破解的难度。即使攻击者知道了网络中的密码，也无法解密获取到的流量，大大提升了WPA3个人网络的安全性。
SAE在WPA/WPA2-PSK的原有四次握手前增加了SAE握手，为了动态协商成对主密钥PMK。与传统的WPA/WPA2-PSK相比，SAE引入了动态随机变量，使得每次协商的PMK都是不同的，从而提高了安全性。
一、流量保护与安全管理
采用伽罗瓦计数器模式协议GCMP-256，为用户的无线流量筑起强大的保护屏障。你的每一次在线，都由GCMP-256全力守护。GMAC-256协议为组播管理帧提供坚不可摧的安全保障。
二、WPA2与WPA3的企业级身份验证
WPA2企业版支持多种EAP身份验证方式，为企业的网络安全提供多重保障。而WPA3企业版则更加专注于EAP-TLS，为企业数据的安全传输提供更为严谨的身份验证方式。
三、AP的胖与瘦
胖AP，顾名思义，拥有自我管理和控制的能力。它能够独立完成无线控制和安全管理，配置简单，成本低廉。在大规模办公区，成千上万的AP需要管理时，瘦AP应运而生。它专注于最基本的配置，通过无线控制器进行统一管理和配置，确保大规模网络的高效运行。
四、无线桥接与无线中继
在无法布线的楼宇之间或物理位置较远的站点之间，无线桥接成为最佳的解决方案。它通过无线连接，有线延伸，实现远距离的组网需求。无线中继技术让AP可以连接其他AP释放的SSID，扩大无线网络的覆盖范围。每一级中继器连接后，网络吞吐率虽会有所降低，但无线网络的覆盖范围却得到了极大的扩展。
五、无线网络速率之谜
无线网络和有线网络都有理论的最大速率，如WiFi 6的最大理论速率可达9.6Gbit/s。然而在实际应用中，由于采用了CSMA/CA冲突回避协议，数据发送时会有等待时间，实际使用速率可能不到理论值的80%。
六、距离与速率的关系
无线网络的速率与距离息息相关。STA与AP的距离越远，通信延迟越大，数据传输速率也会降低。在无障碍的情况下，无线网络的覆盖范围呈同心圆分布。
七、WLAN标准的速率介绍
IEEE 802.11a/b/g使用OFDM调制方式提供八个数据传输速率。而DSSS调制方式则提供四个速率。对于IEEE 802.11n，它使用OFDM调制方式，可根据信道带宽和保护间隔的组合，为每个MCS索引定义一个数据传输速率。
MIMO技术通过分割数据成多个数据流，利用多个天线在相同频带内发送。在HT40模式下，每个数据流都能达到150Mbit/s的吞吐率，在IEEE 802.11n标准下，最多可并行四条数据流，理论上的数据传输速率可飙升至600Mbit/s。
在HT20模式下，虽然单个数据流的吞吐率最大为75Mbit/s，但在2.4GHz频带下，由于信道宽度的限制，几乎不采用HT40模式。保护间隔也增加了，从800ns延长至1200ns，以提高数据传输的可靠性。
那么，何为空间数据流？MIMO技术利用天线的多个无线通信通道，让速率飙升。在空间上，多个独立天线发送同频无线信号，这些信号就被称为空间数据流。这些数据流通过发送天线进行路径分割，最终由多个接收天线接收。发送方采用空间编码STC对信号进行重组，形成并列传输信号，然后通过多个天线发送。接收方同样采用空时解码STD，对信号进行分离和组合，成功接收所有信号。
在多径传输中，通过使用多条路径，与天线数量（即空间数据流）成正比，提高了无线数据的传输速度。那么，AP有多少天线呢？支持802.11n标准的AP配备了多个天线，空间流的数量也取决于天线的数量。通常使用axbxc来表示AP的天线数量，其中a表示发送天线数量，b表示接收天线数量，c表示最大空间流数量。例如，WiFi 6 AP（即802.11ax标准）最大支持8x8的空间流配置，由8根发送天线和8根接收天线组成。
相较于WiFi 5（即802.11ac标准），WiFi 5主要有四个方面的突破：更宽的频宽绑定、更多的空间流、更先进的调制技术以及更灵活的MIMO机制。在信道绑定方面，WiFi 5能够支持160MHz的信道宽度，相当于捆绑了八个信道，极大地提升了数据传输的效率。而MIMO技术则通过多天线设计，将数据分散到多个天线上，提高了每Hz传输的数据量和可靠性。
WiFi 5还采用了256QAM调制技术，相较于802.11n的64QAM，能够承载更多的信息量。这一技术的运用使得单载波承载的数据量达到了8bit，相较于前者有了显著的提升。WiFi 5通过多项技术的革新，大幅提升了无线数据的传输速度和效率。
以上内容生动描绘了MIMO技术和WiFi 5的魅力，希望对你有所帮助。多用户 MIMO技术：WiFi 6的新飞跃
多用户MIMO（MU-MIMO）技术在WiFi 6中得到了进一步的完善，极大地提高了单个AP无线接入的终端数量，解决了高密部署的难题。与WiFi 5相比，WiFi 6不仅支持单用户MIMO，更实现了完整的多用户MIMO，使得单个802.11ac的AP能够向两个或多个设备同时传送不同的数据流。
在WiFi 5的时代，计算最大速率时使用的是160MHz模式、256-QAM调制方式以及ns的保护间隔时长。而WiFi 5的单条流速率可达惊人的866.7 Mbit/s，八条流更是高达6.9Gbit/s。
当我们转向WiFi 6，其提升是全方位的。它覆盖了更完整的频带，这意味着更丰富的频段资源得以利用。更高阶的调制方式使得数据传输更为高效。全面的MU-MIMO和引入的OFDMA技术进一步提升了多用户数据传输的效率。新增的TWT机制针对低速设备进行了优化，提高了网络带宽的利用率。
特别值得一提的是，WiFi 6不仅支持5G频段，还兼容2.4GHz频段。这一改变解决了5G频段虽然资源丰富但穿透力差的问题。2.4G的信号覆盖效果更好，能够同时满足低速和高速设备的需求。
高阶调试方式也是WiFi 6的一大亮点。相较于WiFi 5的256-QAM，WiFi 6支持1024-QAM，单载波承载的数据量可以达到惊人的10bit。这意味着，WiFi 6的数据传输速率更高。
OFDMA技术是WiFi 6中的另一项创新。在OFDM的基础上，通过加入多址技术，进化成OFDMA。这一技术将帧结构细分成若干资源单元，为每个用户提供服务。用卡车运货来比喻，OFDM是为每个客户单独发货，而OFDMA则是将多个订单合并，确保卡车满载上路，大大提高了运输效率。
而TWT机制则是针对低速设备的优化。AP会生成一个数据交换用的唤醒时间，在网络数据传输不高的时段，依次唤醒这些低速设备进行数据交换。这样的优化避免了网络拥堵，提高了网络带宽的利用率。
在WiFi 6的时代，当我们谈论最大速率时，不得不提一种神奇的配置。启用160MHz模式、采用高精度的1024-QAM调制方式，并设置800ns的保护间隔，WiFi 6的单条数据流速率可以飙升至惊人的1.2 Gbit/s。想象一下，如果八条数据流同时奔腾，那速率将高达9.6Gbit/s，这是一场数据的速度与激情。
那么，什么是干扰呢？词典里对于无线干扰的解释是，当两个相同种类的波在某点相遇，它们的振幅会叠加，产生新的现象。在电气传输过程中，难免会有电磁波的干扰。比如雷电的突然爆发，可能会使收音机出现瞬间的杂音。
在无线通信的世界里，不同的无线电波都有自己的信道，这些信道就像是数据的公路，负责在各个传输路径上收发数据。当多个AP在同一信道内通信时，干扰就可能发生。雷电、微波炉的电磁波，甚至其他AP的电磁波，如果与AP的电磁波产生重合，都可能破坏传输的数据，导致通信中断。虽然避免雷电等自然因素带来的干扰很困难，但通过调整信道配置，我们可以有效避免来自其他AP的干扰。
那么，WLAN到底有多少信道呢？WLAN标准中，主要使用2.4GHz和5GHz频带，这两个频带下都有多条信道。在设置AP时，为了避免干扰，我们需要确保相同信道的AP之间相隔一定的距离。
在中国，2.4G信道的WLAN频率范围是2.4 ~ 2.4835 GHz，一共划分了14个信道。我们通常使用其中的13个信道，编号从1到13。每个信道的有效宽度是20 MHz，另有2MHz的强制隔离频带。对于中心频率为2412 MHz的信道1，其频率范围是2401 ~ 2423 MHz。
但即使我们选择数字不同的信道，也不一定就能完全避免干扰。例如，信道1使用的频率与信道2到5有一部分是重合的，所以仍然可能发生干扰。相对来说，信道1、6、11的组合是不会产生干扰的。那么，还有哪些信道组合不会造成干扰呢？这需要我们去深入研究和。
至于5G信道的WLAN，其频宽资源更为丰富，一共达到700MHz的频宽。在中国，我们有13个20MHz的信道可供选择。这些信道的编号是36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161和165。所有这些信道都是互不干扰的，可以直接使用。
从802.11n开始，我们还可以使用相邻的信道，组成40MHz、80MHz、甚至160MHz的频宽进行数据传输，大大提高了数据传输的效率。
那么，AP的最大覆盖范围是多少呢？在WLAN通信中，我们能否离AP多远仍然能够保持通信？这个问题其实取决于我们的天线。天线的种类多种多样，根据不同的用途，其覆盖的范围也会有所不同。
在无线通信技术中，天线作为信号传输的关键部分，扮演着至关重要的角色。按照水平方向图特性，天线可分为全向天线、定向天线和智能天线。
全向天线，如同普照大地的阳光，向各个方向均匀发散信号。在水平面内的各个方向上，其辐射出的电波能量均相同。这种天线的方向图辐射类似于白炽灯发出的可见光，实现了360度的全方位覆盖。在垂直面内，其辐射的能量分布则有所不同。
定向天线，则像手电筒一样，将信号能量集中在一个特定的方向上。其电波能量的辐射在水平和垂直面内均有所区别。这种天线的辐射模式使得其在特定方向上具有更远的覆盖距离，但这是以牺牲其他区域的覆盖为代价的。它的辐射方向性使得信号更为集中，有助于增强接收效果并减少干扰。
智能天线，则是一种更为先进的存在。它在水平面上兼具多个定向辐射和一个全向辐射模式。当接收到终端发射的信号时，智能天线会以全向模式进行接收。随后，通过智能天线算法对接收到的信号进行分析，判断终端的位置。根据这些信息，CPU会接收到控制信号，选择最大的辐射方向指向终端的定向辐射模式。这种天线的智能化使得信号传输更为高效和精准。
按照极化方式，天线还可以分为单极化天线和双极化天线。单极化天线采用单一的极化方式，接收和发送信号需要使用不同的天线。而双极化天线则在一根天线上实现了垂直和水平两种极化方式，大大节省了安装空间并降低了维护工作量。
无线网络的覆盖范围广泛，从室内几十米到一百米的范围，到室外可达几百米的距离。随着WiFi的普及和商业价值不断提升，新的技术标准也不断涌现。WiFi 6的推广阶段已经展开，其改进了上行链路和所有支持频段的电源管理。而WiFi 7的技术演示也已经亮相，展示了无线通信技术的前沿发展。
在实际使用中，无线网络的速率是需要对称协商的。只有AP和STA都支持WiFi 6，才能协商出高速的WiFi 6速率。否则，即使AP支持WiFi 6，而STA仅支持WiFi 5，那么协商的速率也只能是WiFi 5的速率。我们在选择和使用无线网络时，需要关注我们的设备是否支持的技术标准，以获取更好的体验。
全向、定向和智能天线各有其特点和优势，而无线网络的发展也是日新月异。对于我们普通用户来说，了解这些基础知识并关注的技术标准，才能更好地享受无线网络带来的便利和乐趣。现在，你们都在使用WiFi几呢？留言分享你们的实际体验吧！本文结束，感谢阅读！