802.11家族演進(jìn)史
IEEE 802.11是現(xiàn)今無線局域網(wǎng)通用的標(biāo)準(zhǔn)鸽照，它是由電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)所定義的無線網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)理澎。從1997最初版發(fā)展到現(xiàn)在，歷經(jīng)20多年灾挨，儼然已是一個(gè)龐大的協(xié)議家族榕吼。從命名上就可以看出：a一直到z，單字母用完黑界，aa一直到目前的ax管嬉，雙字母繼續(xù)發(fā)展。所以個(gè)人認(rèn)為802.11是迄今為止局域網(wǎng)領(lǐng)域最為復(fù)雜的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議朗鸠，沒有之一蚯撩。
如此龐大的協(xié)議家族，每個(gè)都可以拿出來細(xì)談烛占，本文主要集中在802.11a/b/g/n上胎挎，也就是重要的幾個(gè)milestone沟启，WiFi5(11ac)和WiFi6(11ax)會(huì)后續(xù)另論。
協(xié)議重要的幾個(gè)版本演進(jìn)史
802.11版本演進(jìn)
那大家可能會(huì)問犹菇，發(fā)展的幕后推手是什么呢德迹？答案是速度。對(duì)揭芍，就是為了滿足人類不斷對(duì)速度的追求胳搞。這算不算是一種欲望呢？哈称杨！不扯淡肌毅，看圖，看看速度是怎么變快的姑原。
802.11物理層技術(shù)演進(jìn)
上面這張圖很重要悬而，下面很大篇幅其實(shí)都是來解釋這張圖。
對(duì)了页衙，有個(gè)小概念澄清下摊滔。雖然經(jīng)常將Wi-Fi與802.11混為一談，但兩者并不等同店乐。1999年工業(yè)界成立了Wi-Fi聯(lián)盟艰躺，致力解決匹配802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備兼容性問題。
3. 802.11abgn物理層
我的經(jīng)驗(yàn)是眨八，要學(xué)習(xí)掌握某一數(shù)據(jù)通信協(xié)議腺兴，先找出其OSI模型，然后從底層（物理層）向上層層剝離廉侧。對(duì)于802.11來說页响，就2層：物理層和MAC層。
3.1 最初的802.11(July 1997)
主要提供三種物理層：紅外技術(shù)段誊，跳頻擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻
紅外技術(shù)闰蚕，沒有實(shí)際使用，不在討論范圍內(nèi)
FHSS+GFSK连舍，得到1Mbps和2Mbps速率
DSSS+BPSK/QPSK没陡，得到1Mbps和2Mbps速率
3.1.1 FHSS和GFSK
何為FHSS跳頻擴(kuò)頻呢？看如下圖：
跳頻為啥得到1Mbps和2Mbps數(shù)據(jù)速率呢索赏？原因是GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)盼玄。GFSK是調(diào)頻，也就是說依靠不同頻率的載波來傳遞二進(jìn)制1和0潜腻。分為二階式和4階式：
1M的符號(hào)symbol率(每秒傳輸1M個(gè)symbol)埃儿，采用二階GFSK調(diào)制，每個(gè)symbol攜帶一個(gè)bit信息融涣，對(duì)應(yīng)就是1Mbps
采用四階GFSK童番，每個(gè)symbol可以攜帶2個(gè)bit信息精钮，對(duì)應(yīng)就是2Mbps
圖表5 二階式GFSK頻域圖
3.1.2 DSSS和BPSK/QPSK
802.11最初版也定義了另外一種物理層DSSS，速率也可以達(dá)到1Mbps和2Mbps剃斧。同時(shí)定義了2.4G頻段的頻道分布杂拨。如圖：
那么何為DSSS直接序列擴(kuò)頻？如下圖：
可以看出悯衬，DSSS就是利用擴(kuò)頻碼(圖中是11位的Barker碼)承載要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息。這樣做的目的其實(shí)就是把窄帶信號(hào)分布在較寬的頻帶上檀夹，提高抗干擾能力筋粗。
編碼好了，那就開始載波調(diào)制炸渡，空中傳輸了娜亿。DSSS采用PSK調(diào)相技術(shù)，即用載波的不同相位來傳輸二進(jìn)制0和1. 具體又分為BPSK和QPSK蚌堵。如下圖：
可以看出买决，同樣的載波，同樣的周期里BPSK能攜帶1bit信息吼畏，QPSK能攜帶2bit信息督赤。
那么 ==速率=符號(hào)速率x 單個(gè)符號(hào)編碼位數(shù)/擴(kuò)頻碼位數(shù)==
符號(hào)率固定為11M。
單個(gè)符號(hào)編碼位數(shù)泻蚊，BPSK=1躲舌，QPSK=2。
Barker碼為11位性雄。
至此没卸，==BPSK 速率=11x1/11=1Mbps== ==QPSK 速率=11x2/11=2Mbps==
3.2 802.11b物理層
提供4種物理層：
DSSS+BPSK/QPSK+Barker，沒有變化秒旋，繼續(xù)提供1Mbps和2Mbps物理層
DSSS+QPSK+4-Bits CCK约计，引進(jìn)5.5Mbps物理層
DSSS+QPSK+8-Bits CCK，引進(jìn)11Mbps物理層
可以看出迁筛，新增了5.5Mbps和11Mbps物理層煤蚌。那怎么實(shí)現(xiàn)的呢？這就要談到CCK擴(kuò)頻瑰煎，區(qū)別于Barker 11位擴(kuò)頻铺然，CCK采用8位擴(kuò)頻，配合QPSK調(diào)制酒甸，可以做到每個(gè)symbol攜帶4bit和8bit信息魄健。
Again, 依然是這個(gè)公式：速率=符號(hào)速率x 單個(gè)符號(hào)編碼位數(shù)/擴(kuò)頻碼位數(shù)
不難得出，==4 bit CCK對(duì)應(yīng)的速率=11MHz x 4 bit / 8 = 5.5Mbps== ==8 bit CCK對(duì)應(yīng)的速率=11MHz x 8 bit / 8 = 11Mbps==
3.3 802.11a物理層
工作在5GHz插勤，速率最高達(dá)到54Mbps沽瘦，劃重點(diǎn)：
開辟了新的頻段5G
采用了OFDM
更高階的QAM編碼
我們來一一介紹革骨。首先是頻譜發(fā)生了變化。如下圖：
802.11a頻譜與頻道
OFDM析恋，正交頻分復(fù)用良哲。基本原理：
將信號(hào)分割為N個(gè)子信號(hào)助隧，然后用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制N個(gè)相互正交的子載波筑凫。OFDM 物理層將每個(gè)頻寬20MHz 的頻道劃分52個(gè)子載波。其中有4 個(gè)子載波充當(dāng)導(dǎo)波（pilot carrier）并村，用以監(jiān)控路徑偏移與 ICI巍实。至于其余 48 個(gè)子載波則是用來傳遞數(shù)據(jù)。子載波之問彼此相距0.3125MHz 哩牍，頻道編號(hào)從-26 至 26棚潦。這就好比同樣寬的馬路，以前是單車道膝昆，現(xiàn)在變成了48個(gè)車道丸边，馬路沒變，但通行能力增大了荚孵。
QAM妹窖，正交幅度調(diào)制。也就是同時(shí)利用了載波的振幅和相位來傳遞信息收叶。如下圖：
可以看出嘱吗，16 QAM可以做到每個(gè)符號(hào)symbol攜帶4位二進(jìn)制信息；64 QAM可以攜帶6位二進(jìn)制信息滔驾。
至此谒麦，我們來算筆賬，看看11a速率的組成和由來哆致。
==物理層速率Mbps=子載波數(shù)x調(diào)制階數(shù)x編碼效率/OFDM符號(hào)發(fā)送間隔==
==舉個(gè)栗子绕德，對(duì)應(yīng)調(diào)制方式16-QAM，編碼效率為1/2摊阀。速率怎么算呢耻蛇？在802.11a中，數(shù)據(jù)子載波是48個(gè)胞此，16QAM調(diào)制對(duì)應(yīng)的每個(gè)symbol可以攜帶4位信息臣咖，R=1/2是編碼率(為了能抗干擾增加糾錯(cuò)能力，就要增加冗余度漱牵，即1/2可以理解為1個(gè)bit用2個(gè)bit來傳輸)夺蛇，一個(gè)OFDM symbol的傳輸時(shí)間是4us(可以理解為每秒傳輸0.25M個(gè)OFDM symbol)。即48x4x(1/2)x0.25M=24Mbps酣胀。==
講到這兒刁赦，歇會(huì)兒娶聘，喝口水，讓我們?cè)?4Mbps的速率上躺會(huì)兒甚脉。
3.4 802.11g物理層
與11a的技術(shù)相同丸升，區(qū)別是工作在2.4GHz頻段。==故最高速率也是54Mbps==牺氨。
但有一點(diǎn)要注意狡耻，11b也工作在2.4G頻段，那11g就要兼容11b(CCK DSSS)猴凹。 如何做到呢酝豪？方法有二：
類似隱藏節(jié)點(diǎn)的解決辦法 RTS/CTS機(jī)制
CTS to Self機(jī)制
關(guān)于這兩點(diǎn)，涉及到MAC層精堕，在此先記住就行了，后面MAC章節(jié)會(huì)講到蒲障。
3.5 802.11n物理層
革命尚未成功歹篓，同志還需努力，讓我們繼續(xù)攀升速率揉阎。802.11n關(guān)鍵技術(shù)：
MIMO
40MHz信道
Short Guard Interval
OFDM改進(jìn)
編碼率的改進(jìn)
啥庄撮？這么多新名詞！淡定毙籽，讓我們一個(gè)個(gè)來講洞斯。
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MIMO，多輸入多輸出坑赡。**MIMO是802.11n物理層的核心烙如，指的是一個(gè)系統(tǒng)采用多個(gè)天線進(jìn)行無線信號(hào)的收發(fā)。它是當(dāng)今無線最熱門的技術(shù)毅否，無論是3G亚铁、IEEE 802.16e WIMAX，還是802.11n螟加，都把MIMO列入射頻的關(guān)鍵技術(shù)徘溢。MIMO主要有以下典型作用：
提高吞吐量
通過多條通道，并發(fā)傳遞多條空間流捆探，可以成倍提高系統(tǒng)吞吐然爆。如圖17.
提高無線鏈路的健壯性和改善SNR
通過多條通道，無線信號(hào)通過多條路徑從發(fā)射端到達(dá)接收端多個(gè)接收天線黍图。由于經(jīng)過多條路徑傳播曾雕，每條路徑一般不會(huì)同時(shí)衰減嚴(yán)重，采用某種算法把這些多個(gè)信號(hào)進(jìn)行綜合計(jì)算助被，可以改善接收端的SNR翻默。需要注意的是缸沃，這里是同一條流在多個(gè)路徑上傳遞了多份，并不能夠提高吞吐修械。如圖18.
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OFDM 改進(jìn)趾牧。OFDM在802.11a/g時(shí)代已經(jīng)成熟使用，到了802.11n時(shí)代肯污，它將MIMO支持的子載體從52個(gè)提高到56個(gè)翘单。需要注意的是，無論802.11a/g蹦渣，還是802.11n哄芜，它們都使用了4個(gè)子載體作為pilot子載體，而這些子載體并不用于數(shù)據(jù)的傳遞柬唯。所以802.11n MIMO將物理速率從傳統(tǒng)的 ==54Mbps提高到了58.5 Mbps(即54*52/48)==认臊。
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編碼率的改進(jìn)
按照無線通信的基本原理，為了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞锄奢，發(fā)射端將把信息進(jìn)行編碼并攜帶冗余信息失晴，以提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，使接收端能夠恢復(fù)原始信息拘央。802.11n所采用的QAM-64的編碼機(jī)制可以將編碼率(有效信息和整個(gè)編碼的比率)從3/4 提高到5/6涂屁。所以，對(duì)于一條空間流灰伟，在MIMO-OFDM基礎(chǔ)之上拆又，==物理速率從58.5提高到了65Mbps(即58.5乘5/6除以3/4)==。
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Short Guard Interval
由于多徑效應(yīng)的影響栏账，信息符號(hào)(Information Symbol)將通過多條路徑傳遞帖族，可能會(huì)發(fā)生彼此碰撞，導(dǎo)致ISI干擾挡爵。為此盟萨，802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)要求在發(fā)送信息符號(hào)時(shí)，必須保證在信息符號(hào)之間存在800 ns的時(shí)間間隔了讨，這個(gè)間隔被稱為Guard Interval (GI)捻激。802.11n仍然使用缺省使用800 ns GI。當(dāng)多徑效應(yīng)不是很嚴(yán)重時(shí)前计，用戶可以將該間隔配置為400ns胞谭，即每個(gè)OFDM符號(hào)連續(xù)時(shí)間從4us縮短為3.6u。對(duì)于一條空間流男杈，可以將吞吐提高近10%丈屹，即從 ==65Mbps提高到72.2 Mbps==。對(duì)于多徑效應(yīng)較明顯的環(huán)境，不建議使用Short Guard Interval (GI)旺垒。
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40MHz 信道
這個(gè)比較好理解彩库，對(duì)于無線技術(shù)，提高所用頻譜的寬度先蒋，可以最為直接地提高吞吐骇钦。就好比馬路拓寬了，車輛同行能力自然提高竞漾。傳統(tǒng)的802.11a/g使用的頻寬是20MHz眯搭，而802.11n支持將相鄰兩個(gè)頻道綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐业岁。
需要注意的是：對(duì)于一條空間流鳞仙，并不是僅僅將吞吐從72.2 Mbps提高到144.4(即72.2×2 )Mbps。對(duì)于20MHz頻寬笔时，為了減少相鄰信道的干擾棍好，在其兩側(cè)預(yù)留了一小部分的帶寬邊界。而通過40MHz綁定技術(shù)允耿，這些預(yù)留的帶寬也可以用來通訊借笙，可以將子載體從104(52×2)提高到108。按照 ==72.2x2x108/104進(jìn)行計(jì)算右犹，所得到的吞吐能力達(dá)到了150Mbps==。
總之姚垃，11n的速率就是這樣一步步提上來的念链。匯總?cè)缦聢D：
速率攀升圖
同樣，那我們總結(jié)下11n的速率如何計(jì)算积糯。
==速率=子載波數(shù)目子載波攜帶的數(shù)據(jù)位碼率/每個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間*空間流數(shù)==
圖表22 802.11n MCS速率表
==舉個(gè)栗子掂墓，MCS 31，600Mbps怎么算出來的看成。套用上面公式君编，子載波數(shù)目為108盟步，子載波攜帶的數(shù)據(jù)位為6(64QAM攜帶6位信息)怀大，編碼率為5/6扁誓，每個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間3.6us捞高，MIMO空間流為4. (108 x 6 x (5/6)/3.6) x 4 = 600Mbps==.
4 802.11 MAC層
802.11 MAC層協(xié)議涉及的東西特別多抬探，在這我就主要介紹以下幾點(diǎn)润歉，以求能讓大家了解MAC層基本的工作原理：
DCF/PCF
CSMA/CA工作機(jī)制
RTS/CTS解決隱藏節(jié)點(diǎn)的問題
802.11 MAC層幀格式
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DCF(Distributed Coordination Function)：廣泛使用的模式鱼炒，主流模式琴锭，也就是AP和Station的通信模式琴拧。
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CSMA/CA：
何為CSMA/CA降瞳？見下圖：
CSMA/CA工作原理：
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RTS/CTS解決隱藏節(jié)點(diǎn)的問題：
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802.11 MAC幀格式：
繼續(xù)分解Type和Sub Type字段：
802.11幀有4個(gè)地址，如何應(yīng)用呢蚓胸？且聽我分解：
802.11幀Sequence和FCS字段
講到這里挣饥，是不是感覺自己的腦力算力不夠了呢除师？：） 沒關(guān)系，那我們就舉個(gè)栗子扔枫，講一個(gè)完整的802.11通信過程汛聚。
5 完整的一個(gè)802.11WPA/WPA2-PSK通信過程
假如你有一個(gè)AP，一個(gè)Station茧吊，AP上配了一個(gè)SSID贞岭，啟用了WPA2-PSK加密。這時(shí)候你在Station上點(diǎn)擊連接無線名字為SSID的網(wǎng)絡(luò)搓侄。之后發(fā)生了什么呢瞄桨？如下：
連接AP
握手
握手續(xù)
