وای‌فای و شبکه‌های محلی بی‌سیم

وای‌فای، خانواده استانداردهای IEEE 802.11 برای شبکه‌های محلی بی‌سیم، به دستگاه‌ها امکان می‌دهد تا از طریق امواج رادیویی و با استفاده از نقاط دسترسی، به یک شبکه متصل شوند. این استاندارد از یک پروتکل دسترسی به رسانه با قابلیت اجتناب از برخورد استفاده می‌کند که برای کانال بی‌سیم غیرقابل پیش‌بینی طراحی شده است.

Definition

شبکه محلی بی‌سیم (WLAN) یک شبکه محلی است که در آن دستگاه‌ها به جای سیم، از طریق امواج رادیویی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، و وای‌فای مجموعه‌ای از استانداردهای IEEE 802.11 است که لایه‌های فیزیکی و کنترل دسترسی به رسانه آن را تعریف می‌کند. این شبکه‌ها معمولاً حول نقاط دسترسی سازماندهی می‌شوند که ایستگاه‌های بی‌سیم را به یک شبکه سیمی متصل می‌کنند.

Scope

این موضوع شبکه‌های محلی بی‌سیم تحت IEEE 802.11 را پوشش می‌دهد: معماری نقاط دسترسی، ایستگاه‌ها و مجموعه‌های خدمات پایه؛ فرآیند اتصال که از طریق آن یک دستگاه به شبکه می‌پیوندد؛ پروتکل دسترسی به رسانه CSMA/CA با تأخیر تصادفی، تأییدیه‌ها، و دست‌دهی اختیاری RTS/CTS برای مدیریت پایانه‌های پنهان؛ فرمت فریم 802.11؛ و تکامل سرعت‌ها و باندهای استاندارد. همچنین به طور کلی به امنیت بی‌سیم نیز می‌پردازد. این موضوع شبکه‌های سلولی و مهندسی دقیق رادیو را شامل نمی‌شود.

Core questions

• یک شبکه بی‌سیم 802.11 چگونه حول نقاط دسترسی و ایستگاه‌ها ساختار یافته است؟
• یک دستگاه چگونه یک شبکه وای‌فای را کشف کرده و به آن متصل می‌شود؟
• CSMA/CA چگونه دسترسی به کانال را هماهنگ کرده و از برخورد جلوگیری می‌کند؟
• تأییدیه‌ها و دست‌دهی RTS/CTS چگونه خطاهای بی‌سیم و پایانه‌های پنهان را مدیریت می‌کنند؟
• سرعت‌ها، باندها و ویژگی‌های 802.11 چگونه در طول نسل‌های استاندارد تکامل یافته‌اند؟

Key concepts

• IEEE 802.11 (وای‌فای)
• نقاط دسترسی و ایستگاه‌ها
• مجموعه خدمات پایه (BSS)
• بیکن‌ها، اسکن، و اتصال
• CSMA/CA
• تأخیر تصادفی
• تأییدیه‌های لایه پیوند
• دست‌دهی RTS/CTS
• فرمت فریم 802.11
• امنیت بی‌سیم (WPA)

Key theories

معماری زیرساخت و اتصال

اکثر شبکه‌های وای‌فای در حالت زیرساخت (infrastructure-mode) کار می‌کنند: ایستگاه‌ها به یک نقطه دسترسی متصل می‌شوند که ترافیک آن‌ها را به یک شبکه سیمی منتقل می‌کند، پس از کشف آن از طریق فریم‌های بیکن و احراز هویت و اتصال برای پیوستن به مجموعه خدمات پایه آن.

دسترسی به رسانه CSMA/CA

802.11 از دسترسی چندگانه با حسگر حامل و اجتناب از برخورد (CSMA/CA) استفاده می‌کند: ایستگاه‌ها کانال را حس می‌کنند، فواصل تأخیر تصادفی را منتظر می‌مانند، و به تأییدیه‌های لایه پیوند متکی هستند، زیرا برخوردها را نمی‌توان به طور قابل اعتماد در حین ارسال در یک پیوند بی‌سیم تشخیص داد.

RTS/CTS برای پایانه‌های پنهان

تبادل اختیاری درخواست ارسال / آماده برای ارسال (RTS/CTS) کانال را قبل از ارسال یک فریم داده رزرو می‌کند، به طوری که ایستگاه‌هایی که از فرستنده پنهان هستند اما در محدوده گیرنده قرار دارند، یاد می‌گیرند که ارسال را به تعویق بیندازند و مشکل پایانه پنهان را کاهش دهند.

Clinical relevance

وای‌فای روش غالب برای اتصال دستگاه‌ها به شبکه‌های محلی و اینترنت در محیط‌های داخلی است و به خانه‌ها، دفاتر، مدارس و نقاط عمومی خدمات می‌دهد. درک مکانیزم دسترسی، فرآیند اتصال، و ساختار باند و کانال آن برای تشخیص مشکلات کندی یا عدم پایداری بی‌سیم، برنامه‌ریزی برای مکان‌یابی نقاط دسترسی و تخصیص کانال، و ایمن‌سازی شبکه‌های بی‌سیم در برابر دسترسی غیرمجاز و استراق سمع ضروری است.

History

اولین استاندارد IEEE 802.11 در سال 1997 منتشر شد و پس از آن نسل‌های پرکاربرد (802.11b, a, g, n, ac, ax) آمدند که سرعت‌ها را افزایش داده و باندها و تکنیک‌هایی مانند آنتن‌های متعدد را اضافه کردند. کنسرسیوم وای‌فای (Wi-Fi Alliance) قابلیت همکاری را تأیید و برند وای‌فای را محبوب کرد، و امنیت بی‌سیم از WEP ناکارآمد به WPA و WPA2/WPA3 تکامل یافت و وای‌فای را به فناوری بی‌سیم محلی پیش‌فرض در سراسر جهان تبدیل کرد.

Key figures

• Andrew S. Tanenbaum
• James F. Kurose
• Keith W. Ross

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020

Frequently asked questions

آیا وای‌فای همان اینترنت است؟

خیر. وای‌فای یک فناوری پیوند بی‌سیم است که دستگاه شما را به یک شبکه محلی، معمولاً از طریق یک نقطه دسترسی، متصل می‌کند. سپس آن شبکه از طریق یک پیوند سیمی یا سلولی جداگانه به اینترنت متصل می‌شود. شما می‌توانید وای‌فای بدون دسترسی به اینترنت داشته باشید، و دسترسی به اینترنت بدون وای‌فای.

چرا وای‌فای از اجتناب از برخورد به جای تشخیص آن استفاده می‌کند؟

یک فرستنده بی‌سیم معمولاً نمی‌تواند در حین ارسال به دنبال برخوردها باشد زیرا سیگنال خودش بسیار قوی‌تر از هر سیگنال ورودی است، و پایانه‌های پنهان ممکن است در جایی که فرستنده نمی‌تواند بشنود، با هم برخورد کنند. بنابراین 802.11 با استفاده از حسگر حامل، تأخیر تصادفی، تأییدیه‌ها، و RTS/CTS اختیاری، از قبل از برخوردها جلوگیری می‌کند، به جای اینکه آن‌ها را در حین ارسال مانند اترنت سیمی تشخیص دهد.