Wi-Fi и беспроводные локальные сети

Wi-Fi, семейство стандартов беспроводных локальных сетей IEEE 802.11, позволяет устройствам подключаться к сети по радио через точки доступа, используя протокол доступа к среде с предотвращением коллизий, разработанный для непредсказуемого беспроводного канала.

Definition

Беспроводная локальная сеть — это локальная сеть, в которой устройства обмениваются данными по радио, а не по проводам, а Wi-Fi — это набор стандартов IEEE 802.11, которые определяют ее физический уровень и уровень управления доступом к среде, обычно организованные вокруг точек доступа, которые соединяют беспроводные станции с проводной сетью.

Scope

Эта тема охватывает беспроводные локальные сети в соответствии с IEEE 802.11: архитектуру точек доступа, станций и базовых наборов услуг; процесс ассоциации, посредством которого устройство присоединяется к сети; протокол доступа к среде CSMA/CA со случайной задержкой, подтверждениями и опциональным рукопожатием RTS/CTS для обработки скрытых терминалов; формат кадра 802.11; и эволюцию скоростей и диапазонов стандарта. Она также затрагивает беспроводную безопасность на высоком уровне. Исключаются сотовые сети и детальная радиотехника.

Core questions

• Как структурирована беспроводная локальная сеть 802.11 вокруг точек доступа и станций?
• Как устройство обнаруживает сеть Wi-Fi и ассоциируется с ней?
• Как CSMA/CA координирует доступ к каналу и предотвращает коллизии?
• Как подтверждения и рукопожатие RTS/CTS устраняют беспроводные ошибки и проблему скрытых терминалов?
• Как эволюционировали скорости, диапазоны и функции 802.11 в разных поколениях стандарта?

Key concepts

• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• точки доступа и станции
• базовый набор услуг (BSS)
• маяки, сканирование и ассоциация
• CSMA/CA
• случайная задержка
• подтверждения на канальном уровне
• рукопожатие RTS/CTS
• формат кадра 802.11
• беспроводная безопасность (WPA)

Key theories

Инфраструктурная архитектура и ассоциация

Большинство сетей Wi-Fi работают в инфраструктурном режиме: станции ассоциируются с точкой доступа, которая передает их трафик в проводную сеть и из нее, после обнаружения ее через маяковые кадры, а также аутентификации и ассоциации для присоединения к ее базовому набору услуг.

Доступ к среде CSMA/CA

802.11 использует множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий: станции прослушивают канал, выжидают случайные интервалы задержки и полагаются на подтверждения на канальном уровне, поскольку коллизии не могут быть надежно обнаружены во время передачи по беспроводному каналу.

RTS/CTS для скрытых терминалов

Опциональный обмен запрос-на-отправку / готовность-к-отправке резервирует канал перед передачей кадра данных, чтобы станции, скрытые от отправителя, но находящиеся в зоне действия приемника, узнали о необходимости отложить передачу, что смягчает проблему скрытого терминала.

Clinical relevance

Wi-Fi является доминирующим способом подключения устройств к локальным сетям и Интернету в помещениях, обслуживая дома, офисы, школы и общественные точки доступа. Понимание его механизма доступа, процесса ассоциации, а также структуры диапазонов и каналов имеет важное значение для диагностики медленной или ненадежной беспроводной связи, планирования размещения точек доступа и назначения каналов, а также для защиты беспроводных сетей от несанкционированного доступа и перехвата данных.

History

Первый стандарт IEEE 802.11 появился в 1997 году, за ним последовали широко распространенные поколения (802.11b, a, g, n, ac, ax), которые увеличили скорости и добавили диапазоны и методы, такие как множественные антенны. Wi-Fi Alliance сертифицировал совместимость и популяризировал бренд Wi-Fi, а беспроводная безопасность эволюционировала от взломанного WEP до WPA и WPA2/WPA3, сделав Wi-Fi технологией беспроводной связи по умолчанию во всем мире.

Key figures

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

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020

Frequently asked questions

Wi-Fi — это то же самое, что Интернет?

Нет. Wi-Fi — это технология беспроводной связи, которая подключает ваше устройство к локальной сети, обычно через точку доступа. Затем эта сеть подключается к Интернету через отдельное проводное или сотовое соединение. У вас может быть Wi-Fi без доступа в Интернет, и доступ в Интернет без Wi-Fi.

Почему Wi-Fi использует предотвращение коллизий, а не их обнаружение?

Беспроводной передатчик, как правило, не может прослушивать коллизии во время передачи, потому что его собственный сигнал намного сильнее любого входящего, а скрытые терминалы могут сталкиваться там, где он не может слышать. Поэтому 802.11 предотвращает коллизии заранее, используя контроль несущей, случайную задержку, подтверждения и опциональный RTS/CTS, а не обнаруживает их в середине передачи, как это делал проводной Ethernet.