Wi-Fi และระบบ LAN ไร้สาย

Wi-Fi ซึ่งเป็นตระกูลมาตรฐาน LAN ไร้สาย IEEE 802.11 ช่วยให้อุปกรณ์สามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายผ่านคลื่นวิทยุโดยใช้จุดเข้าใช้งาน (access points) โดยใช้โปรโตคอลการเข้าถึงสื่อกลางแบบหลีกเลี่ยงการชนกัน (collision-avoidance medium access protocol) ที่ออกแบบมาสำหรับช่องสัญญาณไร้สายที่คาดเดาไม่ได้

Definition

LAN ไร้สายคือเครือข่ายท้องถิ่นที่อุปกรณ์สื่อสารกันผ่านคลื่นวิทยุแทนที่จะเป็นสายไฟ และ Wi-Fi คือชุดมาตรฐาน IEEE 802.11 ที่กำหนดเลเยอร์ทางกายภาพและเลเยอร์ควบคุมการเข้าถึงสื่อกลาง โดยทั่วไปจะจัดระเบียบโดยมีจุดเข้าใช้งานที่เชื่อมต่อสถานีไร้สายเข้ากับเครือข่ายแบบมีสาย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเครือข่ายท้องถิ่นไร้สายภายใต้ IEEE 802.11: สถาปัตยกรรมของจุดเข้าใช้งาน สถานี และชุดบริการพื้นฐาน (basic service sets); กระบวนการเชื่อมโยง (association process) ที่อุปกรณ์ใช้ในการเข้าร่วมเครือข่าย; โปรโตคอลการเข้าถึงสื่อกลาง CSMA/CA พร้อมการหน่วงเวลาแบบสุ่ม (random backoff) การยืนยัน (acknowledgments) และการจับมือแบบ RTS/CTS ที่เป็นทางเลือกเพื่อจัดการกับสถานีที่ซ่อนอยู่ (hidden terminals); รูปแบบเฟรม 802.11; และวิวัฒนาการของความเร็วและย่านความถี่ของมาตรฐาน นอกจากนี้ยังกล่าวถึงความปลอดภัยไร้สายในระดับสูง แต่ไม่รวมถึงเครือข่ายเซลลูลาร์และวิศวกรรมวิทยุโดยละเอียด

Core questions

• เครือข่ายไร้สาย 802.11 มีโครงสร้างอย่างไรโดยมีจุดเข้าใช้งานและสถานีเป็นศูนย์กลาง?
• อุปกรณ์ค้นหาและเชื่อมโยงกับเครือข่าย Wi-Fi ได้อย่างไร?
• CSMA/CA ประสานการเข้าถึงช่องสัญญาณและหลีกเลี่ยงการชนกันได้อย่างไร?
• การยืนยันและการจับมือแบบ RTS/CTS จัดการกับข้อผิดพลาดไร้สายและสถานีที่ซ่อนอยู่ได้อย่างไร?
• ความเร็ว ย่านความถี่ และคุณสมบัติของ 802.11 มีวิวัฒนาการอย่างไรในแต่ละรุ่นของมาตรฐาน?

Key concepts

• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• จุดเข้าใช้งานและสถานี
• ชุดบริการพื้นฐาน (BSS)
• บีคอน การสแกน และการเชื่อมโยง
• CSMA/CA
• การหน่วงเวลาแบบสุ่ม
• การยืนยันระดับลิงก์
• การจับมือแบบ RTS/CTS
• รูปแบบเฟรม 802.11
• ความปลอดภัยไร้สาย (WPA)

Key theories

สถาปัตยกรรมโครงสร้างพื้นฐานและการเชื่อมโยง

เครือข่าย Wi-Fi ส่วนใหญ่เป็นโหมดโครงสร้างพื้นฐาน: สถานีเชื่อมโยงกับจุดเข้าใช้งานที่ส่งต่อข้อมูลของพวกมันไปยังและจากเครือข่ายแบบมีสาย หลังจากค้นพบผ่านเฟรมบีคอนและตรวจสอบสิทธิ์และเชื่อมโยงเพื่อเข้าร่วมชุดบริการพื้นฐาน

การเข้าถึงสื่อกลางแบบ CSMA/CA

802.11 ใช้การเข้าถึงหลายช่องสัญญาณแบบตรวจจับพาหะพร้อมการหลีกเลี่ยงการชนกัน: สถานีตรวจจับช่องสัญญาณ รอช่วงเวลาหน่วงเวลาแบบสุ่ม และอาศัยการยืนยันระดับลิงก์ เนื่องจากไม่สามารถตรวจจับการชนกันได้อย่างน่าเชื่อถือในขณะที่ส่งสัญญาณบนลิงก์ไร้สาย

RTS/CTS สำหรับสถานีที่ซ่อนอยู่

การแลกเปลี่ยนคำขอส่ง/พร้อมส่ง (request-to-send / clear-to-send) ที่เป็นทางเลือกจะสงวนช่องสัญญาณก่อนเฟรมข้อมูล เพื่อให้สถานีที่ซ่อนอยู่จากผู้ส่งแต่อยู่ในระยะของตัวรับเรียนรู้ที่จะเลื่อนการส่งออกไป ซึ่งช่วยลดปัญหาสถานีที่ซ่อนอยู่

Clinical relevance

Wi-Fi เป็นวิธีหลักที่อุปกรณ์เชื่อมต่อกับเครือข่ายท้องถิ่นและอินเทอร์เน็ตภายในอาคาร โดยให้บริการในบ้าน สำนักงาน โรงเรียน และฮอตสปอตสาธารณะ การทำความเข้าใจกลไกการเข้าถึง กระบวนการเชื่อมโยง และโครงสร้างย่านความถี่และช่องสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวินิจฉัย Wi-Fi ที่ช้าหรือไม่น่าเชื่อถือ การวางแผนตำแหน่งจุดเข้าใช้งานและการกำหนดช่องสัญญาณ และการรักษาความปลอดภัยเครือข่ายไร้สายจากการเข้าถึงโดยไม่ได้รับอนุญาตและการดักฟัง

History

มาตรฐาน IEEE 802.11 ฉบับแรกปรากฏขึ้นในปี 1997 ตามมาด้วยรุ่นที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง (802.11b, a, g, n, ac, ax) ซึ่งเพิ่มความเร็วและเพิ่มย่านความถี่และเทคนิคต่างๆ เช่น เสาอากาศหลายต้น Wi-Fi Alliance ได้รับรองความเข้ากันได้และทำให้แบรนด์ Wi-Fi เป็นที่นิยม และความปลอดภัยไร้สายได้พัฒนาจาก WEP ที่มีช่องโหว่ไปสู่ WPA และ WPA2/WPA3 ทำให้ Wi-Fi เป็นเทคโนโลยีไร้สายท้องถิ่นเริ่มต้นทั่วโลก

Key figures

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

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020

Frequently asked questions

Wi-Fi เหมือนกับอินเทอร์เน็ตหรือไม่?

ไม่ Wi-Fi เป็นเทคโนโลยีลิงก์ไร้สายที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ของคุณเข้ากับเครือข่ายท้องถิ่น โดยปกติจะผ่านจุดเข้าใช้งาน เครือข่ายนั้นจะเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตด้วยลิงก์แบบมีสายหรือเซลลูลาร์แยกต่างหาก คุณสามารถมี Wi-Fi โดยไม่มีการเข้าถึงอินเทอร์เน็ต และมีการเข้าถึงอินเทอร์เน็ตโดยไม่มี Wi-Fi ได้

ทำไม Wi-Fi ถึงใช้การหลีกเลี่ยงการชนกันแทนการตรวจจับ?

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องส่งสัญญาณไร้สายไม่สามารถฟังการชนกันในขณะที่ส่งได้ เนื่องจากสัญญาณของตัวเองแรงกว่าสัญญาณที่เข้ามามาก และสถานีที่ซ่อนอยู่ (hidden terminals) อาจชนกันในจุดที่เครื่องส่งไม่สามารถได้ยิน ดังนั้น 802.11 จึงหลีกเลี่ยงการชนกันล่วงหน้าโดยใช้การตรวจจับพาหะ การหน่วงเวลาแบบสุ่ม การยืนยัน และ RTS/CTS ที่เป็นทางเลือก แทนที่จะตรวจจับการชนกันระหว่างการส่งสัญญาณเหมือนที่อีเทอร์เน็ตแบบมีสายทำ