Wi-Fi 和无线局域网

Wi-Fi，即 IEEE 802.11 系列无线局域网标准，允许设备通过无线电波经由接入点连接到网络，它使用一种为不可预测的无线信道设计的避免冲突的介质访问协议。

Definition

无线局域网是一种设备通过无线电而非有线方式进行通信的局域网，而 Wi-Fi 是一系列定义其物理层和介质访问控制层的 IEEE 802.11 标准，通常围绕接入点组织，接入点将无线站点桥接到有线网络。

Scope

本主题涵盖 IEEE 802.11 标准下的无线局域网：接入点、站点和基本服务集架构；设备加入网络时的关联过程；带有随机退避、确认和可选 RTS/CTS 握手以处理隐藏终端的 CSMA/CA 介质访问协议；802.11 帧格式；以及标准速度和频段的演进。它还简要涉及无线安全。本主题不包括蜂窝网络和详细的无线电工程。

Core questions

• 802.11 无线局域网是如何围绕接入点和站点构建的？
• 设备如何发现并关联到 Wi-Fi 网络？
• CSMA/CA 如何协调信道访问并避免冲突？
• 确认和 RTS/CTS 握手如何解决无线错误和隐藏终端问题？
• 802.11 的速度、频段和功能是如何随着标准代际演进的？

Key concepts

• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• 接入点和站点
• 基本服务集 (BSS)
• 信标、扫描和关联
• CSMA/CA
• 随机退避
• 链路层确认
• RTS/CTS 握手
• 802.11 帧格式
• 无线安全 (WPA)

Key theories

基础设施架构和关联

大多数 Wi-Fi 网络是基础设施模式：站点通过信标帧发现接入点并进行认证和关联以加入其基本服务集后，与接入点关联，接入点负责转发它们与有线网络之间的流量。

CSMA/CA 介质访问

802.11 使用带冲突避免的载波侦听多路访问：站点侦听信道，等待随机退避间隔，并依赖链路层确认，因为在无线链路上发送时无法可靠地检测到冲突。

RTS/CTS 用于隐藏终端

可选的请求发送/清除发送交换在数据帧之前预留信道，因此对发送方隐藏但处于接收方范围内的站点会得知需要避让，从而缓解隐藏终端问题。

Clinical relevance

Wi-Fi 是设备在室内连接到本地网络和互联网的主要方式，服务于家庭、办公室、学校和公共热点。了解其访问机制、关联过程以及频段和信道结构对于诊断无线连接缓慢或不可靠、规划接入点放置和信道分配，以及保护无线网络免受未经授权的访问和窃听至关重要。

History

第一个 IEEE 802.11 标准于 1997 年发布，随后是广泛采用的几代标准（802.11b、a、g、n、ac、ax），这些标准提高了速度并增加了频段和多天线等技术。Wi-Fi 联盟认证了互操作性并推广了 Wi-Fi 品牌，无线安全从有缺陷的 WEP 演变为 WPA 和 WPA2/WPA3，使 Wi-Fi 成为全球默认的本地无线技术。

Key figures

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

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020

Frequently asked questions

Wi-Fi 和互联网是一回事吗？

不是。Wi-Fi 是一种无线链路技术，它将您的设备连接到本地网络，通常通过接入点。该网络再通过单独的有线或蜂窝链路连接到互联网。您可以有 Wi-Fi 但没有互联网访问，也可以有互联网访问但没有 Wi-Fi。

为什么 Wi-Fi 使用冲突避免而不是冲突检测？

无线发射器在发送时通常无法侦听冲突，因为其自身信号远强于任何传入信号，而且隐藏终端可能发生冲突而它无法听到。因此，802.11 通过载波侦听、随机退避、确认和可选的 RTS/CTS 提前避免冲突，而不是像有线以太网那样在传输过程中检测冲突。