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华为802.11无线网络全面指南:2.11帧结构与MAC详解
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更新于2024-07-19
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"802.11无线网络权威指南"是一份详细且深入的参考资料,针对802.11无线网络技术进行了全面讲解。该指南共分为26章,从无线网络的基本概念、802.11标准的概述、MAC层的处理机制,到具体的帧封装、安全加密和移动性管理等方面进行了详尽阐述。 第1章介绍了无线网络的必要性,强调了无线频谱作为关键资源的重要性,以及无线网络的特点,如无实体边界、动态媒介、安全性以及标准化带来的便利。这一章着重于无线网络的适用场景和优势。 第2章涵盖了802.11网络的总体架构,包括IEEE 802网络技术规格的介绍,以及术语和设计原理的讨论。这里解释了不同类型的网络、传输系统的特性,以及网络边界的定义。此外,还介绍了802.11网络如何提供服务和支持移动性。 第3章深入解析了802.11 MAC(Media Access Control)层,探讨了MAC层面临的主要挑战,如射频链路质量和隐藏节点问题。MAC访问控制机制被详细分析,包括载波监听功能、网络分配矢量、帧间隔的管理和优化,以及DCF(分布式协调功能)的竞争式访问策略。指南还涉及DCF中的错误恢复、重传计数器、语音优先性和帧的分段重组等关键概念。 第4章进一步详细描述了帧格式和各个字段的作用,如Frame Control位、Duration/ID位、Address位、BSSID(基本服务集标识符)以及顺序控制位等,这些都是理解802.11无线通信的基础元素。 这份权威指南不仅适合无线网络的专业人士学习,也为对无线技术感兴趣的读者提供了深入理解802.11标准的实用参考,有助于提升在无线网络设计、部署和优化方面的技能。由于其严谨的学术性和实用性,这是一份不可多得的资源。
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802.11 无线网络权威指南 文档密级
华为三康机密,未经许可不得扩散 第 16 页, 共 508 页
前言
人们可以行动自如,而网络则不然。
相较于其他说法,这句话更足以解释无线局域网络(wireless LAN)在硬件方面的爆炸性成
长。不过短短几年,无线局域网络已经从昂贵、新奇的玩物,成长为当前的主流技术。
无线网络让使用者摆脱网络连接的束缚,不再受制于网络实体位置,不过要摆脱具体的网
络限制,需要不少的协议工程·为了提供使用者不受空间限制的服务·糸网络必须掌握更多使用
者所在位置的信息。
本书的写作,有更多时问是花费在飞机上、机场里以及火车上。要将演变中的网络技术浓
缩为一本书,大部分的研究工作都离不开网际网络。要不是能够随时随地访问网络,本书或许得
耽搁更久方能问世。
无线网络的优势使它们快速成长为数十亿美元的设备市场。如今 Wireless LAN 在整个网络
环节中已占有一席之地,学习如何掌握 Wireless LAN 自然成为人们必须面对的课题。
解放的普罗米修斯:Wireless LAN 的种种可能性
相较于固定(或有线)网络,无线网络具备下列优点:
移动性
使用者有四处游走的需要,不过数据通常集中储存。能够让使用者在行动间访问数据,可
大幅提高生产力。配置网络是为了提供使用者有价值的服务。过去,网络设计人员所关注的焦点
在于网络连接点,因为每个连接点通常对映到一位使用者。不过无线网络并没有实体连接点,因
此使用者身份便成为网络设计的重心。
部署容易,配置快速
对传统的有线局域网络(wired LAN)而言,要在某些场所布线相当困难。建筑物老旧通
常是问题所在;要在一楝设计蓝图已经不知去向的旧式石材建筑中穿墙布线,的确不是件容易的
事。此外,有些地区碍于法令限制,要在列为古迹的建筑物中架设局域网络更是难上加难。就算
设备地点位于新建的设施,除了所费不菲,布线也十分耗时。
弹性
既然无须网线,也就没有重新布线的问题。利用无线网络,使用者可以迅速建构小型。临
时性的群组网络以供会议之用,随意游走于办公室隔间也变得易如反掌。相形之下,无线网络的
扩充十分容易,因为网络介质无处不在。使用者再也不必到处拉线。接线甚或是绕线。弹性是
hot spot(热点)市场一包括旅馆、机场、车站(甚至是列车本身!)、图书馆以及咖啡馆一的
最大卖点。
成本
有时候,采用无线技术可以节省不少成本。举例而言,可以利用 802.11)设备在两楝建筑物
之间搭设一道无线桥梁(wireless bridge)。配置无线桥梁须支付一些初期购置成本,包括户外
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华为三康机密,未经许可不得扩散 第 17 页, 共 508 页
设备、无线基站(access point)以及无线网卡(wireless interface)。扣除初期的固定资本支出,
以 802.11 做为底层架构、视线(line-of-sight )对接的网络,每月所需要支付的营运成本可说是
微乎其微。长期而言,这种点对点(point-to-point)的无线链路远比电话公司所提供的专线便宜
得多。
虽然有上述种种的好处,在 1997 年 802.11 标准确定之前,使用者只能屈就于个别厂商所
提供的解决方案,承担其所附带的风险。直到 802.11 开始席卷市场,传输速度随即由 2Mbps
跳升为 11Mbps 以至于 54Mbps。无线界面卡以及天线的标准化,使得配置无线网络不再遥不可
及。许多服务供应商(service provider)趁势推出相关服务,一些主要城市的自愿团体也开始利
用 802.11 建构公用无线网络(public wirelessnetwork)。
802.11 已经成为一种普遍公认的连接方式。只要有一组基站,就可以为访客提供连接服务,
不必再通过 Ethernet 开放公用连接点。802.11 成为标准这几年来,「热点」(hot spot )一词的
含义,已经从带点异国情调的固定场所,转变为能够在行进间提供连接的技术。以 802.11 搭配
卫星上链,就算行进速度很快,一样可以访问网际网络。有些铁路通信系统已经开始提供移动式
热点。即便巡航速度(cruising speed)高达每小时 550 英里,波音公司的 Connexion 也可以在
飞机上提供类似服务。
致读者
本书主要针对需要进一步涉猎 Wireless LAN 营运( operation)部署(deployment)以及控
管(monitoring)种种技术层面的读者:
z 打算将 802.11 设备整合到现有网络或是配置 802.11 网络的设计人员(network
architect)。
z 负责配置与维护 802.11 未网络的管理人员(network administrator)。
z 关切 802.11 设备在部署上可能衍生的安全问题以及致力解决这些问题的安全专业人
员(security professional)。
本书假定读者具备某种程度的电脑网络相关背景知识。读者应该对 IEEE 802 网络(特别是
Ethernet)、OSI 参考模型、TCP/IP 以及其他相关网络通信协议有基本的了解。对大多数网管
人员而言,无线局域网络并非全新领域,不过还是有若干新的概念,特别是在无线传输方面。
关于本书第二版的说明
有些技术变动十分快速,想要为之著书立说并不容易。困难之处,部分是因为无法十分确
定应该涵盖哪些内容。本书改版这几年间,安全性占据整个发展的主轴,因此更新这方面的信息
就成为本次改版的重点。本书有两个主要目的:除了教导读者 802.11 标准本身,也提供配置
802.11 Wireless LAN 实务上的建议。这两个目的本身互不冲突,因此各位可以挑选自己感兴趣
的章节。为了协助读者决定阅读顺序以及对章节配置有整体的概念,将各章内容摘要于下:
第一章<无线网络导论〉论述了无线网络与传统有线网络之间的差异,以及采用无线介质时必须
面临的种种问题,例如网络界限模糊以及介质不可靠等问题。WirelessLAN 或许具体展现了
Christian Huitema 所说的『Internet 没有中口,只有不断扩展之边际』。当 Wireless LAN 技
术逐渐普及,整个边际也就更形模糊了。
第二章〈802.11 网络概观〉描述了 802.11 Wireless LAN 的整体架构。802.11 有点类似
Ethernet,不过加入了一些新的网络元件,以及一堆新的术语。读者可在本章看到使用 802.11
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网络时,将会接触到的网络元件。大致而言,这些元件包括工作站(station 配备无线网卡的行
动设备)、基站(access point,位于工作站与传输系统之问的桥接器)以及传输系统(ciistrihution
system,即有线骨干网络)本身。工作站在逻辑上被划归他各个基本服务 x 组合 13ttsic service
set,简称 BSS)。如果没有基站参与其中,该网络即是较为松散。由工作站彼此自治(ad-hoc
confederation)的独立型基本服务网域(independent BSS,简称 IBSS)。基站允许个别的 BSS
彼此串连为逻辑上相连的群组,此种结构称为延伸式服务组合(Extended Service Set 简称
ESS)。
第三章<802.11 MAC〉深入探讨了 802.11 标准的介质访问控制(Media AccessControl,
简称 MAC)层协议。和所有 IEEE 802 网络一样,802.11 将 MAC 层功能与实体介质访问功能
加以区分。802.11 包含了许多不同的物理层,不过使用相同的 MAC。网络介质的访问方式主要
还是通过竞争(contention),不过其所采用的是碰撞避免(collision avoidance,即 CSMS/CA)
而非碰撞检测(collision detection,即 CSMA/CD)。本章同时探讨了 802.11 帧( frame)的
数据封装方式(dataencapsulation),让网络管理人员得以了解传输数据时所使用的帧格式。
第四章<802.11 帧封装细节>以第三章为基础,详细说明了不同类型的帧及其使用场合。
本章比较偏向参考之用,而不是做为实际的阅读材料。本章详细描述了三种主要帧。数据帧(data
frame)负责传输数据。控制帧(control frame)扮演监督(supervisory)的角色。而管理帧
(management frame)负责协助 802.11MAC 完成其他延伸作业。信标信号(Beacon)除了用
来宣布
802.11 网络的存在,以及协助整个连接过程(association process),对工作站进行身
份认证时也派得上用场。
第五章〈有线对等私有(WEP)〉描述了对等私有(Wired Equivalent Privacy,简 称 WEP)
协议。虽然有所瑕庇,WEP 仍是无线局域网络安全领域许多后续工作的基础。本章探讨了何谓
WEP、WEP 如何运作。以及为何不能仰赖 WEP 提供有用的隐私与安全。
第六章〈802.1X 使用者身份认证>描述了 802.1X 身份认证架构。搭配「可延伸身份认证
协议」(Extensible Authentication Protocol),802.1X 为无线局域网络提供了坚固的身份认证
解决方案,同时改善了加密方面的功能。
第七章〈802.11i:RSN、TKIP 与 CCMP〉描述了 802.11i 无线局域网络安全标准。为了
解决 WEP 的基本瑕庇,802.11i 设计了两种新式的链路层加密协议,以及产生与传递密钥的机
制。
第八章<管理作业>主要在探讨 802.11 网络的管理作业。加入任何网络之前,工作站必须
通过扫描,以寻找由基站或 IBSS 创建者主动发布的网络。传送任何数据之前,工作站与基站之
间必须处于连接状态。本章同时探讨了 MAC 内建的省电功能,省电功能可让以电池供电的工作
站进入休眠模式,并且定时醒来接收为其暂存的数据。
第九章〈采用中枢协调功能的免竞争服务〉主要在探讨中枢协调功能(pointcoordination
function,简称 PCF)。PCF 在实作上并不常见,因此本章可略过不读·PCF 是以免竞争
(contention-free)方式访问无线介质的基础。在免竞争访问中,无线介质系由中央控管,访问
时必须持有权杖(token),此权杖通常提供自基站。
第十章<物理层概观>探讨了 802.11 模型中物理层(physical layer,简称 PHY)的一般架
构。PHY 本身可进一步区分为两个次协议层(sublayer)。物理层收敛程序(Physical Layer
Convergence Procedure,简称
PLOP)次协议层,除了加入同步信号(preamble)以形成完整
帧,同时也加入了本身的标头,而实体搭配介质(Physical Medium Dependent,简称 PMD)
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次协议层,则会为帧加入调制(modulation)的捆节。较常见的 PHY 是以射频(radio frequency,
简称 RF)做为无线介质,因此本章将以 RF 系统与技术的简短讨论做为结尾。
第十一章〈FH PHY〉所描述的是最早期的 802.11 物理层。市面上已经很难买到 FHPHY
相关产品,不过早期大多数设备均采用此物理层。历年来一直参与 802.11 技术发展的机构,或
许也有熟悉此物理层的需要。
第十二章〈DS PHYs:DSSS 术为基础的两种物理层。80211 原始标准所规范的物理层提
供 1Mbps 与 2Mbps 两种速率。不过,直到 802.11b 加入 5.5Mbps 与 11Mbps 这两种传输率,
整个技术才算真正起飞。本章将一并描述这两种密切相关的物理层。
第十三章〈802.11a 与 802.11!:5-GHz OFDM PHY〉探讨了 802.11a5-GHz 物理层,传
输速度可达 54Mbps。此物理层所使用的调制技术,称为「正交分频多工」(orthogonal frequency
division multiplexing,简称 OFDM)。此实体要稍加修改方能在日本使用,亦即后来的 802.11j
标准。
第十四章<802.11g:延伸速率物理层〉主要在探讨一种使用 OFDM 技术但与 802.116 共
用 2.4 GHz 频段的物理层,802.11g 大幅压缩一了 802.116 的生存空问,也是新式笔记型电脑
常见的内建连网方式。此物理层与 802.11a 物理层几乎完全相同。差别在于 802.11g 可以回溯
相容于使用相同频段的旧设备。
第十五章<802.1 In 前瞻;
MIMO-OFDM〉描述了目前仍在开发中的物理层。为了提供更高
速率,802.11n 所使用的物理层,是以「多进多出」(multiple-input/multiple-output,简称 MIMO)
为基础。本书即将付梓之际,这两份标准建议书尚在委员会中角力。两者在本章均有探讨。
第十六章<802.11 硬件〉开始从理论性议题过渡到标准的实作议题。802.11 算是比较宽松
的标准,留给实作上相当大的空问。不同的网卡可能具有不同的效能,协议的实作上也可能有所
差异。这些差异主要来自于硬件的建构方式。
第十七章<802.11 与 Windows〉描述了 Windows 驱动程序基本的安装程序,以及安全方
面的配置设置。
第十八章〈802.11 与 Macintosh〉描述了如何在 MacOS X 上使用 AirPort 网卡连接至 802.11
网络。焦点放在 Mac OS X 10.3,因为这是首次支持 802.1X 的版本。
第十九章<802.11 与 Linux〉描述了如何让 Linux 系统支持 802.11 网络。交待了如何让作
业系统支持 PC Card 之后,本章会接着说明如何使用无线延伸功能(wirelessextension)的 API。
于此将探讨两种常见的驱动程序,一种支持旧式的 Orinoco802.11b 网卡,另一种则支持使用
Atheros 芯片组的新式网卡,称为 MADwifi。最后,本章将说明如何使用 xsupplicant 进行 802.1X
安全性配置设置。
第廿章〈使用 802.11 基站>探讨了 802.11 基础型(infrastructure)网络所使用的设备。
商用基站产品功能各不相同。本章描述了基站上常见的功能、提供采购建议以及两个实际的设置
范例。
第廿一章〈无线网络逻辑架构〉是本书论述层次的第三次转变,从 802.11 个别设备的实作
层面,过渡到如何配置较大规模的 802.11 网络。配置网络时有几种不同的做法可供选择,这些
做法各有其优缺点。除了列举常见的网络拓朴形式,本章还会提供选择上的建议。
第廿二章〈安全性架构〉应该接着上一章阅读。安全性架构的主要挑战,在于如何以开放
性介质提供网络访问,又能同时兼顾网络安全.安全性的选择与架构上的选择彼此互相影响。本
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章提出了设计网络时必须面临的几项重要抉择:打算使用何种身份认证方式?如何与现有的使用
者数据库整合?如何加密以确保数据安全?以及如何处理未经授权的基站部署问题。
第廿三章〈网络规划与专案管理〉是针对网管人员的最后一章。设计大规模的无线网络之
所以困难,是因为要求访问的使用者数量太多·如何确保网络具备足够频宽以满足来自四面八方
的使用者需求,免不了需要事先规划。基站的区位选择,绝大部分取决于无线波环境。传统上,
这是配置网络时最耗时的工作。
第廿四章<802.11 网络分析>主要在教导网络管理人员如何得知 Wireless LAN 发生了什
么事。不论在有线或无线网络中,网络分析软件都具有相当的价值。本章探讨了如何使用网络分
析软件,以及各种症状的意涵。其次,描述如何编译 Ethereal 分析软件,以及如何著手进行一
般问题的障碍排除。
第廿五章〈802.11 效能调校〉主要探讨网管人员如何提升传输量。一开始,本章将描述如
何计算原始数据(payload data)的整体传输量,以及提升效能的一般做法。有时候,调整一些
常见的 802.11 参数或许会有所帮助。
第廿六章<结论与展望>用来总结 802.11 工作小组目前正在进行的标准化任务。综述这些
进行中的任务之后,至少我可以预见与希望,本来本书改版时可以不必大费力气的。
与第一版的主要差异
2002 至 2005 三年间,无线局域网络历经相当大的变动。标准本身持续演进,提供更高的
安全性与互通性.依「更快·更好、更便宜」的典型技术发展形式,大多数 802.11 的数据传输率,
已经从 802.11b 的 2 或 11 Mbps,跃升为 802.11a 与 802.11g 的 54Mbps。即便在大规模网络
的应用上仍有其限制,「速度更快」与「回溯相容」已经证明是 802.11g 在商业上致胜的配方。
即将标准化的 802.11n 意在进一步提升速度。使用者莫不迫切期待物理层技术的进一步务展,
由「前标准」(pre-standard)产品相当受到欢迎即可印证。本书增加了两个全新的章节,分别
探讨 802.11g 与 802.11n。在 802.11h 的频谱管理发展过程中,欧洲采用 802.11a 纯属偶然事
件,因此管理章节必须大幅改写。
本书第一版于 2002 年发行时,802.11 的安全性经常受到质疑。WEP 显然有所不足,不过
当时并没有更好的替代方案。大多数网管人员比较习惯应付内置(而非外设)的远端访问系统。
802.11i 的发展大幅简化了网络的安全防护工作。如今,安全性的考虑已经内置于规格书中,不
像以往需要假以外求。安全性的改良散见全书,从说明新协议如何运作的全新章节,到如何将之
运用于用户端,以至于配置网络时如何筛选不同的选项。比起三年前,筛选适当的安全性选项如
今变得更为复杂,因此有必要从初版的一节,扩增为独立的一章。
三年前,基站大多十分昂贵。而且数量一多,基站的表现就不如人意。进行网络部署时,
通常得试着突破当时既有设备的种种限制。三年后,基站的功能更强、选择更多,部署时也更具
弹性。如今已经有多种选项可供选择,不再需要屈就「一体适用」(one size fits all)的部署模
型。安全性协议已有长足的改善,如今探讨部署技术时,已经可以著眼于它能够为组织贡献什么,
不必再担心或聚焦于如何防止失控的情况发生。因此,原本有关网络部署的篇幅扩增为三章,分
别探讨部署程序的各个主要部分。
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