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WLAN基本知识之802.11标准

WLAN技术基础

1.4 802.11标准介绍

1.4.1 IEEE 802.11协议族成员

  • IEEE 805.11无线工作组制定的规范分两部分:
    一是802.11物理层相关标准
    二是802.11MAC层相关标准

  • 物理层主要是定义了无线协议的工作频段,调制编码方式及最高速度的支持;MAC层主要是做无线网络里面的一些功能,或者是一些具体协议的体现,如QOS是对网络做一个限速,Mesh技术,无线安全标准。
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1.4.2 IEEE 802.11标准与WiFi的世代

  • 2018年10月,WiFi联盟对不同WiFi标准指定了新的命名,802.11ax被命名为WiFi 6,WiFi 4之前不做时代命名。

  • 如图所示,基本上所有的标准都是使用OFDM技术,唯有WiFi 6 差异较大, 它的编码方式、空间流数、信道带宽都异于WiFi 4,WiFi 4是四个空间流,WiFi 6 可以做到12条空间流,

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  • OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation),多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力,能够支持多用户接入。

  • OFDM技术由MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一,它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

1.4.3 802.11a/b/g差异

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1.4.4 802.11n

  • 802.11n是无线传输标准协议,它是划时代的技术。它的目标在于改善先前的两项无线网上标准,包括802.11a与802.11g,在网上流量上的不足。

  • 它的最大传输速度理论值为600Mbit/s,与先前的54Mbit/s相比有大幅提升,传输距离也会增加。

  • IEEE 802.11工作组于2002年成立了高吞吐量(HT)研究组着手制定新一代标准,并于2009年正式颁布基于MIMO-OFDM的802.11n标准,其最显著的是在速率上较之前有了突破性的进展。
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  • 802.11采用多项新技术,带来了全新的用户体验,极大推动了WLAN产业的发展,也使得WiFi的概念深入人心,到现在仍有大量的802.11n终端在网使用。

  • 802.11n技术实现了大带宽,给WiFi带来了更大的应用场景。

  • 802.11n带来了许多全新技术,802.11n结合物理层和MAC层的优化,来充分提高WLAN技术的吞吐,物理层技术设计的MIMO非常关键,使用MIMO-OFDM 40Mhz、Short GI技术,从而将物理层吞吐提高到600Mbps。

  • GI是指由于多径效应的影响,信息将通过多条路径传递,可能会发生彼此碰撞,导致ISI干扰,为此802.11a g标准,要求在发送信息符号时,必须保证在信息符号间,存在0.8us的时间间隔,这个间隔被称为Guard Interval。

  • 802.11n除了物理层优化,还对MAC协议层进行了优化,采用Block Ack块确认,帧聚合等技术,大大提高了MAC的效率。如果不对MAC层协议进行优化,仅仅物理层优化,就好比是修建了宽敞的马路,但是没有做好车道的规划,依然快不起来。
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1.4.5 802.11n关键技术

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1.4.6 IEEE 802.11ac标准

  • IEEE 802.11ac标准的颁布,使得WLAN技术正式迈入千兆领域,但是该标准仅支持工作在5Ghz频段。
  • 2.4Ghz的干扰对他来说都不生效。之前说到的2.4G信道设备,蓝牙、红外都不会对5G网络产生影响,
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    802.11n突破了原有WiFi标准带宽的瓶颈,它在802.11n基础上,增加了空间流数从4到8,信道从40Mhz增加至160Mhz,更定义了MU-MIMO技术,支持下行多用户并行传输。

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1.4.7 IEEE 802.ax标准(又称WiFi 6)

  • IEEE 802.11ax,WiFi联盟称为WiFi 6,又称为高效率无线局域网,是无线局域网标准,11ax支持2.4Ghz 和 5Ghz频段,兼容802.11a/b/g/n/ac。
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    802.11ax为了实现更大带宽,采纳了大多数802.11ac技术之上,又重新定义了OFDMA调制与复用技术,支持更窄的子载波间隔,并使用了1024-QAM调制模式,同时还引入上行MU-MIMO技术,使得WiFi 6 AP的整机理论速率突破10Gbps的同时,进一步提升高密场景下的吞吐量和服务质量。
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    OFDMA DL/UL技术:OFDM即正交频分复用;A access接入的意思,适用于多用户同时进行;
    MU-MIMO DL/UL:增加支持上行
    1024-QAM:编码技术达到1024-QAM,编码效率变高。
    基本服务器着色:既属于物理层,又属于MAC层,它在物理层增加了 Color的字段,却提供MAC层的功能,作用就是解决同频干扰的问题。通过着色,让终端区分开来两个AP,以达到提升效率作用。
    目标唤醒时间:不同手机对应不同需求,如果不用WiFi模块,可休眠该模块,使用时在激活,既灵活使用,又节约设备供电。
    双NAV机制:数据传输过程中,用于控制是否进行传输,协商与调制的工作机制。

1.4.8 WiFi 6理论速率计算

理解:空间流数量影响传输速率,子载波编码bit数即每个子载波能传输多少个bit,编码率越高越好,有多少个有效的子载波数用来承载数据传输的子载波数量。
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1.5 WLAN的关键技术

1.5.1 IEEE 802 与TCP/IP对等模型

  • WLAN是一种基于 IEEE 802.11标准的无线局域网技术。
  • 802.11标准聚焦在TCP/IP对等模型的下两层:
    数据链路层:实现各种技术,如信道接入、寻址、数据帧校验、错误检测、安全机制等。
    物理层:负责在空口(空中接口)传输比特流,例如频段。
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1.5.2 802.11物理层技术

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  • 802.11所采用的无线电物理层使用了三种不同的技术:
    跳频、直接序列、正交频复用(目前主要使用正交频复用,即OFDM)

1.5.3 OFDM

  • OFDM是一种特殊的多载波调制技术,其主要思想是将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。各子载波相互正交,扩频调制后的频道可以互相重叠,不但减少了子载波间的干扰,还提高了频谱利用率。
  • 当一个子载波到达波峰的时候,另一个子载波幅度为0,即为两个子载波正交无干扰。
  • OFDM之所以能够使用相互重叠的子载波,主要是因为定义了副载波,因此可以轻易区分彼此。
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    信号分三个副载波,每个副载波波峰均为数据编码用,如图圆点。这些副载波之间经过刻意设计,彼此保持正交关系。每个副载波的波峰,此时其它两个副载波的振幅均为0。

OFDM 5Ghz信道

5Ghz信道有52个子载波,每个子载波有312.5Khz,有48个信道传输数据,4个信道用来做相位参考。
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OFDM子信道调制技术使用QAM(QAM是Quadrature Amplitude Modulation的缩写,中文译名为“正交振幅调制”),QAM同时利用了载波的振幅和相位来传递信息。

1.6 WLAN基本概念

1.6.1 BSS和BSA

  • 组成WLAN的基本单元是基本服务集(BSS),BSS包含一个固定的AP和多个终端。
  • AP是BSS的中心,位置固定,AP在哪,BSS就在哪,而终端分布在AP周围,位置相对AP不固定
  • AP的覆盖范围称为基本服务区域(BSA),终端可以自由进出BSA,进入BSA的终端才可以和AP通信。
  • SSID相当于无线网络的名称,也是无线网络的身份标识,SSID的作用是便于用户辨识。
  • BSSID是AP的身份标识,它也是通常所说的MAC地址;
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1.6.2 VAP

  • VAP,即虚拟AP,AP通常支持创建多个虚拟AP(Virtual Access Point),每个VAP对应1个BSS。
  • 家用路由器也可以释放两个,2.4G和5G信号。
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1.6.3 DS

DS(Distribution system ,DS)称为BSS的分布式系统,BSS解决了1个区域内多个终端无线通信,但终端通信往往分散在各个地方,甚至地球另一端,这需要AP连接到更大的网络,就是AP的上行网络,它把不同区域的BSS连起来,让终端可以通信。
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1.6.4 ESS(扩展服务集)

  • BSS覆盖范围一般是15M,为了覆盖更大面积,可以用多个BSS来扩展。
  • 为了消除用户对BSS变化的感知,需要让每个BSS使用相同的SSID,这样用户走到哪,都是同一个WLAN。
  • 扩展服务集要求:
    1、两个独立BSS的AP一定要连接到同一个分布式系统
    2、两个SSDI一定要相同
    3、两个BSS一定要有重叠的覆盖区域。

ESS主要提供漫游服务,意思从一个AP移动到另一个AP的覆盖范围,网络不中断。

这种扩展BSS的范围方式称为扩展服务集(Extend services set,ESS),它以BSS为自由单位,让WLAN部署极为灵活。

  • 扩展服务集标识(ESSID,即各BSS相同的SSID成了ESS的身份标识,用于对终端通告一个连续的WLAN。
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1.7 WLAN组网架构即典型组网方案

1.7.1 FAT AP架构(胖AP)

  • FAT AP(胖AP)架构,又称为自治式网络架构
  • 胖AP架构无需部署集中控制设备(AC),但企业规模大,FAT数量多,且独立工作,缺少统一管理,维护FAT AP十分麻烦,因此,对企业而言,不推荐使用FAT AP架构。
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1.7.2 AC+FIT架构(瘦AP)

  • AC:负责WLAN的接入控制、转发和统计、AP的配置监控、漫游管理、AP的网管代理、安全控制。
  • FIT AP:负责802.11报文的加解密、802.11物理层功能、接受AC的管理、空口的统计等。
  • AC和AP之间使用的通信协议是CAPWAP
  • 相比于FAT AP架构,AC+FIT架构配置和部署更容易、安全性更高、更新和扩展容易。(升级和扩展仅需在AC上操作一次,非常容易)
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1.7.3 瘦AP组网方式

  • 二层与三层组网:
    二层组网:AC与AP在同一广播域,AP通过本地广播可以找到AC,这种方式组网、配置、管理简单,适用于小范围组网,小型企业网络,不适合大型企业复杂、精细化的WLAN组网。

  • 建议:AP不超过200台可以考虑本组网方式。
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    三层组网:
    AC与AP不在同一网段,中间网络必须保证AP与AC之间路由可达,需要进行额外配置才能使得AP发现AC,组网灵活、易扩展。
    这种方式适用于中、大型网络,以大型园区为例,每栋楼都会部署AP进行无线覆盖,AC仅放在核心机房进行统一管控,这样AC和FIT AP间必须采用较为复杂的三层网络。
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  • 直连式与旁挂式组网:
    直连式组网:
    AC同时扮演无线控制器和汇聚交换机功能,AP数据业务和管理业务都由AC集中转发和处理,适用于中小规模网络部署。同时负担有线、无线网络数据,压力较大,不建议使用。
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    旁挂式组网:
    旁挂式组网是指旁挂在现有网络,仅处理AP的管理业务,不做AP的数据业务处理,适用于网络改造、新建大、中型园区网络场景。
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  • CAPWAP协议

  • CAPWAP(无线接入点控制和配置协议):本协议定义了如何对AP进行管理、业务配置,即AC通过CAPWAP隧道来实现对AP的集中管控。

  • CAPWAP隧道功能:
    1、AP对AC的自动发现
    2、AP与AC间的状态维护
    3、AC通过CAPWAP隧道对AP进行管理,业务配置下发
    4、采用隧道转发模式时,AP将STA发出的数据通过CAPWAP隧道实现与AC间的交互。
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  • 数据转发方式:
    1、 直接转发:
    用户数据报文到达AP后,不经过CAPWAP隧道封装而直接转发到上层网络,AC只对AP进行管理,业务数据都是由本地直接转发。优势:数据流量不经过AC,AC负担小,万兆园区网推荐方案。
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    2、 隧道转发:
    业务数据报文由AP统一封装后到达AC实现转发,AC不但进行对AP管理,还作为AP流量的转发枢纽。
    用户的数据报文经过CAPWAP隧道封装后,再有AC转发到上层网络。优势:数据流和管理流全部经过AC,可以更容易对无线用户实施安全控制策略。流量从汇聚在进入AC,大流量建议使用直接转发的方式。
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    AC+FIT AP 组网特点对比
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1.7.4 VLAN与IP规划

  • WLAN中VLAN分:管理VLAN和业务VLAN,管理VLAN负责传输CAPWAP隧道转发的报文,包括管理报文和CAPWAP隧道转发的业务数据报文;而业务VLAN负责传输业务数据报文,业务VLAN可以划分成多个,20个跑A部门,30个跑B部门,还可以基于业务性质、基于员工级别划分
  • 需要注意的是,管理VLAN和业务VLAN分离,业务VLAN应该根据实际业务与SSID匹配映射关系。
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1.7.5 业务VLAN和SSID的映射关系

SSID : VLAN = 1 : 1
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企业需对区域A和区域B进行WLAN覆盖,希望用户搜索到1个SSID,并采用相同的数据转发控制策略,则SSID和VLAN只需要规划一个。

SSID : VLAN = 1 :N

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企业需要对区域A和区域B进行WLAN覆盖,希望用户搜索到WLAN只有1个SSID,同时采用不同的数据转发控制策略,则可规划一个SSID,两个VLAN对应不同区域,此时,SSID : VLAN = 1 : 2。

SSID : VLAN = N : M

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企业需要对区域A和B进行WLAN覆盖,用户搜索到WLAN即可了解地点信息等,同时采用不同的数据转发控制策略,则可规划两个SSID,两个VLAN。

1.7.6 IP地址规划

AC的源IP:用于管理AP,一般由手工配置,AP的IP地址,用于AC进行CAPWAP通信,由于AP数量较多,一般使用DHCP服务器动态分配地址,终端IP,建议用DHCP分配地址,对固定无线终端(如无线打印机)可以静态配置。
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