WiFi 的起源发展信道划分及网络结构解析

Posted 2020-12-21 wenziw5

Wi-Fi 的发源地

Wi-Fi 的发源地是夏威夷，Wi-Fi 是一种无线局域网协议。而对于网络协议中的多址接入协议的历史可以追述到 1971 年的 ALOHAnet，按照 WiKi 的记录，ALOHAnet 是一个在夏威夷大学开发的一个无线网络，为什么要构建这个无线网络，是因为夏威夷岛屿之间不易布置有线链路，如果布置的话，其成本也会很高。所以当时就采用了一种相对成本比较低廉的无线设备，构造一个以 Oahu 岛为中心和其他夏威夷岛屿通信的无线链路。这也就是 Wi-Fi 最开始的雏形。

Wi-Fi 的定义及发展

Wi-Fi 是一种允许电子设备连接到无线局域网的技术，通常使用的是 2.4G UHF 或 5G SHF ISM 射频频段，它是由 IEEE 定义的一个无线网络通信的工业标准 ,也被称之为是 IEEE802.11，在 Wi-Fi 的整个发展过程中，其主要的几个时间节点是这样的：

• 1997年发表了第一个版本，也就是 802.11
• 1999年，Wi-Fi 联盟正式成立，为什么要成立 Wi-Fi 联盟呢？是因为 IEEE 的协议偏重于理论设计，然而在真实的生产环境下，所需要解决的一个关键问题就是不同厂家的互兼容性，产品测试之类，Wi-Fi 联盟就是基于这样一个目的而成立的。
• 同样是 1999 年，IEEE 颁布了 802.11b 协议，802.11b 相对于 802.11 来说，在物理层进行了补充，实际上大家开始接触的 Wi-Fi 很多也是从 802.11b 开始的，802.11b 是 802.11 协议中的第一个里程碑，早期的带 Wi-Fi 功能的笔记本，或者是 PSP游戏机，其所带的无线功能都是基于 802.11b 的，802.11b 协议是无线网络发展中很重要的一步。也是在这一年，基于 Wi-Fi 原理的 Airport 技术也有苹果在 iBooks 中正式推出。
• 2000年，802.11a 也正式发布，但是它并没有获得像 802.11b 那样的成功，它引入了一种新的物理层技术 OFDM ，这里就不展开讲了，为什么会不成功呢，是因为 802.11a 在当时所使用的 OFDM 技术，当时只在 5GHz 频段开放了 OFDM 技术，而在 1999~2000 年间，美国非军事所使用的 5G 频段仅仅只有几个指定的信道。而且还有另外一个非常重要的原因是，由于 802.11a 和 802.11b 所在的频段不同，所以新出的设备同时兼容 802.11b 和 802.11a 就会造成成本增加，所以实际 802.11a 的应用很少。
• 2003年，802.11g 协议正式通过，802.11g 和 802.11a 协议上整体是一致的，比较有区别的一点就在于 802.11g 是将 802.11a 搬到 2.4GHz 频段上，在上述我们说只在 5GHz 的频段开放了 OFDM 技术，那把频段搬到 2.4GHz 有什么用呢？这是因为在 2002 年，2.4GHz 频段也可以使用 OFDM 技术了，所以仅仅在一年后，也就是 2003 年，802.11g 发布了。802.11g 协议的颁布是 802.11协议中的第二个里程碑。
• 2004年，由于以往的 Wi-Fi 的发展都是在于其 PHY 层和 MAC 层的性能上，协议的安全性并没有得到发展，因此，在 2004 年，专门针对 Wi-Fi 安全的协议标准 802.11i 正式发布。
• 2005年，802.11MAC的重要改良 802.11e 协议正式通过
• 2009年，Wi-Fi 发展的第三个里程碑，802.11n 协议正式通过，相比于之前的 Wi-Fi 技术，802.11n 的核心技术概念是 MIMO,之前的无线通信技术都是单天线的传输系统，在 MIMO 的设计上，我们可以通过多根天线，并行传输多个不同数据，从而提高传输速率，提供更高的系统带宽。如下图所示，同时传输 x1,x2两个信号至 RX 端。

• 2014年，Wi-Fi 的第四个里程碑 802.11ac 技术正式通过，802.11ac 的关键词是 MU-MIMO。如下图所示，传统的单波束网路，同一时刻只能有一个设备进行发送。但是在 MU-MIMO 技术下，通过波束的 细化，路由器发送两个波束，分别对准笔记本和手机，从而达到同时传输的目的，如下图右图所示：

上述就是 Wi-Fi 发展的一个大致历程，其作为一个经历了 46 年发展的成熟技术，还在不停的发展中，对于 Wi-Fi 协议的将来，肯定还会存在更为广泛的应用。

Wi-Fi 的信道划分

与传统的晶体管收音机类似，WiFi网络使用无线电在空中传输信息，无线电波是一种电磁辐射，其在电磁波谱中的波长比红外光长。无线电波也具有频率，而 Wi-Fi 通信所采用的通信频率，一般是 2.4GHz / 5GHz，先说一下 2.4GHz 的信道划分。

2.4GHz 信道划分

现在主流的 2.4GHz 无线 WIFI 网络设备不管是 802.11b/g 还是 802.11b/g/n ，一般都支持 13 个信道。他们的中心频率虽然不同，但是因为占据一定的频率范围，所以会有一些相互重叠的情况。如下图所示，2.4GHz 频带的信道划分，实际一共有 14 个信道，但第 14 个信道一般不采用，中国采用的是 2.412 ~ 2.472GHz 的 13 个信道。

如上图所示，信道的划分也具有如下几个特点：每个信道的有效宽度是 20MHz，另外还有 2MHZ 的强制隔离频带，类似于公路上的隔离带，除了上图所示的 1、6、11 三个一组互不干扰的信道外，还有 2、7、12；3，8，13；4，9，14三组互不干扰的信道

5GHz 信道划分

5GHz 频段被分为 24 个 20MHz 宽的信道，且每个信道都为独立信道。这为 5G Wi-Fi 提供了丰富的信道资源，如果将 2 条或更多的相邻信道绑定为一条信道使用，就像将 2 股道路合并为 1 股道路，显然能够承载更多的信息，从而成倍提高数据传输速率。下图中的红色部分表示的就是绑定 2 条信道。

在 5GHz 频段绑定 2 条信道（40MHz）或者 4 条信道（80MHz）是比较合理的选择。

Wi-Fi 网络结构介绍

在 802.11 协议里面规定了两种结构：基本服务集（简称 BSS ）和扩展服务集（简称 ESS），下面分别对这两个概念进行阐述。

基本服务集（BSS）

基本服务集是 802.11 LAN 的基本组成模块。能够互相进行无线通信的 STA 可以组成一个 BSS 。如果一个站移出 BSS 的覆盖范围，它将不能够再与 BSS 的其他成员通信。示意图

更为直观的例子就是我们去肯德基吃东西，如果这个肯德基很小，只需要一个 AP 就能覆盖全场，那么也就是说这个服务集中只有一个 AP ，那么这个服务集就可以认为是基本服务集 BSS。BSS 是无线网络的基本服务单元。所有的终端都关联到一个 AP 上，这个 AP 连接其他有线设备，并且控制和主导整个 BSS 中的全部数据的传输过程。

注：AP 也就是无线接入点，是一个无线网络的创建者，是网络的中心节点。与之对应的是 STA 站点，每一个连接到无线网络中的终端都可以被称之为是一个站点，比如说笔记本电脑、平板等

扩展服务集（ESS）

多个 BSS 可以构成一个扩展网络，称为扩展服务集（ESS）网络，一个 ESS 网络内部的 STA 可以互相通信。怎么直观的理解这个扩展服务集呢，同样的，我们来看一个示意图：

上图就是一个扩展服务集的示意图，那什么地方会用到扩展服务集呢？刚刚所说的肯德基，由于占地面积比较小，一个 AP 就可以覆盖全场，但是如果到了一个比较大的商场，而如果要让 Wi-Fi 覆盖整个商场，那么就需要扩展服务集的概念，而要构成一个扩展服务集，这其中就隐含了 2 个条件：

• 这些 BSS 要比邻安置
• 这些 BSS 通过分布式系统互联，有线或者无线都可以，一般来讲都是以太网
• 这些 BSS 的 AP 提供的 SSID 都是相同的

此外，如果现在有两家肯德基，分别提供了一个网络，网络名称都是一样的，但是这显示不是一个 ESS。继续来看 ESS ，由于处在 ESS 构建的网络内，我们用户而言是感觉不到我们是连接在多个 BSS 上的，而是感觉到就像是连接到同一个 AP 一样。终端在 ESS 内的通信也与在 BSS 内 的通信相似，这里举一个例子，如果是上图中的 STA1 想要跟 STA3 通信，那么它的数据流向是这样一个过程：STA1 -> AP1 -> AP2 ->STA3。上图还标明了一条虚线，表示的是 STA 从左边的这个基本服务集切换到了右边的基本服务集，这样的一个过程叫做漫游，漫游之后 STA 的接入点就发生了改变。

ESSID & BSSID

在 Wi-Fi 构建的网络中，我们使用的是 SSID 来标识一个网络，而对于 SSID 来说，它通常是一个不超过 32 个字符的字符串，这个 SSID 又叫做是 ESSID，是对 ESS 的标识，在前文中，我们说，当用户处在一个 ESS 内的网络时，用户是不知道自己接入了哪一个 BSS 的，但是对于用户使用的设备需要知道当前是连入了哪一个 BSS ，这个时候，就有了 BSSID 的概念，这个 BSSID 就是用来标识 BSS 的，这个标识符是一个长度为 48 位的二进制标识符，通常是这个 BSS 里面 AP 的 MAC 地址。

VAP 虚拟接入点

在上述的叙述中，我们说到了基本服务集和扩展服务集，基本服务集中的一个 AP 就能覆盖全场，不需要多个 AP ，但是对于场地比较宽阔的场景来说，就需要使用到扩展服务集，扩展服务集需要多个 AP ，但是多个 AP 的 SSID 必须相同，且多个 AP 需要通过有线或者无线的方式连接到一起。在实际的应用场景中，还有另外一种情况，比如说我们去肯德基吃东西的时候，可能会搜索到网络名类似的两个 SSID ，为什么会这么做呢，其实这是为了将员工使用的 WIFI 和消费者使用的 WIFI 分开，消费者使用的 WiFi 是公开的，员工使用的 WiFi 是不公开的，当然公开给消费者使用的 WiFi 就上网速度就一般般了，供给内部员工使用的 WiFi 质量会比较好。现在来思考一下，构建这样一个 WiFi 网络需要有两个不同的 SSID ，那是不是这样就必须使用两个 AP 来搭建这样一个网络呢？答案是否定的，这就需要使用到 VAP 这个概念，虚拟接入点，为用户提供差异化的 WLAN 业务。

那什么是 VAP 呢，简而言之，就是在一个物理实体 AP 上虚拟出来多个虚拟的 AP，每一个被虚拟出来的 AP 就是一个 VAP，每一个 VAP 提供和物理实体 AP 一样的功能，下面是一个 VAP 的示意图：

通过上图我们可以看到虽然只有一个 AP 接入点，但是却虚拟出来了两个 VAP，SSID 和 BSSID 都不同，这也是 VAP的一个优点所在，网络管理员可以为不同的 VAP 设置不同的 SSID，安全设置，Qos设置等策略和功能，增加了网络的灵活性。

刚刚我们说，两个 VAP 的 BSSID 是不同的，但是其物理 AP 只有一个，怎么会有多个不同的 BSSID 呢？这其实是因为 VAP 的 MAC 地址和真实的物理 AP 地址存在一个映射关系，下面是与一个 VAP 的 BSSID 和 真实物理 AP 地址的一个映射关系图：

通过上图的示意图中标红的部分，映射关系也比较强清楚了，第一个 VAP 的 BSSID 和真实物理 AP 的 BSSID 是一致的，然后依次递增。

注：上述提到了 WLAN ，好多人会把它与 WiFi 混淆了，其实它是两个不同的概念，WiFi 是一种技术手段， WLAN 的全称是 Wireless Local Area Networks，翻译过来是无线局域网，是一张网，而这张网的实现方式可以是多样的，蓝牙也可以构成是无线局域网，WiFi 也可以组建无线局域网。

总结

上述就是本次分享的关于 WiFi 的相关内容了，涉及到 WiFi 的起源，发展，信道划分以及 WiFi 的网络结构，当然这只是 WiFi 的一个基本知识，要实际的把一个 WiFi 模块使用起来，还需要关注一些更为细节的东西。这次的分享内容就到这里啦，下次见~

如果你觉得我的文章对你有所帮助，欢迎点赞、转发、再看三连呐~

下方是笔者的个人公众号，欢迎关注，我将不定期更新

下面是笔者的个人微信，欢迎添加笔者个人微信相互交流呐~