无线局域网技术浅谈

韩昆　金然

　　摘　要：主要介绍了无线局域网的概念、特点，以及几种无线局域网的协议标准和安全技术。

　　关键词：无线局域网；ＷＬＡＮ；蓝牙；ＨｏｍｅＲＦ；ＨｉｐｅｒＬＡＮ；ＩＥＥＥ802．11Ｘ

1 前言

　　随着网络的飞速发展，笔记本电脑的普及，人们对移动办公的要求越来越高。传统的有线局域网要受到布线的限制，如果建筑物中没有预留的线路，布线以及调试的工程量将非常大，而且线路容易损坏，给维护和扩容等带来不便，网络中的各节点的搬迁和移动也非常麻烦。因此高效快捷、组网灵活的无线局域网应运而生。

2 无线局域网介绍

　　无线局域网ＷＬＡＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它以无线多址信道作为传输媒介，利用电磁波完成数据交互，实现传统有线局域网的功能。无线局域网具有以下特点：

　　（1）安装便捷

　　无线局域网免去了大量的布线工作，只需要安装一个或多个无线访问点（ａｃｃｅｓｓ ｐｏｉｎｔ，ＡＰ）就可覆盖整个建筑的局域网络，而且便于管理、维护。

　　（2）高移动性

　　在无线局域网中，各节点可随意移动，不受地理位置的限制。目前，ＡＰ可覆盖10～100 ｍ。在无线信号覆盖的范围内，均可以接入网络，而且ＷＬＡＮ能够在不同运营商、不同国家的网络间漫游。

　　（3）易扩展性

　　无线局域网有多种配置方式，每个ＡＰ可支持100多个用户的接入，只需在现有无线局域网基础上增加ＡＰ，就可以将几个用户的小型网络扩展为几千用户的大型网络。

3 无线局域网技术

3．1 蓝牙技术

　　蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技术是一种短距的无线通讯技术，工作在2．4 ＧＨｚ ＩＳＭ频段，其面向移动设备间的小范围连接，通过统一的短距离无线链路，在各种数字设备间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音以及数据通信。主要技术特点如下：

　　（1）蓝牙的指定范围是10 ｍ，在加入额外的功率放大器后，可以将距离扩展到100 ｍ。辅助的基带硬件可以支持4个或者更多的语音信道。

　　（2）提供低价、大容量的语音和数据网络，最高数据传输速率为723．2ｋｂ／ｓ。

　　（3）使用快速跳频（1 600跳／ｓ）避免干扰，在干扰下，使用短数据帧来尽可能增大容量。

　　（4）支持单点和多点连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微波网，多个微波网又可互连称特殊分散网，形成灵活的多重微波网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。

　　（5）任一蓝牙设备，都可根据ＩＥＥＥ 802标准得到一个唯一的48 ｂｉｔ的地址码，保证完成通信过程中设备的鉴权和通信的保密安全。

　　（6）采用ＴＤＤ方案来实现全双工传输，蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送分组，然后是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支持实时同步定向联接和非实时的异步不定向联接。

3．2 ＨｏｍｅＲＦ

　　ＨｏｍｅＲＦ技术是由ＨＲＦＷＧ（ｈｏｍｅ ＲＦ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇｒｏｕｐ）工作组开发的，该工作组1998年成立，主要由Ｉｎｔｅｌ、ＩＢＭ、Ｃｏｍｐａｎｑ、3ｃｏｍ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ等几家大公司组成，旨在制定ＰＣ和用户电子设备之间无线数字通信的开放性工业标准，为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网，ＨｏｍｅＲＦ采用了ＩＥＥＥ 802．11标准的ＣＳＭＡ／ＣＡ模式，以竞争的方式来获取信道的控制权，在一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据，提供了对“流业务”的真正意义上的支持，规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，确保了实时性“流业务”所需的带宽（2～11 Ｍｂ／ｓ）和低干扰、低误码。

　　ＨｏｍｅＲＦ是针对现有无线通信标准的综合和改进，当进行数据通信时，采用ＩＥＥＥ 802．11规范中的ＴＣＰ／ＩＰ传输协议；进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。因此，接收端必须捕获传输信号的数据头和几个数据包，判断是音频还是数据包，进而切换到相应的模式。

　　ＨｏｍｅＲＦ采用对等网的结构，每一个节点相对独立，不受中央节点的控制。因此，任何一个节点离开网络都不会影响其它节点的正常工作。
3．3 ＨｉｐｅｒＬＡＮ

　　ＨｉｐｅｒＬＡＮ（ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒａｄｉｏ ＬＡＮ）是由欧洲电信标准化协会（ＥＴＳＩ）的宽带无线电接入网络（ＢＲＡＮ）小组制定的无线局域网标准，已推出ＨｉｐｅｒＬＡＮ1和ＨｉｐｅｒＬＡＮ2两个版本。ＨｉｐｅｒＬＡＮ1由于数据传输速率较低，没有流行推广。ＨｉｐｅｒＬＡＮ2在欧洲得到了比较广泛的支持，是目前比较完善的ＷＬＡＮ协议标准，它具有如下特点：

　　（1）高速的数据传输速率

　　ＨｉｐｅｒＬＡＮ工作在5 ＧＨｚ频段，采用了正交频分复用（ＯＦＤＭ）的调制，数据是通过ＭＴ和ＡＰ之间事先建立的信令链接进行传输的，可达到54 Ｍｂ／ｓ的传输速率。

　　（2）自动频率分配

　　ＡＰ在工作的过程中同时监听环境干扰信息和邻近的ＡＰ，进而根据无线信道是否被其它ＡＰ占用和环境干扰最小化的原则选择最合适的信道，自动频率分配是ＨｉｐｅｒＬＡＮ2的最大特色。

　　（3）安全性支持

　　ＨｉｐｅｒＬＡＮ2网络支持鉴权和加密。通过鉴权，使得只有合法的用户可以接入网络，而且只能接入通过鉴权的有效网络。

　　（4）移动性支持

　　在ＨｉｐｅｒＬＡＮ2中，ＭＴ必须通过“最近”的ＡＰ，或者说信噪比最高的ＡＰ来传输数据。因此当ＭＴ移动时，必须随时检测附近的ＡＰ，一旦发现其它ＡＰ有比当前ＡＰ更好的传输性能，就请求切换。切换之后，所有已经建立的链接将转移到新的ＡＰ之上，在切换过程中，通信不会中断。

　　（5）网络与应用的独立性

　　ＨｉｐｅｒＬＡＮ的协议栈具有很大的灵活性，可以适应多种固定网络类型。因此ＨｉｐｅｒＬＡＮ2网络既可以作为交换式以太网的无线接入子网，也可以作为第三代蜂窝网络的接入网，并且这种接入对于网络层以上的用户部分来说是完全透明的。
3．4 ＩＥＥＥ 802．11ｘ

　　（1）ＩＥＥＥ 802．11

　　1990年ＩＥＥＥ 802标准化委员会成立ＩＥＥＥ 802．11无线局域网标准工作组，主要研究工作在2．4 ＧＨｚ开放频段的无线设备和网络发展的全球标准。1997年6月，提出ＩＥＥＥ 802．11（别名：Ｗｉ－Ｆｉ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｆｉｄｅｌｉｔｙ，无线保真）标准，标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制。在物理层中，定义了两个ＲＦ传输方法和一个红外线传输方法，ＲＦ传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多数国家工作规范。在该标准中ＲＦ传输标准是跳频扩频（ＦＨＳＳ）和直接序列扩频（ＤＳＳＳ），工作在2．400 0～2．483 5 ＧＨｚ频段。直接序列扩频采用ＢＰＳＫ和ＤＱＰＳＫ调制技术，支持1 Ｍｂ／ｓ和2 Ｍｂ／ｓ数据速率，使用11位Ｂａｒｋｅｒ序列，处理增益10．4 ｄＢ。跳频扩频采用2～4电平ＧＦＳＫ调制技术，支持1 Ｍｂ／ｓ数据速率，共有22组跳频图案，包括79信道，在美国规定最低跳频速率为2．5跳／ｓ。红外线传输方法工作在850～950 ｎｍ段，峰值功率为2 Ｗ，使用4或16电平ｐｕｌｓｅ－ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ调制技术，支持数据速率为1 Ｍｂ／ｓ和2 Ｍｂ／ｓ。

　　（2）ＩＥＥＥ 802．11ｂ

　　1999年9月ＩＥＥＥ 802．11ｂ被正式批准，它是在ＩＥＥＥ 802．11的基础上的进一步扩展，采用直接序列扩频（ＤＳＳＳ）技术和补偿编码键控（ＣＣＫ）调制方式，其物理层分为ＰＬＣＰ和ＰＭＤ子层。ＰＬＣＰ是专为写入ＭＡＣ子层而准备的一个通用接口，并且提供载波监听和无干扰信道的评估；ＰＭＤ子层则承担无线编码的任务。ＩＥＥＥ 802．11ｂ实行动态传输速率，允许数据速率根据噪音状况在1 Ｍｂ／ｓ、2 Ｍｂ／ｓ、5．5 Ｍｂ／ｓ、11 Ｍｂ／ｓ等多种速率下自行调整。

　　（3）ＩＥＥＥ 802．11ａ

　　ＩＥＥＥ 802．11ａ也是ＩＥＥＥ 802．11标准的补充，采用正交频分复用（ＯＦＤＭ）的独特扩频技术和ＱＦＳＫ调制方式，大大提高了传输速率和整体信号质量。ＩＥＥＥ 802．11ａ和ＩＥＥＥ 802．11ｂ都采用ＣＳＭＡ／ＣＡ协议，但物理层有很大的不同，802．11ｂ工作在2．400 0～2．483 5 ＧＨｚ频段，而802．11ａ工作在5．15～8．825 ＧＨｚ频段，数据传输速率可达到54 Ｍｂ／ｓ。

　　（4）ＩＥＥ 802．11ｇ

　　2001年11月，ＩＥＥＥ 802实验性地批准一种新技术802．11ｇ。它是一种混合标准，有两种调制方式：802．11ｂ中采用的ＣＣＫ和802．11ａ中采用的ＯＦＤＭ。因此，它既可以在2．4 ＧＨｚ频段提供11 Ｍｂ／ｓ数据传输速率，也可以在5 ＧＨｚ频段提供54 Ｍｂ／ｓ数据传输速率。

　　（5）ＩＥＥＥ 802．11ｉ

　　ＩＥＥＥ 802．11ｉ对ＷＬＡＮ的ＭＡＣ层进行了修改与整合，定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善ＷＬＡＮ的安全性。主要包括两项内容：Ｗｉ－Ｆｉ保护访问（ＷＰＡ）和强健安全网络（ＲＳＮ），并于2004年初开始实行。

　　（6）ＩＥＥＥ 802．11ｅ／ｆ／ｈ

　　ＩＥＥＥ 802．11ｅ标准对ＷＬＡＮ ＭＡＣ层协议提出改进，以支持多媒体传输，以支持所有ＷＬＡＮ无线广播接口的服务质量保证ＱＯＳ机制。

　　ＩＥＥＥ 802．11ｆ，定义访问节点之间的通讯，支持ＩＥＥＥ 802．11的接入点互操作协议（ＩＡＰＰ）。

　　ＩＥＥＥ 802．11ｈ用于802．11ａ的频谱管理技术。

4 无线局域网的安全性

　　由于无线局域网采用公共的电磁波作为载体，更容易受到非法用户入侵和数据窃听。无线局域网必须考虑的安全因素有三个：信息保密、身份验证和访问控制。为了保障无线局域网的安全，主要有以下几种技术：

　　（1） 物理地址（ＭＡＣ）过滤

　　每个无线工作站的无线网卡都有唯一的物理地址，类似以太网物理地址。可以在ＡＰ中建立允许访问的ＭＡＣ地址列表，如果ＡＰ数量太多，还可以实现所有ＡＰ统一的无线网卡ＭＡＣ地址列表，现在的ＡＰ也支持无线网卡ＭＡＣ地址的集中Ｒａｄｉｕｓ认证。这种方法要求ＭＡＣ地址列表必需随时更新，可扩展性差。

　　（2）服务集标识符（ＳＳＩＤ）匹配

　　对ＡＰ设置不同的ＳＳＩＤ，无线工作站必须出示正确的ＳＳＩＤ才能访问ＡＰ，这样就可以允许不同的用户群组接入，并区别限制对资源的访问。

　　（3）有线等效保密（ＷＥＰ）

　　有线等效保密协议是由802．11标准定义的，用于在无线局域网中保护链路层数据。ＷＥＰ使用40位钥匙，采用ＲＳＡ开发的ＲＣ4对称加密算法，在链路层加密数据。ＷＥＰ加密采用静态的保密密钥，各无线工作站使用相同的密钥访问无线网络。ＷＥＰ也提供认证功能，当加密机制功能启用，客户端要尝试连接上ＡＰ时，ＡＰ会发出一个Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｐａｃｋｅｔ给客户端，客户端再利用共享密钥将此值加密后送回存取点以进行认证比对，如果正确无误，才能获准存取网络的资源。40位ＷＥＰ具有很好的互操作性，所有通过Ｗｉ－Ｆｉ 组织认证的产品都可以实现ＷＥＰ互操作。现在的ＷＥＰ也一般支持128位的钥匙，能够提供更高等级的安全加密。

　　（4）虚拟专用网络（ＶＰＮ）

　　ＶＰＮ（ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｉｖａｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）是指在一个公共的ＩＰ网络平台上通过隧道以及加密技术保证专用数据的网络安全性，它主要采用ＤＥＳ、3ＤＥＳ以及ＡＥＳ等技术来保障数据传输的安全。

　　（5）Ｗｉ－Ｆｉ保护访问（ＷＰＡ）

　　ＷＰＡ（ｗｉ－ｆｉ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ａｃｃｅｓｓ）技术是在2003年正式提出并推行的的一项无线局域网安全技术，将成为代替ＷＥＰ的无线。 ＷＰＡ是ＩＥＥＥ 802．11ｉ的一个子集，其核心就是ＩＥＥＥ 802．1ｘ和ＴＫＩＰ（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｋｅｙ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌ） 。新一代的加密技术ＴＫＩＰ与ＷＥＰ一样基于ＲＣ4加密算法，且对现有的ＷＥＰ进行了改进，在现有的ＷＥＰ加密引擎中增加了密钥细分（每发一个包重新生成一个新的密钥）、消息完整性检查（ＭＩＣ）、具有序列功能的初始向量、密钥生成和定期更新功能等4种算法，极大地提高了加密安全强度。

　　另外ＷＰＡ增加了为无线客户端和无线ＡＰ提供认证的ＩＥＥＥ 802．1ｘ的ＲＡＤＩＵＳ机制。

5 结束语

　　以上介绍了无线局域网的概念、特点，以及无线局域网的协议标准和安全技术。无线局域网把网络和移动应用有机地结合在一起，克服了有线局域网的不足，随着各种技术、标准的完善，无线局域网将越来越成熟，为人们提供一个高速、灵活的多媒体网络。

摘自　天津通信技术