任务二 无线局域网
知识点
1.什么是无线局域网？
定义：无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。
与有线网的根本差别：WLAN 不再使用有形介质（如通信电缆）将计算机与网络连接，而是通过无线方式连接，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。
一句话定位：无线局域网就是采用无线传输介质的局域网，是有线局域网的延伸。使用无线技术来发送和接收数据，减少了用户的连线需求。
2.哪些场合非用无线不可？——有线网的局限
前面几个项目介绍的都是基于有线传输介质的局域网技术，但在某些应用环境中，使用有线网络存在明显的限制：
| 场景 | 具体例子 | 有线网的困难 |
|---|---|---|
| 用户频繁移动的公共场所 | 机场、车站、码头 | 端口固定，无法随人移动 |
| 历史建筑物内 | 缺少网络电缆、不能进行综合布线的建筑 | 破坏建筑结构与外观 |
| 受自然条件影响的环境 | 山川、水面等无法实施布线处 | 施工成本极高甚至不可行 |
| 需要临时增设节点的场合 | 体育比赛场地、展示会 | 临时布线不经济 |
而无线局域网恰恰能在这些场合解决有线局域网的局限性——无线联网将真正的可移动性引入了计算机网络领域。
考点提示：这句话是 WLAN 存在价值的标准答案——可移动性 + 免布线。
3.发展脉络：从 AT&T 到 802.11 家族
| 时间 | 事件 | 意义 |
|---|---|---|
| 1991 年 | 美国 AT&T 公司率先推出无线局域网产品 | 为无线局域网的设计、与有线网络的互联以及无线 Internet 接入等方面的发展提供了标准 |
| 1997 年 | IEEE 委员会发布 IEEE 802.11 协议 | 无线局域网领域内第一个在国际上被广泛认可的协议 |
| 随后 | 802.11a、802.11b、802.11d 等一系列标准相继完成 | 推动 WLAN 走向安全、高速、互联；各生产厂家在 802.11 系列标准协议基础上实现了产品的标准化 |
4.无线局域网的两种组网模式
无线局域网的组网模式有两种：对等（Ad-Hoc）网络和结构化（Infrastructure）网络。
（1）对等（Ad-Hoc）网络
- 做法：网络中的用户通过无线网卡直接连接，不必使用接入点设备；几台计算机装上无线网卡即可达到相互连接、资源共享的目的；
- 用户数量：一般为 4~8 个，如果有更多用户接入时网络性能较差；
- 通信距离：用户之间的有效通信距离约为 100m；
- 局限：该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。
（2）结构化（Infrastructure）网络
- 做法：无线客户机通过一个集中接入设备——接入点（Access Point，AP）进行网络通信；
- AP 的作用：
- 作为无线局域网的中心，负责信号的接收和转发；
- 同时还可以作为一个桥梁，实现无线网络和以太网的有机结合，使接入无线网络的客户机可以和以太网中的计算机互相通信、进行数据共享；
- 覆盖范围：一个 AP 的覆盖范围为 90~150m。
两种模式对比表：
| 对比项 | 对等（Ad-Hoc）网络 | 结构化（Infrastructure）网络 |
|---|---|---|
| 中心设备 | 无（不需要 AP） | 有（AP 接入点） |
| 组网方式 | 无线网卡直接互联 | 客户机 → AP → 网络 |
| 用户规模 | 4~8 个 | 一个 AP 可接入多个用户 |
| 通信距离 | 约 100m | AP 覆盖 90~150m |
| 能否接入有线网 | 不能，只能独立使用 | 能，AP 起桥梁作用 |
| 典型场景 | 几台笔记本临时互传文件 | 家庭、办公室、校园 WLAN |
看图口诀：Ad-Hoc 是"点对点平铺"，Infrastructure 是"以 AP 为圆心的星型"。
5.802.11 标准管哪些层？
层次归属：IEEE 802.11 标准包括了无线局域网的物理层和 MAC 子层。
| 层次 | 标准负责的内容 | 具体子标准 |
|---|---|---|
| 物理层 | 规定了无线传输信号等基础规范 | 802.11a、802.11b、802.11d、802.11g、802.11h |
| MAC 子层 | 在物理层上的一些应用要求规范 | 802.11e、802.11f、802.11i |
三种可选的物理层实现方式：
- 红外线（IR）基带物理层；
- 跳频扩展频谱（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）方式——工作在 2.4GHz 频段；
- 直接序列式扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）方式——工作在 2.4GHz 频段。
两种无线频率（RF）物理层即上述 FHSS 与 DSSS。目前 IEEE 802.11 规范的实际应用以使用 DSSS 方式为主流。
考点提示：WLAN 工作在物理层 + MAC 子层（不是整个数据链路层，也不含 LLC 的独立标准）——这与模块五讲过的 802 模型只含物理层与数据链路层完全一致，只是 802.11 只规定了 MAC 子层。
6.为什么无线网用 CSMA/CA 而不是 CSMA/CD？
IEEE 802.11 标准（包括 802.11b、802.11a 和 802.11g）在 MAC 子层采用带有冲突避免的载波监听/多路访问（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）方法。
它与 CSMA/CD 的关系：该方法与 CSMA/CD 方法类似，都是为了解决"谁先说话"的竞争问题。
为什么是"避免（CA）"而不是"检测（CD）"：为了减小无线设备之间在同一时刻同时发送数据导致冲突的风险，802.11 引入了称为请求发送/清除发送（RTS/CTS）的机制。无线站点无法像有线站点那样边发边听（发送时自身信号会淹没接收信号），也无法可靠地"听到"远处的冲突，因此只能在发送前先预约信道。
RTS/CTS 的工作过程：
| 步骤 | 动作 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 数据到达基站，若发送目的地是无线节点 | 基站向该无线节点发送一个 RTS 帧 |
| 2 | RTS 帧的作用 | 请求一段用来发送数据的专用时间 |
| 3 | 收到 RTS 的无线节点回应一个 CTS 帧 | 表示它将中断其他所有的通信，直到该基站数据传输结束 |
| 4 | 其他设备监听到此传输事件 | 将在此时间段的其他传输任务向后推迟 |
| 5 | 结果 | 节点间传输数据时发生冲突的概率大大减少 |
CSMA/CD 与 CSMA/CA 对照：
| 对比项 | CSMA/CD（有线以太网） | CSMA/CA（无线局域网） |
|---|---|---|
| 冲突策略 | 检测冲突（Collision Detection） | 避免冲突（Collision Avoidance） |
| 能否边发边听 | 能，检测到冲突就停止并退避 | 不能，故改为发送前预约 |
| 典型机制 | 冲突检测 + 二进制指数退避 | RTS/CTS 握手 + 退避 |
| 适用介质 | 共享有线介质 | 无线介质 |
7.三个常用子标准
由于 IEEE 802.11 的速率最高只能达到 2Mb/s，在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE 委员会又相继推出了 802.11b、802.11a 和 802.11g 标准。802.11b 已经成为目前的主流标准，802.11a 和 802.11g 也被广泛使用。
（1）IEEE 802.11b
- 别名：也称 Wi-Fi；
- 频段与扩频：采用 2.4GHz 直接序列扩频（DSSS）；
- 速率：最高数据传输速率为 11Mb/s；
- 动态速率转换：当射频情况变差时，可将速率降低为 5.5Mb/s、2Mb/s 和 1Mb/s；
- 覆盖范围：室外开放性区域为 305m，室内封闭性区域为 76~122m；
- 发射功率：不超过 100 毫瓦，一般工作在 60~70 毫瓦，对人体安全。
（2）IEEE 802.11a
- 地位：是 802.11b 的后续标准；
- 频段：工作在 5.1~5.8GHz 频率范围；
- 速率：最高数据传输速率可达 54Mb/s；
- 接口能力：可提供 25Mb/s 的无线 ATM 接口和 10Mb/s 的以太网无线帧结构接口；
- 业务支持：支持语音、数据、图像业务；
- 接入能力：一个 AP 可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。
（3）IEEE 802.11g
- 性质：是一种混合标准；
- 兼容性：既能适应传统的 802.11b 标准（在 2.4GHz 频率下提供 11Mb/s 的数据传输率），也符合 802.11a 标准在 5GHz 频率下提供 54Mb/s 的数据传输率。
三个子标准对比表：
| 对比项 | 802.11b | 802.11a | 802.11g |
|---|---|---|---|
| 别名 | Wi-Fi | — | 混合标准 |
| 频段 | 2.4GHz | 5.1~5.8GHz | 2.4GHz 与 5GHz 双频兼容 |
| 扩频方式 | DSSS | — | 兼容 b 与 a |
| 最高速率 | 11Mb/s | 54Mb/s | 11Mb/s（2.4GHz）/ 54Mb/s（5GHz） |
| 速率档位 | 11 / 5.5 / 2 / 1 Mb/s 动态转换 | 54Mb/s | 兼容两套 |
| 覆盖范围 | 室外 305m；室内 76~122m | — | — |
| 与旧标准兼容 | 是（802.11 原标准） | 不兼容 802.11b（频段不同） | 兼容 802.11b |
| 主流程度 | 当时主流 | 广泛使用 | 广泛使用 |
教材表述差异提示：教材 802.11g 一段写作"在 5GHz 频率下提供 56Mb/s"，而 802.11a 一段写作 54Mb/s，两个数字在同一页自相矛盾。按 IEEE 标准与主流资料，802.11a/g 的最高速率均为 54Mb/s，本讲按 54Mb/s 讲解，若考试按教材原文出题请以教材为准。
8.速查记忆卡
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| WLAN 的英文全称 | Wireless Local Area Network |
| 第一个国际广泛认可的 WLAN 协议 | IEEE 802.11（1997 年） |
| 首个推出 WLAN 产品的公司 | 美国 AT&T（1991 年） |
| 两种组网模式 | Ad-Hoc（对等）、Infrastructure（结构化） |
| 对等网用户数 | 4~8 个，距离 100m |
| AP 覆盖范围 | 90~150m |
| 802.11 涉及的层次 | 物理层 + MAC 子层 |
| 三种物理层实现 | 红外、FHSS、DSSS（DSSS 为主流） |
| MAC 层访问方法 | CSMA/CA，配 RTS/CTS |
| 802.11 原标准速率 | 2Mb/s |
| 802.11b | 2.4GHz、11Mb/s、Wi-Fi |
| 802.11a | 5GHz、54Mb/s |
| 802.11g | 混合标准，兼容 b 与 a |