无线局域网( 英语 :Wireless Local Area Network,缩写 WLAN )是一种不依赖有线连接、利用 射频 技术进行数据传输的局域网。 相比于有线局域网,WLAN无需物理布线,更加灵活。 典型部署场景如家庭、学校、校园或企业办公楼等。无线局域网技术的不断发展和普及,极大地改善了 手持移动设备 的联网体验,促进了信息的传递与分享。
无线局域网协议有多种,其中最主流的是IEEE802.11系列标准。使用IEEE 802.11标准的局域网又称为Wi-Fi(Wireless-Fidelity),即“无线保真度”。 Wi-Fi 网络是 WLAN 的一种 ,也是最广泛使用的 WLAN 类型 。
发展历史
第一个使用无线通信的数据网络诞生于 1971 年,当时 夏威夷大学 的一个研究项目将网络技术与 无线电 通信结合起来,命名为 ALOHA 网络。该系统在数十公里范围内的岛屿上使用了固定发射机,无需使用电话线即可与欧胡岛( Oahu Island)的中央 计算机 进行通信。该网络使用随机访问协议,允许计算机在有信息要发送时立即通过共享通道传输数据包。
笔记本电脑 的出现促进了各种无线局域网的发展,但起初这些局域网相互不兼容,于是 IEEE 委员会开始起草无线局域网标准。 美国联邦通信委员会 1985 年决定开放 ISM 频段供未经许可的使用, 因此在 1997 年,IEEE( 电气和电子工程师协会 )发布了第一个无线局域网标准,即 IEEE 802.11。主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入,总数据传输 速率 设计为 2Mbps。 但由于第一批 WLAN 卡非常昂贵,该技术在最初几年未能真正建立起来。对于无线局域网技术的使用,基本仅限于实在无法使用有线连接的情况下才会考虑。
初代 802.11 标准规定的数据速率是通过 IR( 红外线 )信号或通过 DSSS(跳频或直序扩频) 无线电 信号进行传送的,受限于较低的速度和有限的应用范围。因此,1999 年 7 月, DSSS 版本的传统 802.11 迅速得到 802.11b 修订版补充,它与传统 802.11 一样,工作在 2.4GHz 频段下。修订版把信息 速率 提高到 11 Mbps。在 802.11b 发布之后,802.11 网络才得到了广泛采用。
与 802.11b 同期发布的 802.11a 提供高达 54Mbps 的数据传输速度,但是由于其在 5 GHz下运行,以当时的技术,IEEE 802.11a 成本更高,实施起来也更困难,因此应用范围较小。
发布于 2003 年 的 IEEE 802.11g 是继 802.11a 和 802.11b 之后的主要 Wi-Fi 标准之一,它可以在 2.4GHz 频段下实现54 Mbps 的传输速度,芯片成本较低,速度较高,因此成为占主导地位的无线技术。尽管 5 GHz 拥塞程度较低且带宽更大,可为WLAN 提供更好的性能,但 5 GHz 芯片的额外成本仍然是一个主要因素。
随着时间的推移和成本的下降,越来越多的设备开始使用 802.11a 标准。2006 年初,业界就 802.11n WLAN 系统的功能达成了实质性协议,这为许多芯片制造商提供了足够的信息来开展开发工作。 2009 年 10 月 802.11n 正式发布, 取代了“a”版本。事实上,802.11n 是该标准的双频版本,在 2.4 GHz 和 5 GHz 上运行,提供高达 600 Mbps 的数据传输速度。
为了改进 802.11n 标准,IEEE 在 2008 年至 2013 年期间开发了 IEEE 802.11ac,于2013年12月正式发布。 802.11ac 无线标准仅使用 5 GHz 频段,最大理论连接速度高达 7 Gbps。
2019 年 IEEE 发布了 802.11ax 标准,IEEE 802.11ax 被视为 802.11ac 的后继者,采用 802.11ax 标准的 路由器 可以广播四个 MIMO 空间流,为每个流提供四倍的最大理论带宽。 假设单个 802.11ax 流的 速率 为 3.5 Gbps,即可以得到 14 Gbps 的最大理论带宽。
IEEE 在 2021 年 3 月发布了 802.11be 的初始草案,最终版本预计于 2024 年初发布,最大数据吞吐量可达 46Gbps,IEEE 802.11be 标准支持多链路技术,使其能够减少 WLAN 拥塞并提高网络的整体性能。
基础架构
站(STA)
站由连接到 WLAN 的设备组成。每个站都有一个无线网络接口控制器。它们可以是 AP ,也可以是无线终端,每个都用唯一的网络地址进行标识。
无线接入点
无线接入点(WAP)允许支持无线功能的设备和有线网络通过无线标准进行连接。 接入点 通过有线连接到 路由器 、交换机或集线器,将有线网络数据转换成无线信号,并将无线信号投射到指定区域。
无线终端
无线终端设备包括 笔记本电脑 、智能手机、 平板电脑 等,通过搭载无线网卡或 WiFi模块 连接到无线局域网,实现数据交换和资源共享。 虽然无线设备可以在无线局域网覆盖范围内自由移动,但其连接稳定性可能受到距离和干扰的影响。
基本服务集(Basic Service Set,BSS)
基本服务集是一组接入同一 WAP 的无线设备,基本服务集标识符(BSSID)是 接入点 的物理 MAC 地址,每个 BSS 使用 BSSID 作为唯一标识,此信息包含在数据包中。由于网络范围较小,它主要用于小型办公室或家庭。 服务集标识符(SSID)也称为网络名称,是用于标识接入点的唯一字符串。当多个接入点共享相同的 SSID 时,它们形成扩展服务集(ESS),共享网络名称称为扩展服务集标识符(ESSSID),每个 WAP 都会向其用户广播相同的 SSID。
无线分布系统(WDS)
无线分布系统是一种在无线局域网中互连 接入点 的方法,IEEE 802.11标准将无线分布系统定义为用于连接接入点的基础设施。WDS可以将两个或多个 AP 连接在一起,以扩展无线网络的范围,而无需使用传统有线连接。WDS 可以在接入点之间提供两种不同的无线连接模式:无线桥接和无线中继。
无线桥接
无线桥接使用无线信号将两个现有网络连接到一个更大的网络中,无线桥接具有相互通信的接入点,但不允许来自无线终端的访问。
无线中继
无线中继有助于扩展给定的无线网络范围,允许 接入点 相互通信。本质是获取现有无线接入点的信号并重新广播,以创建第二个网络。
传输介质
无线局域网使用 红外线 或者 无线电 作为传输介质,红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体,有较强的方向性,由于它采用低于 可见光 的部分频谱作为传输介质,使用不受无线电管理部门的限制。但在实际应用中,由于红外线具有很高的背景噪声,受日光、环境照明等影响较大。
相比来说,由于无线电波的覆盖范围大,应用广泛,因此更多的无线局域网采用无线电波作为传输介质。其具有很强的抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力。
IEEE 802.11 标准
无线局域网类型
WLAN 根据 IEEE 802.11 标准,以两种基本模式运行:基础设施模式和自组织模式。
基础设施模式(Infrastructure Mode)
移动设备或客户端连接到 接入点 ,而接入点又通过网桥连接到局域网或互联网,客户端通过接入点传输数据到其他客户端,这种模式被称为基础设施模式。在基础设施模式下,WLAN网络由站点以及一个或多个接入点组成。设备接入点就像蜂窝系统中使用的基站,所有站之间的通信都需要通过接入点。
Ad Hoc 模式(Ad-Hoc Mode)
在 Ad Hoc 模式下,WLAN 无线网络仅由站组成,网络中不会有任何接入点。无线终端彼此直接通信。它也称为独立基本服务集(IBSS)或点对点模式。Ad Hoc 模式适合在办公室、酒店或有线基础设施不可用的地方进行快速无线连接设置。
应用领域
网络信息系统: 如电子邮件、文件传输和终端仿真等。
难以布线的环境: 如老建筑、布线昂贵的露天环境、城市建筑群、学校和工厂等。
经常变化的环境: 如零售、野外勘测、军事作业等。
接入 移动设备 的网络: 如 笔记本电脑 、手机、物联网设备等。WLAN 的一项特殊优势是网络中设备的移动性,在布置较大型的多移动设备的无线局域网时,采用“漫游”技术可以自动将其无线连接切换到无线信号最好的 接入点 。
办公室和家庭网络: 如家庭、小型办公室以及其他需要小型局域网操作的用户。