WLAN（Wireless Local Area Network）——无线局域网
目录
一、WLAN基础
1.分类
2.各种无线网络技术应用
3.WLAN的定义
4.WLAN技术标准
（1）802.11
（2）802.11b
（3）802.11a
（4）802.11g
（5）802.11n
（6）802.11ac Wave1
（7）802.11ac Wave2
（8）802.11ax
二、WLAN基本概念
1.介绍
2.基本设备
（1）射频信号
（2）STA
（3）AP
（4）AC
（5）FAT AP（胖接入点）
（6）FIT AP（瘦接入点）
（7）VAP（虚拟接入点）
（8）BSS（基本服务集）
（9）SSID（服务集标识符）
BSSID
ESSID（扩展服务集标识符）
（10）ESS（扩展服务集）
三、802.11 MAC帧结构
1.WLAN体系结构的数据链路层
2.802.11 MAC帧结构图
3.802.11 MAC帧各字段解释
(1)Frame Control（帧控制）字段
①管理帧
②控制帧
③数据帧
（2）Duration/ID字段
（3）Address字段
（4）MAC帧头部的其他字段
三、WLAN基本组网架构
1.有线侧组网架构
（1）组网架构
（2）AC连接方式
（3）CAPWAP
2.无线侧组网架构
（1）FAT AP（胖AP）架构
（2）AC+FIT AP架构
四、WLAN工作流程
具体工作流程如下：
1.AP上线
2.WLAN业务配置下发
3.STA接入
4.WLAN业务转发
一、WLAN基础
1.分类
无线网络技术有很多，可以被划分为WPAN（无线个人局域网）、WLAN、WMAN、WWAN（无线广域网）
2.各种无线网络技术应用
WPAN：蓝牙、Zigbee、NFC、HomeRF、UWB
WLAN：对应IEEE802.11系列标准
WMAN：WiMAX,对应IEEE802.16
WWAN：主要是移动通信技术，GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、LTE和5G
3.WLAN的定义
WLAN广义上是指以无线电波、激光、红外线等来代替有线局域网中的部分或全部传输介质所构成的无线网络，此处特指基于802.11标准系列，利用高频信号（2.4GHz或5GHz)作为传输介质的无线局域网技术
4.WLAN技术标准
（1）802.11
发布时间：1997年
支持频段：2.4GHz
最大速率：2Mbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 1
（2）802.11b
发布时间：1999
支持频段：2.4GHz
最大速率：11Mbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 2
（3）802.11a
发布时间:1999
支持频段:5GHz
最大速率：54Mbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 3
（4）802.11g
发布时间：2003
支持频段：2.4GHz
最大速率：54Mbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 4
（5）802.11n
发布时间：2009
支持频段：2.4GHz或5GHz
最大速率：600Mbit/s
Wi-Fi标准:Wi-Fi 4
（6）802.11ac Wave1
发布时间：2013
支持频段：5GHz
最大速率：1.3Gbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 5
（7）802.11ac Wave2
发布时间：2015
支持频段：5GHz
最大速率：3.47Gbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 6
（8）802.11ax
发布时间：2019
支持频段：2.4GHz或5GHz
最大速率：10Gbit/s
Wi-Fi标准：Wi-Fi 6
WLAN是一种局域网技术，它向有线以太网一样包括物理层和数据链路层，数据链路层分为LLC子层和MAC子层，各层中有一系列用于实现无线网络通信所需要的物理层和数据链路层功能的技术规范。
二、WLAN基本概念
1.介绍
在网络结构上，WLAN与有限网络有所不同，因为WLAN设备间的连接是无线的，必须先配置好传输信道，否则会造成所有的无线信号在一个信道中传输，相互干扰。网络中的每台无线接入设备（AP）必须配置适宜的工作频段和传输信道。当网络中的无线接入设备较多时，就必然面面临如何集中管理这些无线接入设备的问题，于是就多了一个专门负责无线接入设备通信控制和管理的设备——AC（接入控制器），AC不是必须的，如有一个AP或者多个AP。
2.基本设备
（1）射频信号
这是802.11系列标准WLAN无线网络的传输信号——电磁波。用于无线网络的连接，目前WLAN采用的是具有远距离传输能力的高频电磁波，如2.4GHz或5GHz
（2）STA
STA是支持802.11标准的终端设备，类似于有线网络中的PC、笔记本电脑，只不过它们装的都是WLAN无线网卡。
（3）AP
AP位STA提供基于802.11系列标准的无线接入服务。AP上通常也带有线以太网端口，用于有线设备进行网络连接，另一端于STA连接的是“空口”，通过无线方式进行连接。
（4）AC
AC对无线局域网中所有的AP进行控制和管理，为WLAN用户提供认证、管理等服务。
（5）FAT AP（胖接入点）
FAT AP在自治式网络架构（AP集成AC功能的组网结构）中除了提供STA的无线接入服务外，还能提供一部分AC功能，如安全和管理功能。
（6）FIT AP（瘦接入点）
FIT AP，即没有集成AC功能的纯AP设备，企业网络大多数采用FIT AP+AC的方案，由专门的AC负责WLAN安全认证和管理工作
（7）VAP（虚拟接入点）
VAP是AP设备上虚拟出来的业务功能实体，一个AP可以分出多个VAP，为不同的用户提供隔离的无线接入服务。同一个AP上配置的所有VAP共享同一个AP的软件和硬件资源，所有的VAP的同频段用户共享相同的信道资源，所以AP的总容量是不变的，并不会随着VAP数量的增加而成倍增加。
（8）BSS（基本服务集）
BSS是无线网络的服务单元，通常由一个AP和若干个STA组成。早期的AP只支持一个BSS，新的AP都支持VAP，每个VAP对应一个BSS，每个BSS对应一个BSSID（基本服务集标识符），每个BSS收发的报文都会携带对应的BSSID，以便区分，在同一个BSS服务区域的STA可以互通信。
（9）SSID（服务集标识符）
SSID（通常是一个字符串）表示一个特定无线网络的标识，用来区分不同的无线网络。根据标识又可以分为一下两种：
BSSID
对于没有划分VAP的AP来说，为了区分BSS，要求每个BSS都有唯一的BSSID，因此使用AP的MAC地址来保证其唯一性。支持VAP时，每个VAP都配有一个唯一的MAC地址作为相应VAP的BSSID。为了便于用户标识，一般使用SSID来代替BSSID。
ESSID（扩展服务集标识符）
由多个SSID相同的BSS组成，是一个更大的虚拟BSS。当然多个AP的SSID也可以一样，STA可以先扫描所有的网络，然后选择特定的SSID接入某个特定的无线网络，通常，我们所指的SSID即ESSID。
（10）ESS（扩展服务集）
ESS是由采用相同SSID的多个BSS（对应多个VAP，可以分布在多个AP上）组成更大规模的虚拟BSS。ESS所覆盖的设备不限于单个AP，只要SSID相同即认为在同一个ESS中，即可以直接互通，用户可以带着终端在ESS内自由移动和漫游，不管用户移动到哪里，都可以被认为是使用同一个WLAN。
一个BSS可以对应一个VAP
一个AP可以有一个或多个BSS
每个BSS对应一个SSID，一个BSSID对应一个唯一的VAP MAC地址
不同AP或不同VAP的SSID可以相同，也可以不同，相同时组成一个ESS
三、802.11 MAC帧结构
1.WLAN体系结构的数据链路层
分为LLC子层和MAC子层，且MAC子层位于LCC子层之下，所以最终形成的帧为MAC帧
2.802.11 MAC帧结构图
相比有线以太网，WLAN的帧格式复杂很多，主要是因为无限网络中信号的控制更复杂。
802.11 MAC帧由帧头，帧主体（Frame control）和帧校验序列（FCS）字段3部分构成
3.802.11 MAC帧各字段解释
(1)Frame Control（帧控制）字段
此字段2个字节，包括一下这些字段，其中大多数是一些仅1bit的控制标志位
重点讲一下：
Type/subtype字段：type字段为2bit，subtype为4bit。type子字段标识了帧类型，包括数据帧、控制帧和管理帧。
subtype字段标识了同一类型帧下细分的帧子类型：
①管理帧
对应的tpye字段值为00，负责STA和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。常用的管理帧有以下子类型：
A。Beacon（信标）帧：AP周期性地宣告无线网络的存在，以及支持各类无线参数（SSID，支持的速率和认证类型）
B。Association Request/Response（关联请求/响应）帧：当STA试图加入某个无线网络时，STA向AP发送关联请求帧。AP收到关联请求帧后，会回复应答帧时接受还是拒绝STA的关联请求。
C。Dssociation（去关联）帧：STA可以发送Dssociation帧接触与特定AP的关联。
D。Authentication Request/Response（认证请求/应答）帧：该帧可以被STA和AP进行链路认证时使用，用于无线身份验证。
E。Deauthentication（去认证）帧：STA可以发送Deauthentication帧接触与特定AP的链路认证。
F。Probe Request/Response（探测请求/应答)帧：STA帧或AP都可以发送探测帧来探测周围存在的无线网络，接受到该报文的AP或者STA需以Probe Response帧响应，Probe Response帧中基本包含了Beacon帧的所有参数。
②控制帧
对应的type子字段值为01，协助数据帧的传输，负责无线信道的清空、信道的获取等，还用于接收数据时的确认。常用的控制帧如下：
A。ACK：接收端接收报文后，需要以ACK帧向发送端确认接收到了此报文。
B。RTS/CTS（请求发送、允许发送）：提供一种用来减少由隐藏结点问题造成冲突的机制，发送端向接收端发送数据之前先发送RTS帧，接收端收到后以CTS帧响应。这种机制可以清空无线信道，使发送端获得发送数据的媒介控制权。
③数据帧
对应的type子字段值为10，是真正传输的用户数据报文，另外，一种帧主体部分为空的特殊报文（null帧）也是属于数据帧类型，STA可以用过null帧通知AP自身省电状态的改变，以下为一些控制标志位他们各占1bit。
A。To DS/From DS（到/去分布式系统）：他们各站1bit，标识帧是否来自和去往一个分布式系统（其实指AP）如两个比特位均为1，则表示AP到AP之间的帧。
B。More Frang：1bit，表示是否有后续分片传送，标识帧是否进行了分片，置1时表示后面还有分片，置0时表示后面没有分片，即为最后一个分片。
C。Retry（重试）：1bit，表示帧是否需要重传，用来协助接收端排除重复帧，置1时需要重传，置0时不需要重传，默认为0。
D。Pwr Mgmt：1bit，表示STA发送完成当前帧序列后将要进入的模式，Active（激活模式，置1）Sleep（省电模式，置0）。
E。More Data（更多数据）：1bit，表示AP是否向省电模式的STA继续传送缓存报文，置1时需要传送，置0则不需要。
F。Protected Frame：1bit，表示当前帧是否被加密，置1时表示数据已被加密，置0时表示数据未加密。
G。Order：1bit，表示帧是否按顺序传输，置1时表示按顺序传输，置0时则不需要按顺序传输。
（2）Duration/ID字段
此字段共有2个字节，表示下一个要发送的帧可能要持续的时间，根据其赋值的不同，可以实现一下不同用途。
①实现CSMA/CA的网络分配矢量机制，表示STA要持续占用信道德时间，即信道处于忙状态的持续时间。
②标识该MAC帧为CFP内所传送的帧，此时填充值固定为32768，表示STA永久占用信道，其他STA不能竞争。
③在PS-Poll帧（即省电一轮询帧）中，Duration/ID表示AID（关联标识符）用来标识STA所属的BSS。
（3）Address字段
Address1~Address4这4个字段各6个字节，均为MAC地址，但是这4个Address字段的赋值不固定，需要和Frame Control字段中的To DS/From DS子字段结合确定
（4）MAC帧头部的其他字段
①Sequence Control（顺序控制）字段：2个字节，用来丢弃重复帧和重复分片，包含一下两个字段
A。Fragment Number（分片号）：每个分片号是唯一的，用于表示帧分片。
B。Sequence Number（序列号）：用于检测重复帧，当设备收到帧中的Sequence Number。
②QoS Control（质量服务控制）字段：2个字节，只存在数据帧中，用来实现基于IEEE802.11e标准的WLAN QoS功能。
③Frame Body字段：0—2312个字节，也称为数据字段，对应以太网帧中的Data字段，包括上层协议的有效载荷，在IEEE802.11标准中，有效载荷报文也被称为MSDU（服务数据单元）。每种类型的帧该字段都有相应的值，不仅数据帧有。
④FCS字段：4个字节，用于通过CRC技术检查接受帧的完整性，类似于以太网帧尾中的FCS字段。
三、WLAN基本组网架构
在WLAN组网中，一般采用无线与有线结合的方式。所以分为有线侧和无形侧。有线侧连接的是局域网汇聚层及以上的层次，通常使用以太网协议连接，无线侧连接的是接入层，指STA到AP之间基于802.11系列标准的无线连接。
1.有线侧组网架构
（1）组网架构
此架构是由AP或AC通过线缆与有线设备（交换机、路由器等）通过以太网连接，根据AP与AC是否在同一IP网段又分为“二层组网架构”和“三层组网架构”。
二层组网架构是指AP和AC之间的连接是二层架构，且在同一交换网络中，二层组网时，AP可以通过广播功能或者DHCP发现功能即插即用上线。
三层组网架构是指AC和AP之间的连接是三层架构，且不在同一IP网段，三层组网时，AP无法通过广播方式直接发现AC，需要通过DHCP或者DNS方式动态发现，或者为AC配置静态IP地址。
AP通常放在办公室、会议室、会客间等场所，AC通常放在公司机房，一般在大型组网中一般采用三层组网架构。
（2）AC连接方式
AC有“直连式”和“旁挂式”两种连接方式，直连式组网就是AC与下行的AP、上行网络以串联方式连接，旁挂式是由AC以旁挂的方式连接在下行AP与上行网络之间，不与AP直接连接。
（3）CAPWAP
CAPWAP（无线接入点控制和配置协议），为满足大规模组网需求，AC需要对网络中多个AP进行统一管理。
CAPWAP是基于UDP进行传输的应用层协议，其先后建立CAPWAP控制隧道和CAPWAP数据隧道，分别用于传输以下两种类型的流量：
①管理流量：通过CAPWAP数据隧道传输AP和AC之间交换的管理消息，源和目的的端口均使用UDP 5246端口。
②业务数据流量：通过CAPWAP数据隧道封装转发武侠数据帧，源和目的端口均使用UDP 5247端口，但在CAPWAP数据隧道中不一定有业务数据传输。
2.无线侧组网架构
无线侧接入的WLAN网络架构从最初的FAT AP架构，演进AC+FIT AP（瘦AP）架构。
（1）FAT AP（胖AP）架构
FAT AP架构所使用的AP集成了AC功能，所以不需要专门的AC设备就可以完成无线用户的接入、业务数据的加密和业务数据报文的转发等功能，因此又被称为自治式网络架构。
这种架构使用于家庭，主要特点是各AP独立工作、需要单独配置、功能较为单一、成本低，缺点是随着WLAN覆盖面积的增大，接入用户的增多，需要部署的FAT AP数量也会增加，成本也会增加，且各个AP是独立工作的，缺少统一的控制设备，因此管理维护这些AP就比较困难。
（2）AC+FIT AP架构
AC+FIT AP架构中的AP不集成AC功能，所有关于接入控制、转发和统计、AP的配置监控、漫游管理、AP的网管代理、安全控制等控制功能都交由专门的AC负责，FIT AP只负责无线用户的接入。
这种架构适用于大中型企业，主特点AP需要配合AC使用，由AC统一管理和配置，功能丰富，对网络运维人员的技能要求高。
四、WLAN工作流程
在AC+FIT AP组网架构中，各种WLAN配置大多数都是AC上进行的，所以要实现无线网络通信，首先要使各AP能找到对应AC，建立AP与AC之间的连接（这是通过有线方式进行的），然后由AC下发相关的WLAN配置给各AP，AP通过AC下发的WLAN配置实现与STA的无线连接，最终实现STA与整个网络（包括有线与无线两部分）的业务通信.
具体工作流程如下：
1.AP上线
AP获取IP地址并发现AC，与AC建立隧道建立，FIT AP需要完成上线过程，AC才能实现对AP的集中管理和控制。
2.WLAN业务配置下发
AC将WLAN业务下发到AP。
3.STA接入
STA搜索到AP发射的SSID后，向AP发起连接请求，成功后接入网络。
4.WLAN业务转发
STA与AP、AP与AC之间的连接都完成后，WLAN网络可正式转发STA用户发送的业务数据。
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