wifi物理层数据链路层的直观理解

大致学习了wifi的原理，这里打算用尽量简单的语言描述一下我对wifi的理解。

1 wifi信号调制

Wifi用的是无线信号，通过电磁波在周围传播，他一般是使用大名鼎鼎的802.11系列标准的技术，这标准对网络中物理层，数据链路层（部分）做了详细的规定，第三层之上跟以太网，一模一样，

这一点可以通过Wireshark抓包软件用笔记本电脑分别连无线和有线访问同样网站，并观察对应包就可以直观的理解，当然，无线里传包可能会有多一点有丢失包重传的情况。

底层电磁波信号如何调制呢，并不是说电磁波都跟公式一样是正弦信号，正余弦只是电磁波的基础形式，人制信号通过模拟此形式电磁波，并加入一些宏观的信号变化和调制，从而传递信息，可以调幅调频调相位。

比如传10100 这5位信息，通过如下图各类调节，使接收器接收到这类非正常变化的信号，并经过滤波、解调操作获得信息。

2 wifi信号特性和限制

用无线路由器很多人都听说过5GHz和2.4HZ这个概念，这是协议里定义的wifi可以使用的两个频段，可以使用inSSIDER这个软件获得wifi的直观信息。

这是实验室旁的wifi信号图，可以看出，2.4G可以用的带宽非常少，只有13格，也就是2.4Ghz的wifi必须在2400Mhz-2500Mhz里抢带宽，每格5Mhz,一般的路由都只占4个格，也就是20Mhz带宽，而且用的人很多（会造成干扰影响速率），占8个格也就是40M带宽的是用两个20M带宽。

可以看出5Ghz允许使用的带宽就多得多，协议也可以轻易用40Mhz,80Mhz的带宽，用的人也少，冲突也少，当然5G可以用的频率也是有限制的，不同国家限制不同。可以查看https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels

Wifi信号图中显示的wifi信号的高低（既是接收信号的强弱）的单位是dBM,负数代表其能量在1mW以下，能量越低信号强度越低，衰减是指数级的，相对低数值10意味着信号强度只是10分之一，-90以下就很难捕捉到了。

信号强度跟很多因素有关，包括发射功率、距离、该频率电磁波的特性等，一般无线路由器的发射功率国家都有严格限制，电磁波也会受到反射、散射、衍射、吸收、偏振的的影响，反射带来的的多路径传播会造成多次收到同样信息，衍射影响穿障碍能力，吸收偏振影响信号强度。

所以一般而言，5GHz频率高，同样带宽下单位时间能携带的信息多；频率高波长就短，容易被吸收，于是穿透能力差，隔着一两堵墙就很难受了。

另外要清楚的是，事实上WIFI就是WLANA（无线局域网联盟）的一个商标（也可以说是其中一种），该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系，但因为WIFI 主要采用802.11b协议，因此人们逐渐习惯用WIFI来称呼802.11b协议。WLAN是符合802.11系列标准的技术，可以保证不同的WLAN设备可以互联互通。如一些军用产品，用WLAN技术（信号层面上类似以上wifi技术，但不能互联）。

3 wifi数据链路层

wifi在数据链路层中帧的协议可以参看另一篇博客，

https://blog.csdn.net/l982817732/article/details/52274174，里面叙述得较为清晰

802.11帧的三种类型：

数据帧：好比 802.11 的驮马，负责在工作站之间传输数据

控制帧：与数据帧搭配使用，负责区域的清空、信道的取得以及载波监听的维护，并于收到数据时予以正面的应答，借此促进工作站间数据传输的可靠性

管理帧：负责监督，主要用来加入或退出无线网络，以及处理基站之间连接的转移事宜

简要的叙述帧的情况，其类似有线中传输的数据帧，都有序言(preamble)以方便设备调整接收，传输的数据类型标注，以及发送方和接收方的物理地址MAC,还有帧承载的内容主体，最后还有验证检错码。

因为所有路由公用一个媒介，所以Wifi路由就如同一个hub,像一个广播电台.一台设备将帧向外发送，会将帧发到周围所有的无线设备端口.每台设备检查自己的MAC地址是不是符合DST.如果不是,则保持沉默. 如果两台设备同时发信,会发生冲突.可以在设备上增加冲突检测算法:一旦设备发现有冲突,则随机等待一段时间再重新发出。

因此数据帧上同样含有轮询和竞争信号链接应答信号。

因为通信信号在周围是公开的.所有设备都能收听到别人在传输什么,这样很不安全.因此需要对信息加密提高安全性.，一个直观显示就是就是wifi密码，根据安全协议的等级，可以排序为None/Open > WEP > WPA-TKIP >WPA-AES or WPA-CCMP > WPA2-TKIP > WPA2-AES or WPA2-CCMP。

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