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WiFi基础知识

Updated 2 years ago

问题描述:认识Wi-Fi

在Arduino的初学部分中,相信咱们对Arduino有一定程度上的了解了。从这部分开始,咱们将学习Arduino结合无线通信方面的知识,来增进Arduino与我们的互动。在第1次教程中,我们将简单了解Wi-Fi (也可以写作wifi)的一些概念和基础知识,为后面的工作做准备。

什么是wifi

WIFI英文全称Wireless Fidelity (wifi,无线保真技术),是一种在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的是2.4/5GHz附近的频段,它的最大优点就是传输速度较高,有效距离也较长,同时也与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum),中文翻译为直接序列扩频,是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式。DSSS通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原成原来的信号。Wifi读作[waifai],如图所示。

WiFi的由来

  • 1 996年,美国网络通讯设备大厂朗讯(Lucent)率先发起成立无线一台兼容性联盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA),着手创立无线网络协议(WLAN)。
  • 1999年,WECA更名为Wi-Fi联盟,再度架构一套认证标准,提出通信行业的无线网络技术-802.11一系列规格,包括802.11b,802.11a,802.11g等。
  • Wi-Fi联盟致力解决武汉802.11标准的产品生产和设备兼容性问题,为制定802.11无线网络组织,但并非代表无线网络。 WLAN是英文Wireless Local Area Network (无线局域网络) 的缩写,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。无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来,而是通过无线的方式连接,从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。Wi-Fi是WLAN中的一种。

  • wifi与蓝牙,ZigBee的区别:蓝牙技术是一种WPAN(无线个人域网,Wireless Personal Area Networks,WPAN)技术,而WIFI属于WLAN(无线局域网)技术。这两类无线技术为用户提供的服务不同,从技术实现上讲存在根本差异。 WIFI辐射对人体的影响:无线网络的发射功率比一般的手机要微弱得多:无线网络发射功率约60~70mW,而手机发射功率约200mW左右,而且使用的方式亦非像手机一般直接接触于人体,到达人体一般都不到1mW,所以,其辐射基本上可忽略不计。

WiFi的特点

  • 组网灵活,可以是基础设施模式,也可以是自组织模式
  • 技术成熟、应用丰富
  • 设备价格低廉
  • 信号功率小,覆盖范围小
  • 工作在2.4GHz的IMS (Industrial/Medical/Scientific)频段,容易受干扰。 微波炉、无绳电话等也工作在IMS

无线频段

ISM频段是针对工业、科学研究以及医疗使用所保留的一些无线电频段,由FCC所规范,目前全世界大部分国家也依循此规范来开放频段,但ISM频段在各国的规定并不统一。应用这些频段无需许可证,只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W),并且不需要对其他频段造成干扰即可。其中一共规范了三个频段900MHz,2.4GHz,5.7GHz。目前无线网络产品大多是使用2.4GHz的频段。2.4GHz为各国的ISM频段,如表所示。

无线信道

对于2.4GHz的频段来说,共有14个信道,每个信道带宽为22MHz,如图所示.

其中,只有信道1,6,11三个信道是唯一三个不相互交织的信道。

Wi-Fi体系结构

Wi-Fi主要有两种工作模式:基础网(Infra)和自组织网(Adhoc).

基础网

(1) 最小构件:基本服务集BSS(Basic Service Set),如所示。

  • 一个或多个无线主机
  • 一个AP:Access Point,接入点,也就是基站。
  • 无线主机借助AP与外界通信
  • AP之间利用Hub/Switch /Router互连

(2) 服务集标识符SSID

  • 管理员安装AP时为该AP分配的一个不超过32字节的服务集标识符。
  • 一个BSS可以是孤立的,也可以通过其AP连接到一个分配系统DS,然后再连接到另一个BSS,这样就构成了一个ESS。

(3) 扩展服务集ESS ESS是指由多个AP以及连接它们的分配系统DS组成的结构化网络,所有的AP共享一个ESSID,一个ESS中可以包含多个BSS,如图所示。

(4) 分配系统DS

  • Distribution System,用于BSS互联的逻辑组成单元,由它提供无线站点在BSS之间漫游的分配服务 。
  • DS的作用是使ESS对上层表现得就像一个BSS一样。
  • S通常是指以太网,点对点链路或者其他无线网络。

自组织网络

  • 没有 AP的中央控制
  • 一般没有到外部网络的连接

802.11 关联

(1)无线主机与AP的关联过程

  • 监听AP发送的信标帧(beacon frame)

    P周期性发送信标帧

    包含AP的SSID和MAC地址等

  • 搜索14个信道,选择一个AP,利用802.11的关联协议进行关联

    关联后,意味着无线主机加入了选定AP所属的子网

    可能利用DHCP向AP租用IP地址

    通常情况下,在接收到的诸多信标帧中,选择信号强度最强的信标帧的所属的AP进行关联。

(2)关联扫描方式

  • 被动扫描,如图所示。

    P(s)周期性发送信标帧①,主机扫描14个信道,找出可能位于该区域的所有AP发出的信标帧;

    主机向选择的AP发送关联请求帧②;

    AP向主机发送关联响应帧③;

  • 主动扫描,如图所示

    无线主机广播发送探测请求帧①;

    Ps发送探测响应②;

    无线主机向选定的AP发送关联请求帧③;

    选定的AP向主机发送关联响应帧④。

(3)认证

  • 关联时,无线主机可能需要通过认证/鉴别机制向AP证明自己。
  • 通过MAC地址进行认证
  • 通过用户名/口令进行认证

(4)CSMA/CA与CSMA/CD

  • 冲突检测的能力要求站点是全双工的,具有同时接收和发送的能力。WLAN的适配器中接收信号的强度远远小于发送信号的强度,实现冲突检测的硬件花费太大了,所以大多数无线电设备都是半双工的。
  • LAN中由于隐藏终端和衰减等问题,并非所有的终端都能检测到碰撞。
  • 无线站点在发送帧的过程中,如果检测到冲突,不放弃发送帧,而是把整个帧发送完成。所以WLAN中,一旦发生碰撞,这个帧的发送时间内信道都被浪费了。所以,碰撞避免的含义:尽量减少碰撞发生的概率链路层确认机制。
  • 由于无线信道误码率较高,发送方先通过WLAN发送一帧给接收方,接收方收到这一帧后,在SIFS短帧间间隔后发送一个确认帧给发送方;发送方在收到这个确认帧后才继续发送下一帧。如果没收到确认帧,就会重传该帧若干次。

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