7 无线的基本概念和配置.docx
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7无线的基本概念和配置
7无线的基本概念和配置
7.0本章简介
7.0.1本章简介
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在前面几章，您学习了如何在有线网络上利用交换机功能实现设备互连。
在典型的企业网络中，有线网络的应用非常广泛。
计算机系统、电话系统和其它外围设备通过物理线路连接到配线间中的交换机。
有线网络设施的管理会很麻烦。
不妨设想一下：
假设有员工决定将其计算机系统搬到办公室的另一个位置，或者有经理希望将笔记本电脑带到会议室并在那联网，那该怎么办呢？
在有线网络中，您需要将网络连接电缆移到该员工的新办公位置，还需要确保会议室中有网络连接。
为避免移动物理线路带来的麻烦，越来越多的人开始选择无线网络。
本章中，您将学习无线局域网（WLAN）如何为企业提供灵活的网络环境。
您将学习当前的各种无线标准以及各个标准的特点。
您将学习无线基础架构通常需要哪些硬件组件、WLAN的运行机制以及如何保护WLAN。
最后，您将学习如何配置无线接入点和无线客户端。
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7.1无线LAN
7.1.1为何使用无线网络？
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无线LAN为何如此流行？
单击图中的“播放”按钮，观看视频。
当今企业网络的发展趋势之一是支持移动办公的员工。
无论是雇主还是员工，学生还是教员，政府机关还是他们服务的群体，也无论是体育迷还是购物狂，所有的人都是流动的，其中许多人都是“保持连接”的。
也许您随身携带移动电话，当您不在计算机旁边时可以发送短信。
人们在路上也可自由连接到网络，这就是移动技术的未来。
实现这种移动性的基础架构（有线LAN、服务提供商网络）有许多，但在企业环境中，最重要的当属WLAN。
生产不再受固定工位或固定时段的限制。
现在，人们有望随时随地保持连接，从办公室到机场，甚至在家里都可正常工作。
在过去，员工出差时不得不通过手机付费查收邮件，还要趁转机的空档回拨几个电话。
现在，员工可以在许多临时场所通过个人数字助理（PDA）查看电子邮件、语音邮件和产品状态。
在美国，许多人的生活方式和学习方式已经改变。
Internet已与电视、电话服务一起成为许多家庭的标准服务。
尽管Internet的接入方法已从临时性的调制解调器（modem）拨号服务迅速转变为专用的DSL或电缆服务。
家庭用户正在寻求灵活的无线解决方案，以便在家里也能像在办公室那样工作。
2005年，支持Wi-Fi的笔记本电脑的销量首次超过台式机的销量。
除了灵活性以外，WLAN的另一重要优势是能够降低成本。
例如，无线设施铺设好后，无论是在大楼内部搬迁工位，还是重新布置实验室，抑或搬到临时场所或项目工地，所需的成本都大大降低。
平均而言，员工在某个场地内搬迁的IT成本为375美元。
再譬如，假设某公司要搬迁到没有任何有线设施的新办公楼。
这种情况下，使用WLAN带来的成本优势会更加显著，因为可以省掉穿过墙壁、天花板和地板布线的大部分成本。
尽管难以准确地衡量，但WLAN确实可以提高生产效率，为员工创造更自由的工作环境，从而为客户提供更好的服务，为企业创造更多的利润。
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无线LAN
在前面几章中，您已学习有关交换机的技术和功能的知识。
大多数当代企业网络都依靠基于交换机的LAN来支持公司的日常运营。
但是，员工的流动性在日益增强，他们希望在工位之外的其它位置也能访问公司的LAN资源。
办公室里的员工希望将其笔记本电脑带到会议室或是带到同事的办公室。
在其它位置使用笔记本电脑时，依靠有线连接终究多有不便。
本主题中，您将学习有关无线LAN（WLAN）的知识以及WLAN能为企业带来哪些益处。
您还将学习与WLAN有关的安全事项。
在许多国家，移动通信早已是众望所归。
从无线键盘和头戴式耳机到卫星电话和全球定位系统（GPS），无不代表着便携与移动的潮流。
综合运用各种无线技术，可以让员工移动办公时更方便更惬意。
单击图中的“无线LAN”按钮。
您会发现WLAN是以太网LAN的扩展。
LAN的功能已经移动化。
您将学习有关WLAN技术的知识以及移动技术（依靠移动技术，人们在行走时、在出租车上或者在机场中均可继续会谈）背后的标准。
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WLAN与LAN的比较
无线LAN与以太网LAN本是一脉相承。
IEEE采用802LAN/MAN工作组作为计算机网络的体系结构标准。
两个主流的802工作组分别是802.3以太网和802.11无线LAN。
但是，两者之间还是有重要的区别。
WLAN使用射频（RF）代替物理层和数据链路层的MAC子层的电缆。
与电缆相比，射频有以下特点：
∙射频没有边界，不像线缆那样受到表皮的限制。
由于没有边界，因此任何能够接收射频信号的人都可以访问通过射频介质传输的数据帧。
∙射频与外部信号之间并无绝缘保护，而电缆则包在绝缘表皮中。
尽管多个射频可在同一地理区域独立发射，但使用相同或相近的射频会导致射频之间相互干扰。
∙任何基于电波的技术（例如无线广播）都存在天然的局限性，射频信号自然也不例外。
例如，当您远离射频信号源时，您可能会听到多个广播台相互干扰形成的杂音，还可能听到信号的静电噪音。
最终，您可能什么信号都收不到。
有线LAN有适当长度的电缆来保证信号的强度。
∙各个国家针对RF频段的使用颁布了不同的法规。
WLAN的使用所应遵循的法规和标准与有线LAN不同。
WLAN通过无线接入点（AP）代替以太网交换机将客户端连接到网络。
WLAN连接的是通常由电池供电的移动设备，而不是接到电源插座上的LAN设备。
无线网卡（NIC）容易导致移动设备的电池寿命缩短。
WLAN支持主机竞争访问射频介质（频率段）。
802.11规定对介质访问采取冲突避免机制（而不是冲突检测机制）来主动避免介质内出现冲突。
WLAN使用的帧格式与有线以太网LAN不同。
WLAN要求帧的第2层报头中包含附加信息。
由于射频可以覆盖设备的外部，因此WLAN会带来更多的隐私问题。
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无线LAN简介
802.11无线LAN对802.3以太网LAN基础架构进行扩展以提供更多的连接方案。
但是，要实现无线连接，还需要使用其它组件和协议。
在802.3以太网LAN中，每个客户端都有一根将客户端网卡连接到交换机的电缆。
交换机是客户端访问网络的入口点。
单击图中的“WLAN设备”按钮。
在无线LAN中，每个客户端分别使用一个无线适配器通过无线设备（例如无线路由器或接入点）访问网络。
单击图中的“客户端”按钮。
客户端的无线适配器使用射频信号与无线路由器或接入点通信。
连接到网络后，无线客户端即可像通过有线电缆连接到网络那样访问网络资源。
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7.1.2无线LAN标准
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无线LAN标准
802.11无线LAN是一套IEEE标准，该标准定义了如何使用免授权的工业、科学和医疗（ISM）射频（RF）频段作为无线链路的物理层和MAC子层。
发布第一版802.11时，该标准规定2.4GHz频段下的数据传输速度为1-2Mb/s。
当时，有线LAN的运行速度为10Mb/s，因此新的无线技术并没有获得广泛的应用。
自那以后，随着IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g及802.11n草案的相继发布，无线LAN标准已经有了长足的改进。
通常根据数据传输速度来选择使用何种WLAN标准。
例如，802.11a和802.11g至多支持54Mb/s，而802.11b至多支持11Mb/s，这让802.11b成为“慢速”标准，而802.11a和802.11g则成为首选的标准。
第4版WLAN草案802.11n的数据传输速度则比现有的任何无线标准都更快。
IEEE802.11n有望于2008年9月通过批准。
图中是已批准的IEEE802.11a、b和g标准的对比。
单击图中的“表格”按钮，查看各个标准的详细信息。
各种无线LAN标准的数据传输速度主要受调制技术的影响。
本课程中，您将学习两种调制技术，分别是直接序列扩频（DSSS）和正交频分复用（OFDM）。
本课程中，您并不需要了解这些技术的工作原理，但应知道，使用OFDM的标准的数据传输速度较高。
此外，DSSS比OFDM简单，因此实施成本较低。
802.11a
IEEE802.11a采用OFDM调制技术并使用5GHz频段。
802.11a设备的运行频段是5GHz，由于使用5GHz频段的电器较少，因此与运行频段为2.4GHz的设备相比，802.11a设备出现干扰的可能性更小。
此外，由于频率更高，因此所需的天线也更短。
然而，使用5GHz频段也有一些严重的弊端。
首先，无线电波的频率越高，也就越容易被障碍物（例如墙壁）所吸收，因此，在障碍物较多时，802.11a很容易出现性能不佳的问题。
其次，这么高的频段，其覆盖范围会略小于802.11b或802.11g。
此外，包括俄罗斯在内的部分国家禁止使用5GHz频段，这也导致802.11a的应用受到限制。
802.11b和802.11g
802.11b使用DSSS，其指定的数据传输速度为1、2、5.5和11Mb/s（2.4GHzISM频段）。
802.11g通过使用OFDM调制技术可在该频段上实现更高的数据传输速度。
为向后兼容IEEE802.11b系统，IEEE802.11g也规定了DSSS的使用。
支持的DSSS数据传输速度为1、2、5.5和11Mb/s，而OFDM数据传输速度为6、9、12、18、24、48和54Mb/s。
使用2.4GHz频段也有一些优势。
与5GHz频段的设备相比，2.4GHz频段的设备的覆盖范围更广。
此外，此频段发射的信号不像802.11a那样容易受到阻碍。
然而，使用2.4GHz频段有一个严重的弊端。
许多电器也使用2.4GHz频段，从而导致802.11b和802.11g设备容易相互干扰。
802.11n
IEEE802.11n草案标准旨在不增加功率或RF频段分配的前提下提高WLAN的数据传输速度并扩大其覆盖范围。
802.11n在终端使用多个无线电发射装置和天线，每个装置都以相同的频率广播，从而建立多个信号流。
多路输入/多路输出（MIMO）技术可以将一个高速数据流分割为多个低速数据流并通过现有的无线电发射装置和天线同时广播这些低速数据流。
这样，使用两个数据流时的理论最大数据传输速度可达248Mb/s。
该标准有望于2008年9月通过批准。
重要事项：
RF频段由国际电信联盟无线电部门（ITU-R）负责分配。
ITU-R指定900MHz、2.4GHz和5GHz频段作为ISM社区的免授权频段。
虽然ISM频段面向全球免授权，但它仍要受到当地法规的约束。
这些频段的使用在美国要受FCC的管制，而在欧洲则受ETSI的管制。
在架设无线网络时，上述因素会影响无线组件的选择。
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Wi-Fi认证
Wi-Fi认证由Wi-Fi联盟（http:
//www.wi-fi.org）提供，Wi-Fi联盟是一个致力于促进WLAN的发展和应用的全球性非营利工业协会。
如果考虑到Wi-Fi联盟在WLAN标准领域的地位，您会更深刻地认识到Wi-Fi认证的重要性。
这些标准确保了不同厂家生产的设备之间的互操作性。
在国际上，参与制定WLAN标准的组织主要有三个：
∙ITU-R
∙IEEE
∙Wi-Fi联盟
ITU-R管理RF波段和卫星轨道的分配。
RF波段和卫星轨道被认为是固定无线网络、移动无线网络和全球定位系统等设备所需的有限自然资源。
IEEE开发和维护适用于局域网和城域网的标准，即IEEE802LAN/MAN系列标准。
IEEE802由IEEE802LAN/MAN标准委员会（LMSC）管理，LMSC负责监管多个工作组。
IEEE802系列中居于主导地位的标准是802.3以太网、802.5令牌环和802.11无线LAN。
尽管IEEE已经制定了射频调制设备的标准，但并未制定生产标准，因而，不同供应商对802.11标准的理解不尽相同，导致它们生产的设备之间可能存在互操作问题。
Wi-Fi联盟是由一群供应商组成的协会，联盟的目标是通过对遵守行业规范、合乎标准的供应商颁发证书的方式来强化802.11标准的执行，从而提高产品之间的互操作性。
认证覆盖所有三种IEEE802.11射频技术、先行采用的待审IEEE草案（例如802.11n）以及基于IEEE802.11i的WPA和WPA2安全标准。
这三个组织的角色可归纳如下：
∙ITU-R管理RF频段的分配。
∙IEEE规定如何调制射频来传送信息。
∙Wi-Fi确保供应商生产的设备可互操作。
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7.1.3无线基础架构的组件
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无线网卡
您可能已在家里、在当地咖啡厅或者在学校里用过无线网络。
您是否想过究竟是哪些硬件让您能够无线接入本地网络或Internet？
本主题中，您将学习部署WLAN需要使用哪些组件以及每个组件在无线基础架构中分别有何用处。
复习一下，WLAN的基本组件是连接到接入点、继而连接到网络基础架构的客户站。
让客户站能够收发射频信号的设备是无线网卡。
与以太网网卡相同，无线网卡的配置会指定它使用何种调制技术将数据流编码为射频信号。
无线网卡通常用于移动设备，例如笔记本电脑。
在20世纪90年代，笔记本电脑所用的无线网卡是插入到PCMCIA插槽中的卡。
如今，PCMCIA无线网卡仍然很常见，但许多制造商已经开始在笔记本电脑中内置无线网卡。
与PC中内置的802.3以太网接口不同，无线网卡是看不到的，因为无线网卡不需要通过电缆连接。
近年来还涌现出其它一些可供选择的方案。
对于位于现有无线网络覆盖区域中的台式机，可以为其安装无线PCI网卡将其加入无线网络。
为了能够在移动或桌面PC中快速安装无线网卡，现在还推出了许多USB无线设备。
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无线接入点
无线接入点将无线客户端（或工作站）连接到有线LAN。
客户端设备通常不能直接相互通信；它们通过无线接入点（AP）进行通信。
从本质上讲，接入点将TCP/IP数据包从802.11帧封装格式（空气中）转换为802.3以太网帧格式（有线以太网络中）。
在基础架构网络中，客户端必须与某个接入点相关联才能获取网络服务。
关联是指客户端加入到802.11网络的过程。
这与插接到有线LAN的过程相似。
后文将会详细介绍关联过程。
接入点是第2层设备，其功能与802.3以太网的集线器类似。
射频是一种共享介质（medium），而接入点则监听所有无线电通信。
与802.3以太网相同，想要使用共享介质的设备需要竞争该介质。
然而，与以太网网卡不同的是，让无线网卡同时发送和接收信号的成本很高，因此无线电发射装置并不执行冲突检测。
取而代之的是，WLAN设备的设计原则是避免冲突。
CSMA/CA
接入点负责监管一种被称为“载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）”的分布式协调功能（DCF）。
这仅仅表示：
WLAN上的设备必须感应介质以积聚能量（在能量超过某个阈值时即会激发射频）并一直等到该介质空闲后才开始发送信号。
由于此操作需要所有设备共同参与，因此需要它们对介质的访问进行协调。
如果某个接入点收到某个客户站发来的数据，则该接入点会给该客户端发送一条确认消息表示该数据已收到。
这种确认机制可以防止客户端误以为发生冲突而重新传送数据。
单击图中的“隐藏节点”按钮。
射频信号会衰减。
也就是说，射频信号在远离发射源传播时会损失能量。
不妨设想：
如果射频信号超出客户站的覆盖范围之外，将会造成什么后果呢？
在各个客户站互相竞争介质的WLAN中，信号的衰减会带来麻烦。
假设有两个客户站都连接到接入点，但两者位于相反的方向上。
如果它们都位于该接入点覆盖的最大范围上，则它们将无法相互通信。
因此，这些客户站并不知道介质上是否存在其它客户站，它们可能会同时停止发射信号。
这就是所谓的隐藏节点（或客户站）问题。
解决隐藏节点问题的方法之一是被称为“请求发送/允许发送（RTS/CTS）”的CSMA/CA功能。
开发RTS/CTS的目的是允许在客户端和接入点之间进行协商。
当网络中启用RTS/CTS时，接入点会为请求客户站分配完成发射所需的介质。
在发射完成后，其它客户站可按类似方式请求信道。
否则，会继续执行常规的冲突避免功能。
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无线路由器
无线路由器可以充当接入点、以太网交换机和路由器的角色。
例如，这里使用的LinksysWRT300N实际上是三合一设备。
首先，它包含无线接入点，可以执行典型的接入点功能。
其次，内置的4端口、全双工10/100交换机提供连接有线设备的功能。
最后，路由器功能提供一个网关，用于连接其它网络基础架构。
WRT300N最常见的应用是作为小企业或家庭用户的无线接入设备。
该设备上的预期负载较低，因此应该能够胜任WLAN和802.3以太网的部署并实现与ISP的连接。
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7.1.4无线网络的运行
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无线端点的可配置参数
图中显示Linksys无线路由器无线配置的初始屏幕。
要在客户端和接入点之间建立连接，需要执行几步操作。
您需要先后在接入点和客户端设备上配置参数对这些过程启用协商。
单击图中的“模式”按钮，查看无线网络模式参数。
无线网络模式是指WLAN协议：
802.11a/b/g/n。
由于802.11g向后兼容802.11b，因此，该接入点同时支持这两个标准。
如果所有客户端都连接到支持802.11g的接入点，则所有客户端都能享受802.11g所提供的更高的数据传输速度。
当802.11b客户端连接到支持802.11g的接入点时，则由于需要竞争信道，所有更快的客户端都不得不等待802.11b客户端顺利通过信道才能开始传输。
当将Linksys接入点配置为允许802.11b和802.11g客户端时，则该接入点将在混合模式下运行。
对于同时支持802.11a、802.11b和802.11g的接入点来说，它必须另有一个无线电发射装置以便在不同的RF频段上运行。
单击图中的SSID按钮以查看Windows客户端的SSID列表。
共享服务集标识符（SSID）是客户端设备用来区分相邻区域多个无线网络的唯一标识符。
同一个网络上的多个接入点可以共享一个SSID。
图中显示的是区分WLAN的SSID示例，SSID可由任何字母（区分大小写）或数字组成，长度为2到32个字符。
单击图中的“信道”按钮，查看非重叠信道的示意图。
针对免授权ISMRF频段在WLAN中的使用，IEEE802.11标准制定了信道化方案。
2.4GHz频段在北美被分为11个信道，在欧洲则被分为13个信道。
这些信道的中心频率间隔仅为5MHz，而信道总带宽（或频率占用带宽）为22MHz。
信道带宽为22MHz，而相邻信道的中心频率的间隔仅为5MHz，这意味着相邻信道之间必然存在重叠。
而WLAN的最佳做法要求将多个接入点设置为使用非重叠信道。
如果有三个相邻的接入点，则使用信道1、6和11。
如果只有两个，则可选择任何相隔5个信道的两个信道，例如信道5和10。
多个接入点可以根据相邻信道的使用状况自动选择一个信道。
为适应环境的变化，有些产品会不断监控无线覆盖空间来动态调整信道设置。
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802.11拓扑
无线LAN可以包含各种网络拓扑。
在描述这些拓扑时，IEEE802.11WLAN体系结构的基本构成单位是基本服务集（BSS）。
802.11标准将BSS定义为一组相互通信的客户站。
单击图中的“对等”按钮。
对等网络
在没有无线接入点的情况下，无线网络也可以运行；这叫做对等拓扑。
配置成在对等网络模式下运行的客户站会配置自身的无线参数。
IEEE802.11标准将对等网络称为独立BSS（IBSS）。
单击图中的“BSS”按钮。
基本服务集
接入点提供的基础架构可以为客户端提供更多的服务并扩大无线覆盖范围。
基础架构模式中，无线参数仅由一个接入点管理，拓扑只是简单的BSS。
IBSS和BSS的覆盖区域是基本服务区（BSA）。
单击图中的“ESS”按钮。
扩展服务集
当一个BSS提供的RF范围不足时，可以通过公共分布系统将一个或多个BSS加入到扩展服务集（ESS）。
在ESS中，各个BSS之间通过BSS标识符（BSSID）区分，BSSID是为BSS提供服务的接入点的MAC地址。
ESS的覆盖区域是扩展服务区（ESA）。
公共分布系统
公共分布系统允许一个ESS中的多个接入点组成一个BSS。
ESS通常包含一个公共SSID，允许用户从一个接入点漫游到另一个接入点。
蜂窝表示单个信道提供的覆盖区域。
ESS在扩展服务区的蜂窝之间应该有10%到15%的重叠。
当蜂窝之间存在15%的重叠时，可以创建一个SSID和非重叠信道（一个蜂窝位于信道1，另一个蜂窝位于信道6）并提供漫游功能。
单击图中的“总结”按钮，查看各种WLAN拓扑的对比。
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客户端和接入点的关联
802.11过程的关键部分是发现WLAN并继而连接到WLAN。
该过程的主要组件如下所示：
∙信标-WLAN用来通告其存在性的帧。
∙探测-WLAN客户端用来查找网络的帧。
∙身份验证-该过程是原802.11标准的一项产物，但仍然是当今标准所要求的。
∙关联-在接入点和WLAN客户端之间建立数据链路的过程。
信标的主要作用是让WLAN客户端了解指定区域中有哪些网络和接入点可用，从而让它们能够选择使用哪个网络和接入点。
接入点会定期广播信标。
虽然接入点会定期广播信标，但只有在关联（或重新关联）过程中才使用探测、身份验证和关联帧。
802.11连接过程（关联）
在802.11客户端必须经过以下三步操作才可以通过WLAN网络发送数据：
单击图中的“探测”按钮。
阶段1-802.11探测
客户端通过在多个信道上发送探测请求来搜索特定的网络。
该探测请求指定网络名称（SSID）和比特率。
典型的WLAN客户端都配置了期望的SSID
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