1.2 IEEE 802.11 标准组成

IEEE是电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的缩写，IEEE是在1963年1月1日，由美国无线电工程师协会和美国电气工程师协会合并而成，它被国际标准化组织授权为可以制订标准的组织，设有专门的标准工作委员会，其中有30 000 名义务工作者参与标准的研究和制订工作，每年制订和修订800 多个技术标准。

在IEEE的标准工作委员会当中，比较有名的是IEEE 802委员会，它成立于1980年2月，其任务是制订局域网的国际标准，取得了显著的成绩。

802委员会目前有12个分委员会，他们研究的内容如下。

• 802.1：局域网概述、体系结构、网络管理和性能测量等；

• 802.2：逻辑链路控制协议；

• 802.3：总线网介质访问控制协议及物理层技术规范；

• 802.4：令牌环总线网介质访问控制协议及其物理层技术规范；

• 802.5：令牌环网介质访问控制协议及其物理层技术规范；

• 802.6：城域网MAC介质访问控制协议及其物理层技术规范；

• 802.7：宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议；

• 802.8：光纤技术咨询组，为其他分委员会提供光纤网络技术的建议；

• 802.9：综合话音/数据的局域网介质访问控制协议及其物理层技术规范；

• 802.10：局域网安全技术标准；

• 802.11：无线局域网的介质访问控制协议及其物理层技术规范；

• 802.12：100 Mbit/s高速以太网按需优先的介质访问控制协议；

• 802.14：社区公共天线电视（Community Antenna Television，CATV）；

• 802.15：无线个域网；

• 802.16：无线城域网；

• 802.17：弹性分组环。

美国国家标准协会将上述的 IEEE 802 标准作为美国国家标准，本书要描述的802.11标准，就是上述标准系列中针对无线局域网的技术标准。

IEEE 802.11标准包含多个方面，分别针对不同的应用领域，分类如下。

• 物理和MAC 层接入标准；

• 组网标准；

• 信息安全标准；

• 应用优化标准；

• 网络测试与管理标准。

802.11 标准的分类组成如表 1-1 所示，表中的数字大小表示同类别标准公布的先后顺序。

表1-1 802.11的标准分类组成

表1-1中各项标准的分类概述，具体如下。

1.2.1 物理和 MAC 层接入

物理和MAC层接入有以下标准：

• IEEE 802.11;

• IEEE 802.11b;

• IEEE 802.11d;

• IEEE 802.11a;

• IEEE 802.11p;

• IEEE 802.11g；

• IEEE 802.11n;

• IEEE 802.11ac;

• IEEE 802.11ad。

它们的功能和作用概述如下。

1．IEEE 802.11

全称：The original 1 Mbit/s and 2 Mbit/s，2.4 GHz RF and IR standard。

中文名称：最初的1 Mbit/s和2 Mbit/s速率（的技术标准），应用在2.4 GHz的无线频段和红外频段。

它是IEEE针对WLAN的第一个物理层和MAC层的信息接入/传送技术标准，它工作在 2.4 GHz 频段，在物理层同时支持慢速跳频和直序扩频技术，在 MAC 层采用DCF竞争机制，整体速率只达到1～2 Mbit/s。

2．IEEE 802.11b

全称：Enhancements to 802.11 to support 5.5 and 11 Mbit/s。

中文名称：支持5.5 Mbit/s和11 Mbit/s速率的802.11增强（技术标准）。

802.11b是工作在2.4 GHz频段的、物理层和MAC层的WLAN 信息收/发的技术标准，它在802.11技术标准的基础上，对802.11的直序扩频技术进行了扩充，提出了高速直序扩频技术规范，使最高速率达到11 Mbit/s。

3．IEEE 802.11d

全称：International（country-to-country）roaming extensions。

中文名称：国家之间的国际漫游扩充（的技术标准）。

802.11d是在802.11b的技术基础上，针对不同国家对802.11b使用的频率、带宽、跳频机制下频点选择等的不同限制，在物理层对频率、带宽、跳频机制下的调频表都提供了灵活配置的技术，并且在MAC层对物理层的修改部分，在MAC层的关联部分也做了相应的修改。

4．IEEE 802.11a

全称：54 Mbit/s，5 GHz standard。

中文名称：工作频段为5 GHz，整体速率达到54 Mbit/s（的技术标准）。

802.11a是工作在5 GHz频段的、WLAN 的物理层和MAC层信息接入/传送的技术标准，它在物理层采用了OFDM技术，使得最高数据速率达到54 Mbit/s。

5．IEEE 802.11p

全称：WAVE -WirelessAccess for the Vehicular Environment。

中文名称：车辆环境下的无线接入（的技术标准）。

802.11p是工作在5.9 GHz频段，采用802.11a的OFDM技术的物理层和MAC层信息收/发技术标准，它在802.11a基础上增加了对高速移动情况下通信的技术支持，同时与用于车辆通信的IEEE的std 1609网络通信协议簇、在1609协议簇之上的用于车辆通信和多媒体应用的ISO的CAMML5协议都建立了良好的融合机制，它是车辆专用领域的802.11 WLAN 信息收/发的技术标准。

6．IEEE 802.11g

全称：54 Mbit/s，2.4 GHz standard（backwards compatible with b）。

中文名称：工作频段为2.4 GHz，整体速率达到54 Mbit/s的技术标准（后向兼容802.11b）。

802.11g 是工作在 2.4 GHz 频段的、物理层和 MAC 层的 WLAN 信息收/发的技术标准。它在物理层采用和802.11a类似的OFDM技术，使得整体的数据速率达到 54 Mbit/s；同时，在物理帧头设计和调制编码设计方面依然保持了对 802.11b的向下兼容，即在同一网络中，可以有 802.11g和 802.11b的站点同时在同一个802.11g网络中相互通信。

7．IEEE 802.11n

全称：Higher throughput improvements using MIMO。

中文名称：通过使用MIMO技术，达到更高吞吐量（的技术标准）。

802.11n是可工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段的，物理层和MAC层的WLAN信息收/发的技术标准。它在802.11g和802.11a的OFDM的技术基础上，在2.4 GHz和5 GHz 两个频段的物理层均引入多天线的多进多出（MIMO）技术，并将OFDM和MIMO技术相结合，同时在MAC层引入帧聚合技术，使得整体的数据速率提高到600 Mbit/s。而且，在它的物理帧头设计中，依然保持了对802.11b、802.11a、802.11g的向下兼容，使到这3种不同的站点都可以同时在同一个802.11n的网络中相互通信。

8．IEEE 802.11ac

全称：Enhancements forVery HighThroughput for Operation in Bands below 6 GHz。

中文名称：工作在低于6 GHz频段，提供非常高吞吐量增强处理（的技术标准）。

802.11ac是工作在5 GHz频段的、物理层和MAC 层的WLAN 信息收/发的技术标准。802.11ac 在802.11n 的MIMO+OFDM 的技术基础上，将带宽从20 MHz/40 MHz 提高到 80 MHz/160 MHz，并采用比 802.11n 更强的 OFDM 技术（子载波数可达234个）、更高阶的调制编码（256QAM）、更多的空间流技术（最多可同时支持8个空间流）以及更强的MAC帧聚合技术，使整体的数据速率大幅提高，最高可达 3.47 Gbit/s。

2013年12月，802.11ac-2013版本在802.11ac D6版草案的基础上推出，其MAC层的整体速率达到7 Gbit/s。由于还没有通过Wi-Fi 认证测试，可能会存在不稳定的现象，因此802.11ac尚未作为公开标准正式发布，但显然，802.11ac是目前WLAN发展最快的物理层和MAC层接入技术。

9．IEEE 802.11ad

全称：Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band。

中文名称：工作在 60 GHz 频段的，提供非常高吞吐量增强处理（的技术标准）。

802.11ad是工作在60 GHz频段的，物理层和MAC层的WLAN 信息收/发的技术标准。它具备以下技术特点。

① 支持高达2.16 GHz的信道带宽，物理层传输速率接近7 Gbit/s；

② 同时采用单载波和OFDM技术；

③ 采用高增益、低复杂度和低处理时延的低密度奇偶校验码；

④ 采用旋转调制、差分调制、扩展QPSK等改进的调制技术；

⑤ 采用波束赋形技术对抗60 GHz频段的高路径损耗；

⑥ 采用增强的安全协议和功率管理技术；

⑦ 支持在2.4 GHz、5 GHz和60 GHz频带之间的快速会话转移；

⑧ 支持与其他60 GHz系统（如IEEE802.15.3c）的共存。

由于其上述特点，IEEE 802.11ad目前在业界被认为是下一代的WLAN的接入标准。

1.2.2 网络组网

网络组网方面有以下两项标准：

• IEEE 802.11s；

• IEEE 802.11u。

它们的功能和作用概述如下。

1．IEEE 802.11s

全称：ESS Mesh Networking。

中文名称：在扩展服务集架构下的全连通网络的组网（的技术标准）。

802.11s 是用于 802.11 WLAN 进行 Mesh 组网的 MAC 协议的技术标准，它通过提供一个树状预置路由协议和一个收敛的 ad Hoc 按需路由协议，以及相应的空时编码的路径耗费算法，解决了WLAN的各个节点在无AP（无中心）的情况下，采用Mesh结构组网时不同网络节点之间的相互访问问题。它包括了MAC协议和路由协议两大部分。

（1）MAC协议部分

MAC协议由以下部分组成：

• Mesh节点的探索与发现；

• Mesh节点的配对管理；

• Mesh节点的安全机制；

• Mesh节点的信标与同步；

• Mesh节点的信道访问协调机制；

• Mesh节点的功率控制；

• Mesh节点不同信道的切换；

• 多地址的MAC帧格式；

• Mesh网络的网关设计；

• Mesh网络的内部拥塞控制。

（2）路由协议部分

路由协议由以下部分组成：

• 按需路由协议；

• 树状预置路由协议。

2．IEEE 802.11u

全称：Interworking with non-802 networks (for example，cellular)。

中文名称：和非802.11网络（如蜂窝网）互操作（的技术标准）。

IEEE 802.11u是规定了802.11 WLAN与其他不同网络间互操作的技术标准，通过802.11u协议，WLAN设备就可以自动连接到接入点而无需用户介入。

802.11u 协议中的一个重要部分是使用接入网络查询协议 (Access Network Query Protocol，ANQP)。在认证之前，移动终端向带有802.11u 功能的AP 发送一个ANQP查询，AP通过广告服务器（Advertisement Server）提供热点的域名和SSID等相关信息。接下来，移动终端检查自己的证书并确认可以连接的漫游服务商列表，移动终端比较自己的列表和从 AP 处获得的漫游列表，这样就可以确定选择哪一个SSID成功地进行身份识别，从而解决了自动选择网络的问题。

1.2.3 信息安全

信息安全标准有以下部分：

（1）IEEE 802.11i；

（2）IEEE 802.11w。

它们的功能和作用概述如下。

1．IEEE 802.11i

全称：Enhanced security。

中文名称：安全强化（技术标准）。

802.11i是802.11 WLAN的安全信息标准。它在MAC层，通过引入临时密钥管理协议（Temporal Key Integrity Protocol，TKIP），将WLAN 信息加密的密钥从WEP使用的固定密钥改为动态密钥，使密钥的强度得到很大的提高。

同时，它还具有以可扩展认证协议(Extensible Authentication Protocol，EAP)为核心的用户审核机制，可以通过服务器审核接入用户的ID，在一定程度上可避免黑客非法接入。

另外，它还规定了一个基于高级加密标准（AES）加密算法的 CCMP（CounterMode/CBC-MACProtocol）标准，这种加密标准支持128、192以及256位的密钥，使得用户的网络安全性得到很大的加强。802.11i是未来WLAN的主要安全标准。

2．IEEE 802.11w

全称：Protected Management Frames。

中文名称：保护管理帧（的技术标准）。

802.11w是一种通过信息安全技术对802.11 WLAN网络中的管理帧提供保护的技术标准，它提供3种类型的保护。

第一种用于单播管理帧，即一个接入点和一个客户端之间的帧。未受保护的单播管理帧可以成为攻击者的有力武器。攻击者则可以利用它来发现网络的布局，找出设备的地点，并且对网络发动更加成功的攻击。802.11w解决这一问题的方法是，使用现有的临时密钥完整性协议（Temporal Key Integrity Protocol）或基于高级加密标准的算法，将现有的数据加密算法扩展到单播管理帧中。

第二种用于一般广播管理帧。802.11w 建议只对此类帧提供防伪造保护，而不提供保密性保护。这种最简单的方式依靠的是一条信息完整性代码，附加在无加密的管理帧上。接入点可以与每一个安全的关联客户端共享一个密钥，包括窃听者在内的所有设备都可以看到这些信息。

第三种用于解除验证和解除关联帧。通过在接入点和客户端上使用一对相互关联的密钥，客户端可以确定解除验证是否有效。

1.2.4 应用优化

应用优化标准有以下部分：

• IEEE 802.11e；

• IEEE 802.11h；

• IEEE 802.11r。

1．IEEE 802.11e

全称：Enhancements：QoS。

中文名称：强化QoS的技术标准。

802.11e是为WLAN的MAC层提供QoS服务的技术标准，它支持语音、视频等多媒体业务在无线局域网中的应用。

它扩展了802.11的MAC层原有的DCF（分布式协调技术）和PCF（点对点协调技术）信道接入机制，形成了EDCA（enhanced distributed channel access，增强的分布式信道接入）和HCCA［HCF controlled channel access，HCF（hybrid coordination functions，混合协调功能）控制的信道接入］规范。前者通过区分不同优先级的 AC接入信道的能力，保障了空口资源依据数据流优先级分配从而增强了DCF机制，并在一定程度上保障了高优先业务的带宽。后者增强了PCF机制，通过QAP（quality of service access point：接入点的服务质量）的集中控制，以轮询方式为QSTA（quality of service station：终端服务质量）分配空口资源，提供改善的访问带宽，并且减少了高优先级业务的延迟。

2．IEEE 802.11h

全称：Spectrum Managed 802.11a (5 GHz) for European compatibility。

中文名称：兼容欧洲的802.11a的频谱管理（技术标准）。

802.11h是为了与欧洲的HiperLAN2相协调而制定的WLAN技术标准，目的在于通过此项技术，减少同处于5 GHz频段的雷达、基站以及其他通信设备对WLAN的干扰。

802.11h通过两种技术来达到上述目的。

一种是动态频率选择（DFS），即接入点不停地扫描5 GHz频段上的雷达、接入点和相关的基站，随时改变自身信道的频率，最大限度地减少干扰，均匀分配WLAN流量；另一种技术是传输功率控制（TPC），通过对场强的测量控制相应的功率输出，这项技术使总的传输功率可以最多减少3 dB。

3．IEEE 802.11r

全称：Fast roaming Working。

中文名称：快速漫游工作的技术标准。

802.11r是用于802.11 WLAN 的移动性管理的技术标准，它在MAC 层提供了网络节点在不同的802.11网络之间进行切换时，进行数据恢复等移动性管理的技术标准和规范。

（1）概述

802.11r 规定了用户终端在同一扩展服务集（Extend Service，ESS）内各个 AP之间进行切换的通信流程（包括验证密钥），实现了基于无线数据和无线语音的快速漫游协议。至于用户终端在不同ESS下的AP之间的切换，则不在802.11r的规定范围之内。

802.11r技术适用于IEEE 802.11i的RSN 和IEEE 802.11e网络，也适用于不支持802.11i的RSN 和IEEE 802.11e网络。

当用户终端发生切换时，应与当前AP断开连接，与新AP建立新的连接，这个过程引起了短暂的连接消失，因此可能导致丢包和上层协议的重传，最终导致切换时延变长。切换时延包括实现 802.11i 中规定的认证时延、密钥交换时延以及重关联时延等。

802.11r 通过新的认证协议、新的密钥管理协议、更快的 PTK算法以及在重关联或者关联之前的资源的预留，尽量让验证和切换的时间压缩到最小限度。

（2）切换的阶段划分

802.11r协议将切换划分为以下3个阶段：

• 目标发现；

• 资源确认和配置；

• 快速切换。

在上述3个阶段中，目标发现是指在用户终端发生切换之前，通过扫描其他的无线信道，发现候选切换的 AP，并筛选出切换的目标 AP 的过程。如果用户终端当前连接支持的业务需要某些的资源，那么切换的目标AP也应该能够具备相应的资源，以支持此业务的切换。

（3）切换的方式

802.11r定义了两种切换方式实现快速切换。

① 基本方式（Basic Mechanism）。

即在重关联阶段才进行资源的分配和其他所需信息的交互。这种方式适用于AP工作在轻负载状态、终端，并且通过Beacon/Probe响应消息获得目标AP的资源状况的场合。在支持IEEE 802.11 的QoS 网络中，AP 通过Beacon/Probe 响应消息中的信息元素（QBSSIE）向终端进行能力通告，其QBSSIE通告信息包括：已经关联的STA数、BSS信道使用情况、允许的接入能力。

② 预先保留资源方式（Pre-ReservationMechanism）。

指在重新关联阶段之前预先进行资源确认和分配。这种机制适用于采用 DS架构网络，且AP变化缓慢或者希望通过明确的AP资源保留来确保业务QoS的场合。

1.2.5 网络测试与管理

网络测试和管理标准有以下部分：

• IEEE 802.11k；

• IEEE 802.11T;

• IEEE 802.11v。

它们的功能和作用概述如下。

1．IEEE 802.11k

全称：Radio resource measurement enhancements。

中文名称：无线资源测量改进（的技术标准）。

802.11k为WLAN提供了进行信道选择、漫游服务和传输功率控制的技术标准。它通过对无线资源管理，让频段、通道、载波等无线资源更灵活动态地调整、调度，使有限的频段在整体运用效益上获得提升。

2．IEEE 802.11T

全称：Wireless Performance Prediction。

中文名称：无线性能预测（的技术标准）。

802.11T是一个WLAN的测试规范技术标准，目前它还在不断地修改完善当中，所以准确地说还是一个没有完全固化的标准，因此以大写字母表示。802.11T 定义了各种应用下的测试标准。主要包括数据、延迟敏感性和流媒体3方面的内容。

① 数据测试。

数据测试包括Web下载、文件传输、文件共享、电子邮件和其他内容。标准规定面向数据的流量通常使用低优先级传送。对于数据应用比较重要的性能测试衡量应包括吞吐速率与传输距离、接入点容量和每个接入点吞吐速率。

② 延迟敏感性测试。

延迟敏感性测试主要针对通过Wi-Fi传输的VoI P应用。标准规定测试这些应用的QoS要求包括：语音质量（延迟、抖动和包丢失）与传输距离、语音质量与网络负载、语音质量与呼叫负载等。

③ 流媒体测试。

流媒体测试包括实时音频/视频流、存储的内容流和组播高清晰度电视流的应用。

802.11T还规定了诸如吞吐量与路径损失、快速基本服务集（BSS）过渡、接收器敏感度，以及接入点容量和相关性能等衡量标准。

3．IEEE 802.11v

全称：Wireless network management。

中文名称：无线网络管理（的技术标准）。

802.11v是一个正在发展当中的WLAN网络管理的技术标准，它为WLAN提供简化网络部署和治理的重要和高效率机制。这项标准规定了在无线基础设施上的要害参数，如确定连接哪个网络接入点等。它对802.11的无线终端设备控制、网络选择、网络优化和统计数据获取与监测都提供了相应的建议。

其中，在负载平衡方面，802.11v建议通过将终端设备引导到具有可用带宽和资源的接入点，使负载平衡变得对用户透明。

在网络部署方面，802.11v建议实现从基础设施进行安全终端配置的功能，这将大大减少大型网络中的部署时间。

同时，802.11v还定义了几种用于控制和提供终端上的各种属性（如操作数据速率和功率治理方案）的 SNMP 式管理信息库（MIB），规范了以无线方式从网络基础设施控制MIB的功能，在此基础上还将提供控制终端上的MIB的机制，从而简化终端配置。