无线局域网技术及应用

无线局域网技术及应用内容摘要：

特点 无线局域网概述 无线局域网是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络 (Wireless Local Area Network，简称 WLAN)，是在有线网的基础上发展起来的，它使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连通问题。 无线局域网要求以无线方式相联的计算机之间资源共享，具有现有网络操作系统（ NOS）所支持的各种服务功能。 计算机无线联网常见的形式是把远程计算机以无线方式 联入一个计算机网络中，作为网络中的一个节点，使之具有网上工作站所具有的同样功能，从而获得网络上的所有服务；或把数个有线或无线局域网联成一个区域网；当然，也可用全无线方式构成一个局域网或在一个局域网中混合使用有线与无线方式。 此时，以无线方式入网的计算机将具有可移动性，可在一定的区域移动并随时与网络保持联系。 无线局域网利用电磁波在空气中发送和接受数据 ， 而无需线缆介质。 无线局域网的数据传输速率现在已经能够达 108Mbps， 传输距离可远至 20km以上。 它是对有线联网方式的一种补充和扩展 ， 使网上的计算机具有可 移动性 ， 快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络联通问题。 下面从传输方式、网络拓扑、网络接口及对移动计算的支持等方面来简述 无线局域网的特点。 传输方式 传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。 目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种 ： 即微波与红外线。 采用微波作为传输媒体的无线局域网按调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。 (1)微 波 8 扩展频谱方式 :在扩展频谱方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍～几十倍再被搬移至射频发射出去。 这一做法虽 然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。 由于单位频带内的功率降低，对其它电子设备的干扰也减小了。 采用扩展频谱方式的无线局域网一般选择所谓的 ISM 频段 （ 这里 ISM 分别取自 Industrial、 Scientific 及 Medical的第一个字母 ）。 许多工业、科研和医疗设备辐射的能量集中于该频段。 欧美日等国家的无线管理机构分别设置了各自的 ISM频段。 例如美国的 ISM频段由 902～ 928MHz， ～ ， ～ 三个频段组成。 如果发射功率及带外辐射满足美国联邦通 信委员会（ FCC）的要求，则无需向 FCC 提出专门的申请即可使用这些 ISM 频段。 窄带调制方式 :在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去。 与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。 采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用。 当然，也可选用 ISM 频段，这样可免去向无线电管理委员会申请。 但带来的问题是，当邻近的仪器设备或通信设备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。 (2) 红外线 基于红外 线的传输技术最近几年有了很大发展。 目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的红外线传输技术。 作为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线管理委员会的限制。 然而，红外线对非透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限制。 网络拓扑 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或叫对等式（ PEER TO PEER）拓扑和有中心（ HUB－ BASED）拓扑。 (1)无中心拓扑 无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。 采用这种拓扑结构的网络一般 使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（ MAC）协议大多采用 CSMA（载波监测多址接入）类型的多址接入协议。 这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。 但当网中用户数（站 9 点数）过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。 并且为了满足任意两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。 因此这种拓扑结构适用于用户数相对较少的工作群规模。 (2)有中心拓扑 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。 这样，当网络业务量增大时 ， 网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不 剧 烈。 由于每个站点只需在中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故网络中心点布局受环境限制亦小。 此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。 有中心网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。 在实际应用中，无线局域网往往与有线主干网络结合起来使用。 这时，中心站点充当无线局域网与有线主干网的转接器。 网络接口 这涉及无线局域网中站点从哪一层接入网络系统。 一般来讲，网络接口可以选择在 OSI 参考模型的物理层或数据链路层。 所谓物理层 接口指使用无线信道替代通常的有线信道，而物理层以上各层不变。 这样做的最大优点是上层的网络操作系统及相应的驱动程序可不做任何修改。 这种接口方式在使用时一般作 为有线局域网的集线器和无线转发器以实现有线局域网间互联或扩大有线局域网的覆盖范围。 另一种接口方法是从数据链路层接入网络。 这种接口方法并不沿用有线局域网的 MAC 协议，而采用更适合无线传输环境的 MAC 协议。 MAC 层及其以下层对上层是透明的，配置相应的驱动程序来完成与上层的接口，这样可保证现有的有线局域网操作系统或应用软件可在无线局域网上正常运行。 目前，大部分 无线局域网厂商都采用数据链路层接口方法。 对移动计算网络的支持 对移动计算网络的支持在无线局域网发展的初期阶段，无线局域网的最大特征是用无线媒体替代线缆，这样可省去布线，网络安装简便。 随着笔记本型、膝上型、掌上型电脑个人数字助手（ PDA）、以及便携式终端等的普及应用，支持移动计算网络的无线局域网就显得尤为重要。 10 从移动通信的观点来讲，移动计算网络应提供以下几个功能 ： 小区内的站点可移动，同一小区内的站点可直接或经 AP 间接通信。 不同小区内站点可经过网络接入点 AP 及主干网进行通信。 当某一站点由一个小 区移动至另一个小区时，通过越区切换协议或算法，该站点被切换至新的小区。 在新的小区中该站点仍和在以前小区时一样保持与外界的连接。 小区中的站点可通过主干网上的路由器访问公共网或被公共网访问 [46]。 无线局域网的应用环境 根据无线局域网的特点，其应用可分为两类：一类作为半移动网络应用，一类作为全移动网络应用。 （ 1） 半移动应用 ： 在半移动应用环境下，又可分为室内应用和室外应用。 室内应用 ： 无线局域网作为有线局域网的补充，与有线局域网并存。 由于无线局域网的价格比有线局域网高，故在室内环境下，无线局域网 在以下应用情况可发挥其无线特长：大型办公室、车间； 超级市场、智能仓库； 临时办公室、会议室； 证券市场等。 室外应用 ： 在难于布线的室外环境下，无线局域网可充分发挥其高速率、组网灵活之优点。 尤其在公共通信网不发达的状态下，无线局域网可作为区域网（覆盖范围几十公里）使用。 下面列出几种应用情况：城市建筑群间通信 ；学校校园网络； 工矿企业厂区自动化控制与管理网络；银行、金融证券城区网络；城市交通信息网络；矿山、水利、油田等区域网络；港口、码头、江河湖坝区网络；野外勘测、实验等流动网络；军事、公安流动网络等。 （ 2） 全移动网络应用 无线局域网与有线主干网构成移动计算网络。 这种网络传输速率高、覆盖面大，是一种可传输多媒体信息的个人通信网络。 这是无线局域网的发展方向[7]。 3 无线局域网技术安全发展 无线局域网安全发展概况 无线局域网 公布之后，迅速成为事实标准。 遗憾的是，从它的诞生开始，其安全协议 WEP 就受到人们的质疑。 美国加州大学伯克利分校的Borisov， Goldberg和 Wagner最早发表论文指出了 WEP协议中存在的设计失误， 11 接下来信息安全研究人员发表了大量论文详细讨论了 WEP 协议中的 安全缺陷，并与工程技术人员协作，在实验中破译了经 WEP 协议加密的无线传输数据。 现在，能够截获无线传输数据的硬件设备己经能够在市场上买到，能够对所截获数据进行解密的黑客软件也已经能够在因特网上下载。 WEP 不安全己经成一个广为人知的事情，人们期待 WEP 在安全性方面有质的变化，新的增强的无线局域网安全标准应运而生。 我国从 2020 年开始着手制定无线局域网安全标准，经过西安电子科技大学、西安邮电学院、西电捷通无线网络通信有限公司等院校和企业的联合攻关，历时两年多制定了无线认证和保密基础设施 WAPI，并成为国家标准，于 2020年 12 月执行。 WAPI 使用公钥技术，在可信第三方存在的条件下，由其验证移动终端和接入点是否持有合法的证书，以期完成双向认证、接入控制、会话密钥生成等目标，达到安全通信的目的。 WAPI 在基本结构上由移动终端、接入点和认证服务单元三部分组成，类似于 工作组制定的安全草案中的基本认证结构。 同时我国的密码算法一般是不公开的， WAPI 标准虽然是公开发布的，然而对其安全性的讨论在学术界和工程界目前还没有展开。 增强的安全草案也是历经两年多时间定下了基本的安全框架。 其间每个月至少召开 一次会议，会议的文档可以从互联网上下载，从中可以看到一些有趣的现象，例如AESOCB算法，开始工作组决定使用该算法作为无线局域网未来的安全算法，一年后提议另外一种算法 CCMP 作为候选， AESOSB 作为缺省，半年后又提议 CCMP 作为缺省， AESOCB作为候选，又过了几个月，干脆把 AESOCB算法完全删除，只使用 CCMP 算法作为缺省的未来无线局域网的算法。 从这样的发展过程中，我们能够更加清楚地认识到无线局域网安全标准的方方面面，有利于无线局域网安全的研究 [8]。 无线局域网的安全必要性 WLAN 在为用户带来巨大便利的同时，也存在着许多安全上的问题。 由于WLAN 通过无线电波在空中传输数据，不能采用类似有线网络那样的通过保护通信线路的方式来保护通信安全，所以在数据发射机覆盖区域内的几乎任何一个 WLAN 用户都能接触到这些数据，要将 WLAN 发射的数据仅仅传送给一名目标接收者是不可能的。 而防火墙对通过无线电波进行的网络通讯起不了作用， 12 任何人在视距范围之内都可以截获和插入数据。 因此，虽然无线网络和 WLAN的应用扩展了网络用户的自由，它安装时间短，增加用户或更改网络结构时灵活、经济，可提供无线覆盖范围内的全 功能漫游服务。 然而，这种自由也同时带来了新的挑战，这些挑战其中就包括安全性。 WLAN 必须考虑的安全要素有三个：信息保密、身份验证和访问控制。 如果这三个要素都没有问题了，就不仅能保护传输中的信息免受危害，还能保护网络和移动设备免受危害。 难就难在如何使用一个简单易用的解决方案，同时获得这三个安全要素。 国外一些最新的技术研究报告指出，针对目前应用最广泛的 标准的攻击和窃听事件正越来越频繁，故对 WLAN 安全性研究，特别是广泛使用的 的安全性研究，发现其可能存在的安全 缺陷，研究相应的改进措施，提出新的改进方案，对 WLAN 技术的使用、研究和发展都有着深远的影响。 同有线网络相比，无线局域网无线传输的天然特性使得其物理安全脆弱得多，所以首先要加强这一方面的安全性。 无线局域网中的设备在实际通信时是逐跳的方式，要么是用户设备发数据给接入设备，再由接入设备转发，要么是两台用户设备直接通信，每一种通信方式都可以用链路层加密的方法来实现至少与有线连接同等的安全性。 无线信号可能被侦听，但是，如果把无线信号承载的数据变成密文，并且，如果加密强度够高的话，侦听者获得有用数据的可能 性很小。 另外，无线信号可能被修改或者伪造，但是，如果对无线信号承载的数据增加一部分由该数据和用户掌握的某种秘密生成的冗余数据，以使得接收方可以检测到数据是否被更改，那么，。