８０２．１１

一．802.11簡介：

Internet目前已在國內普級起來了但今天全世界最關心的是無線網路的時代已來臨。自1996年初IEEE將無線網路的協定802.11正式定案後，以往以有線區域網路的型態將大大轉變，這不僅造成使用者之便利，更將使得硬體製造商，系統整合公司，及電腦業者都將在通訊產品之競爭下而成長。此無線區域網路之標準（802.11）是由美國電子電機學會(IEEE)之無線區域網路標準工作小組（Wireless　Local-Area　Networks　Standards　Working　Group）所定案。而其起源於1990年IEEE將提審之11個提案經審議後，由於其中幾家大廠之互相合併其系統觀點，最後由AT&T　Golbal　Information　Solutions/NCR　Microelectronic　Products　Division's　Wireless　Communications　and　Networking　Division　，Symbol　Technology　and　Xircom等廠商之架構製訂為無線網域之發展標準，也由於統一無線產業之標準802.11已提出未來無線網路之市場及商機將是無可預期的。而802.11則類似802系列，主要的目的是要制訂一套適合在無線網路環境下作業的通訊協定，最重要的工作，就是要制訂出MAC層（Media access control sublayer）和實體層（Physical）。因此IEEE 802.11的參考模式主要分成三個部份；第一部份定義適用於所有無線網路系統的MAC規格；第二部份制訂和傳輸媒介相關的PHY規格；第三部份則是說明power saving functionality的部份。 為了要達到無線網路的透明化，無線區域網路希望做到在邏輯鍵結層（LLC）就能和別的網路相通，這使得無線區域網路必須將處理移動性收發站及保持資料傳輸可靠性的能力全部做在MAC層中，這和傳統有線網路在MAC所需具有的功能是不同的。此外，針對三種不同的ISM頻帶，也都有不同的PHY規格。其較大之不同點在於由於無線之傳輸媒介不同，IEEE在統一之介質存取控制（MAC）層下定義各種不同之實體層以利未來發展。

二．IEEE 802.11無線網路的主要特性與功能需求：

三．IEEE 802.11無線區域網路標準：

IEEE 802.11是定義在以空氣為介質的無線區域網路標準，802.11標準定義MAC Layer Protocol -CSMA/CA with Acknowledgement PHYs Layer - DSSS, FHSS, IR，其中DSSS是Direct Sequence Spread Spectrum展頻技術直接序列，FHSS是Frequency Hopping Spread Spectrum展頻技術頻率跳躍，IR是Infrared紅外線等三種傳輸介質。

802.11是以乙太網路（Ethernet）為基礎，使用空氣中2.4GHz免執照頻段（ISM Band）的協定，定義介質存取層和實體層的功能規模；其中，實體層要求DSSS產品的資料傳輸率定為2Mbps（可自動切換為 1Mbps），而FHSS產品的資料傳輸率為1Mbps（2Mbps的技術為可選用），IR產品在短距離應用時，定為2Mbps的傳輸速率。

I．CSMA/CA with Acknowledgement

802.11採用的協定是CSMA/CA （Carry Sensing Multiple Access / Collision Avoidance），當空氣中有資料傳輸時即可偵測到RF的最小訊號，工作站因此等待一段時間，再去確認空氣中是否空閒，如果空閒才可以傳送自己的資料出去；但是在空氣中偵測資料是否碰撞（忙碌中）比在UTP中更難，所以在CSMA的架構下採用Collision Avoidance避免碰撞方法，即是工作站不在空氣空閒時立即傳送資料，而是自動延後一段時間，經第二次確認空氣空閒時才立即傳輸資料。

在無線區域網路裡，使用RF來傳送時容易在接收端遺失封包，而且遺失機率比UTP還高，因此在CSMA/CA加入Acknowledge確認功能，也就是接收端（Receiver）收到資料後會自動送出一個Acknowledge訊號給傳送端（Sender），告訴傳送端“我已收到資料了”。若傳送端沒有收到這Acknowledge，則傳送端會重複傳送。

II．RTS/CTS Mechanism 在無線通訊領域內一個眾所皆知的問題是“Hidden node problem”（隱藏點問題），假設我是B工作站，A和B在我左右，但距離關係使AB彼此聽不到對方，但我可以聽到他們。當A傳資料給我時，有可能C也傳給我（因AC都不知對方存在），導致C和B都沒有辦法知道A，因此802.11制定“Request To Send / Clear To Send（RTS/CTS）“來解決這問題。A對B說“我將送資料給你，要花5分鐘”B說“大家安靜等我5分鐘”C聽到後，就等5分鐘；等5分鐘後，C就知道現在空氣空閒。有了RTS/CTS功能，系統更穩定性能更佳。III．Wireless Distribution System WDS系統即是讓用戶架構一個完全無線的網路。以前的無線區域網路橋接器（Access Point）除了要插上電源外，還要佔用一個LAN port；WDS功能即要求Access Point免插LAN port，透過RF的方式直接和另一個有插LAN port的 Access　Point溝通。IV．Automatic Rate Selection 藉由Automatic Rate selection的功能，使得Coverage area（覆蓋區域）與Performance（性能）得到最佳利益。用戶可以在廣大的範圍以低速收發資料（1Mbps），當用戶需要高速傳輸時（2Mbps），可以靠近Access Point來提升Throughput。這種速率切換過程是自動的，不需用戶去設定參數，完全由設備依據覆蓋範圍與訊號品質來決定。V．Multi Channel Roaming 除了DSSS支援一個頻率傳2Mbps外，它也可以在同一個區域使用3個頻率，這是使用802.11的2.4GHz頻段才有的功能；因此在用戶可以在複合頻率（Multiple Channels）內漫遊（Roaming），而且可以使用3x 2Mbps=6Mbps的頻寬。VI．Message Fragmentation 在一個環境中，可能發生資料內一個或數個bits受外界干擾而損壞，這將導致全部資料必須重送，而花費更多時間。為避免發生這種狀況，最好的方法是將資料切成數個小資料塊來傳送，使得傳送速度快又不受干擾，即使有干擾產生，也只要再傳送這個小資料塊就好。有這個Message Fragmentation資料重組功能後，將使得無線區域網路系統可適用於高干擾環境。VII．Power Management 使用一個移動性系統時（Mobile system），電池壽命是一個很重要的考慮因素，所以IEEE 802.11委員會制定Power　Management電源管理功能，當系統沒有任何資料傳送時，立即進入Sleep Mode 睡眠模式以節省電源（低於350Ma），讓用戶有更多的操作時間。VIII．Wired Equivalent Privacy 為了提供資料保密功能，IEEE 802.11標準要求在MAC層內有資料加密機制，要讓無線網路的安全性同等於有線網路一般。這種加密機制稱為Wired Equivalent Privacy（WEP），是一種以RC4作為加密演繹法則，目前使用RC4技術的公司有Microsoft、Netscape和Oracle等。由於這項技術嚴密，802.11委員會選用它作40 bits的加密，再加上原本DSSS使用軍方的展頻技術，讓整個系統安全性更高。802.11標準的目的： 802.11歷經7年才制定完成，帶給用戶什麼益處？第一是確保使用技術的成熟穩定性，802.11委員會來自40個廠商組織，廣結所有技術資源，最後才投票決定，所以這些規範都是最好的。第二是解決相容性問題，因為802.11選用DSSS、FHSS和IR技術，這3種技術只能同類相通，也就是說DSSS和DSSS產品相通，FHSS 和FHSS產品相通，IR和IR相通，然而DSSS和FHSS產品卻不相通。第三是促使價格降低。其他額外功能： 除了802.11所要求的功能外，有的廠商還提供更強大的性能。
　

特色

　

 　

性能

　

新型DSP 數位訊號處理晶片

　

 　

使覆蓋範圍加倍達400公尺

　

單片式 PCMCIA 設計

　

 　

使PCMCIA體積更薄更輕

　

無線網管軟體有Y2K solution

　

 　

避免 Y2K 問題發生

　

DS/PPM 10Mbps 技術

　

 　

貝爾實驗室專利技術提升至10Mbps

　

電信總局與商檢局認證

　

 　

確保使用的合法性

　

Access Point 模組式設計

　

 　

可升級至未來 10Mbps

　

四．IEEE 802.無線區域網路架構（Architecture）

I．有基礎架構的無線區域網路（Infrastructure Wireless LAN）：

在一個現存的有線網路分散式系統（wired distribution system），會存在一種特別的節點，稱作擷取點（access points），這個擷取點的功能就是要將一個或多個的無線區域網路和現存的有線網路分散系統相連節，以提供某個無線區域網路中的收發站，能和較遠距離的另一個無線區域網路的收發站通訊，另一方面促使無線區域網路中的收發站，能擷取有線分散式系統中的網路資源。這一類型的無線區域網路通訊範圍，通常是以同一棟建築物出現，例如：商店、醫院、或是同一棟樓層。II．無基礎架構的無線區域網路（Ad Hoc Wireless LAN）：
主要是提供不限量的用戶，能及時架設起無線通信網路。在這種架構中，通常任兩個用戶都可直接通訊，這一類的無線網路架構在會議室裡經常用的上。
IEEE 802.11所制訂的架構允許Infrastructure Wireless LAN及Ad Hoc Wireless LAN使用同一套基本擷取協定。不過，應用上還是以Infrastructure Wireless LAN居多。而硬體架構，主要由下列元件所組成： ．Wireless Medium（WM）：無線網路實體層所使用到的傳輸媒介

．Station（STA）：收發站。

．Station Services（SS）：提供收發站送收資料的服務。

．Basic Service Area（BSA）：在有基礎架構的無線區域網路中，每一個幾何上的建構區塊（building block），就稱為一個Basic　Service Area。．Basic Service Set（BSS）：基本服務區中所有收發站的集合。

．Distribute System（DS）：分散式系統。

．Access Point（AP）：擷取點，連結BSS和DS的設備，不但具有收發站的功能，還提供收發站具有擷取分散式系統的能力，通常在一個BSA內會有一個擷取點。
 

．Extended Service Area（ESA）：數個BSAs經由DS連結在一起，所形成的區域，就叫Extended Service Area。

．Extended Service Set（ESS）：數個經由DS所連接的BSS中的每一個基本收發站集，形成一個ESS。

．Distribution System Services（DSS）：DS所提供的服務，使得資料能在不同的BSSs間傳送。

五．參考模型（Reference Model）：

其參考模型分成兩群組，一是與傳輸媒介無關之MAC協定，另一為與傳輸媒介有關之實體層（PHY）。

I．存取控制（Access Control）：

另一重要之協定性質為DFWMAC為DCF（Distributed　Coordination Function）之功能其支援非同步傳輸模式並在競爭之模式下以CSMA/CA（Carrier Sense multiple Access/Collision Avoidance）對不同之媒介作存取。II．功率控制（Power Management）： DFWMAC有效管理電池能量以大部份時間於Sleep mode而欲傳輸時才full power並於基礎架構之網路（infrastructure-basedNetwork）及特別之架構（ad hoc network）下皆可用。III．時間限制服務（Time Bounded Service）： 由PCF之IFG（Interframe Gap）之值比DCF之IFG之值大因DCF想傳送時確定能得到頻寬。六．IEEE 802.無線區域軟體架構：

這要可分為收發站軟體和分散式系統軟體。標準中描述了這個分散式系統應該提供哪些服務才能滿足整個系統所需。因此，無線網路的軟體架構可看程式下列兩大類的服務所組成：

I．收發服務站（Station Services，簡稱SS），由收發站所提供此類服務提供收發站具有正確送收資料的能力，另外也考慮傳送資料的安全性。包含下列兩種服務：

．身分確認服務（Authentication）：

確認每一個收發站的身份。IEEE 802.11支援“盤問／回應”（Challenge／Response，簡稱C／R）的身份確認方法。一般C／R身份確認的方法主要有下列三個步驟：

1．聲明身份（Assertion of identity）

2．盤問聲明（Challenge of Assertion）

3．回應盤問（Response to Challenge）

IEEE 802.11通常要求雙向式的身份確認。在任一瞬間，一個收發站能同時和多個收發站（包含擷取點）作身份確認的動作。．隱密性服務（Privacy）： 避免傳送資料的內容被竊聽。無線網路和有線網路不太相同的地方，其中一點就是在於無線網路的資料是在空氣這種開放的介質中傳播，因此任何只要裝有IEEE 802.11 介面卡的收發站都能接收到別人的資料，所以資料的保密性若做的不好，資料就很容易被別人所竊聽。隱密性服務的主要功能就是提供一套“隱密式服務”的演算法（privacy algorithm）將資料作加密和解密。II．分散式系統服務（Distribution System Services，簡稱DSS），由分散式系統所提供。此類服務使MAC訊框能在同一個ESS中的不同BSS間傳送。無論收發站移動到哪裡，有都能收到它該收到的資料，這類服務大部分是由一個特別的收發站呼叫使用，此收發站本身也同時提供這些服務，因此也稱為擷取點（Access Point，簡稱AP）。擷取點是唯一同時提供SS和DSS的無線網路元件，它也是工作站與分散式系統間的橋樑。分散式系統提供下列五種服務：

．連結服務（Association）：

在收發站和擷取點之間建立一個通訊連線。當分散式系統要將資料送給收發站時，它必須事先知道這個收發站目前是透過哪個擷取點來擷取分散式系統，這些資訊就是由連結服務來提供。一個收發站在被允許藉由某個擷取點送資料給分散系統之前，它必須先和此擷取點作聯結，通常一個基本服務區內有一個擷取點，因此任何在這個基本服務區內的收發站想和外界作通訊，就必須先向此擷取點相聯結。此動作類似註冊，因為當收發站做完連結的動作後，擷取點就會濟助此收發站目前在它的管轄範圍之內。在一瞬間，任一個收發站只會和一個擷取點作聯結，這樣才能使得分散式系統能在任一時候知道哪一個收發站是由哪一個擷取點所管轄。然而，一個擷取點卻可以同時和多個收發站作聯結。．取消連結服務（Disassociation）： 當一個收發站傳送資料結束時，可以啟動“取消聯結服務”。另外，當一個收發站從一個基本服務區移動到另一個基本服務區時，它除了會對新的擷取點啟動“重聯結服務”外，有會對舊的擷取點啟動“取消聯結服務”。此服務可由收發站或擷取點來啟動，不論是哪一方啟動，另一方都不能拒絕。擷取點可能因為網路負荷的原因，而對收發站啟動此服務。．分送服務（Distribution）： 將分散式系統中的資料送到該送到的地方。IEEE 802.11並沒有規定分散式系統要如何將訊框正確的送達目的位置，但它說明了在“聯結”（Association），“取消聯結”（Disassociation），及“重聯結”（Reassociation）等服務中該提供那些資訊，使得分散式系統可以決定該筆資訊該送往哪個輸出擷取點，而將訊框送達正確的目的地位置。．整合服務（Integration） 使訊框能在分散式系統和現存的傳統區域網路間傳送。如果分送服務知道該筆訊框的目的地位置式一個現存的IEEE 802.x有線區域網路，則該筆訊框在分散式系統中的輸出點將是埠接器而不是擷取點。分送服務若發現該訊框是要被送到埠接器將會使得分散式系統在訊框送達埠接氣候接著驅動“整合服務”，而整合服務的任務就是將該筆訊框從分散系統轉送到相連的區域網路媒介。其中整合服務要做的主要工作就是將不同的位址空間作一個轉換。．重連結服務（Reassociation）： 將一個移動中收發站的聯結，從一個擷取點轉移到另一個擷取點。當收發站從一個基本服務區移動到另一個基本服務區時，它就會啟動一個“重鏈結的服務”，此服務會將收發站和它所移入的基本服務區內的擷取點作一個聯結，使得分散式系統將來能知道此收發站目前已由另一個擷取點所管轄了。

　

另外，IEEE 802.11對收發站定義了三種程度的“移動性”： ．無變動：

此程度的移動性又可分為以下兩種型式：靜止（收發站根本就沒動）及區域性的移動（收發站只在一個基本服務區內移動）。

．基本服務區的變動：
收發站會從一個基本服務區移動到另一個基本服務區，但仍保持在同一個擴充服務區（ESA）內。

．擴充服務區的變動：
收發站會從某一個擴充服務區的基本服務區移動到另一個擴充服務區內的基本服務區。

七．MAC通訊協定

“協調式功能”（Coordination Function）是指一個用來決定什麼時候那個收發站能開始傳送資料的機制。IEEE 802.11提供兩種不同功能的擷取方法（Access Methods）。DCF（Distributed Coordination Function，分散協調式功能）是IEEE 802.11 MAC的基本擷取方法，它主要是利用一種叫做載波趕測多重擷取及衝撞避免（carrier-sense multiple access／collision avoidance，簡稱CSMA／CA）的技術來提供收發站送收非同步資料，這種方法可用在Ad Hoc 和 Infrastructure的無線區域網路架構中。PCF（Point Coordination Function，集中協調式功能）提供收發站送收具有時限性（TIME BOUNDED）的資料，在使用上屬於免競爭（contention free）方法，因此也不會發生訊框衝撞的情形，但只能用在某種infrastructure的無線區域網路中。

Ｉ．分散式協調功能（DCF）

利用CSMA／CA的技術，不同收發站間能共享同一傳輸媒介，並且解決不同收發站間可能發生的擷取衝突。CSMA／CA是利用所謂的載波感測技術，來判斷某一頻寬中的信號能量是否達到一個基準點，如果信號的強度在這基準點之下，就表示該頻寬未被佔用，因此收發站就可以使用該頻寬來送收資料。反之，若信號強度在基準點之上，則表示傳輸媒介目前是忙碌的，在這種情況之下，收發站必須延緩（defer）訊框傳送時間，值到發現傳輸媒介是空閒的，才能傳送訊框。IEEE 802.11將訊框分成三種不同的優先權等級，每種優先權等級的訊框在傳送之前都必須等待一段固定大小的時間，稱為“訊框間隔”（Inter-Frame Space，IFS）： ．SIFS（short IFS）：此為最短的訊框間隔，用來作立即的回應動作，下列訊框送出的等候時間都是SIFS等級：要求傳送訊框（RTS），允許傳送訊框（CTS），回覆訊框（ACK）等等。

．PIFS（PCF IFS）：中間長度的訊框間隔，為PCF傳送時限性資料的等待時間。

．DIFS（DCF IFS）：此為最長的訊框間隔，為DCF傳送非同步資料時的等待時間。

優先權等級越高的訊框其訊框間隔越短，因此其使用傳輸媒介的機會就越大。雖然CSMA／CA和CSMA／CD都是採用載波感測的原理來判斷是否有其他工作站正在使用傳輸媒介，兩者間還是以些不同。其主要差別在於當收發站發現傳輸媒介由忙碌變成空閒時，CSMA／CD會將訊框立刻傳送出去，然後監聽是否發生衝撞，若發生衝撞，則立刻停止傳送訊框並且等待一段隨機延遲時間後再從載波感測開始。CSMA／CA則是在發現傳輸媒介由忙碌變成空閒時，先產生一段隨機延遲時間，然後才傳送訊框。在無線網路系統中，除了衝撞不易偵測出來外，實體層再使用再波偵測技術時也容易誤判傳送媒介是否忙碌。IEEE 802.11解決前者的方法是在傳送端要傳送訊框前，先送出一個“要求傳送”控制訊框（RTS），而接收端再收到這個控制訊框十立刻回送另一種“允許傳送”控制訊框（CTS）。只有當傳送端正確的收到接收端所回覆的CTS時（表示傳送端所傳送的RTS沒有發生衝撞），傳送端才能送出訊框。而解決後者的方法是利用所謂的“虛擬載波偵測（Virtual Carrier Sense）”，並配合“網路配置向量（Net Allocation Vector，簡稱NAV）”的使用，此向量記載其他收發站還需要多就的時間來傳送訊框，而使收發站根據這些資訊能知道傳輸媒介現在是否忙碌。II．集中式協調功能（PCF）
此方法即是支援“免競爭”的服務，以傳送時效性的訊框。在DCF和PCF兩種不同擷取方式共存的無線網路架構中，傳輸媒介在傳送訊框的時間可以看成是由一個個的“超級訊框”（Superframe）所組成，每個超級訊框又被分成兩部份，第一部份是由PCF來傳送免競爭的訊框，第二部份則是由DCF傳送需競爭的訊框。由超級訊框的結構中可以知道PCF比DCF具有更高的優先權來傳送訊框。當PCF和DCF同時有訊框要送出時，PCF的訊框會先被送出去，而DCF要送的訊框則必須等到PCF的訊框送完了才能傳送。這是因為PIFS較DIFS小的關係。這也是PCF能提供傳送時限性訊框的道理。PCF的運作原理主要是架構在“輪詢（polling）”的方法上。當PCF要開始運作前，系統得先選擇某個收發站來當“集中式的協調者”（point coordinator，簡稱PC），通常這個腳色會由擷取點來扮演。接著“集中式的協調者”（PC）會根據事先登記好的一個“輪詢名單”（polling list），這名單記載的是一些想要送出訊框的收發站，然後根據名單中的次序，來准許收發站傳送訊框。在PCF的運作方式中，傳送的訊框可分成兩種，第一種是由收發站送到PC，稱為“CF-Up訊框”（contention-free up frame），另一種是由PC送到收發站，稱為“CF-Down訊框”（contention-free down frame），任何收發站要傳送訊框給另一個收發站時，它都會先將訊框以“CF-Up訊框”送給PC，然後再由PC用“CF-Down訊框”轉送給欲接收這筆資訊框的收發站。