802.XX和IoE

自从第一个802.11标准在1997年发布以来，它已经发展成为跨广泛设备和实现的大部分无线网络的事实上的协议。今天，协议家族包括802。B“802.11a”、“802.11g”、“802.11n”和“802.11ac”。其中一些将在物联网中发挥非常重要的作用。还有802个。Xx协议(如802.15)将在万物互联也一样。本系列文章将讨论这些规范的技术方面。

第一个讨论将讨论所有口味固有的通用MAC层。后续文章将讨论PHY层，原始规范的各种演变，以及使其成为今天的其他技术。

一般来说，IEEE 802.11标准定义了两个层的规范;物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)。图1是完整堆栈的图形。本文讨论MAC层。MAC层和PHY层都负责在标准2.4、3.6、5和60 GHz频段实现无线局域网(WLAN)通信。MAC层也处理安全问题。最初这是用于计算机网络，但随着IoE的发展，这将移植到许多生活在IoE上的设备。

简单的背景
IEEE LAN/MAN标准委员会(IEEE 802)是开发和维护这些标准的管理机构。

图1。802.11协议栈。

802.11是Wi-Fi领域无线网络的通用标准系列。第一个版本是IEEE 802.11，于1997年发布。它是核心规范，定义了1 Mb/s和2 Mb/s两种原始数据速率)。最初的传输介质是工业科学医学(ISM)频段2.4 GHz的IR。然而，它从未被部署。

该规范还将CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)定义为MAC层的访问方法。这样做是为了与以太网协议相同。

该规范修订如此之多的原因之一是，最初的规范提供了如此多的选择，以至于互操作性成为了一个挑战。当时发生了很多事情，所以工作组制定了一个非常宽松的标准，实际上更像是一个“元规范”，在参数上有很大的灵活性。不幸的是，许多供应商认为这是一个设计锁定规范的机会，这造成了相当多的混乱。最终，随着技术的进步，规范逐渐成熟并发展成为今天的样子。

值得一提的是802.11标准是什么时候被采用的。它为基本身份验证定义了两个方法。然而，其中之一，开放身份验证，只是一个简单的协议，允许Wi-Fi与所有符合802.11的设备相关联。它确实没有提供任何身份验证，正如我们今天所定义的那样。

第二种方法是有线等效保密(WEP)。由于共享密钥WEP身份验证实际上允许使用共享密钥对用户进行网络访问身份验证，因此这种方法更加安全。然而，到2001年，WEP被破解了。这是一个重大的技术故障，它造成了一个巨大的安全漏洞，阻碍了企业Wi-Fi的采用率。(有人开玩笑说WEP代表弱加密协议。)

在那之后，该组织又回到了图纸上，但漏洞太严重了，业界求助于Wi-Fi联盟，该联盟在2002年底发布了一项名为Wi-Fi Protected Access (WPA)的新安全标准。它是基于当前IEEE 802.11i标准的工作，并迅速实现以纠正WEP的问题。最终，802.11i附录最终被批准，WPA正式生效。

现在是时候深入研究处理安全性、身份验证和其他一些工作的层了。

802.11 MAC层技术讨论
在802.11中定义了两种类型的介质访问，分布式协调函数(DCF)和点协调函数(PCF)。DCF用于异步数据传输。基本上，这就是所有站都可以使用CSMA/CA(稍后讨论)同时访问介质，并采用随机回退实现。这很像十字路口的一群车，每辆车都以合作的方式感知十字路口内的交通状况。

无线电台具有分布式协调功能，在传输数据包之前对介质状态进行轮询。这是一个相当简单的方案，如果媒体的空闲时间大于分布式帧间空间(DIFS)，那么站就可以传输它的包。如果不是，它将回到空闲模式并继续监视介质。为了避免落入一个设定的定时循环，一旦介质处于空闲状态，站将等待DIFS，然后按步进的方式减小回退计数器。这设置了一个每个周期都不同的计时器，一旦回退计时器到期，该站就会传输它的数据包。通过这些随机的计时器设置，几乎没有任何一个站会在任何可观的时间内后退。如果传输成功，接收端将在短帧间空间(SIFS)后发送。

点协调函数实现了所谓的有时间限制的服务类型。这样的服务依赖于一个点管理器，而不是像分布式协调功能那样让各个站点自己解决。在今天的大多数实现中，这就是接入点(AP)。在此场景中，接入点决定哪个站可以进行传输。这是典型的交警场景，有一个控制器，给每辆车轮流。这种特殊的方法旨在传输实时流量，随着物联网流量的激增，这将变得非常重要。它还可以用于异步数据。这种访问方法基于由接入点控制的轮询方案，在IoE中具有很大的适用性，因为接入点的数量将急剧增加。

轮询方案的设计要么是基于优先级的方案，要么只是简单的轮询方法。无线信道使用一种称为超帧结构(定义为无争用重复间隔)的结构，它由无争用周期(CFP)和争用周期(CP)组成。

在无争用期开始时，接入点将向基本服务区(BSA)内的所有站发送信标帧。接下来，接入点将确认介质对于特定的点间帧空间(PIFS)是空闲的。信标帧包含各种信息，包括信标间隔、基本服务集标识符和无争用的最大持续时间。这是来自接入点的控制指令，指示所有基本服务集站在收到信标后的无争用期间内不发送任何包。

设置好后，在无争用期间，接入点轮询其轮询列表中的每个站(使用DATA+CF或CF-轮询帧)，并允许它在条件正确的情况下进行传输。然后，每个站将使用众多确认字符串中的一个进行响应。接入点重复轮询每个站，直到达到无争用期间的最大持续时间。此时，接入点通常通过传输CF-End帧来终止无争用周期。然后这个过程简单地重复，交流在每个周期中发生。

这有点过于简单，但访问IEEE会发现大量更深入的数据。接下来我们将剖析MAC层的功能。

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MAC层还处理无数其他功能，从身份验证到节能，但最有趣的功能与安全有关。

802.11的认证协议有两种形式。一种是共享密钥认证，另一种是开放系统认证

开放系统的工作原理是这样的:设备的无线网络接口卡向接入点发送一个身份验证请求帧。接入点通过返回一个身份验证响应帧进行响应。该帧包含对身份验证的批准或不批准，身份验证驻留在帧体的状态码字段中。如果身份验证有效，则会进行握手，并建立连接。如果不是，则没有建立连接。

这是一个相当简单和不复杂的过程。它确定了宿主和目标都是他们自称的那个人。这是所有通信都需要的一个过程。

共享密钥身份验证稍微复杂一些。这是一个四步过程，根据身份验证设备是否具有正确的有线等效隐私(WEP)密钥来解决身份验证问题。网络接口卡以帧的形式向接入点发送认证请求。接入点通过将质询文本插入响应帧的帧体并将其发送回网络接口卡进行响应。

然后，网络接口卡使用其WEP密钥加密挑战文本，然后通过另一个身份验证帧将其返回给接入点。解密后，接入点将挑战文本与初始文本进行比较。如果文本是等效的，接入点接受网络接口卡具有正确的密钥。接入点然后通过向网络接口卡发送另一个身份验证帧来结束这个过程，通知它它是被批准还是不被批准。

协会
一旦进行了身份验证，下一步就是关联。这是必需的，因为网络接口卡必须连接到它一直在与之通信的接入点。同步可以确保关键参数(如数据速率)得到支持，并且设备不会被任何其他设备捕获。

该过程类似于前面讨论的其他协议。网络接口卡发出一个关联帧请求。它包含诸如服务集标识符(SSID)和数据速率等元素。同样，接入点通过发回具有关联ID和接入点参数等信息的响应关联帧进行响应。一旦所有这些发生，链接就准备好交换数据了。

WEP
以上是对MAC层工作原理的一般性讨论。随着时间的推移，我们添加了许多分层功能，但是在这里将它们包括进来会太长，并且不会改变层的基本前提。由于WEP是MAC层安全协议的一部分，所以在这里简要地介绍一下是谨慎的。

为了保密，WEP使用流密码RC4。为了保证完整性，它实现了CRC-32校验和算法。通过实现WEP, NIC在传输之前使用公共密钥对每个帧的正文而不是报头进行加密。在接收端，帧将使用公共密钥解密。前提很简单。

关于这一点的简单说明是，在最初的802.11中，64位WEP标准指定了一个40位密钥，但没有用于密钥分发的方法。这使得基于802.11的无线局域网相对容易被窃听。为了解决这个问题，802.11i被开发出来，反过来又开发了WEP2、WEP2+和WPA。

WPA和WPA2的安全性要比WEP高几个数量级。WPA只是一种临时解决方案，可通过软件实现，允许不支持WPA2的旧硬件在一段时间内保持在线。

CSMA / CA
MAC层讨论的最后一个组件是CSMA/CA。它是一种网络接入技术，允许节点合作进入无线电波。它指定了节点如何使用介质;比如什么时候该说，什么时候该听。它是802.11网络事实上的载波传输协议。CSMA/CA的优点在于它是一种预防冲突的抢占式协议，而不是事后检测冲突(如CSMA/CD)。

CSMA/CA要求在每次完成传输后网络活动有延迟。该延迟与每个设备的优先级成正比。高优先级节点的编程延迟较短，而低优先级节点的编程延迟较长。

CSMA/CA实际上是一个三部分协议。第一项技术是航母感知技术。这意味着网络上的每个网络接口卡将首先“监听”，并感知网络上是否有任何其他流量。

第二种协议是多址协议。这意味着所有计算机都可以同时访问网络。

第三个部分是避免碰撞。如果网络接口卡检测到网络没有被使用，它就会发出一个信号，告诉网络它想要发送数据。如果一切正常，则发送数据。

CSMA与CA的结合提供了对CD的更好的访问控制，简单地说就是消除了重传碰撞数据包的所有相关开销。

这个过程相对简单。发射站首先检查介质以确定其可用性。有一个发送传输数据包(RTS)的短请求，其中包含源和目的网络地址以及主题传输的周期等信息。如果网络是可用的，目标站响应一个清除发送包(CTS)。此时，网络上的所有其他设备都承认这一点，承认对网络的所有权，并允许传输发生，不受阻碍。如果发生了什么事情，目标目的地没有收到ACK包，源将继续重传RTS包，直到授予访问权。

当然，从技术角度来看，所有这些都涉及到更多内容——这足以使本文没完没了。但请继续关注。接下来的文章将讨论802.11 PHY, 802.11演进背后的技术，以及为什么了解它将如何在IoE中发挥作用是至关重要的。

信件
802.11将在物联网中扮演非常重要的角色。事实上，它很可能是未来最多产的无线协议。有各种各样不断发展的Wi-Fi平台，包括VoWiFi, WiGiG，以及Wi-Fi的简单演变，如Hotspot2，它将重塑Wi-Fi的格局。随着物联网的发展，这在未来五年内尤其如此。

802.11在物联网的许多领域都具有巨大的潜力。它将成为未来大多数设备和网络不可分割的组成部分。随着802.11ac等版本的出现，以及带宽、安全性和互操作性方面的进步，802.11将成为全球网络中最引人注目的组成部分，并几乎集成到生产的每个芯片中。