專家詳解WLAN主要技術標準與進展

概述

WLAN技術所具有的移動性、便捷性、較高的帶寬等特點，以及大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化和低成本等諸多優(yōu)勢，使WLAN市場短短數(shù)年內(nèi)得到了大規(guī)模發(fā)展。今天從家庭娛樂終端、移動便攜、手機終端到企業(yè)各種應用，WLAN應用的身影無處不在。據(jù)統(tǒng)計，2008年全球銷售了3億8千多萬顆WLAN芯片，較2007年增長了26%。巨大的增長讓業(yè)界在期待著WLAN芯片銷售能夠在不遠的將來達到驚人的每年10億顆!

WLAN產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展和WLAN技術標準不斷完善形成了良好的互動。WLAN技術標準主要由IEEE 802.11工作組負責制定。第一個802.11協(xié)議標準誕生于1997年并于1999年完成修訂。隨著WLAN早期協(xié)議暴露的安全缺陷，由于用戶應用不斷地呼喚著更高的吞吐，以及企業(yè)等應用對可管理性的要求，IEEE 802.11工作組陸續(xù)推出了802.11a、802.11b、802.11g、802.11i、802.11e、802.11n、802.11k等大量標準。此外，IETF的CAPWAP工作組還制定了無線AP的相關管理標準。

我們可以從無線安全、吞吐提高、可管理等方面對WLAN相關標準的發(fā)展進行如下分類：

無線吞吐提高

從傳統(tǒng)的11a/b/g發(fā)展到最新的11n標準，物理層最高吞吐從54Mbps提高到了600Mbps。

實現(xiàn)無線安全

為了解決802.11標準中WEP等安全機制的缺陷，IEEE 802.11i工作組提出了802.11i標準。此外，中國制定了WAPI標準，目前正在申請成為國際標準。無論802.11i還是WAPI，都是為了保障用戶無線數(shù)據(jù)的安全。802.11協(xié)議報文(管理報文)也是安全的重要環(huán)節(jié)，IEEE 802.11w工作組負責制定管理報文安全。

提高無線可管理性

WLAN大規(guī)模部署、Voice over WLAN等需求對無線資源和無線終端管理提出了更高要求，為此IEEE 成立了802.11k和802.11v工作組。此外，為了簡化大量AP設備部署時的操作成本，IETF成立了CAPWAP工作組以制定相關標準。

其它標準

為了滿足Voice over WLAN等業(yè)務對QoS、快速漫游的要求,IEEE成立了802.11e、802.11r工作組。為了標準化基于WLAN的mesh網(wǎng)絡技術，IEEE成立了802.11s工作組。

談到IEEE　802.11工作組的相關標準，就必然談到Wi-Fi聯(lián)盟。IEEE　802.11主要關注的是技術標準和協(xié)議接口，并沒有限制協(xié)議的具體實現(xiàn)，所以即使各廠家基于相同協(xié)議標準開發(fā)，仍然存在互通風險。802.11標準的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化需要一個組織來推動，產(chǎn)品互通性需要一個組織來認證，這些需求促進了Wi-Fi聯(lián)盟的誕生。Wi-Fi聯(lián)盟參考IEEE　802.11標準制定了大量認證標準。比如，參考802.11i協(xié)議，Wi-Fi聯(lián)盟制定了WPA/WPA2認證標準;參考802.11e協(xié)議，制定了WMM認證標準。Wi-Fi聯(lián)盟的存在極大地推動了WLAN產(chǎn)業(yè)化。

標準組簡介

本文將重點介紹IETF CAPWAP工作組、802.11n、802.11i、WAPI等協(xié)議標準。

1. IETF CAPWAP工作組

在企業(yè)中大量部署AP時，對這些AP升級軟件、設置發(fā)射功率等管理工作將給用戶帶來很高的操作成本。2002年左右，WLAN在企業(yè)等應用發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢：瘦AP(FIT AP)架構。即通過無線控制器(AC)來管理多個AP，AP和AC間采用某種隧道協(xié)議進行通訊，無線接入報文的處理在AP和AC間分擔實現(xiàn)。而傳統(tǒng)的AP由于在一個AP上實現(xiàn)了所有無線接入等功能，所以被稱為胖AP(FAT AP)。

圖1 瘦AP架構

為了解決隧道協(xié)議不兼容造成的A廠家的AP和B廠家的AC無法進行互通的問題，IETF在2005年成立了CAPWAP工作組以標準化AP和AC間的隧道協(xié)議。該協(xié)議主要功能包括了：AP自動發(fā)現(xiàn)AC，AC對AP進行安全認證，AP從AC獲取軟件映像，AP從AC獲得初始和動態(tài)配置等。此外，系統(tǒng)可以支持本地數(shù)據(jù)轉發(fā)和集中數(shù)據(jù)轉發(fā)。瘦AP架構讓AC具有了對整個WLAN網(wǎng)絡的完整視圖，為無線漫游、無線資源管理等業(yè)務功能的實現(xiàn)提供了基礎。

作為隧道協(xié)議的一個重要設計目標，它希望能夠承載多種無線接入技術，如802.11和802.16。所以工作組協(xié)議包括了兩部分：CAPWAP協(xié)議和無線binding協(xié)議。CAPWAP協(xié)議(RFC5415，2009年4月發(fā)布)作為通用隧道協(xié)議，完成了AP發(fā)現(xiàn)AC等基本協(xié)議功能，和具體的無線接入技術無關。目前工作組只提供了802.11的binding協(xié)議(RFC5416，2009年4月發(fā)布)，以支持802.11網(wǎng)絡的配置管理功能。

目前，包括H3C在內(nèi)的多個廠家已經(jīng)將支持CAPWAP相關協(xié)議列入產(chǎn)品下一步開發(fā)計劃。H3C的技術專家作為第一作者起草了CAPWAP協(xié)議的MIB草案和802.11 binding協(xié)議的MIB草案。創(chuàng)新地提出了虛擬無線口的概念，實現(xiàn)了在瘦AP架構下完全可以重用IEEE 802.11工作組(包括802.16等)已有的面向胖AP架構的MIB標準，很好地促進了IEEE標準在瘦AP架構的演進。目前兩篇工作組草案處于WGLC(Working Group Last Call)階段，預計年內(nèi)作為RFC發(fā)布。

2. IEEE 802.11n工作組

隨著YouTube、無線家庭媒體網(wǎng)關、企業(yè)Voice over WLAN等應用的不斷涌現(xiàn)，對WLAN技術提出了越來越高的帶寬要求，802.11a/b/g這些傳統(tǒng)技術已經(jīng)無法支撐新的業(yè)務需求，IEEE 802.11工作組意識到支持高吞吐將是WLAN技術發(fā)展歷程的關鍵點。基于IEEE HTSG(High Throughput Study Group)前期的技術工作，于2003年成立了Task Group n(TGn)。N表示Next Generation，核心內(nèi)容就是通過物理層和MAC層的優(yōu)化來充分提高WLAN技術的吞吐。由于802.11n涉及了大量的復雜技術，標準過程中又涉及了大量的設備廠家，所以整個標準制定過程歷時漫長，預計2009年末才可能成為標準。相關設備廠家早已無法耐心等待這么漫長的標準化周期，紛紛提前發(fā)布了各自的11n產(chǎn)品。為了確保這些產(chǎn)品的互通性，Wi-Fi聯(lián)盟基于IEEE 2007年發(fā)布的802.11n草案的2.0版本制定了11n產(chǎn)品認證規(guī)范，以幫助11n技術能夠快速產(chǎn)業(yè)化。

802.11n首要的任務是提高吞吐，通過結合物理層的多項技術，包括提供多條空間流(SDM)的MIMO技術來實現(xiàn)多條數(shù)據(jù)流并發(fā)、通過綁定兩個20MHz帶寬(即40MHz)來提高物理頻寬、采用了MIMO-OFDM并提供了更多的子載頻等，從而將物理層吞吐提高到300Mbps。如果僅僅提高物理層的速率，而沒有對空口訪問等MAC協(xié)議層的優(yōu)化，802.11n的物理層優(yōu)化將無從發(fā)揮，所以802.11n對MAC采用了Block確認、幀聚合等技術，大大提高了MAC層的效率。

802.11n對用戶應用的另一個重要收益是無線覆蓋的改善。由于采用了多天線技術，無線信號(對應同一條空間流)將通過多條路徑從發(fā)送端到接收端，從而提供了分集效應。在接收端采用一定方法對多個天線收到信號進行處理，就可以明顯改善接收端的SNR，即使接受端較遠時，也能獲得較好的信號質量，從而間接提高了信號的覆蓋范圍。典型的技術包括MRC等。

除了吞吐和覆蓋的改善，11n技術還有一個重要的功能就是兼容傳統(tǒng)的802.11a/b/g，以保護用戶已有的投資。

目前，Cisco、H3C和Aruba公司已經(jīng)在全球率先發(fā)布了面向企業(yè)級和運營級市場的802.11n產(chǎn)品。