IEEE 802_11 系列規範

1997 年『美國電機電子協會』（Institute of Electrical and Electronics Engineer, IEEE）公佈了 IEEE 802.11 『無線區域網路』（Wireless LAN, WLAN）標準；1999 年更進一步提出 IEEE 802.11 的延伸規格：IEEE 802.11a（5 GHz 頻帶，最高頻寬 54 Mbps）和 IEEE 802.11b（2.4 GHz 頻帶，11 Mbps），這兩個延伸規格讓無線網路的速度可以和有線網路相抗衡，更增加了無線網路的競爭力。也因為頻寬的增加，使得一些網路的應用可以推展到無線網路上，譬如視訊會議、網路電話等。到了 2001 年底，6 ~ 54 Mbps 的 IEEE 802.11g 草案被提出來，這個草案規範中有一個很大的特性，就是可以和目前流行的 IEEE 802.11b 相容（這與 IEEE 802.11a 無法與 IEEE 802.11b 相容有很大的不同），同時又利用與 IEEE 802.11a 類似的技術達到更高的頻寬。表 15-3 是 IEEE 802.11 系列規範，先讓大家有一個概略印象，接下來再探討它們的網路技術。

標準	頻帶	傳輸速率	展頻技術	調變技術	傳輸距離
IEEE 802.11	2.4 GHz	2 Mbps	DSSS/FHSS	BPSK/QPSK	100 公尺
IEEE 802.11b	2.4 GHz	11 Mbps	DSSS	BPSK/QPSK	100 公尺
IEEE 802.11a	5 GHz	54 Mbps	OFDM	QPSK/QAM	50 公尺
IEEE 802.11g	2.4 GHz	54 Mbps	DSSS	CCK/OFDM	100 公尺

IEEE 802.11 主要目的是在現有的區域網路之下，另外制定一套無線區域網路的規範，這方面相當於 IEEE Project（請參考第七章介紹）中的『媒介存取層』（Medium Access Control, MAC）部份。我們先來探討 IEEE 802.11 的標準規範後，再來介紹其延伸規格（802.11a 與 802.11b）所增加的功能。IEEE 802.11 家族的特性歸類如下：

(1) 傳輸速率：1 Mbps、2 Mbps、11 Mbps（IEEE 802.11b）、54 Mbps（IEEE 802.11a）。

(3) 傳輸媒介：無線電波（2.4 GHz 及 5 GHz 頻帶）或紅外線（850 ~ 900 nm）。

(4) 通訊協定：『載波感測多重存取附碰撞避免』（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA）。它的工作模式非常類似 CSMA/CD，當有兩個或兩個以上的工作站同時傳送訊框而發生碰撞時，都會將已碰撞的訊框拋棄，雖然 CSMA/CA 採另一種工作模式來避免發生碰撞的機會，但仍無法保證不會發生碰撞。

(5) 傳輸模式：IEEE 802.11 採用『分散式協調功能』（Distributed Coordination Function, DCF）和『集中協調功能』（Point Coordination Function, PCF）等兩種傳輸模式。DCF 模式是由工作站之間利用 CSMA/CA 方式來取得傳輸媒介（頻帶）的使用權；而 PCF 是由網路上的集中控制器來分配各個工作站使用傳輸媒介的優先次序。

(6) 提供『認證』（Authentication）及『資料隱密』（Privacy）的功能：無線電波是一種開放性的傳輸媒介，任何人都可以容易的入侵或竊聽網路，認證是防止入侵並確認使用者身分；而資料隱密則是預防傳輸中資料被竊聽的加密措施（Cipher）。

如同其他區域網路的通訊協定（如 IEEE 802.3）一樣，IEEE 802.11 也是屬於 IEEE 802 系列協定標準中的 MAC（Medium Access Control）層（如第七章介紹），同樣包含了傳輸媒介（無線電波或紅外線）的介面標準。圖 15-14 為 IEEE 802.11 的協定堆疊，上層的通訊協定也是連結『邏輯鏈路控制層』（Logical Link Control, LLC），合乎 IEEE 802 系列的連結規範。在 IEEE 802.11 協定中包含了 MAC 層與 PHY（Physical Layer）層兩大部份，MAC 層包含『無競爭服務』（Contention-Free Service）和『競爭服務』（Contention Service）兩種服務，前者是利用集中協調功能（PCF）的傳輸模式；而後者是利用分散式協調功能（DCF）；另外，集中式協調功能也需透過分散式協調功能的介面服務來達成。另外，PHY 層制定了各種傳輸技巧。

如圖 15-14 所示，不同協定皆有各自的實體層規範，802.11 和 802.11b 都採用 ISM 2.4 GHz 頻帶，而 802.11a 是採用 5 GHz U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）頻帶，在調變技術上也會有所不同。

IEEE 802.11 基本上提供了『對等架構』（Ad Hoc）與『基礎架構』（Infrastructure）兩種網路連結型態。所謂『對等架構』表示網路之中並沒有一部主控制站，各個工作站之間都以『端對端』（Pear-to-Pear）模式互通。也就是說，在這個模式之下不需要『擷取點』（Access Point, AP），各端點的地位是相等的，如圖 15-15 所示【備註：Access Point 有許多不同的譯詞，如：基地台、擷取點或無線橋接器】。

圖 15-16 為『基礎架構』的 WLAN 網路，網路主要的特點是透過『擷取點』來和現有的有線網路（如 Ethernet 網路）相結合。擷取點可發射功率較強的電波，各個無線連結的電腦只要能接收到擷取點所發射的電波，便可連結上網路，此即表示網路的涵蓋範圍可較廣。

一般而言，無線區域網路並不像圖 15-15 和 15-16 那麼單純，反之它會隨著不同的環境延伸出多種網路型態，為了使讀者能更瞭解網路實體架構，我們先針對下列相關元件做一簡單的說明：

(1) 工作站（Station, STA）：只要配備有符合 IEEE 802.11 實體層及媒介存取層的任何設備，均可稱為工作站。

(2) 擷取點（Access Point, AP）：提供無線網路連接至分散式系統（其他有線網路）的連結設備，並提供所有無線工作站的存取連結。

(3) 基本服務集（Basic Service Set, BSS）：在幾何空間上，一個基本建構區塊內所有工作站的集合，稱為一個基本服務集。一般都將一個擷取點（或稱基地台）所能涵蓋的範圍稱為一個基本服務集。

(4) 分散式系統（Distributed System, DS）：基本上都是由有線網路來構成，但該網路有提供無線網路連結的相關服務，並能將若干個基本服務集整合在一起。

(5) 擴充服務集（Extended Service Set, ESS）：由分散式系統連結若干個基本服務集所構成。

比較圖 15-15 與圖 15-16 兩種架構，雖然兩者的範圍都在一個基本服務集之內，但圖15-15 是由多個工作站之間互相通訊而成，而圖 15-16 所呈現的則是連結到一個分散式系統環境的無線網路，此分散式系統是由一般有線網路（如 Ethernet 網路）所構成。通常一個無線區域網路並無法由一個基本服務集建構而成，因為一個基地台所能涵蓋的範圍大多僅在 100 公尺範圍內，因此，必須結合若干個基本服務集來擴充網路範圍。

圖 15-17 是一般 WLAN 的架構圖，整個網路是由多個基本服務集所構成，每個服務集都有一個擷取點（AP）來負責無線電腦和有線網路之間的連結，每一基本服務集所能涵蓋的範圍大多在 100 公尺以內（視不同規範而定），服務集之間都必須互相重疊。網路內任何電腦都可在網路範圍內移動，譬如 STA5 工作站原來是連結到 BSS1 的擷取點，當它移動至超出 BSS1 的範圍邊緣時，便會發現所接收來自 AP2 的訊號漸漸比 AP1 強，因此，STA5 便轉向 AP2 要求連線；如經 AP2 同意連線後，STA5 便放棄 AP1 的連線，而轉由 AP2 服務。無線工作站在這擴充服務集內通訊，必須在多個基本服務集之間交換服務基地台，這個交換服務的行為稱之為『游牧』（Wandering）（逐水草而居的意思）。

圖 15-17 中各個擷取點之間的連線是透過一般有線網路（如 Ethernet 網路）來達成，許多地區為了克服環境因素，也會採用無線寬頻（如 HiperAccess）來連結，但無論如何，WLAN 還是會限制在某一範圍內通訊，並不像行動電話通訊那麼複雜。

網路服務架構表示整個網路的運作系統，IEEE 802.11 將 WLAN的運作模式區分為『工作站服務』（Station Service, SS）和『分散式系統服務』（Distributed System Service, DSS）兩大類，但規範中並沒有規定這兩大類的服務系統的實現標準，而僅描述其應具有的功能；不過也需要具備這些功能，才能建構一個完整的無線區域網路。兩大類的服務功能如下：

(1) 工作站服務（SS）：是由工作站所提供的服務。此類服務可使工作站具有正確傳送與接收訊框的能力，且為考慮傳輸資料的安全性，並包含有『身分確認服務』（Authentication）與『隱密性服務』（Privacy）等兩種服務。

(2) 分散式系統服務（DSS）：此類服務是由分散式系統所提供，主要功能是使 MAC 訊框能在不同 BSS 之間傳送。在無線網路上，無論工作站移動到任何位置，都要使工作站的資料傳送與接收能保持通暢；此項功能大多是由『擷取點』（Access Point, AP）來負責工作站之間的呼叫及轉送。擷取點同時也是無線工作站和有線網路之間的橋樑，因此，也將它稱為『橋接器』（Bridge）。分散式系統提供下列服務：

圖 15-18 為無線區域網路服務的邏輯概念圖，是由一分散式系統結合 IEEE 802.x 的有線網路和 IEEE 802.11 無線區域網路，其中無線區域網路是由兩個 BSS 網路所結合而成的 ESS。工作站在無線網路上的任何移動，都可能需要不同的聯結服務，在未討論各種服務之前，先來探討『移動性』（Mobility）的觀念，有下列三種情況：

(1) 無變動：表示工作站的移動還是停留在原基本服務區（BSS）內，譬如 STA1 保持在 ESS1 內移動。

(2) 基本服務區的變動：表示工作站由一個基本服務區移動到另一個基本服務區，但仍然在同一擴充服務區（ESS）內，譬如 STA1 移動到 BSS2 範圍內。

(3) 擴充服務區的變動：表示工作站由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，譬如 STA1 移動到 ESS1 的範圍之外，由其他的 ESS 管轄區來服務。

有了上述的基本概念後，接下來，我們將分散式系統所提供七種服務的功能介紹如下：

『分送服務』的主要工作是將分散式系統中所傳送的資料送到適當的地方。如圖 15-18 中，若 STA1 欲傳送資料到 STA2，首先得將該筆訊框發送給 AP1（稱為輸入擷取點），再由 AP1 轉送給 AP2（稱之為輸出擷取點），AP2 才將訊框傳送給 STA2。在 IEEE 802.11 中並沒有制定如何轉送的規範，但它制定有『聯結』、『取消聯結』和『重新聯結』等服務，來達成分送服務的功能。

『整合服務』的功能是要將 WLAN 和現存的有線網路（如 Ethernet 網路）整合在一起，也就是說，所傳送的訊框能在無線網路與有線網路之間流通。如圖 15-18，擷取點（AP）是連接無線網路和分散式系統的介面，而埠接器（Portal）是分散式系統和有線網路之間的連接器。當一筆訊框被發送出來時，分散式系統必須判斷應該將它轉送到擷取器或埠接器；另外，埠接器也須有能力進行 IEEE 802.11 和有線網路之間的位址格式轉換，這就是整合服務所須提供的功能。

『聯結服務』的功能是要在工作站和擷取點之間建立一條通訊連線。一般無線工作站啟動後，便會尋找最近的擷取點來要求連線，連線後擷取點上便會登錄該工作站的位址。唯有在工作站登錄位址之後，分散式系統在轉送訊框時，才知道該工作站是屬於哪一個擷取點所管轄。又如果有任何訊框傳送給該工作站時，分散式系統也才會將該訊框轉送到適當的擷取點上。一部無線工作站僅能夠和一個擷取點建立連線，亦即僅能向一部擷取器登錄。但一個擷取點上可能會登錄多部工作站位址，這些工作站也都屬於同一基本服務區（BSS），這也是擷取點發送或接收訊框時主要的依據。如果同一基本服務區的工作站之間要互相通訊，便不需要發送到分散式系統上；另外，不屬於本服務區的工作站位址，也不需要接收及轉送（類似橋接器的過濾功能）。

『重新聯結服務』的主要功能是將移動中的工作站由一個擷取點轉移到另一個擷取點。當工作站由一個基本服務區移到另一個基本服務區，便會啟動重新聯結服務，此服務會在工作站和新區域的擷取點之間建立一個通訊連線，並將工作站資料登錄到新的擷取點上。此項工作大多由工作站來完成。

當工作站傳送資料結束後，可以啟動『取消聯結服務』來中斷和擷取點之間的連線。另外，當一部工作站由一個基本服務區移動到另一個服務區時，也會向原服務區的擷取點要求『取消聯結服務』，並向新服務區的擷取點要求『重新聯結服務』。此項服務可以是由工作站或擷取點來啟動，但不論哪一方啟動，另一方都不能拒絕。取消聯結服務也可能發生在網路太過忙碌的情況，此時擷取點可要求工作站暫時取消連線服務。

『認證服務』是用來確認每一工作站的身分。IEEE 802.11 支援兩種認證方法：『開放系統認證』（Open System）及『盤問/回應』（Challenge/Response）。認證服務通常是要求雙向式的身分認證，一個工作站可以同時和多個工作站（包含擷取點）之間作身分確認。

『隱密性服務』是為了避免傳輸中的資料被竊聽，而實施的加密和解密服務。無線網路的訊號在空中傳播，任何工作站只要有 IEEE 802.11 的網路卡，都能輕易地由空中竊取到傳輸中的資料。IEEE 802.11 制定一個『有線等效保密演算法』來實現隱密性服務。