15-8 IEEE 802.11 延伸規格
自從 1997 年 IEEE 802.11 規範被提出以後,隨著市場大量的推展,基本規範中的 2 Mbps 傳輸速率已不敷應用環境需求。緊接著 IEEE 802.11 工作小組於 1999 研訂出新的延伸規格:IEEE 802.11a、IEEE 802.11b 和 IEEE 802.11g。目前大部份的無線區域網路都採用 IEEE 802.11b,相信 IEEE 802.11a 與 IEEE 802.11g 的產品也將會很快問世。基本上,這些延伸規格的運作原理都和 IEEE 802.11 相同,只不過再提昇傳輸技術,來提高傳輸速率,使無線網路的傳輸速率能接近於有線網路,進而使無線網路的應用範圍更為廣闊。 15-8-1 IEEE 802.11b 規 範 IEEE 802.11b 規範的實體層延伸自 802.11,為目前無線區域網路最普遍的規範,傳輸速率也接近『有』線的 Ethernet 網路,確實是『無線 Ethernet』(Wireless Ethernet)的代表作。802.11b 採用『高速直接展頻』(High Rate DSSS, HR/DSSS)技術,利用 2.4 GHz ISM 頻段,可提供的資料傳輸速率為 11 Mbps,使用的調變技術為 CCK(Complementary Code Keying)。為了相容於 IEEE 802.11 早期的 DSSS 規範,802.11b 規定其系統必須自動降低速率,使能與 2 Mbps 的 DSSS 相容。可見 IEEE 802.11b 中應提供兩種傳輸功能:其一為 HR/DSSS 模式,可提供 5.5 Mbps 與 11 Mbps 的傳輸速率;另一為 802.11 DSSS 模式,可提供 1 Mbps 和 2 Mbps 的速率,所以在 IEEE 802.11b 規範中有:1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps、以及 11 Mbps 等四種傳輸速率。其中 1 Mbps 採用 DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)調變技術,2 Mbps 採用 DQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying),這兩種都採用 11-chip 的展頻碼。 至於高速傳輸模組(HR/DSSS)(5.5 Mbps 與 11 Mbps)是採用 CCK 調變方式,展頻碼長度為 8,而且建構於互補碼(Complementary Code)的機制下,這種展頻碼隨時間展開而形成一種複數型態的 8-chip 記號。HR/DSSS 是利用每個符號週期(Symbol Period)傳送的資料,來區別 5.5 Mbps 或 11 Mbps,在 5.5 Mbps 的傳輸模式下,每個符號週期傳送 4 個位元;而在 11 Mbps 的模式下,每個符號週期是傳送 8 個位元。 15-8-2 IEEE 802.11a 規 範 IEEE 802.11a 規範的實體層是採用 5 GHz 的 U-NII(Unlicensed Nation Information Infrastructure)頻段,使用 5.725 ~ 5.850 GHz 之間的頻段,因此有 125 MHz 的傳輸頻帶可以使用。另外,展頻傳輸系統是採用『正交分頻多工』(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術,OFDM 是利用多個頻道來同時傳送資料,以提高傳輸速率。而且 IEEE 802.11a 為了合乎各種情況使用,可採用不同的調變方式,提供多種傳輸速率,如表 15-8 所示。其中調變方式有 BPSK(Binary Phase-Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)以及 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。 表 15-8 IEEE 802.11a 的各種傳輸速率
OFDM 技術也如同傳統 FDM 技術一樣,都是將所使用的頻帶劃分為若干個小頻道,再分別將訊號載入每一頻道上,來提高傳輸速率。譬如,每一頻道可傳送 8 Kbits/s,則 100 個頻道便可以傳送 800 Kbits/s;至於將傳輸資料載入頻道的調變技術有 BPSK、QPSK 與 QAM 等技術。但 OFDM 與 FDM 有很大的不同點,在 FDM 技術上為了避免頻道之間的訊號互相產生干擾,頻道之間都必須預留某些空閒頻寬,如此便會造成許多頻寬的浪費。OFDM 不但不必預留空閒頻寬,甚至允許頻道之間的頻率互相重疊,可節省許多頻寬,也就是說,同一個頻帶頻寬,OFDM 所能劃分的小頻道比 OFM 技術還要多,亦是,所能承載的傳輸速率也比較高,如圖 15-44 所示。
圖 15-44 OFDM 與傳統 FDM 之比較 從另一個觀點來看,OFDM 好像是一個多工技術,而非展頻技術。但由通訊連線的對象而言,它的確也可說是展頻技術的一種,這是因為雖然 OFDM 利用多個頻道來傳送資料(又稱為多重承載),但也可以依照通訊環境來更改每一頻道的傳輸速率,乃至停止某些頻道的傳送(此功能與 ADSL 連線相似)。此功能剛好可用來分辨多重路徑訊號的傳輸,在許多路徑到達的訊號之中,選擇功率較強的訊號,這也是 OFDM 應用於無線網路的主要原因。 在北美規格中,5 GHz NII 頻帶被切分為三個頻寬為 100 MHz 的頻段,較低頻帶(Lower Band)為 5.15 ~ 5.25 GHz、中頻帶(Middle Band)為 5.25 ~ 5.35 GHz、最高頻帶(Upper Band)為 5.725 ~ 5.825 GHz;並且規範各頻帶的輸出功率:Lower Band 為 40 mW、Middle Band 為 200 mW、Upper Band 為 800 mW,因此 Lower Band 和 Middle Band 比較適合於室內的無線網路使用,而 Upper Band 的輸出功率較強,可做為戶外網路聯結使用。 15-8-3 IEEE 802.11g 規範 IEEE 802.11g 目前還是一個草案(2003 年之前)。由於 802.11a 雖然可將傳輸速率提高到 55 Mbps,但它所用的傳輸頻道為 5 GHz U-NII,並不相容於 802.11b 所使用的 2.4 GHz ISM 頻段。因此,802.11g 希望在 2.4 GHz ISM 頻段中將傳輸速率提高到 54 Mbps,並且保證能和現有的 802.11b 相容,皆採用 DSSS 展頻技術。 在 802.11g 規範中,它必須支援 OFDM 和 CCK 兩種調變方式,其中 OFDM 調變模式可以獲得較高的傳輸速率(大於 20 Mbps,最高可達 54 Mbps),而 CCK 則是與現有的 802.11b 相容。同時在草案中也提出兩個選項的調變模式:一者是由 Intersil 提出的 CCK/OFDM;另一者是 TI 提出的 PBCC-22(Packet Binary Convolution Coding)。在 CCK/OFDM 模式下,封包標頭(Header)採用 CCK 調變,而承載(Payload)採用 OFDM 調變方式;然而在 PBCC 模式下,封包標頭以 CCK 調變,承載則以 PBCC 調變上。 CCK、OFDM 與 PBCC 等調變模式之間最大的不同在於訊號的承載方式,CCK 與 PBCC 都是屬於『單一承載』(Single Carrier),而 OFDM 是屬於『多重承載』(Multiple Carrier)的調變模式。PBCC 與 CCK 的差異在於對訊號的處理,PBCC 使用 8-PSK 編碼,而 CCK 則採用 BPSK/QPSK 編碼方式。 15-8-4 安全性規範 在 IEEE 802.11 系列的標準裡,網路安全規範係採用 WEP(Wired Equivalent Privacy)協定,而通訊雙方是以『秘密鑰匙』(Secret Key)做為雙方處理資料的依據。處理方法是資料傳輸之前,以 RC4 演算法先產生 24 Bits 的起始向量(IV),並且與密匙兩項參數彙整演算,再和明文資料封包進行 XOR 運算,來完成加密處理,最後附加起始向量發送出去。 WEP 的安全缺失是在網路上蒐集大量封包後,便有機會歸納出初始向量的編碼型態,依序找出密匙,進而解讀出原始資料。舉例來說,若每個封包長度為 1500 Bytes,所有初始向量在 5 個小時內將會被使用完,也就是會產生另一個相同的初始向量,如此便可輕易找出初始向量的順序。 至於密匙長度方面,儘管 128 bits 要比 40 bits 長,但由於真正的關鍵在於 RC4 編碼演算法機制本身,如採用 128 bits,最多也僅能延長被破解的時間效果而已。更何況目前無線區域網路都只設定單一固定的密匙,也就是說,當網路封包被破解時,所有使用者的資料就完全曝露在駭客威脅之下,面臨資料遭到取、破壞或是成為免費的上網平台。 由上述可以瞭解,雖然無線區域網路提供了許多方便性,但它的安全性問題一直是最受詬病的。因此,提高無線網路安全的問題,也有許多方案被提出來,雖然這些方案還未成熟,仍值得我們來探討: (1) 修正 WEP 機制:目前 IEEE 802.11e 工作小組正積極修正 WEP 機制,其中包含無線網路的 QoS、網路安全、以及用戶認證等功能。 (2) 採用 IPSec 技術:將 VPN(Virtual Private Network)的 IPSec 技術加入無線網路上,以提高網路安全。
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