20221130-eps32wifi协议

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802.11 协议精读19 wifi 的起源，诞生与发展

本来这一节打算开始讨论802.11e的内容，因为从无线局域网诞生到成型，尤其是演进的过程中，一个重要的起步点就是802.11e，很多在802.11n，802.11ac，802.11ah之中所引入的内容，实际上在802.11e中都可以发现其的引导，更一般而言，先行的802.11的MAC层协议基本都是按照802.11e中的EDCF，而不是传统的DCF。

然而，如果直接从802.11e开始谈及802.11协议的演进也有点冲突，因为从协议开始之初，或者说协议开始之前，实际上就一直处于演进的过程。所以本文就笔者个人所了解的部分，梳理下无线局域网协议WLAN的大致演进过程。

本文中的一些内容部分参考自下述引文：

《The Innovation Journey of Wi-Fi (The Road to Global Success)》
“THE HISTORY OF WI-FI”
《Ethernet:The Definitive Guide》

wifi 协议的起源

wifi 是一种WLAN 协议，即无线局域网协议，其历史或者说网络协议中的多地址接入协议的历史都可以追述到1971 年的ALOHAnet

Aloha协议的思想如下：“一个aloha节点只要有数据的话，该节点就可以立即发送。当该节点数据发送完之后，其需要等待接收方反馈的ACK。若成功接收到ACK之后，那么这一次传输成功。如果没有收到ACK的话，那么这一次传输失败。该aloha节点会认为网络中还存在另外一个aloha节点也在发送数据，所以造成接收方发生了冲突。最后这些冲突的节点会随机选择一个时间进行回退（backoff），以避免下一次冲突。若冲突节点回退完成，其才可以重新进行发送”。

CSMA/CD协议的思想如下：“节点发送数据之前需要持续监听信道，一旦节点发现信道空闲，则立刻发送数据，
。在发送数据的同时，节点持续监听信道，”探测” 是否有别的节点也在该时刻发送数据。
若传输过程中没有检测到别的节点的传输，那么成功传输。在成功传输后，节点需要等待帧间间隔IFG（interframe gap）时间后，可以进行下一次传输。
若在传输过程中，探测到别的节点也在传输，那么则检测到冲突。发生冲突后，节点立刻停止当前的传输，并且发送特定的干扰序列（JAM序列），用以加强该次冲突（用以保证其余所有节点都检测到该次冲突），在JAM序列发送完之后，节点随机选择一个时间倒数进行backoff。当backoff完成之后，节点可以尝试再次重传”。

IEEE 802 委员会所颁布的标准体系比较完善，其设置了多个不同的Group 用来指定不同场景下对应的协议

在网络发展中，无线通信不仅仅是无线局域网这一条发展脉络，其最主要的还是通信网络，不过由于本文仅仅是讨论无线局域网，对于通信网络的发展，笔者涉猎优先，所以不进行开展

民用网络的发展往往首先要通过政策许可这一关，在网络发展的起源地美国，其政策指的即是美国联邦通信委员会 (US Federal Communications Commission，FCC) 所派发的牌照（即无线电频段的使用许可）。考虑到避免干扰雷达所使用的无线电频段，于1985年，FCC颁发了为工业（industrial）、科学（scientific）和医疗（medical）行业颁发了ISM牌照，这一次的频段许可开放了900MHz，2.4GHz，和5.8GHz这三个频段，当时仅仅允许节点采用扩频技术（spread-spectrum）来进行通信。

在ISM 频段之前，无线通信，比如无线广播以及电视广播都是采用专用的频段，这可以避免一些有害无线电干扰，而ism 频段之所以选择这些频段，是对于主要业务不重要，同时也是容易受到无线电干扰的频段

MAC层初始设计时就存在两种声音，一种是由IBM所代表的中心式控制（Merits of Central），一种是由NCR代表（包含NCR/Symbol Technologies/Xircom）所代表的分布式控制（Distributed Control Architecture）。最终是由NCR所代表的分布式控制思路获得初步的胜利。从笔者的角度而言，这也是后来在Wi-Fi协议，始终存在分布式（DCF，EDCA）和中心式（PCF，HCCA）兼容设计的开始。
PHY的初始设计中包含两种可能的扩频方式，跳频（Frequency Hopping）和直序扩频（Direct Sequence）。 这也是由于FCC一开始发放的ISM牌照，其仅仅允许扩频通信的方案存在。在协议设计之初，团队就无法在两者中仅仅取决一种，所以在初始协议最终颁布时，两种物理层扩频方案都是被支持的。

当下的hotspot 更强调的是一共为公共区域提供网络服务的热点业务，而最初hotspot 就是我们当前无线局域网基础架构模式，即存在一个无线AP 然后通过其连接如公网的架构

hotspot 的概念也是wifi 协议能够成功的关键因素之一，其是wifi 在商业应用中最重要的组成部分之一，hotspot 的需求也大大推进了wifi 协议的发展，其中的漫游 安全 多AP 扩展的ESS 模式也都是由此发展而来的

实际上大家开始接触wifi 很多也是从802.11b 开始的，802.11b 是802.11 协议中的第一个里程碑，早期的带wifi 功能的笔记本，或者PSP游戏机，其所带的无线功能都是基于802.11b的

802.11a引入了一种新的物理层技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）。OFDM技术是于20世纪60年代就提出的，但是当时其核心算法FFT复杂度较高，随着集成电路技术的发展，到90年代时OFDM技术开始通信工程具体采用。相比扩频技术，OFDM技术有更高的频谱利用率。如上图所示，OFDM是通过时频关系的映射，将多个数字信号搭载到多个频域子载波上（如上图所示），然后通过IFFT合成，将这些数字信号一次性发送出去。通过OFDM，能够获得更高的频谱利用率，提高传输速率。对于OFDM的细节，我们也会在以后进行展开，这里就不详细展开了。

802.11a当时没有受到很好的效果，主要还是频段的问题。因为当时FCC仅在5GHz频段上开放了OFDM技术，据《Next Generation Wireless LANs.802.11n and 802.11ac》一书所言，在1999~2000年间，美国非军事使用的5G频段仅仅只有几个指定的信道。而且由于802.11a和802.11b所在频段不同，所以新出的设备要同时兼容802.11b和802.11a就会造成成本增加，所以实际802.11a的实际应用很少。

当初实际上也是FCC 不允许在2.4GHz 频段上使用OFDM 技术，仅仅只允许扩频技术

2.4GHz 频段上也可以使用OFDM 技术

在2004年时，由于传统Wi-Fi的发展都在于其PHY层和MAC层的性能上，协议的安全性并没有得到很好的保证。故在04年时，专门针对Wi-Fi安全的协议标准802.11i正式颁布，实际上，这个时期也有一个中国尝试发起的协议WAPI，也是针对该问题而言的。

802.11n 的核心技术概念是MIMO 之前的无线通信我们都是单天线的传输系统，在mimo 的设计上，我们可以通过多根天线，并行传输多个不同数据，从而提高传输速率，提供更高的系统带宽

实际上在网络发展中，各个不同源头的技术实际上是时有交互的，然而，是否成功，还是要根据市场和时机的检验，
好比wifi 虽然获得了比较大的成功，而wimax 则没有被广泛采用

在2010年时候，在时任美国总统奥巴马的支持下，FCC同意在未来增加500MHz新频段用以无线通信，该500MHz是分散在多个不同的频段下，具体是根据具体的功能需求进行的设定。