Wi-Fi 簡介

Wi-Fi 簡介

Wi-Fi(發音: /ˈwaɪfaɪ/,法語發音:/wifi/)是Wi-Fi聯盟製造商的商標做為產品的品牌認證,是一個建立於IEEE 802.11標準的無線局域網技術。基於兩套系統的密切相關,也常有人把Wi-Fi當做IEEE 802.11標準的同義術語。“Wi-Fi”常被寫成“WiFi”或“Wifi”,但是它們並沒有被Wi-Fi聯盟認可。

並不是每樣符合IEEE 802.11的產品都申請Wi-Fi聯盟的認證,相對地缺少Wi-Fi認證的產品並不一定意味著不兼容Wi-Fi設備。

IEEE 802.11的設備已安裝在市面上的許多產品,如:個人電腦、遊戲機、MP3播放器、智慧型手機、平板電腦、印表機、筆記型電腦以及其他周邊設備。

Wi-Fi聯盟成立於1999年,當時的名稱叫做Wireless Ethernet Compatibility Alliance(WECA)。在2002年10月,正式改名為Wi-Fi Alliance。

由來

Wi-Fi這個術語被人們普遍誤以為是指無線保真(Wireless Fidelity),類似歷史悠久的音頻設備分類:長期高保真(1930年開始採用)或Hi-Fi(1950年開始採用)。即便是Wi-Fi聯盟本身也經常在新聞稿和文件中使用“Wireless Fidelity”這個詞,Wi-Fi還出現在ITAA的一個論文中。事實上,Wi-Fi一詞是沒有任何意義,也沒有全寫的。

IEEE 802.11第一個版本發表於1997年,其中定義了介質訪問接入控制層和物理層。物理層定義了在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無線調頻方式和一種紅外線傳輸的方式,總數據傳輸速率設計為2Mbit/s。兩個設備之間的通信可以自由直接(ad hoc)的方式進行,也可以在基站(Base Station,BS)或者訪問點(Access Point,AP)的協調下進行。1999年加上了兩個補充版本:802.11a定義了一個在5GHz ISM頻段上的數據傳輸速率可達54Mbit/s的物理層,802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但數據傳輸速率高達11Mbit/s的物理層。

2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數國家通用,因此802.11b得到了最為廣泛的應用。蘋果公司把自己開發的802.11標準起名叫AirPort。1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟,致力解決符合802.11標準的產品的生產和設備兼容性問題。Wi-Fi為制定802.11無線網路的組織,並非代表無線網路。

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802.11標準和補充

  • 802.11,1997年,原始標準(2Mbit/s,2.4GHz頻道)。
  • 802.11a,1999年,物理層補充(54Mbit/s,5GHz頻道)。
  • 802.11b,1999年,物理層補充(11Mbit/s,2.4GHz頻道)。*

下列常見的標準於2007年收錄在802.11

  • 802.11c,符合802.1D的媒體接入控制層(MAC)橋接(MAC Layer Bridging)。
  • 802.11d,根據各國無線電規定做的調整。
  • 802.11e,對服務等級(Quality of Service, QoS)的支持。
  • 802.11f,基站的互連性(Interoperability)。
  • 802.11g,物理層補充(54Mbit/s,2.4GHz頻道)。
  • 802.11h,DFS /TPC,信道(5GHz頻段)。
  • 802.11i,安全和鑑權(Authentication)方面的補充。

2008年以後的標準

  • 802.11k
  • 802.11n,2009年,導入多重輸入輸出(MIMO)和40Mbit信道寬度(HT40)技術,基本上是802.11a/g的延伸版。
  • 802.11r
  • 802.11t
  • 802.11u
  • 802.11v
  • 802.11w
  • 802.11z

2011年以後的標準

  • 802.11ac,物理層補充(1×1 MIMO,433Mbit/s,5GHz頻道),80Mbit信道寬度。

除了上面的IEEE標準,另外有一個稱為IEEE 802.11b+的技術,通過PBCC技術(Packet Binary Convolutional Code)在IEEE802.11b(2.4GHz頻段)基礎上提供22Mbit/s的數據傳輸速率。但這事實上並不是IEEE的公開標準,而是一項產權私有的技術(產權屬於美國德州儀器,Texas Instruments)。也有一些稱為802.11g+的技術,在IEEE 802.11g的基礎上提供108Mbit/s的傳輸速率,跟802.11b+一樣,同樣是非標準技術,由無線網絡晶片生產商Atheros所提倡的則為SuperG。

年代

Wi-Fi可分為七代。由於ISM頻段中的2.4GHz頻段被廣泛使用,例如微波爐、藍牙,它們會干擾WiFi,令速度減慢,5GHz干擾則較小。雙頻路由器可同時使用2.4GHz和5GHz,裝置則只能使用某一個頻段。

  1. 第一代802.11,1997年制定,只使用2.4GHz,最快2Mbit/s
  2. 第二代802.11b,只使用2.4GHz,最快11Mbit/s,正逐漸淘汰
  3. 第三代802.11g/a,分別使用2.4GHz和5GHz,最快54Mbit/s
  4. 第四代802.11n,可使用2.4GHz或5GHz,20和40MHz頻寬下最快72和150Mbit/s
  5. 第五代802.11ac,可使用2.4Ghz,5GHz
  6. 第六代802.11ad,可使用2.4Ghz,5Ghz,60Ghz
  7. 第七代802.11ax,可使用2.4Ghz,5Ghz

用途

網路連接

  • 具Wi-Fi功能的設備:如個人電腦,遊戲機,智慧型手機或數位音訊播放器可以從範圍內的無線網絡連接到網路。一個或多個(互聯)存取點–稱之為熱點 - 可以組成一個面積由幾間房間到數平方英里範圍的上網空間,覆蓋的面積大小可能取決於存取點的重疊範圍。Wi-Fi技術已被用於無線網狀網路,例如,在倫敦、英國,除了家裡和辦公室使用外,Wi-Fi無線網絡還可以提供免費使用的公開熱點和各種商業服務。
  • 組織和企業:例如機場、飯店、餐廳等經常提供來訪者免費熱點,以吸引或協助客戶。商家會依愛好者希望提供服務,有時也為在某些領域推銷企業而提供免費的Wi-Fi站點。目前在中國和臺灣,許多大型飯店和商場的內部,都會提供免費Wi-Fi熱點供來訪者使用互聯網。截至2008年為止,Wi-Fi的(Muni-Fi)的項目已超過300個城市參與。2010年捷克共和國已有1150家Wi-Fi網路服務供應商。
  • 路由器,結合了數據機和Wi-Fi存取點,通常設置在家裡房間、飯店客房或其他場所,可以提供互聯網連接以及和互聯網絡的所有設備連接(無線或有線)。但因為家用無線路由器的功率較小,所以其信號覆蓋範圍、信號強度也較小。隨著MiFi和WiBro(攜帶式Wi-Fi路由器)的出現,可以很容易地建立自己的Wi-Fi熱點,透過電信網路連接到網路。現在,許多移動電話(智能手機)也可充當小型無線路由器,供周圍的設備連接互聯網。
  • 也可以使用ad-hoc模式,不經路由器而是客戶端直接連接到另一個客戶端的Wi-Fi設備。Wi-Fi無線覆蓋範圍,也包含了浴室、廚房和花園等地,使網路無所不在。

城市Wi-Fi覆蓋

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戶外Wi-Fi熱點

21世紀初期,世界各地的許多城市都宣佈計劃構建全市Wi-Fi網絡。但這比最初發起人設想的更為困難,結果這些項目大多被取消或無限期擱置。但是有幾個是成功的,例如在2005年,美國加州森尼維爾成為在美國的第一個提供全市免費Wi-Fi的城市。2010年5月,倫敦市長鮑里斯·約翰遜承諾到2012年倫敦Wi-Fi普及,幾個自治市鎮包括威斯敏斯特和伊斯靈頓已經有了廣泛的Wi-Fi覆蓋。全球已建和建造中的Wi-Fi城市已經超過500個,其中覆蓋率最高者為臺北市,其已達到全市已有4000個無線存取點(AP, Access Point),未來將至10,000個,覆蓋率達到90%,全球主要的大都市的重要公共場所多已有Wi-Fi技術,如上海、臺北、香港、新加坡、漢堡、巴黎、華盛頓、倫敦、紐約等。

校園的Wi-Fi覆蓋

卡內基美隆大學於1994年在其匹茲堡校區建立了世界上第一個無線網絡,比起源於1999年的Wi-Fi品牌還要早。2000年,費城德雷克塞爾大學創造了歷史,成為美國第一個提供全校園無線網路覆蓋的主要大學。現在大多數校園已設置無線上網。

在臺灣的許多大學圖書館內,也設有免費Wi-Fi熱點,提供學生使用。

在中國大陸,各大高等院校以及許多中學校園內覆蓋有免費或收費的教育網校園Wi-Fi,以及電信營運商架設的收費校園熱點(中國電信:Chinanet,中國移動:CMCC)。

在香港,各大專院校各自提供該校專門的Wi-Fi供學生使用,多數需要以學生個人編號和密碼來登入。

另外,全世界許多科研和教育機構都提供教育網漫遊服務eduroam,加入該聯盟的機構成員可使用本機構的賬號,在各聯盟單位內實現無線網絡訪問的無障礙漫遊。

電腦對電腦直接通訊

Wi-Fi無線通信也可以不需通過存取點,直接從一臺電腦傳出到另一臺。這就是所謂Ad-hoc模式的Wi-Fi傳輸。這種無線ad-hoc網絡模式受到掌上游戲機(如任天堂的3DS遊戲機)、數位相機和其它消費性電子設備的歡迎。Wi-Fi聯盟推動一個新的安全方法規範,稱為Wi-Fi Direct,直接進行文件傳輸和媒體共享。

優勢和挑戰

商業優勢

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一個偵測Wi-Fi的鑰匙圈

Wi-Fi部署區網(LAN)可讓客戶端設備無需使用電線,降低網絡部署和擴充的成本。許多空間不能架設電纜,如戶外區和歷史建築,可運用無線區網來改善。

現在大多數筆記型電腦製造商已經內建無線網路裝置。Wi-Fi的價位持續下跌,使之漸漸普及,已成為企業普遍的基礎設施。

根據Wi-Fi聯盟指定,“Wi-Fi認證”是向後相容的。它指定一套全球統一標準:不同於行動電話,任何Wi – Fi標準設備將在世界上任何地方正確執行。

Wi – Fi已在22萬個以上公開熱點和幾千萬戶家庭、公司及世界各地的大學校園中使用。2010年,Wi-Fi保護訪問加密(WPA2)被認定安全,能讓用戶使用強大的密碼。新協議的Wi-Fi Multimedia(WMM)說明Wi-Fi更適合於延遲敏感型應用(如語音和視頻),此外,WMM的省電機制能提高電池效率。

限制

Wi-Fi在全球各地的頻率分配和操作限制並不相同。臺灣、美國所用的標準在2.4 GHz頻帶有11個頻道,而在歐洲大部份地區有另外的2個頻道,即13個頻道(1-11 v.s 1-13),日本還要追加一個(1-14)。這造成混亂現象:一個Wi-Fi信號在2.4 GHz頻段實際上佔用五個頻道,兩個頻道編號之差大於5的頻道,如2和7,不會發生頻道重疊,因此在美國只有3個非重疊頻道:1、6、11。在歐洲有三個或四個非重疊頻道:1、6、13或1、5、9、13。Effective Isotropic Radiated Power(EIRP)在歐盟被限制為20 dBm的(100mW)。

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傳遞的距離

Wi-Fi網絡範圍有限。一個使用802.11b或802.11g的典型無線路由器和天線,在無任何障礙物下可覆蓋範圍可達到室內-50平方米(538英尺)/室外-140平方米(1,500英尺)。802.11n可到達超過這個範圍兩倍的距離,範圍隨頻率的波段調整。Wi-Fi在2.4 GHz的頻率區段範圍比5 GHz的頻率區段稍微好些。

通過使用定向天線,室外覆蓋範圍可提高數公里或以上。在一般情況下一個Wi-Fi設備的最高功率傳輸是受限於地方法規,如美國FCC第15條。

為達到無線區網的應用要求,和其他裝置相比Wi-Fi顯得相當耗電。其他技術如藍牙(可支持無線PAN應用)提供了一個較小的傳播範圍(小於十公尺),因此耗電量較低。其他低耗電技術,如ZigBee的有相當長的範圍,但傳輸速率卻很低。Wi-Fi的高耗電特性使得電池壽命的問題漸受重視。

研究人員已經開發出“不須新線”的技術,試圖彌補Wi-Fi室內範圍不足的問題。安裝新的電線(如cat-5)不具成本效益,ITU-T G.hn(英語:G.hn)標準的高速區域網絡使用現有的家庭線路(同軸電纜,電話線和電源線)來達成。雖然G.hn不具備一些Wi-Fi優勢(如可移動性或戶外使用),它的設計應用(如IPTV分配)仍在室內範圍發揮功能。

典型Wi-Fi的頻率由於電波傳播的複雜性,特別是樹和建築物影響信號的反射,只能大約測出Wi-Fi有關地區的發射器的信號強度。但這不包括遠距離Wi-Fi,因為遠距離Wi-Fi是使用塔臺或高建築頂上的天線所架設的。

基本上,Wi-Fi的實際應用範圍非常有限,例如;倉庫中或零售空間的盤點機、結帳條碼閱讀器、收發臺。市面上的無線路由器最低覆蓋率可達80平方公尺,蘋果公司的AirPort技術更可達100-140平方公尺。

技術簡介

網絡成員和結構

  • 站點(Station),網絡最基本的組成部分。
  • 基本服務單元(Basic Service Set,BSS)。網絡最基本的服務單元。最簡單的服務單元可以只由兩個站點組成。站點可動態連結(associate)到基本服務單元中。
  • 分配系統(Distribution System,DS)。分配系統用於連結不同的基本服務單元。邏輯上,分配系統使用的媒介(Medium)和基本服務單元使用的媒介完全不同,儘管物理上它們可能會是同一個媒介,例如同一個無線頻段。
  • 接入點(Access Point,AP)。接入點即有普通站點的身份,又有連接到分配系統的功能。
  • 擴展服務單元(Extended Service Set,ESS)。由分配系統和基本服務單元組合而成。這種組合是邏輯上,並非物理上。不同的基本服務單元物有可能在地理位置相去甚遠。分配系統也可以使用各種各樣的技術。
  • 關口(Portal)。也是一個邏輯成分,用於將無線局域網和有線局域網或其它網絡聯繫起來。

這裡有3種媒介,站點使用的無線媒介,分配系統使用的媒介,以及和無線局域網集成一起的其它局域網使用的媒介。物理上它們可能互相重疊。IEEE 802.11只負責在站點使用的無線的媒介上的尋址(Addressing)。分配系統和其它局域網的尋址不屬無線局域網的範圍。

IEEE802.11沒有具體定義分配系統,只是定義了分配系統應該提供的服務(Service)。整個無線局域網定義了9種服務:

  • 5種服務屬於分配系統的任務,分別為,連接(Association)、結束連接(Diassociation)、分配(Distribution)、集成(Integration)、再連接(Reassociation)。
  • 4種服務屬於站點的任務,分別為,鑑權(Authentication)、結束鑑權(Deauthentication)、隱私(Privacy)、MAC數據傳輸(MSDU delivery)。

運作原理

Wi-Fi的設置至少需要一個存取點(Access Point,AP)和一個或一個以上的客戶端使用者(client)。無線AP每100ms將SSID(Service Set Identifier)經由beacons(信號臺)封包廣播一次,beacons封包的傳輸速率是1 Mbit/s,並且長度相當的短,所以這個廣播動作對網路效能的影響不大。因為Wi-Fi規定的最低傳輸速率是1 Mbit/s,所以確保所有的Wi-Fi client端都能收到這個SSID廣播封包,client可以藉此決定是否要和這一個SSID的AP連線。使用者可以設定要連線到哪一個SSID。Wi-Fi系統開放對客戶端的連接並支援漫遊,這就是Wi-Fi的好處。但亦意味著,一個無線適配器有可能在性能上優於其他的適配器。由於Wi-Fi通過空氣傳送信號,所以和非交換以太網路有相同的特點。

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近兩年,出現一種WIFI over cable的新方案。此方案屬於EOC(ethernet over cable)中的一種技術。通過將2.4G wifi射頻降頻後在cable中傳輸。此種方案已經在中國小範圍內測試商用。

Wi-Fi認證

Wi-Fi技術建立在IEEE 802.11ah標準上。

但IEEE開發和出版這些標準,卻不測試符合他們的設備。非營利性的Wi-Fi聯盟成立於1999年,以填補這一段空白——建立並執行標準,並推動無線區域網路技術。

至2009年截止Wi-Fi聯盟擁有超過300多家來自世界各地公司和廠家會員,他們的產品通過認證過程後,有權標明Wi-Fi標誌。

認證過程具體來說檢查是否符合IEEE 802.11無線標準的規定、WPA和WPA2安全標準,以及EAP的認證標準。

認證時可以選擇測試包括IEEE 802.11的標準802.11n (CERTIFIED n)、與行動網路互動設備的結合、有關安全和功能設置、多媒體、以及省電能力。

數據安全

超文本傳輸協議(HTTP)網站容易在公眾WI-FI上的檔案輸送過程中披露個人資料,超文本傳輸安全協議(HTTPS)利用SSL/TLS加密HTTP,保護交換資料的完整性和隱私。

讀音爭議

2012年11月6日,《山東商報》引用山東外事翻譯職業學院商務英語教研室主任溫顏的說法稱,Wi-Fi的發音從語法角度來說,應該為“微費”,因為“這個詞是由‘wireless(無線電)’和‘fidelity(保真度)’這兩個英語單詞組成,但是發音又不能按照這個詞的發音來,因為‘Wi-Fi’是一個合成詞,應該按照一個單詞的語法來發音。”這個詞中有兩個元音字母“i”,所以應該發短音,故從語法角度講,發音應是“微費”。這種說法一時在中國大陸網上引起了很大爭議,網友甚至搬出了牛津字典中的/ˈwaɪ faɪ/注音和美劇《生活大爆炸》裡的相關視頻來質疑。但有網友稱,法國最權威的Le petit Robert詞典最新版,wifi音標是[wifi],發音接近漢語的“微費”。


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