WiFi技术在无线网络中的应用

WiFi技术在无线网络中的应用 桑培培 1110170101 聊城大学计算机学院，山东 聊城 252059 摘要：无线网络正快速进入家庭。本文通过对几种无线组网技术的比较，说明了WiFi在组建家庭无线网络时所拥有的无可比拟的优势。详细介绍了基于WiFi技术、以家庭网关为核心的家庭无线网络体系结构，并着重从家庭网关和信息家电方面对基于WiFi的家庭无线网络的应用架构和实现原理进行了分析，讨论了一些具体实施时的关键技术。最后对基于WiFi的无线网络的发展和应用前景进行了展望。 关键词：WiFi家庭网关、HomeRF、Bluetooth、WiFi优势 Wi-Fi Technology On The Application Of The Wireless Network SangPeipei 1110170101 College of Computer Science, Liaocheng University, Liaocheng Shandong, 252059 Abstract: The wireless network is rapidly going into the home. Based on the comparison of some wireless network technology, it shows the incomparable advantage of WiFi in starting a family wireless network. Introduce the family wireless network system structure with the core of the family gateway on the base of WiFi technology and analyze application architecture and realizing theory based on the WiFi family wireless network emphatically from the family gateway and home appliance information, and discuss some key technology of practice. Finally look into the distance based on WiFi wireless network development and application prospect. Keywords: WiFi family gateway、HomeRF、Bluetooth、Advantages of WiFi 1．无线组网技术 1.1 WiFi、HomeRF和Bluetooth Internet的迅速发展,使人们的生活发生了翻天覆地的变化。人们的日常生活已经越来越离不开网络。现在,人们已经习惯了在网上炒股、购物、查询账目、缴费和搜索资料。人们迫切希望能够任何时间、在任何地方使用网络。很显然,无线网络是最佳的选择。目前，用于实现无线组网的主要有WiFi、HomeRF以及Bluetooth（蓝牙）。它们都工作在2.4CHz频段。该频段全球开放，即不用申请就可以在世界的任何地方使用这一频段进行通信。 1.1.1 WiFi WiFi(Wireless Fidelity，无线保真技术)即IEEE802.11 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。WiFi的第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。规定了无线局域网的基本网络结构和基本传输介质，规范了物理层(PHY)和介质访问层(MAC)的特性。物理层采用红外、DSSS(直接序列扩频)或FSSS(调频扩频)技术[1]。1999年又增加了IEEE802.lla、和IEEE802.llg 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。其传输速率最高可达54Mbps。能够广泛支持数据、图像、语音和多媒体等业务。 1.1.2 HomeRF RF是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～30GHz之间。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。有线电视系统就是采用射频传输方式的。 HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。 　　 HomeRF的特点是安全可靠；成本低廉；简单易行；不受墙壁和楼层的影响；传输交互式语音数据采用TDMA技术，传输高速数据分组则采用CSMA/CA技术；无线电干扰影响小；支持流媒体等。HomeRF是专门为家庭用户 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的无线局域网技术，由HomeRF工作组开发。能够提供lMbps—l0Mbps的速率。采用跳频扩谱方式、时分多址(TDMA)和载波监听多重访问冲突避免(CSMA/CA)等技术，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信。HomeRF提供了与TCP，IP良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。但是HomeRF开放性不好，而且技术本身还存在抗干扰性差等缺点。 1.1.3 Bluetooth(蓝牙) 1）蓝牙简介 Bluetooth（蓝牙）是一种短距离无线通信技术，可把各种便携式电脑和蜂窝式移动电话用无线网络联系起来，达到计算机和通信的更加紧密的连接，提供随时随地的数据信息的交换和传输。传输速率lMbps。它有限的带宽和较小的传输距离无法满足人们日常应用的需求。 蓝牙，对于手机乃至整个IT业而言已经不仅仅是一项简单的技术，而是一种概念。当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动。抛开传统连线的束缚，彻底地享受无拘无束的乐趣，蓝牙给予我们的承诺足以让人精神振奋。蓝牙技术是一种无线数据与语音。通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9×9 mm的微芯片中。 2）蓝牙技术优势 Bluetooth无线技术规格供我们全球的成员公司免费使用。许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声，传输数据或进行语音通信。Bluetooth技术在2.4GHz波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学 (ISM) 无线电波段。正因如此，使用Bluetooth技术不需要支付任何费用。但您必须向手机提供商注册使用GSM或CDMA，除了设备费用外，您不需要为使用 Bluetooth技术再支付任何费用。 1.2 WiFi的优势和不足 1)无线电波的覆盖范围广。蓝牙的电波覆盖范围很小，半径大约只有15米左右，而WiFi的半径可达100米。甚至可以覆盖整栋大楼。 2) WiFi的传输速度很快，最高可达54Mbps，符合个人和社会信息化的需求。在网络覆盖范围内，允许用户在任何时间、任何地点访问网络，随时随地享受诸如网上证券、视频点播(VOD)、远程教育、远程医疗、视频会议、网络游戏等一系列宽带信息增值服务，并实现移动办公。 3)无须布线，可以不受现实地理条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。只要在需要的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入。这样，在“热点”所发射出的电波的覆盖范围内，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。 4) 厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。 5）健康安全 IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦，这是一个什么样的概念呢？手机的发射功率约200毫瓦--l瓦间，手持式对讲机高达5瓦。与后者相比，WiFi产品的辐射更小。手机的发射功率约为200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，是绝对安全的[2]。 6) WiFi应用现在已经非常普遍。支持WiFi的电子产品越来越多，像手机、MP4、电脑等，基本上已经成为了主流标准配置。而且由于WiFi网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖，适合充当家庭中的主导网络，家里的其他具备WiFi功能的设备，如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等，都可以通过WiFi建立通信连接，实现整个家庭的数字化与无线化，使人们的生活变得更加方便与丰富。 7）不过在现阶段，WiFi还只能作为特定条件下的应用，相对于有线网络来说，无线网络在其覆盖的范围内，它的信号会随着离节点距离的增加而减弱，WiFi本身11Mb/s的传输速度有可能因为距离的增加到达终端用户的手中只剩1Mb/s的有效速率，而且无线信号容易受到建筑物墙体的阻碍，无线电波在传播过程中遇到障碍物会发生不同程度的折射、反射、衍射，使信号传播受到干扰，无线电信号也容易受到同频率电波的干扰和雷电天气等的影响，这些都会造成网络信号的不稳定和速率下降，这对于习惯使用有线网络的用户来说使用的效率就下降了。而且，WiFi网络由于不需要显式地申请就可以使用无线网络的频率，因而网络容易饱和而且易受到攻击。 8）WiFi网络的安全性差强人意。802.11提供了一种名为WEP（Wired Equivalent Privacy）的加密算法，它对网络接入点和主机设备之间无线传输的数据进行加密，防止非法用户对网络进行窃听、攻击和入侵。但由于WiFi天生缺少有线网络的物理结构的保护，而且也不像要访问有线网络之前必须先连接网络，如果网络未受保护，只要处于信号覆盖范围内，只需通过无线网卡别人就可以访问到你的网络，占用你的带宽，造成你信息泄露[3]。这对WiFi的企业级应用造成了严重的阻碍，针对这种情况，IEEE提出了802.11i，它是一个对产品认证和访问的无线安全协议，基于强大的AESCCMP（高速加密标准模式/CBC-MAC协议）加密算法，避免了WEP协议中的向量初始化和信息完整性检查等错误。它引用了几种重要的管理算法AES（Advanced Encryption Standard）、TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）以及动态的会话密（session key）等。思科、英特尔等公司纷纷推出相应的产品，使无线网络在商务、企业和政府的应用中取得更进一步的发展。 2．WiFi工作方式 WiFi定义了两种类型的设备。一种是无线站。通常通过一台PC机加上一块无线网卡构成。另一种称为无线接入点(Access Point，AP)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口（802.3接口）构成，桥接软件符合802.ld桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。 WiFi定义了两种模式：infrastructure模式和ad hoc模式。infrastructure模式，即无线网络至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。由于很多用户需要访问有线网络上的设备或服务，所以基本上都会采用这种模式。ad hoc模式，也称为点对点模式（pear to pear模式）或IBSS(In-dependent Basic Service Set) [4]。 3. 家庭无线网络中的WiFi的实现 3.1 以家庭网关为核心的家庭网络结构 为了实现家庭内部网络与外部Internet相连互通，在家庭内网和外部Internet之间需要一个家庭网关。该网关是整个家庭无线网络系统的核心部分，它一方面完成家庭无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，并且同外部网络进行数据交换，另一方面还负责对家庭中网络终端进行管理和控制。家庭中的网络终端也通过这个网关与外部网络连通。实现交互和信息共享。同时，该网关还应有防火墙能力，能够避免外界网络对家庭内部网络终端设备的非法访问和攻击。其结构如图1所示。 图1 家庭网络总体结构图 3.2 WiFi技术在家庭无线网络中的实现 在家庭网络中，WiFi主要应用在各种信息家电和家庭网关上。我们可以使用个人电脑、手持网络终端或者遥控器与家庭网关进行连接，并通过家庭网关对各种信息家电实施有效的管理和控制。因此，可以采用客户—服务器体系结构。网关充当服务器的角色，控制设备对各种信息家电的控制也通过网关完成。这样有利于实现胖服务器—客户端的结构。 3.2.1 家庭网关模块 家庭网关是我们整个网络的核心部件。所有的信息家电以及控制设备都要连接到这个网关上。同时，网关还要与外部Internet互连。那么网关需要实现WiFi，并提供如TCP/IP、HTTP、WebServer等高层应用和图形用户界面。完成此功能的协议结构如图2所示。其应用层采用统一设备管理协议（Universal Device Control Protocol，UDCP），用来进行整个网络中设备的添加、删除、状态查询、 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 配置等管理和控制。UDPC采用客户—服务器结构，服务器端各信息家电和控制设备，客户为家 庭网关[5]。 图2 利用家庭网关控制家电协议结构 家庭网关基于嵌入式Linux进行架构。由嵌入式Linux系统实现WiFi功能，并提供图形用户界面和TCP/IP、HTTP、Web-Server等高层应用。用户可以通过身份鉴别后登录家庭网关，并使用系统提供的图形控制界面对信息家电进行控制和管理。家庭网关同时支持嵌入式Web服务器。当我们合法登录后，就可以使用该服务器提供的Web页面对网络中的各种信息家电进行管理和控制。嵌入式的Web服务器可选用boa，它是嵌入式Linux下应用最为广泛的HTTP服务器程序，功能全面。并且能够很好的支持CGI技术进行服务器端的扩展。而且boa支持大家广泛熟悉的C语言来实现CGI程序。 家庭网关启动后，完成系统的初始化，并加载相关的服务。将接收到的用户的控制或查询命令进行处理，CGI程序将命令转换成为UDCP报文，通过WiFi模块发送给网络中的信息家电或控制设备[6]。同时，家庭网关还通过WiFi来接收信息家电的当前状态信息，通过处理后将其反馈给控制设备，以便用户使用。 3.2.2 信息家电模块 信息家电上的WiFi功能有两种实现模式。一种是信息家电自身带有WiFi功能。这是理想的状态。现在已经有很多家用电器比如电视机、DVD等都已经具备了此功能。第二种是对原本不带WiFi功能的家用电器进行WiFi扩展。可选用Rabbit公司的WiFi核心模块和其相应的开发包进行相关扩展。由于信息家电的高端功能都由家庭网关来完成，所以可以不用实现WiFi的上层协议，只实现对其的控制。信息家电将自身采集到的各种状态信息传递给其自身的或者是扩展的微控制器，微控制器接收到这些数据后将其转换成UDCP报文，并通过WiFi模块将其发送给家庭网关。同时，信息家电还通过WiFi模块接受来自家庭网关的信息，处理后转换成对家电的控制或查询，并将其随后的状态信息由WiFi模块反馈给家庭网关[6]。 4.WiFi的现阶段应用 随着数字通信技术的不断发展，无线网络不再仅仅是计算机链接网络上网的一种手段，它无线移动的优势为人们带来更为全面、新颖、快捷、廉价的沟通方式。目前WiFi多被应用在机场、车站、咖啡厅、图书馆等人员比较密集的场所。随着宽带数据的飞速进步，对于通讯行业来说，如何利用新的技术在这个平台上为客户提供语音、视频等业务，转变传统的语音提供方式而改为宽带运营方式，整合现有的资源，多网合并，避免设备的重复建设，提高网络基础建设的利用率，在现阶段有着异乎寻常的意义，传统的通讯行业似乎面临着一场数字化时代的变革，IP、VOIP等业务逐渐兴起并且发展壮大，传统垄断的固话、移动业务受到了极大地挑战。对于整个通讯行业，不管是沿用现有的网络，2G、3G或者宽带互联网，最终要给人们带来的是顺畅的沟通、丰富的信息资源。 今年我国电信业重组后，三家公司都拥有了全部电信业务执照，目前电信、移动都在加紧增设各大城市中WiFi热点区域，在原有传统通话业务的基础上，利用WiFi网络开拓新的数据业务市场。中国电信 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 部署的热点可能高达10万个，涉及上海、杭州、南京、武汉、南昌等全国近30个无线城市建设，WiFi全部采用最新的802.11g技术，理论带宽54Mbps，实际有效带宽20Mbps。中国移动也针对其全球通高端用户推出相应的WiFi套餐以作推广。 WiFi技术在全球的用户已经超过了4.5亿，2008 年WiFi在中国应用市场的总值将达12亿美元，中国的WiFi产业应用市场正在高速地增长。我国的香港、台湾等地已经实现了部分无线覆盖，国内也已经有十个城市确定了无线城市的发展目标，并正在建设之中，它基于WiFi-Mesh、WiMAX技术的无线宽带网络具有高带宽、低成本、灵活方便的优势，它能为我们在整个城市的范围内随时随地地提供无线网络服务，电脑、各种手持移动设备等数码产品不再需要网线的牵绊就能连入到互联网。 前几年我们还在讨论到底是PDA集成手机功能还是手机集成PDA功能，近些年来，手机的功能越来越丰富，在独立的智能操作系统上，手机能处理文档，播放多媒体视频和音乐，能上网利用MSN或者QQ聊天，能收发邮件，能浏览网页，随着智能手机的兴起，PDA则慢慢退出了我们的视线。网络为手机注入的新的活力，开拓了新的市场。WiFi在手机上应用的市场是广阔的，潜力是巨大的。WiFi手机由于其方便快捷的移动性和高速宽带的数据传输，更有智能手机日趋完善的操作系统和各自平台上的软件支持，使其深受手机高端客户、商务人士和各大运营商们的追捧。预计2009年中国WiFi手机市场规模将达到86万部，2012 年市场规模更将达到1900万部。 现在WiFi已经成为笔记本电脑的标准配置，随着WiFi网络覆盖越来越广，接下来成为手机等手持移动设备的标准配置也为期不远。目前，在集成了WiFi功能的手机上，我们已经可以通过网络下载各类应用程序丰富手机的功能，还能在线听音乐、看电视、浏览网站，能利用MSN和QQ等聊天工具与好友进行交流，能在线查看股票信息，在线进行交易。而且现在Skype、Trephine等软件可以安装在手机的智能平台上，通过WiFi连接互联网将语音信息出去，让用户可以通过手机与Google Talk、MSN等聊天工具的使用者进行语音聊天，还可以直接接通国内、国际的移动电话和固定电话，其话费相对于现在移动、联通的手机资费有相当大的优势，特别是长途和国际长途，而且通话语音比较清晰。 由于国内WiFi技术的应用起步较晚，目前主要还是应用在PC机、笔记本电脑等通用平台上，但随着各种新的无线网络需求出现，WiFi在手持设备、信息家电、工业控制等嵌入式环境中的应用日益增多，这将成为WiFi技术应用的另一个热点。以后我们在下班之前就可以通过无线网络控制家里集成了WiFi网络芯片的电饭煲开始烧饭，可以控制WiFi热水器在到家之前给主人烧好洗澡的热水、WiFi冰箱会根据每周的营养食谱向超市发出单……现在佳能公司出品的一款数码相机就可以不需要连接电脑，直接通过WiFi网络把拍好的照片直接传到网络上。融合了WiFi的无线连接技术巨大浪潮似已到来，它会使我们的生活更加丰富多彩。 5. WiFi未来发展 　　这两年内，无线AP的数量呈迅猛的增长，无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及。除了在目前的一些公共地方有AP之外，国外已经有先例以无线标准来建设城域网，因此，WiFi的无线地位将会日益牢固。 　　WiFi是目前无线接入的主流标准，但是，WiFi会走多远呢？在Intel的强力支持下，WiFi已经有了接班人。它就是全面兼容现有WiFi的WiMAX，对比于WiFi的802.11X标准，WiMAX就是802.16x。与前者相比，WiMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等等，预计会在未来几年间成为无线网络的一个主流标准，Intel计划将来采用该标准来建设无线广域网络。这相比于现时的无线局域网或城域网，是质的变革，而且现有设备仍能得到支持，保护人们的每一分钱投资。 　　总而言之，家庭和小型办公网络用户对移动连接的需求是无线局域网市场增长的动力，虽然到目前为止，美国、日本等发达国家仍然是目前WiFi用户最多的地区，但随着电子商务和移动办公的进一步普及，廉价的WiFi，必将成为那些随时需要进行网络连接用户的必然之选。 　　最近，业界纷纷传出WiFi已出现生存危机的消息。据国外媒体报道，日前很多企业仍然在WiFi这方面投入巨资，但从中赢利的企业几乎没有。据悉很多企业因WiFi而破产，前不久R Wireless公司也放弃了该项业务。那么WiFi的盈利情况是否真的出现危机了？不可否认，WiFi技术的商用目前碰到了许多困难。一方面是受制于WiFi技术自身的限制，比如其漫游性、安全性和如何计费等都还没有得到妥善的解决。另一方面，由于WiFi的赢利模式不明确，如果将WiFi作为单一网络来经营，商业用户的不足会使网络建设的投资收益比较低，因此也影响了电信运营商的积极性。但从WiFi技术定位看，我认为，对于电信运营商而言，WiFi技术的定位主要是作为高速有线接入技术的补充，将来逐渐也会成为蜂窝移动通信的补充。 虽然WiFi技术的商用在目前碰到了一些困难，但这种先进的技术也不可能包办所有功能的通信系统。可以说只有各种接入手段相互补充使用才能带来经济性、可靠性和有效性。因而，它可以在特定的区域和范围内发挥对3G的重要补充作用，WiFi技术与3G技术相结合将具有广阔的发展前景。 参考文献： [1]唐思敏．WIFI技术及其应用研究[J]. 2009，(10):59-60． [2]ANSl/lEEE Std.802.ll,Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) specifications[S].1999. 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