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WLAN基础与原理


WLAN基础与原理 w.8 ww
IT 部落 认证 h / p:/ tt h 2008-3 部落 证 T认 I

b m/b o d.c cm

s s

c md. c w.8 w //w : ttp

b m/b o

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http:/

/www.8cmd.com/bbs

什么是WLAN
WLAN是Wireless LAN(无线局域网)的简称:
基于IP的,能提供一定范围内的高速数据连接; 采用2.4GHz或5.8GHz无线频率(ISM频率)传输,没有 s /bb 线缆限制; m .co d 8cm 传输距离几十米,采用特殊技术可以达到几百米以上; ww. w s :// WiFi是Wireless Fidelity(无线高保真)的简称,主 tp /bb m ht .co d 要指WiFi论坛组织,负责设备的互操作性的认证 部落 8cm . 认证 www / IT (非强制性); p:/ htt 部落 证 T认 I 802.11系列标准,IEEE制定的一个无线局域网标准

,主要用于解决局域网中,用户与用户终端的无线 接入。
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WLAN的网络结构

传统的有线网络

IT

部落 认证 I

h

w.8 w //w : ttp h

b m/b o d.c cm

s s

AP终结与终端间的802.11b/g T认 协议,并转化为802.3协议接 入传统的LAN网络

部落 证

c md. c w.8 w //w : ttp
AP

b m/b o

802.3

802.11b/g

终端

WLAN

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WLAN的网络结构

WLAN

应用层 TCP IP LLC

IT

部落 认证 IT认

h

w.8 w //w : ttp h

b m/b o d.c cm o d.c cm

s
LAN

s /bb m
应用层 TCP IP LLC 802.3 MAC 802.3 PHY

部落 证

8 ww. w :// ttp
LLC 802.3 MAC 802.3 PHY

802.11 MAC 802.11 PHY

802.11 MAC 802.11 PHY

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WLAN标准族(一)
标准编号 IEEE 802.11 IEEE 802.11a IEEE 802.11b IEEE 802.11d IEEE 802.11e IEEE 802.11f IEEE 802.11g IEEE 802.11h IEEE 802.11i IEEE 802.11j 负责的技术领域 物理层和媒质接入层规范 物理层和媒质接入层规范——5.8GHz频段高速物理层规范 bbs

/ com . 物理层和媒质接入层规范——2.4GHz频段高速物理层扩展 cmd w.8 w 物理层方面的特殊要求 /w / s tp: /bb ht om MAC层增强——服务质量保证(QoS) .c d 部落 8cm . 认证 802.11的接入点互操作协议(IAPP) www / IT支持IEEE p:/ htt 2.4GHz频段高速物理层扩展 部落 证 额外定义了物理层方面的要求(如信道化、跳频模式等) T认 I
无线局域媒质接入控制层安全性增强协议 日本采用的等同于IEEE 802.11h的规范

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WLAN标准族(二)
标准编号 IEEE 802.11k IEEE 802.11m IEEE 802.11n IEEE 802.11o IEEE 802.11p IEEE 802.11q IEEE 802.11r IEEE 802.11s IEEE 802.11t IEEE 802.11u IEEE 802.11v 负责的技术领域 射频资源管理

s /bb m 高速物理层和媒质接入层规范 .co d 8cm VoWLAN ww. w s :// tp /bb 车载条件下的无线通信 m ht .co d 部落 8cm VLAN的支持机制 . 认证 www / IT p:/ 快速漫游 htt 部落 Mesh网状网 证 T认 I 无线网络性能预测
与其他网络的交互性 无线网络管理

对IEEE 802.11规范体系进行维护、修正和改进

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WLAN标准演进
最大传输速率 600M ~ 108M

T I54M

部落 认证

h

w.8 w //w : ttp

b m/b 802.11n o d.c cm

s s

11M 认 IT 2M

部落 证
802.11

c md. c w.8 802.11a w802.11g //w : ttp h

b m/b o

802.11b

1997

1999

2003

今后

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WLAN标准演进
802.11
IEEE在1997年推出的第一代WLAN标准; s 定义了无线局域网的物理层以及MAC层标准; /bb m .co d 8cm 定义了物理层数据的传输方式: ww.

w s :// 两种使用2.4GHz的RF传输方式:DSSS(直接序 tp /bb m ht .co d 列扩频)以及FHSS(调频扩频) 部落 8cm . 认证 www IT 采用红外线传输方式 :// p htt 采用DSSS或FHSS技术时,传输速率有1Mbps和 部落 2Mbps 认证 IT

在MAC层采用了类似与有线以太网CSMA/CD 协议的CSMA/CA协议;
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WLAN标准演进
802.11b:
1999年推出,802.11标准的扩展; s 对802.11的物理层要求作出修改; /bb m .co 兼容802.11,保留DSSS方式的调制方式; d 8cm ww. w 采用2.4GHz频段,采用CCK调制方式速率增加了5.5Mbps和 s :// tp /bb m 11Mbps两种速率; t h .co d 部落 8cm . 认证 www T / 物理层实现方式 I 数据速率 强制性 p:/ tt h DSSS/DBPSK 1Mbps 必选 部落 证 IT认 DSSS/DQPSK 2Mbps 必选
CCK DSSS/PBCC+前向纠错编码(FEC) 5.5Mbps、11Mbps 5.5Mbps、11Mbps、22Mbps 必选 可选

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WLAN标准演进
802.11a:
1999年推出; s /bb m 采用5.8GHz频段,采用OFDM调制技术,速率 .co d 8cm 可以达到54Mbps; /www. / s tp: /bb m ht 不能和802.11b兼容; .co 落 md
IT 证部 认 IT认 部落 证 h c w.8 w //w : ttp

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WLAN标准演进
802.11g:
2003年推出,组合11b和11a的优点; s 采用2.4GHz频段; /bb m .co d 引入了OFDM调制方式,速率可以达到54Mbps; 8cm ww. w s 兼容802.11b; :// tp /bb m ht .co d 部落 8cm . 认证 www / 物理层实现方 IT 数据速率 p:/ 强制性 式 htt DSSS/CCK 1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps 必选 部落 证 T认 I6Mbps、9Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps、 OFDM 必选
48Mbps、54Mbps DSSS-OFDM PBCC 6Mbps、9Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps、 48Mbps、54Mbps 5.5Mbps、11Mbps、22Mbps、33Mbps 可选 可选

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WLAN标准演进
802.11n:
正在制定和完善; s /bb m 包括了2.4GHz和5.8GHz频段,保持对 .co d 8cm 802.11b/g/a的兼容; /www. / s tp: /bb m ht 使用MIMO、OFDM等技术,目前速率达到 .co d 部落 8cm . 108Mbps,并最终达到320~600Mbps。 认证 www IT //
IT认 部落 证 : ttp h

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其他802.11重要的标准
802.11e
. cmd w.8 802.11i和802.11x ://ww s tp /bb ht 为WLAN提供认证和安全机制;d.com m 部落 .8c 证 w T认 /ww I / 802.11q tp: ht 部落 实现对VLAN的支持,可以使用一个AP向不同用 证 T认 I 户提供不同业务以及权限;

增强了802.11的MAC层,提供了QoS保障; 能保证WLAN提供VoIP等业务; om/bbs c

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IEEE 802.11与国标对应
IEEE 802.11 IEEE IEEE IEEE GB 15629.11-2003

s /bb m 802.11b GB 15629.1102-2003 .co d 8cm ww. w s :// 15629.1101-2006 802.11a http GB /bb m .co d 部落 8cm . 认证 www IT 802.11g GB//15629.1104-2006 : ttp h 部落 证 T认 I

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WiFi使用频率
2.4GHz频段的划分
使用工作频率范围为2400 ~ 2483.5 MHz,属于无需申请 的ISM频段; s /bb 由于使用ISM频段,频率干扰无可避免; om c md. c 83.5MHz带宽,划分为13个信道,每个信道带宽为 w.8 w //w s 22MHz; tp: /bb m ht .co d 相邻的信道间有重叠尽量不要同时使用,造成干扰; 部落 8cm . 认证 www 在同一个覆盖其余只可以同时使用3个互不重叠的信道; IT ://

IT认

部落 证
CH3 CH2 CH1

p htt
CH5

CH10 CH9 CH8 CH7 CH13 CH12 CH11 Fre.(GHz)

CH4

CH6

2.412

2.437

2.462

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WiFi使用频率
5.8GHz频率的划分
使用工作频率范围为5725 ~ 5850 MHz; s /bb 可用带宽为125MHz,划分为5个信道,每个信道 m .co d 8cm 带宽为20MHz; ww. w s :// tp /bb m 相邻信道互不重叠; ht .co
IT 部落 认证 IT认
5725

部落 证
5765

h

d 8cm . www / p:/ tt

5745

5785

5805

5825

5850

MHz

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WiFi使用频率
由于信道衰落等条件限制,目前WLAN多用 2.4GHz频率; s /bb ISM(Industrial、Scientific、Medical)频段 m .co d 8cm 使用无需申请、无需缴纳频率占用费; ww. w s :// tp /bb m ht .co 在我国2.4GHz设备的使用,要求满足《信部 d 部落 8cm . 认证 www / 无[2002]353号》文件; IT p:/ t
IT认 部落 证 ht

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其他使用2.4GHz ISM频段的设备
蓝牙设备 无绳电话 s /bb m ZigBee .co d 8cm ww. w s 遥控设备 :// tp /bb m ht .co d 8cm 视频监控 证部落 . 认 www / IT p:/ 。。。。。。 落 htt
IT 证部 认

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802.11b/g协议简介
802.11b/g协议定义了WLAN物理层以及MAC 层的协议标准;
w.8 上层协议 /ww / s tp: /bb m ht .co d 部落 LLC子层 w.8cm w 认证 T数据链路层 I //w : ttp hMAC子层 部落 证 802.11 T认 I
物理层

b m/b o d.c cm

s

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802.11b/g物理层
采用2.4GHz频段; 每个信道占用带宽不大于20MHz; s /bb m 采用DSSS/CCK(11b)或OFDM(11g); .co d 8cm ww. w s 支持多种的调制速率: :// tp /bb t m
h

o d.c 802.11b的速率包括1Mbps w.8cm BPSK、2Mbps 部落 证 w IT认 //w QPSK、5.5Mbps CCK以及11Mbps CCK; : ttp h 802.11g兼容11b,并且补充了OFDM 6Mbps、 部落 证 T认 I 9Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps

、48Mbps、54Mbps;

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OFDM技术简介
OFDM(正交频分复用)
每个载波间的频率是正交的,也就是说在每个载波频率 的峰值上其它所有载波的幅度为零; /bbs m .co d 这样各个载波可以重复排列,有效地提高频谱的利用 8cm ww. w 率; s :// tp /bb m ht .co 优点:具有频谱资源灵活配置、抗多径衰落、带宽扩展 d 部落 8cm 证 性强、频谱利用率高等;://www. T认 I p htt 缺点:峰均比过高、对频率要求高、处理复杂; 部落 证 在WiFi、WiMax、3GPP LTE、3GPP2 UMB、 T认 I (DVB)数字电视、(DAB)数字广播等领域得到应 用;

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OFDM技术简介
什么是正交频率:(Orthogonal Frequency)
正交可以这样理解:两个信号的频谱,当其中一个频谱 达到最大值(峰值),而另一个为零; bs b om/ 如果两个信号正交之间没有干扰;d.c m .8c www / s f1 f2 :/ f4 f5 f6 p f3 t /bb m ht .co d 部落 8cm . 认证 www / IT p:/ htt 部落 证 T认 I
f ?f

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OFDM技术的优/缺点
优点
提高了频谱利用率; s 减少多径带来的码间干扰; /bb m .co d 频谱资源配置灵活; 8cm ww. w s :// tp 缺点 /bb m ht .co d 部落 8cm . 峰均比过高,要求使用高线形度的功放,设备成本高,功 认证 www / IT p:/ 放效率低; htt 部落 对频率要求高,对频率的偏差敏感; 证 T认 I 处理复杂,OFDM涉及了大量的FFT和IFFT运算;

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802.11g OFDM调制方式
子载波频率间隔为312.5kHz; 符号周期为4uS; s /bb 调制方式包括:BPSK、QPSK、16-QAM、 m .co d 8cm 64QAM; ww. w s :// tp /bb m 编码方式:1/2、2/3、3/4; ht .co d 部落 8cm . 空口调制速率包括:6Mbps、9Mbps、 认证 www / IT p:/ htt 12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps、 部落 证 48Mbps、54Mbps T认 I

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802.11g OFDM调制方式
调制精度
IE E E 802.1 1g Frequency: Sweep Mode: P reamble Type: C apture Memory Ref 1 -28.1 dBm 2.462 GHz Single Short P LC P Ref Level: T rigger Mode: Modulation: 440000 10 ms 0.00 / 0.00 dB No of Samples C apture T ime A tt/El -28.1 dBm Free Run 11 Mbps C C K Gate Burst O ff 1 (1) External A tt: T rigger O ffset: P SDU Data Length: Marker 1 0 dB -10 ? 1/4095 Bytes -32.27 dBm 190.779 ?

-34 -44 -54 -64 -74 -84 -94 -104 -114 0.0000 ms
C ons tellation vs Symbol

1.0000 ms/div

0.71

1
-0.71

-0.71

0.71

Measurement C omplete

Date: 9.APR.2007

20:11:52

IE E E 8 02.11g Frequency: Sweep Mode: P reamble Type: C apture Memory Ref -22.7 dBm 2.462 GHz Single O FDM Ref Level: Trigger Mode: Modulation: No of Samples C apture Time A tt/El 440000 10 ms 0.00 / 0.00 dB -22.7 dBm Free Run

18 Mbps Q P SK Gate Burst O ff 12 (12)

-27 -37 -47 -57 -67 -77 -87 -97 -107 0.0000 ms
C onstellation vs Symbol

s /bb ? ? m k ) . (i ∑ ?∑ {[I (i, j,md? Ico, j, k )] + [Q(i, j, k ) ? Q (i, j, k )] }? ? ? ∑ www.8c 52 L × P Error = p:// bs t N m/b ht o d.c m 部落 .8c 证 w T认 /ww I / L Λ 分组长度; tp: Λ 被测量帧的数目; N ht ) 复平面上第i个帧的第j k个子载波的理想符号点 部落 ((II (i(,i,j,j,kk),),QQ(i,(ij,, kj,)k)Λ)Λ复平面上第i个帧的第j个个OFDM符号的第个子载波的检测点; ; OFDM符号的第k 认证 P Λ 星座的平均功率; IT
A SGL

Lp

52

2

2

10.0000 ms

Nf

Marker 1

Q uadrature - 0.7095 Inphase - 0.6917

j =1

k =1

0

0

B

i =1

p

0

RMS

f

p

External A tt:

0 dB

Trigger O ffset: Marker 1

-10 ?

f

PSDU Data Length:

1/1366

-25.76 dBm 190.779 ?

0

0

A

SGL

0

1.0000 ms/div
Marker 1

10.0000 ms
Q uadrature - 1.1452 Inphase - 1.1931

1.00

B

1
-1.00

-1.00

1.00

Measurement C omplete

Date: 9.APR.2007

19:44:47

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WLAN 基本概念
站点(STA)
无线媒介接入部分,包含MAC和PHY实体; 由STA提供的服务称为站点服务(SS); bs b om/ c AP是一种特殊的能提供DS服务的STA; md. c w.8 w 基本服务集(BSS,Basic w :// Service Set)bs p b htt om/ BSS是WLAN网络的基本构成单元; d.c m 部落 .8c 证 w T认 /ww I / STA只能和同一个BSS内进行通信; tp: ht 部落 证 T认 I
STA a BSS1 STA b STA c STA d BSS2

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WLAN 基本概念
Ad-hoc Mode
由STA间直接通信,组成了IBSS网络; s 网络中不需要AP来分发信息; /bb m .co d 网络中仅包括SS服务 8cm w.
IT
STA1

部落 认证 IT认

htt

w //w p:

部落IBSS 证

h

c md. c w.8 w //w : ttp

b m/b o

s

STA3

STA2

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WLAN 基本概念
Infrastructure Mode
在BSS基础上加入AP和DS; s 由DS(分发系统)和多个BSS组成了ESS(扩展 /bb m .co d 服务集); 8cm
IT 部落 认证 IT认
STA1

/ tp: ht h

ww. /w

部落 证

c md. c DS www.8 / p:/ tt

b m/b o

s

AP1 BSS1

STA2 AP2 BSS2

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802.11 数据的封装
上层数据流

LLC

MAC

802.11

IT

部落 认证
PHY

h

w.8 w //w : ttp h

b m/b o d.c cm
MSDU

s
MPDU

IT认

部落 证

c md. c w.8 w PSDU //w p: tt
调制/解调

b m/b o

s

PPDU

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MAC 帧格式
MAC帧结构:
帧头:包括了帧控制域、持续时间/ID域、地址域 s 以及顺序控制域; /bb m .co d 8cm 数据:来自上层的被封装数据,字节长度0~2132 ww. w s :// 不等; tp /bb m ht .co d 部落 8cm . 帧校验域:32位循环冗余校验; 认证 www
IT
字节数 2 帧控制 2 持续时间 /ID

IT认地址1

部落6 证
6 地址2

h

/ p:/ tt
6 地址3

2 顺序控制

6 地址4

0~2312 帧实体

4 FCS

MAC 帧头

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MAC 帧格式
MAC帧分类
管理帧
关联请求

控制帧
节能轮询

数据帧
简单数据帧

s /bb m 关联响应 请求发送 数据帧和无竞争应答认可 .co d 8cm ww. 数据帧和无竞争查询 重新关联请求 允许发送 w s :// tp /bb m ht 重新关联响应 应答认可 数据帧和无竞争查询以及无竞争应答认可 .co d 部落 8cm 探测请求 无竞争结束 空闲帧 . 认证 www IT 无竞争结束和无竞争应答认可/ 无数据帧和无竞争应答认可 / 探测响应 tp: ht 信标帧 无数据帧和无竞争查询 部落 证 广播传输指示消息 无数据帧和无竞争查询以及无竞争应答认可 T认 I
去关联 鉴权 取消鉴权

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MAC层访问控制
实现各个STA对共享媒介访问的公平控制
基本访问机制(DCF) 集中控制访问机制(PCF)
b m/b o d.c cm s

w.8 w 无竞争服务 //w s tp: /bb m ht .co d 部落 8cm 认证 集中协调功能 //www. IT 竞争服务 : (PCF) ttp h 部落 证 T认 I
分布式协调功能 (DCF)

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MAC层访问控制
隐藏的STA
A、B间有连接,B、C间也有连接,但A、C间没 s 有连接; /bb m .co d 8cm A、C同时向B发送数据,造成干扰; ww.
IT 部落 认证 IT认 h w :// ttp h c md. c w.8 w //w : ttp
B C

b m/b o

s

部落 证
A

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MAC层访问控制
RTS/CTS
RTS:请求发送帧 CTS:允许发送帧

IT
A

部落 认证B IT认

h

w.8 w //w : ttp
Ch

b Aom/b c md. c

s

B

部落 证

c md. c w.8 w //w : ttp

s RTS /bb om
CTS Data

ACK

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MAC层访问控制
载波侦听多址访问/碰撞回避(CSMA/CA)机 制:
s 采用“先听后讲”的机制; /bb m .co d 8cm 和802.3使用碰撞检测不同,802.11采用的是碰撞 ww. w s :// tp / 回避策略( Collision Avoidance );bb m ht .co d 部落 8cm . 每个STA都有发送信息的机会,尽量保证介质占 认证 www / IT p:/ 用的公平性; htt IT认 部落 证

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MAC层访问控制
CSMA/CA基本访问方法
当媒介空闲时间 >= DIFS,立即访问信道

DIFS

DIFS

IT

部落 认证 IT认 证

h

w.8 w //w : ttpPIFS htt
SIFS://w p

b m/b o d.c cm

s s

w

b m/b 竞争窗口o c md. c w.8
退避窗口 时隙

介质忙 部落

下一帧

延迟接入

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MAC层访问控制
一个CSMA/CA的例子
DIFS A B C D E Frame
退避窗口

IT

部落 认证 Frame
10 us

19 us

h

w.8 w //w us : 9 ttp h

b m/b o d.c cm c md. c
4 us

s s

b m/b o
2 us

Frame

IT认

部落 证
15 us

8 ww. w :// ttp
Frame
7 us 5 us

Frame
2 us

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802.11服务
802.11服务
站点服务(SS):
s 鉴权(Authentication) /bb m .co d 取消鉴权( Deauthenticationc) 8 m ww. w 加密(Privacy) s :// tp /bb m ht 媒介访问控制服务数据单元交付(MSDU delivery) .co d 部落 8cm . 认证 www 分发系统服务(DSS) // IT : ttp h 关联(Association) 部落 证 去关联(Deassociation ) T认 I 重关联( Reassociation ) 分发(Distribution) 综合(Integration)
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WLAN的状态过程

1类帧

状态1: 未鉴权/未关联

鉴权成功

1类帧、2类帧

IT

部落 认证

h

w.8 w //w : ttp
状态1: 已鉴权/未关联

b m/b o d.c cm
取消鉴权通知

s s

成功关联或重关联

证 T认 I 1类帧、2类帧、3类帧

部落

h

c md. c w.8 w //w : ttp
取消关联通知 状态1: 已鉴权/已关联

b m/b o

取消鉴权通知

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WLAN的加密方法
加密方式 WEP 算法 破解难度 AP支持量 网卡支持量 性能影响 小 较小 较大 大 大

WPA

WPA2 WAPI

s /bb m .co 全部 RC4 易 全部 d 8cm ww. w s :// TKIP tp 较易 全部 大多数 /bb m ht .co d 部落 8cm w. 认证 ww全部 较难 :// 大多数 IT DES tp ht 部落 难 AES 证 大多数 大多数 T认 I
椭圆曲线及分组 密码算法
难 少数 极少

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IT

部落 认证 IT认

h

w.8 w //w : ttp h

b m/b o d.c cm

s s

部落 证

c md. c w.8 w //w : ttp

b m/b o

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