Wi-Fi协议的起源
Wi-Fi是一种WLAN(Wireless LAN)协议,即无线局域网协议。其历史或者说网络协议中的多址接入协议的历史都可以追述到1971年的ALOHAnet。
PS:在ALOHAnet之前,还存在一个局域网架构University of California Irvine Ring,本文对此就不加以展开了。
按照Wiki的说法,ALOHAnet是由诺曼·艾布拉姆森(Norman Manuel Abramson)带领团队在夏威夷大学构造的一个无线网络。由于岛屿之间不易布置有线链路,如果布置的话,其成本也会很高。故诺曼就希望采用相对成本比较低廉的无线设备,构造一个以Oahu岛为中心和其他夏威夷岛屿通信的无线链路。该项目于1968年9月启动,到1971年6月,第一个数据包以9600bps的速率发送成功。.该网络所设计出的通信协议,如今就被称为Aloha协议(更准确的说是pure-Aloha)。
Aloha协议是首次讨论以共享介质进行传输的网络协议,这种共享介质的传输模式也就是最早局域网的雏形,也可以称之为多址接入模式。有线网络中的CSMA/CD,无线网络的CSMA/CA等等都是基于其思想优化而来。诺曼·艾布拉姆森主导提出了该协议,并且在此之后也对协议进行了理论分析以及改进,其也在2007年获得了“IEEE’s Alexander Graham Bell Medal”奖项。
Ethernet设计了一个比较完整的局域网构架,其包含了具体的物理接口,传输介质的设计(如上图),以及其对应的网络协议(即CSMA/CD)。CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)是在Aloha协议之上引入了LBT(Listen Before Talk)的机制。协议名中的CS(Carrier Sense)也就是完成LBT的一种具体做法,“即先通过CS来监听,只有信道空闲的时候,那么才传输。”
PS:其余Ethernet早期设计的详细内容可以参考[3]或者《Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks》。
1980年时由梅特卡夫发起将Ethernet构建成一个标准进行发布,即DIX协议。DIX名字分别包含了美国DEC公司,Intel公司以及施乐(Xerox)。DIX在梅特卡夫的主导下,其从一开始就就秉承着开放。DIX协议任何人都可以复制和使用,也因为此,Ethernet迅速成为了世界上首个开放,面向多供应商的局域网标准。梅特卡夫同时也是3COM公司的创始人。
PS:DIX协议目前比较难找到电子版,笔者所搜索到的资源如下《DIX网络协议(包含V1和V2)》:。
于此同时,还有另外一个组织IEEE也在对Ethernet进行标准化,参考[3]和Overview and Guide to the IEEE 802 LMSC,这一次标准化也新构建了一个组织,也就是IEEE 802委员会。
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。
802.11g和802.11a协议在整体上是一致的,更一般而言,802.11g是将802.11a搬到2.4GHz频段上,并加上了一些协议兼容性的设计。
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。在2002年时,FCC发布了“The rules were changed in 2002 into a spectrum density and maximum total power specification versus a spreading gain specification, opening up the possibility of also using OFDM in the 2.4 GHz band ”,换言之,2.4GHz频段上也可以使用OFDM技术。所以仅仅一年之后,2003年,802.11g协议正式通过。
802.11g协议的物理层叫做增强速率物理层(Extended Rate Phy,ERP),其为了与之前802.11b协议的兼容性,提供了5种工作模式:ERP-DSSS、ERP-CCK、ERP-OFDM、DSSS-OFDM和ERP-PBCC。802.11g是802.11协议中第二个里程碑,有关其协议的细节内容在我们之前的文章有部分提及,另外部分的内容,之后我们再进行专题总结。