[架构之路-42]：目标系统 – 系统软件 – Linux下的 络通信-2-无线局域 WIFI原理、WIFI与3G/4G/以太 /蓝牙的协议转换

目录

第1章 无线局域 WIFI概述

1.1 无线局域协议在TCP/IP协议栈中的位置

1.2 无线局域概述

1.3 无线局域 的不足

第2章 无线 卡

第3章 无线 WIFI AP

3.1 WIFI AP概述

3.2 WIFI 络

3.3 无线路由AP的硬件组成

第4章 WIFI与其他协议的转换

4.1 WIFI局域 与以太局域 的协议转换

4.1 WIFI局域 和蓝牙 络的协议转换

4.2 WIFI局域 与3G/4G转换器

第1章 无线局域 WIFI概述

1.1 无线局域协议在TCP/IP协议栈中的位置

 备注：

（1）WIFI和以太 都是局域 协议

（2）WIFI协议与以太 协议是并行的，属于LLC + MAC层 + 物理层协议。

（3）WIFI并不是以太 协议栈的物理层。

（4）WIFI与以太 之间进行数据交换，必须通过IP层代理才能进行。

1.2 无线局域概述

WLAN是Wireless Local Area Network的简称，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的 络体系。

无线局域 本质的特点是不再使用有线通信电缆将计算机与 络连接起来，而是通过无线的方式连接，从而使 络的构建和终端的移动更加灵活。

它是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency； RF）的技术，使用电磁波，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域 络，在空中进行通信连接，使得无线局域 络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

当前，无线局域 广泛用于家庭和办公室。

（1）当采用有线光信 时，为有线光纤以太 。

（2）当采用有线电信 时，为有线双绞线以太 。

（3）当采用无线电磁波信 时，为无线WIFI无线局域 。

在无线局域 WLAN发明之前，人们要想通过 络进行联络和通信，必须先用物理线缆-铜绞线组建一个电子运行的通路，为了提高效率和速度，后来又发明了光纤。当 络发展到一定规模后，人们又发现，这种有线 络无论组建、拆装还是在原有基础上进行重新布局和改建，都非常困难，且成本和代价也非常高，于是WLAN的组 方式应运而生。

WLAN起步于1997年。当年的6月，第一个无线局域 标准IEEE802. 11正式颁布实施，为无线局域 技术提供了统一标准，但当时的传输速率只有1~2 Mbit/s。随后，IEEE委员会又开始制定新的WLAN标准，分别取名为IEEE802.11a和IEEE802. 11b。IEEE802. llb标准首先于1999年9月正式颁布，其速率为11 Mbit/s。经过改进的IEEE802. 11a标准，在2001年年底才正式颁布，它的传输速率可达到54 Mbit/s，几乎是IEEE802. llb标准的5倍。尽管如此，WLAN的应用并未真正开始，因为整个WLAN应用环境并不成熟。

WLAN的真正发展是从2003年3月Intel第一次推出带有WLAN无线 卡芯片模块的迅驰处理器开始的。尽管当时的无线 络环境还非常不成熟，最为发达的美国也不例外。但是由于Intel的捆绑销售，加上迅驰芯片的高性能、低功耗等非常明显的优点，使得许多无线 络服务商看到了商机，同时11 Mbit/s的接入速率在一般的小型局域 也可进行一些日常应用，于是各国的无线 络服务商开始在公共场所（如机场、宾馆、咖啡厅等）提供访问热点，实际上就是布置一些无线访问点( Access Point，AP)，方便移动商务人士无线上 。

第六代无线 络技术（IEEE 802.11.ax）由Wi-Fi联盟正式命名为Wi-Fi6（2.4GHz）和Wi-Fi 6E（6GHz） [6]  。该标准为无线局域 的IEEE标准（WLAN）802.11.ac的下一代，该标准的主要目的是提高高密度场景中每个区域的吞吐量，如办公室、购物中心和住宅公寓。相较于802.11.ac，802.11.ax的标准速率提升了37% [7]  ，吞吐量提升300%

1.3 无线局域 的不足

无线局域 的不足之处：无线局域 在能够给 络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域 的不足之处体以下几个方面：

（1）性能。无线局域 是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响 络的性能。

（2）速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。无线局域 的最大传输速率为1Gbit/s，只适合于个人终端和小规模 络应用。

（3）安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信 是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信 ，造成通信信息泄漏。

第2章 无线 卡

无线 卡(英文名称：Wireless network interface controller，缩写为WNIC)是一种终端无线 络设备，它能够帮助计算机连接到无线 络上，例如WiFi或者蓝牙。换句话说无线 卡就是帮助你的电脑连接到无线 的一个装置，但是有了无线 卡也还需要一个可以连接的无线 络，因此就需要配合无线路由器或者无线 AP 使用。

（1）WIFI 射频芯片

• 天线与高频电磁波的发送
• 无线射频调制，无线以太 物理层（射频）
• 数模转换与模数转换

（2）WIFI基带芯片以及对应的协议栈

• WIFI物理层：OFDM调制、多路复用、编码、调制
• WIFI MAC层：MAC层帧（不是以太 MAC层帧）
• WIFI LLC层：无线链路控制

WIFI基带协议栈通常由WIFI芯片厂家提供。

（3）主机：Linux或Windows操作系统

• WIFI驱动程序与Linux协议栈：之间交换的IP数据包，而不是以太 MAC层帧 
• WIFI驱动程序与基带芯片：WIFI MAC层的帧，payload为IP数据包。
• 操作系统：Linux TCP/IP协议栈
• 应用程序：用户空间程序.

WIFI驱动通常由WIFI芯片厂家提供，由设备厂家进行修改、与自身系统的集成等。

第3章 无线 WIFI AP

3.1 WIFI AP概述

无线AP（Access Point）：即无线接入点，它用于无线 络的无线交换机，也是无线 络的核心。无线AP是移动计算机用户进入有线 络的接入点，主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，可以覆盖几十米至上百米。无线AP（又称会话点或存取桥接器）是一个包含很广的名称，它不仅包含单纯性无线接入点（无线AP），同样也是无线路由器（含无线 关、无线 桥）等类设备的统称。

3.2 WIFI 络

3.3 无线路由AP的硬件组成

（1）QCA9588是高通的SoC芯片

• 内部集成了主频为700MHz的CPU
• 内部集成2.4GHz频段的无线管理模块(基带+射频)
• 可支持802.11g（Wi-Fi），并连接到了3路外置的射频前端模块，也就是说2.4GHz支持3根天线。
• 内部集成以太 控制器：负责与以太 交换机的连接。

（2）QCA9880 WIFI基带+射频芯片：

• 通过PCIe连接5GHz频段的无线管理模块(基带+射频)
• 可支持802.11ac（Wi-Fi 5），也连接到了3路外置的射频前端模块，也就是说5GHz也支持3根天线。

（3）以太 交换机

• 10M/100M/1G端口
• 连接PC机或QCA9588内部集成的以太 控制器

（4）有线和无线之间转换的路由

• 必须通过SOC中集成的CPU芯片中的代理软件完成。
• SOC中集成的CPU芯片中的代理软件完成以太 MAC层协议与WIFI MAC层协议的转换。
• 详解：WIFI局域 与以太局域 的协议转换

第4章 WIFI与其他协议的转换

4.1 WIFI局域 与以太局域 的协议转换

（1）WIFI协议栈：三层：

• WIFI 物理层（RF）+ 基带
• WIFI MAC层
• WIFI LLC层

（2）以太 协议栈：二层

• 以太 MAC层
• 以太 物理层

（3）协议转换的代理程序（CPU)

• 负责在以太 协议栈和WIFI协议栈进行转换。
• 它们之间交换的数据为：IP数据包（不是MAC层帧）
• 协议转换的代理程序可以通过串口或PCIe与WIFI、以太 模块相连

4.1 WIFI局域 和蓝牙 络的协议转换

（1）WIFI协议栈分位三层：

• WIFI 物理层（RF）+ 基带
• WIFI MAC层
• WIFI LLC层

（2）蓝牙协议栈

• 蓝牙物理层
• 蓝牙MAC层
• 蓝牙数据链路层L2CAP
• SDP/RFCOMM
• PPP

（3）协议转换的代理程序（CPU)

• 负责在蓝牙协议栈和WIFI协议栈进行转换。
• 它们之间交换的数据为：IP数据包（不是MAC层帧）
• 协议转换的代理程序可以通过串口或PCIe与WIFI、蓝牙模块相连

4.2 WIFI局域 与3G/4G转换器

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