kp-029 Wi-Fi 与 802.11：CSMA/CA、漫游与安全演进

注：本文基于模型知识整理，建议结合权威教材与 RFC 原文核对细节。

一句话定义

IEEE 802.11（俗称 Wi-Fi）是无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN）标准族：它以接入点为中心组网，用碰撞避免协议 CSMA/CA 取代有线以太网的碰撞检测，并以 WPA 系列机制在开放的无线介质上提供安全通信。

为什么重要

Wi-Fi 是家庭、办公与公共场所最主流的局域网接入方式，多数应用流量的「最后一跳」都经过它。无线介质天然共享且开放，性能模型与安全模型都不同于有线以太网：为什么 CSMA/CD 必须换成 CSMA/CA，是「环境约束改变协议设计」的经典案例；WEP 到 WPA3 的演进史则说明，安全机制靠补丁续命不如换根本机制。

前置知识

建议先读 kp-008《CSMA/CD》，需要理解载波侦听、碰撞检测与二进制指数退避；建议对 kp-006《传输媒体与复用》中频段、带宽与穿透损耗的直觉有印象，用于理解 2.4 GHz 与 5 GHz 频段的取舍。

核心概念

站点（Station, STA）：带无线网卡的终端；接入点（Access Point, AP）：桥接无线与有线网络的设备。
基本服务集（Basic Service Set, BSS）：一个 AP 及其关联的全部 STA，是最小组网单元。
扩展服务集（Extended Service Set, ESS）：多个 BSS 经分布式系统互联构成的逻辑网络。
服务集标识（Service Set Identifier, SSID）：网络的名字；同名 SSID 的多个 AP 同属一个 ESS，这是漫游的前提。
碰撞避免（CSMA with Collision Avoidance, CSMA/CA）：802.11 的介质访问控制方式。
隐藏终端（Hidden Terminal）与暴露终端（Exposed Terminal）：侦听范围有限导致的两类并发问题。

图示

隐藏终端：A 与 C 相互听不到，但 B 能同时听到两者

        A ● ─────────────┐
        │                ▼
        │             B ●        ◄── B 居中，两边都听得见
        ▲                │
        │                │
        C ● ─────────────┘

  但 A 与 C 相距超出彼此的侦听范围：互相听不见。
  A、C 同时发送时，冲突只在 B 的接收端发生，
  两个发送方毫无察觉——这正是 CSMA/CD 失效的场景。

原理与机制

为什么不能照搬 CSMA/CD。 碰撞检测要求边发边听，无线场景有两个根本障碍：其一，无线网卡多为半双工，同一时刻只能发或收；其二，自身发射信号远强于远处传来的弱信号，边发边听等于被自己的声音淹没。更关键的是，冲突发生在接收方（如上图 B），发送方可能完全侦听不到，「事后检测」无从谈起，于是 802.11 改为「事前避免」。

CSMA/CA 三件套。 一是帧间间隔（Interframe Space, IFS）：侦听到信道空闲后并不立即发送，而是再等一段静默期，短帧间间隔（SIFS）内允许 ACK 等高优先级帧插队；二是随机退避计数器：在竞争窗口内随机选数倒计时，信道变忙即冻结计时，降低多站同时选中的概率；三是逐帧确认：接收方收到后回 ACK，发送方超时未收到就重传——把确认做进链路层，是对无线不可靠性的直接补偿。

RTS/CTS 预约。 解决隐藏终端的思路是让接收方替双方「宣布」信道占用：发送方先发请求发送（Request To Send, RTS），目标回应允许发送（Clear To Send, CTS）；所有听到 CTS 的站点沉默一段时间——没听到 RTS 的隐藏终端一定听得到 CTS，于是不再捣乱。代价是每帧多两个控制帧的空口开销，故通常只对超过长度阈值的帧启用。

暴露终端。 与之相对：A 要发给 B，侦听到邻居 C 正在发送于是退避——但 A 到 B 的传输并不干扰 C 的接收方，本可并发，容量被白白压住。

漫游。 ESS 内多个 AP 对外同名（SSID），各自有不同的 BSSID（即 AP 的 MAC 地址）。切换决策由 STA 自己做：终端按信号强度、丢包率等指标自主决定是否换 AP，各家芯片与驱动算法私有；AP 只能施加影响（调功率、发引导帧），不能强行「踢人」。

频段取舍。 2.4 GHz 频段总带宽约 80 余 MHz，互不重叠的 20 MHz 信道只能放下三个（惯例取 1、6、11），邻居一多必然信道重叠、相互拖慢；5 GHz 与 6 GHz 频段信道多、可用带宽大，速率上限高，但频率越高穿透损耗越大，隔墙衰减明显。家庭部署常双频并用：近距离高速走 5 GHz，穿墙远距交给 2.4 GHz。

安全演进与教训。 WEP（Wired Equivalent Privacy）用 24 位初始向量（Initialization Vector, IV）加 RC4 流密码：IV 空间太小导致密钥流快速重复，加上 RC4 自身缺陷，抓包在分钟量级即可恢复密钥；WPA 用临时密钥完整性协议（Temporal Key Integrity Protocol, TKIP）在保留 RC4 的前提下打补丁，属过渡方案；WPA2 弃用 RC4、以 AES-CCMP 全新构造链路加密——第一次换根本机制；但 WPA2-Personal 的四次握手允许抓包后离线穷举预共享密钥（Pre-Shared Key, PSK），WPA3-Personal 引入 SAE（Simultaneous Authentication of Equals）替代 PSK 握手，使离线字典攻击失效。提炼：补丁只能延缓，攻击面来自机制本身时应当推倒重来。

实例分析

给三层住宅部署 Wi-Fi：三个 AP 同一 SSID 组成 ESS。先扫描 2.4 GHz，若邻居集中在信道 6，自家就规划在 1 与 11 错开；近距离设备引导连 5 GHz。安全上直接启用 WPA3（或 WPA2/WPA3 混合模式），不保留任何 WEP/WPA 兼容选项——保留旧机制等于保留攻击面。

常见误区

「信号格数多等于网速快」：速率还取决于信道宽度、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）流数与信道拥挤程度，满格也可能慢。
「漫游是路由器决定的」：802.11 的切换决策主体是 STA，AP 只能影响。
「开放热点只是不加密、流量还是安全的」：无线可被同空口者监听，应用层 TLS 是必要防线。
「WPA2 够用不必上 WPA3」：WPA2-Personal 的握手可被离线字典攻击，弱口令形同虚设。

自测题

无线网卡为什么做不到「边发边检测碰撞」？

答案要点：网卡多为半双工；自身发射信号远强于接收信号，会淹没对方；冲突发生在接收方，发送方未必侦听得到，检测缺乏信息基础。

RTS/CTS 如何让隐藏终端停下来？代价是什么？

答案要点：接收方回应 CTS，所有听到 CTS 的站点（包括没听到 RTS 的隐藏终端）退避一段时间；代价是每帧额外两个控制帧的空口开销，故只对长帧或高冲突环境启用。

为什么说 2.4 GHz 频段「只有三个不重叠信道」？

答案要点：该频段总带宽约 80 余 MHz，而 20 MHz 信道互不重叠的只能放下三个（惯例取 1、6、11），其余信道之间必然频谱重叠。

WEP 到 WPA3 的演进中，哪几步是「换根本机制」而非「打补丁」？

答案要点：WPA 到 WPA2（RC4/TKIP 换成 AES-CCMP）与 WPA2-Personal 到 WPA3-Personal（PSK 握手换成 SAE）是换机制；WEP 到 WPA（TKIP）只是打补丁。