網路架構大概論5－802.11 與 802.11a

網路架構大概論快要到最終篇了，就來談談無線網路的最底層，OSI的第一層「實體層」。或許各位讀者會稍微覺得有些怪異，為何筆者會以無線網路做為實體層的討論對象。

其實基本上來說，TCP/IP網路架構的第二∼第三層基本上已經確定了，未來也不會有多大的變化；近幾年較為出名的就是torrent協定的推出，不過也只是個架構在應用層的協定。未來網路就是朝向最頂層的應用服務發展，或是最底層攸關實際資料傳輸速度的規格更新。當然，因應IPv6的誕生，第二∼第三層可能會有新的協定，但IPv4的部分應該就是目前檯面上看到的這些，或是v2、v3的更新版而已。

細節藏在802.11裡

相對於有線網路來說，無線網路是近年規格變動相當快的媒體∕實體層標準，不管是行動通訊由2G、3G、4G不斷往上提升，或是屬於個人網路的IEEE 802.11無線區域網路的規格更新，都比有線網路快多了。當然有線網路也並非停滯不前，光纖、雙絞線都有規格演進版本，但相對於光纖、10GbE規格的企業骨幹有線網路，一般使用者能夠接觸到的802.11n、802.11ac顯得親民許多，也比較值得我們去關心。

無線網路的規格定義在IEEE 802.11一系列白皮書中，也是眾家網路廠商遵循的標準；說來也好玩，802.11剛開始還有定義出以紅外線傳輸資料的規格，只不過從來都沒有產品問世。

最初的802.11

IEEE 802.11最初的版本在1997年6月發布，除了沒人愛的紅外線之外，IEEE 802.11定義了運作頻率設定在2.4GHz。會選擇這個頻率是因為2.4GHz屬於ISM（Industrial, Scientific and Medical radio band，工業、科學以及醫療無線頻段），這個ISM是由ITU（International Telecommunication Union，國際電訊聯盟）於1947年在美國喬治亞州亞特蘭大所發表的頻段。

如同它的名字一樣，這些頻率範圍保留做為工業、科學研究、醫療方面等用途，只要在不干擾他人的情況下，使用這些頻段並不需要像國家提出申請，想用就用毫無限制。話雖如此，各國對於ISM頻段的使用以及開放性還是略有不同，IEEE 802.11採用的2.4GHz，正好是絕大多數國家允許使用的頻段，有助於規格的普及化以及市場推廣。

格雷碼（gray code）

十進位數字轉為二進位時，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9分別會轉換成0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001。但在通訊世界裡則是採用格雷碼，所以0∼9會被轉換為0000、0001、0011、0010、0110、0111、0101、0100、1100、1101，由於各組之間只有變換1個位元，可以降低傳輸時出錯的機會。

展頻資料變多

802.11在媒體層的部分採用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance），在上期的文末有做敘述，在此就不論述，直接進入實體層的部分。

首先說明展頻（Spread Spectrum）的概念，展頻就是把1組資料量較少的資訊，加以放大並放在1組資料量較多的資訊上，好比把1MB的資料，增肥到10MB的大小，但內部包含的實際資訊卻跟1MB沒有兩樣。這麼做當然對於傳輸速度是有害的，但在無線網路的環境中，有些事比起傳輸量來說更需要克服。

展頻有許多好處，第一就是對抗雜訊，由於生活環境中充滿許多電磁波，甚至是地球或是外太空也都會來尬一角。舉個簡單例子，展頻之後使用11111111代表原始的1、00000000代表原始的0，如果今天好死不死11111111被干擾成10111110，也可以辨識出這其實是代表1。第二就是可以用來隱藏或是加密訊號，通常我們想要傳輸的資料只占據一個相當小頻寬的基頻訊號，利用展頻技術把基頻延伸到大範圍的頻帶上，讓傳輸能量降低成與背景值差不多，避免引起他人注意；此外把這個把原始信號與加密信號經過一翻計算後傳送出去，只有擁有加密信號的人能夠解出原始訊號，其他人看到就只是一些無意義的資料。

而且展頻之後，可同時容許多人在同一頻率中進行通訊，大家的頻寬都是相等的，這就是所謂的CDMA（Code Division Multiple Access，分碼多重存取）。

CDMA

雖然CDMA沒有使用在802.11之中，但由於CDMA的原理相當神奇又有趣，容筆者在此先說明一下。想要使用CDMA，則此網路中的每個節點都必須要有1組編碼，而大家的編碼必須兩兩呈現正交的性質，內積值必須為零。假設現在有2組節點，A的編碼為[1、1]、B為[1、-1]，兩者經計算後的內積值為零，符合正交的要求。如果今天A要傳送1，則經過CDMA編碼後變成[1、1]；如果要A要傳送0，則是取補數[-1、-1]，B的原理也是一樣。

如果今天A點傳送1[1、1]、B傳送0[-1、1]，兩者在空氣介質中向量合變成[0、2]；某C點想要解出[0、2]的資訊，便把[0、2]和A[1、1]、B[1、-1]作內積，得出2和-2。在大於零等於1、小於零等於0、等於零沒發射訊號的原則下，得知A發出了1、B發出了0。

FHSS

802.11在2.4GHz傳輸頻率中定義的展頻方式有2種，一種是FHSS（Frequency-Hopping  Spread  Spectrum，跳頻展頻），另一種則為DSSS（Direct-Sequence Spread Spectrum，直接序列展頻）。

首先解釋FHSS跳頻機制，FHSS需要一段較大的頻寬，再將這個頻寬切割成許多較小的頻寬，就可以在這些不同的小頻寬之間不斷切換傳輸，就是FHSS的跳頻機制。在802.11中，使用FHSS展頻使用2.4∼2.4835GHz頻帶，將其以1MHz的方式切出頻道，每個頻道的停留時間為19TU（Time Unit、1TU＝1024μs）。事實上使用頻率範圍、切割的頻道數、各頻道駐留時間以各國規定為準，像是美國FCC聯邦通訊委員會就制定出75個以上的頻道數和最大駐留時間為390TU。

▲FHSS跳頻的時間與頻率對應關係示意圖

DSSS

DSSS直接序列展頻顧名思義，直接將欲傳輸的0或是1代換成1串序列碼傳送出去，實際代換的方式為域傳送的資料位元值與虛擬雜訊碼進行XOR運算，而虛擬雜訊碼在此使用巴克碼（Barker code）。

給定1串長度為L的序列Ai，其中L長度大於等於2、Ai€{+1、-1}，只要這個序列符合@算式_001.png，就算是巴克碼。巴克碼有些奇怪的特性，如果把巴克碼正負號互換，或是循環移位、順序相反，依然還是保持巴克碼的特性。802.11使用長度為11的巴克碼，數列為+1、+1、+1、-1、-1、-1、+1、-1、-1、+1、-1，但在位元數裡沒有負值，所以換成11100010010這串序列。

當傳送0時，與這串巴克碼進行XOR之後變為11100010010；傳送1時，變為00011101101。接收端將收到的序列再與11100010010進行XOR運算，就會得出原始的0或是1。802.11使用DSSS展頻之後的速率也是1∼2Mbps，但由於使用DSSS的緣故，對於運作頻率上有些限制，在接下來的調變中會提到。

▲DSSS直接序列展頻的傳送／接收流程圖

調變

想要傳遞的資料經過展頻之後，接下來便是要如何把資料放在載波（carrier）上，而把1010111110111011010101⋯⋯這類的二元碼變成實際在介質中傳播，就稱為調變（modulation），無線網路就是變為電磁波傳送，光纖則是以光來傳送。

調變大致上可分為2種，分別為類比調變和數位調變。類比調變的例子就是收音機的調幅（AM）或是調頻（FM），波形雖然有振幅或是頻率上的變化，但波形是連續的，不會發生這個時間點為波谷底點，下個時間點突然變成波峰頂點。而數位調變就會發生這種情形，比較像是由一段段的波形組合起來。若以道路來比喻，類比調變像是連續彎道山路，數位調變則比較像都市裡的十字路口。

▲圖片上方為類比調變，波形連續；下方為數位調變，可以看到波形會有斷崖、不連續的情況。