《计算机网络简易速速上手小册》第5章：无线网络和移动通信（2024 最新版）

5.1 WLAN的工作原理 - 揭秘无线局域网络的魔法

5.1.1 基础知识

无线局域网络（WLAN）允许设备通过无线方式连接到一个局部区域网络，主要基于IEEE 802.11标准，俗称Wi-Fi。WLAN的核心是无线路由器，它不仅充当着网络中各设备间通信的中介，还连接到互联网，为设备提供网上冲浪的能力。

• 频段：WLAN通常在2.4GHz和5GHz频段上工作，5GHz提供更快的速度，而2.4GHz则提供更远的覆盖范围。
• 加密：为了保护传输的数据，WLAN支持多种加密协议，如WPA2和WPA3，确保通信安全。
• 接入点（AP）：无线接入点提供无线设备连接到有线网络的接口，多个AP可以扩大网络覆盖范围。

5.1.2 重点案例：使用 Python 监控 WLAN 状态

虽然 Python 不能直接管理无线硬件，但我们可以使用它来监控 WLAN 的状态，例如，检查当前连接的网络强度。

import subprocess

def check_wifi_strength():
    command = "netsh wlan show interfaces"
    result = subprocess.run(command, capture_output=True, text=True, shell=True)
    if result.stdout:
        lines = result.stdout.split('\n')
        for line in lines:
            if "信号" in line or "Signal" in line:  # 根据系统语言选择
                print(line.strip())
    else:
        print("Failed to check WLAN strength.")

check_wifi_strength()

这个简单的函数使用Windows的netsh命令来获取当前连接的WLAN信号强度，对于诊断网络问题非常有用。

5.1.3 拓展案例1：使用 Python 创建简单的网络扫描器

我们可以用Python来开发一个简单的网络扫描器，以发现附近的WLAN网络。

import subprocess

def scan_wifi_networks():
    command = "netsh wlan show networks mode=Bssid"
    networks = subprocess.check_output(command, shell=True).decode('utf-8', errors="ignore")
    print(networks)

scan_wifi_networks()

这个脚本利用netsh命令列出了所有可见的WLAN网络及其BSSID，对于寻找和诊断网络非常有帮助。

5.1.4 拓展案例2：使用 Python 切换 WLAN 网络

在某些情况下，自动切换到最优的WLAN网络可能是必需的。以下是如何使用Python脚本来实现这一功能的基础示例。

def connect_to_wifi(ssid, password):
    config = f"""
    <WLANProfile xmlns="http://www.microsoft.com/networking/WLAN/profile/v1">
        <name>{ssid}</name>
        <SSIDConfig>
            <SSID>
                <name>{ssid}</name>
            </SSID>
        </SSIDConfig>
        <connectionType>ESS</connectionType>
        <connectionMode>auto</connectionMode>
        <MSM>
            <security>
                <authEncryption>
                    <authentication>WPA2PSK</authentication>
                    <encryption>AES</encryption>
                    <useOneX>false</useOneX>
                </authEncryption>
                <sharedKey>
                    <keyType>passPhrase</keyType>
                    <protected>false</protected>
                    <keyMaterial>{password}</keyMaterial>
                </sharedKey>
            </security>
        </MSM>
    </WLANProfile>
    """
    command = f'netsh wlan add profile filename="profile.xml" interface="Wi-Fi" user=current'
    with open("profile.xml", "w") as file:
        file.write(config)
    subprocess.run(command, shell=True)
    connect_command = f'netsh wlan connect name="{ssid}" ssid="{ssid}" interface="Wi-Fi"'
    subprocess.run(connect_command, shell=True)

connect_to_wifi("YourSSID", "YourPassword")

在使用这段脚本之

前，请确保替换YourSSID和YourPassword为你想连接的网络SSID和密码。这个示例首先创建了一个包含网络配置的XML文件，然后使用netsh命令添加该配置文件并连接到网络。

通过这些案例，你不仅学到了WLAN的基础知识，还掌握了如何使用Python进行WLAN状态监控、网络扫描和自动切换网络。这些技能在日常生活和工作中都极其实用，帮助你更好地管理和优化你的无线网络连接。

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5.2 移动网络演进 - 从模拟到 5G 的旅程

5.2.1 基础知识

移动网络技术的发展可以被视为通信技术进步的缩影，从1G的模拟语音通信到5G的高速数据传输，每一代技术的演进都极大地扩展了移动通信的能力和应用。

• 1G：1980年代，第一代移动通信技术，提供了基本的模拟语音服务。
• 2G：1990年代初，引入数字通信，支持文本消息（SMS）和低速数据传输。
• 3G：2000年代初，提高了数据传输速率，支持了视频通话和移动互联网接入。
• 4G LTE：2010年代，大幅提升了数据传输速率，实现了高清视频流、在线游戏和高速互联网接入。
• 5G：最新一代移动通信技术，进一步提高了速度和减少了延迟，支持大规模物联网应用、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）。

5.2.2 重点案例：使用 Python 监控网络信号强度

虽然Python无法直接访问移动网络硬件，但我们可以编写脚本来分析和监控移动网络连接的信号强度，特别是在与移动设备或模块如4G/5G模块交互时。

# 此示例假设你有一个可以通过AT命令查询网络状态的4G/5G模块连接到计算机

import subprocess

def check_signal_strength():
    # 发送AT命令查询信号强度，这里使用的命令和设备依赖于你的硬件
    command = 'echo "AT+CSQ" > /dev/ttyUSB2'
    process = subprocess.Popen(command, shell=True, stdout=subprocess.PIPE)
    output, error = process.communicate()
    if error:
        print(f"Error: {error}")
    else:
        print(f"Signal strength: {output}")

check_signal_strength()

请根据你的硬件和环境调整命令和设备路径。

5.2.3 拓展案例1：使用 Python 和 API 获取当前的移动网络状态

许多现代移动设备和模块支持通过API查询网络状态。以下是一个使用Python请求网络状态API的示例，这可以应用于那些提供了REST API接口的移动网络模块或设备。

import requests

def get_network_status(api_url):
    response = requests.get(api_url)
    if response.status_code == 200:
        data = response.json()
        print(f"Network status: {data['status']}")
    else:
        print("Failed to get network status")

get_network_status('http://your-device-api/network-status')

在使用此脚本之前，需要将your-device-api替换为你的设备API的实际URL。

5.2.4 拓展案例2：使用 Python 分析移动网络性能数据

假设我们有一组移动网络性能的日志数据，我们可以使用Python来分析这些数据，识别网络性能的趋势和问题。

import pandas as pd

# 假设我们有一个CSV文件，记录了网络性能数据
def analyze_network_performance(csv_file):
    df = pd.read_csv(csv_file)
    # 示例：计算平均下载速度
    avg_download_speed = df['download_speed'].mean()
    print(f"Average download speed: {avg_download_speed} Mbps")

analyze_network_performance('network_performance.csv')

在运行此脚本之前，请确保已安装Pandas库，并且你有一个包含download_speed列的 CSV 文件，记录了下载速度的数据。

通过这些案例，你不仅对移动网络的发展有了基本的了解，还学会了如何使用 Python 进行移动网络的监控、状态查询和性能分析。这些技能对于优化网络连接、提高移动应用的性能非常有用。

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5.3 无线安全协议 - 加固你的无形城墙

5.3.1 基础知识

无线安全协议是无线网络中不可或缺的，它们确保数据在空中传输时的安全性。随着无线技术的发展，安全协议也在不断进化，以应对日益增长的安全威胁。

• WEP (Wired Equivalent Privacy)：最早的无线安全协议，目前已被证明容易受到攻击，不再推荐使用。
• WPA (Wi-Fi Protected Access)：WEP的替代者，提供了更强的安全性，但随着时间的推移，其某些实现也显示出弱点。
• WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2)：目前最广泛使用的无线安全协议，采用了AES加密算法，提供了更加强大的安全保障。
• WPA3 (Wi-Fi Protected Access 3)：最新的安全协议，进一步增强了无线网络的安全性，引入了更强的加密方法和改进了公共网络的安全性。

5.3.2 重点案例：使用 Python 扫描网络安全协议

虽然Python本身不提供直接扫描无线网络安全协议的功能，我们可以通过调用系统命令或使用第三方库来实现这一功能。以下是一个使用Python和scapy库扫描附近无线网络并识别它们使用的安全协议的示例。

首先，确保安装scapy：

pip install scapy

然后，运行以下脚本：

from scapy.all import *

def scan_wifi_security():
    networks = {}
    def packet_handler(pkt):
        if pkt.haslayer(Dot11Beacon):
            ssid = pkt[Dot11Elt].info.decode()
            bssid = pkt[Dot11].addr2
            try:
                security = pkt.sprintf("{Dot11Beacon:%Dot11Beacon.cap%}").split('+')[1]
            except IndexError:
                security = 'unknown'
            networks[bssid] = {'SSID': ssid, 'Security': security}

    sniff(iface="wlan0", prn=packet_handler, timeout=10)
    
    for bssid, info in networks.items():
        print(f"{info['SSID']} - {info['Security']}")

scan_wifi_security()

请将"wlan0"替换为你的无线接口名称。

5.3.3 拓展案例1：使用 Python 验证 WPA2 网络的密码强度

我们可以编写一个Python脚本，利用已知的密码字典对WPA2网络进行密码强度测试（注意：仅在你拥有网络的合法权限下进行）。

# 此案例为概念性描述，未提供完整代码，因涉及安全和合法性问题。

def test_wpa2_password_strength(ssid, password_file):
    print(f"Testing password strength for SSID: {ssid}")
    # 读取密码文件，尝试连接到网络，记录成功的密码
    # 注意：实际操作应确保遵守法律法规

test_wpa2_password_strength("YourSSID", "passwords.txt")

5.3.4 拓展案例2：使用 Python 监控无线网络的安全事件

通过监听网络上的特定事件，我们可以使用Python来监控可能的安全威胁，如异常的认证尝试。

# 此案例同样为概念性描述，具体实现需根据实际情况和法律法规进行。

def monitor_security_events(interface):
    print(f"Monitoring security events on {interface}")
    # 使用Scapy或类似工具监听无线网络事件，如认证失败、奇怪的MAC地址等

monitor_security_events("wlan0")

通过这些案例，你已经了解了无线安全协议的重要性以及如何使用Python进行基本的无线网络安全扫描和监控。这些技能对于保护你的无线网络不受未授权访问和其他安全威胁至关重要。