802.11協議基礎

1. 802.11管理功能–用戶接入過程

      STA (工作站)啓動初始化、開始正式使用、AP 傳送數據幀之前,要經過三個階段才能接入:

      (1) 掃描(SCAN) 
      (2) 認證(Authentication) 

      (3) 關聯(Association) 


1.1 802.11管理–掃描(SCAN)

      1)  若無線站點 STA 設成 Ad-hoc (無AP)模式:

         STA先尋找是否已有 IBSS(與STA所屬相同的SSID)存在,如有,則參加(join);若無, 則會自己創建一個IBSS,等其他站來 join。 

      2) 若無線站點 STA 設成 Infrastructure (有AP)模式:

           --主動掃描方式 (特點:能迅速找到)

              •依次在每個信道上發送Probe request報文,從Probe Response中獲取BSS的基本信息, Probe Response包含的信息和Beacon幀類似

           -- 被動掃描方式 (特點:找到時間較長,但STA節電)              

              • 通過偵聽AP定期發送的Beacon幀來發現網絡, Beacon幀中包含該AP所屬的BSS的基本信息以及AP的基本能力級,包括: BSSID(AP的MAC地址)、 SSID、支持的速率、支持的認證方式,加密算法、 Beacons幀發送間隔,使用的信道等
              • 當未發現包含期望的SSID的BSS時,STA可以工作於IBSS狀態

1.2  802.11管理功能–認證(Authentication) 

       802.11支持兩種基本的認證方式: 
       • Open-system Authentication
          1) 等同於不需要認證,沒有任何安全防護能力
          2) 通過其他方式來保證用戶接入網絡的安全性,例如Address filter、用戶報文中的SSID

      • Shared-Key Authentication
         1) 採用WEP加密算法
         2) Attacker可以通過監聽AP發送的明文Challenge text和STA回覆的密文Challenge text計算出WEP KEY

      另外,STA可以通過Deauthentication來終結認證關係。


1.3 802.11管理功能關聯(Association) 

     1) Association

         • STA通過Association和一個AP建立關聯,後續的數據報文的收發只能和建立Association關係的AP進行
     2) Reassociation
         • STA在從一個老的AP移動到新AP時通過Reassociation和新AP建立關聯
         • Reassociation前必須經歷Authentication過程
     3) Deassociation
         • STA通過Deassociation和AP解除關聯關係


2. 802.11相關協議


3. 802.11幀格式



3.1 802.11 MAC Header(MAC頭)

     • Frame Control(幀控制域)

     • Duration/ID(持續時間/標識)

     • Address(地址域)

     • Sequence Control(序列控制域)

3.1.1 Frame Control(幀控制域)

     • Protocol Version(協議版本):通常爲0;
     • Type(類型域)和Subtype(子類型域):共同指出幀的類型;
     • To DS:表明該幀是BSS向DS發送的幀;
     • From DS:表明該幀是DS向BSS發送的幀;
     • More Frag:用於說明長幀被分段的情況,是否還有其它的幀;
     • Retry(重傳域):用於幀的重傳,接收STA利用該域消除重傳幀;
     • Pwr Mgt(能量管理域):1:STA處於power_save模式;0:處於active模式;
     • More Data(更多數據域):1:至少還有一個數據幀要發送給STA ;
     • Protected Frame: 1:幀體部分包含被密鑰套處理過的數據;否則:0;
     • Order(序號域):1:長幀分段傳送採用嚴格編號方式;否則:0。

3.1.2 Duration/ID(持續時間/標識)

     表明該幀和它的確認幀將會佔用信道多長時間;對於幀控制域子類型爲:Power Save-Poll的幀,該域表示了STA的連接身份(AID, Association Indentification)。

3.1.3 Address(地址域)

       Address(地址域):源地址(SA)、目的地址(DA)、傳輸工作站地址(TA)、接收工作站地址(RA),SA與DA必不可少,後兩個只對跨BSS的通信有用,而目的地址可以爲單播地址(Unicast address)、多播地址(Multicast address)、廣播地址(Broadcast address)。

3.1.4 Sequence Control(序列控制域)

      Sequence Control(序列控制域):由代表MSDU(MAC Server Data Unit)或者MMSDU(MAC Management Server Data Unit)的12位序列號(Sequence Number)和表示MSDU和MMSDU的每一個片段的編號的4位片段號組成(Fragment Number)。

3.2 Frame Body(幀體部分)

    包含信息根據幀的類型有所不同,主要封裝的是上層的數據單元,長度爲0~2312個字節,可以推出,802.11幀最大長度爲:2346個字節;

3.3 FCS(校驗域)

    包含32位循環冗餘碼。

3.4 地址格式

1) 方案一:


     A和B 在同一個IBSS,A->B (Ad hoc無線自組網中的數據幀的地址格式)。

2) 方案二:


    從AP發出的無線數據幀中的地址格式。

3) 方案三:


    發到AP的無線數據幀中的地址格式。

4) 方案四:


    通過無線分佈系統傳輸的無線數據幀中的地址格式。

4. WLAN拓撲結構

   WLAN有以下三種網絡拓撲結構:
     1) 獨立基本服務集(Independent BSS, IBSS)網絡(也叫ad-hoc網絡);
     2) 基本服務集(Basic Service Set, BSS)網絡;
     3) 擴展服務集(Extent Service Set, ESS)網絡。

    其各自的特點如下所示:

4.1 IBSS-無AP


也叫Ad Hoc 網(無線自組網):IBSS (Independent BSS,獨立基本服務集),無AP,站點間直接通信。

4.2 BSS-有AP


又名Infrastructured網(基礎設施網):有AP(Access Point, 接入點),無線站點通信首先要經過AP。


4.3 ESS-有AP和DS



    ESS:屬 Infrastructured 網 ( DS:分配系統,AP:接入點, SSID:ESS擴展服務集標識符。一個移動節點使用某 ESS 的 SSID 加入到該擴展服務集中,一旦加入ESS,移動節點便可實現從該ESS的一個BSS到另一個BSS的漫遊)


5. 802.11幀類型

    針對幀的不同功能,可將802.11中的MAC幀細分爲以下3類:

    • 數據幀:用於在競爭期和非競爭期傳輸數據;

    • 控制幀:用於競爭期間的握手通信和正向確認(RTS信道預約、CTS預約成功、ACK等)、結束非競爭期等,爲數據幀的發送提供輔助功能;

    • 管理幀:主要用於STA與AP之間協商、關係的控制,如關聯、認證、同步等。

     Frame Control(幀控制域)中的Type(類型域)和Subtype(子類型域)共同指出幀的類型,當Type的B3B2位爲00時,該幀爲管理幀;爲01時,該幀爲控制幀;爲10時,該幀爲數據幀。而Subtype進一步判斷幀類型,如管理幀裏頭細分爲關聯和認證幀

5.1 管理幀 (Management Frame)

Type SubType FrameType
00 0000
Association request (連接請求)
00
0001 Association response (連接響應)
00
0010 Reassociation request(重連接請求)
00
0011 Reassociation response(重連接聯響應)
00
0100 Probe request(探測請求)
00
0101 Probe response(探測響應)
00
1000
Beacon(信標,被動掃描時AP 發出,notify)
00
1001 ATIM(通知傳輸指示消息)
00
1010 Disassociation(解除連接,notify)
00
1011 Authentication(身份驗證)
00
1100 Deauthentication(解除認證,notify)
00
1101~1111
Reserved(保留,未使用)

    ATIM:Announcement Traffic Indication Message,ATIM僅在ATIM窗口期間傳送,ATIM沒有負載。

5.2 控制幀 (Control Frame)

Type Subtype Frametype
01 1010 Power Save(PS)- Poll(省電-輪詢)
01
1011 RTS(請求發送,即: Request To Send ,預約信道,幀長20字節)
01
1100 CTS(清除發送,即:Clear To Send ,同意預約,幀長14字節)
01
1101 ACK(確認)
01
1110 CF-End(無競爭週期結束)
01
1111 CF-End(無競爭週期結束)+CF-ACK(無競爭週期確認)

     RTS和CTS用於信道預約,CF-End+CF_ACK和ACK用於確認正確接收到幀

    1) ACK幀


5.3 數據幀 (Data Frame)

Type Subtype Frametype
10 0000 Data(數據)
10
0001 Data+CF-ACK
10
0010 Data+CF-Poll
10
0011 Data+CF-ACK+CF-Poll
10
0100 Null data(無數據:未傳送數據)
10
0101 CF-ACK(未傳送數據)
10
0110 CF-Poll(未傳送數據)
10
0111 Data+CF-ACK+CF-Poll
10
1000 Qos Data
10
1001 Qos Data + CF-ACK
10
1010 Qos Data + CF-Poll
10
1011 Qos Data + CF-ACK+ CF-Poll
10
1100 QoS Null(未傳送數據)
10
1101 QoS CF-ACK(未傳送數據)
10
1110 QoS CF-Poll(未傳送數據)
10
1111 QoS CF-ACK+ CF-Poll(未傳送數據)
     
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