無線報文的簡單分析
作者：楊孝衛
摘要：
本文檔在《無線關聯的交互過程》基礎上做簡單的報文分析。瞭解無線關聯過程中的一些相關報文分析。
關鍵字：Client、AP
802.11幀分爲三個部分：幀頭（Mac header）、幀實體(body)、FCS域。分爲MAC header、Frame Body和FCS。MAC header由4個字段構成，分別爲：Frame Control、Duration ID、Address、Seq ctl。一般情況是Address僅只有目的地址、源地址和BSSID。![]()
一、Frame Control（幀控制）
所有幀的開頭均是長爲兩個字節的Frame Control（幀控制）字段，Frame Control字段包括以下子字段：Protocol、Type、Subtype、To DS、From DS、More fragments、More fragments、Retry、Power management、More data、Protected Frame。
下面分別來介紹每個字段：
Protocol字段
Protocol（協議版本）字段由兩位構成，用顯示該幀所使用的MAC版本。目前802.11 MAC只有一個版本，它的協議編號爲0。
Type與Subtype字段
Type（類型）與Subtype（子類型）字段用來指定使用的幀類型。爲了提升可靠性，802.11 MAC內置了一些管理功能。如RTS/CTS操作與ACK（確認，acknowledgment）。802.11無線局域網的封包分爲三種：管理幀、控制幀和數據幀。
Type與Subtype字段的值與名稱：
|
Management frame（管理幀：Type=00）a
|
|
|
0000
|
Association request（關聯請求）
|
|
0001
|
Association response（關聯響應）
|
|
0010
|
Reassociation request（重新關聯請求）
|
|
0011
|
Reassociation response（重新關聯響應）
|
|
0100
|
Probe request（探測請求）
|
|
0101
|
Probe response（探測響應）
|
|
1000
|
Beacon（信標）
|
|
1001
|
ATIM（通知傳輸指示消息）
|
|
1010
|
Disassociation（取消關聯）
|
|
1011
|
Authentication（身份驗證）
|
|
1100
|
Deauthentication（解除身份驗證）
|
|
1101～1111
|
Reserved（保留，未使用）
|
|
Control frame（控制幀：Type=01）b
|
|
|
1010
|
Power Save（PS）- Poll（省電－輪詢）
|
|
1011
|
RTS（請求發送）
|
|
1100
|
CTS（清除發送）
|
|
1101
|
ACK（確認）
|
|
1110
|
CF-End（無競爭週期結束）
|
|
1111
|
CF-End（無競爭週期結束）＋CF-ACK（無競爭週期確認）
|
|
Data frame（數據幀：Type=10）c
|
|
|
0000
|
Data（數據）
|
|
0001
|
Data+CF-ACK
|
|
0010
|
Data+CF-Poll
|
|
0011
|
Data+CF-ACK+CF-Poll
|
|
0100
|
Null data（無數據：未傳送數據）
|
|
0101
|
CF-ACK（未傳送數據）
|
|
0110
|
CF-Poll（未傳送數據）
|
|
0111
|
Data+CF-ACK+CF-Poll
|
|
1000
|
Qos Data c
|
|
1000~1111
|
Reserved（保留，未使用）
|
|
1001
|
Qos Data + CF-ACK c
|
|
1010
|
Qos Data + CF-Poll c
|
|
1011
|
Qos Data + CF-ACK+ CF-Poll c
|
|
1100
|
QoS Null（未傳送數據）c
|
|
1101
|
QoS CF-ACK（未傳送數據）c
|
|
1110
|
QoS CF-Poll（未傳送數據）c
|
|
1111
|
QoS CF-ACK+ CF-Poll（未傳送數據）c
|
注：
a: 管理幀的Subtype值0110～0111與1101～1111目前並未使用。
b：控制幀的Subtype值0000～1001目前並未使用。
實例如下：
To DS與From DS位
這兩個位用來指示幀的目的地是否爲分佈式系統（distribution system）。在基礎結構型網絡裏，每個幀都會設定其中一個DS位。
To DS與From DS位所代表的意義
|
|
To DS=0
|
To DS=1
|
|
From DS=0
|
所有管理與控制幀。IBSS裏的數據幀（非基礎結構型數據幀）
|
基礎結構型網絡裏無線工作站所傳送的數據幀
|
|
From DS=1
|
基礎結構型網絡裏無線工作站所收到的數據幀
|
無線橋接器上的數據幀
|
實例如下：
More fragments位
此位的功能類似IP的“more fragments“位。若較上層的封包經過MAC分段處理，除了最後一個片段，其他片段均會將此位設定爲1。大型的數據幀以及某些管理幀可能需要加以分段，除此之外的其他幀則會將此位設定爲0。
Retry位
有時候可能需要重傳幀。任何重傳的幀會將此位設定爲1以協助接收端剔除重複的幀。
Power management位
此位用來指出發送端在完成當前的原子幀交換之後是否進入省電（power-save）模式，1代表工作站即時入省電模式，而0則代表工作站會一直保持在清醒狀態。
More data位
爲了服務處於省電模式中的工作站，接入點會將這些從分佈式系統接收來的幀加以緩存。接入點如果設定此位，即代表至少有一個幀等待給休眠中的工作站。
Protected Frame位
相對於固定式網絡，無線傳送本質上就比較容易被攔截。如果幀受到鏈路層安全協議的保護，則此位會被設定爲1，而且該幀會略有不同。之前的Protected Frame位被稱爲WEP位。
Order位
幀與幀片段可依次傳送，不過發送端與接收端的MAC必須付出額外的代價。一旦進行嚴格依序（strict ordering）傳送，則此位會被設定爲1，否則這個位必然爲0。
下圖爲以上的對所列出的控制幀對應的位：
Duration/ID（持續時間）
指一個原子操作的一個過程所需的時間，單位爲微秒。RTS幀會試圖預約媒介使用權，供幀交換過程使用，因此RTS幀傳送者必須計算RTS幀結束後還需要多少時間用於幀交換。在下圖交互過程中，總共需要3個SIFS週期、1個CTS持續時間、最後的ACK加上傳送第一個幀或幀片段所需要的時間。其單位爲微秒。
Address字段
一個802.11幀最多包含4個地址（Address）字段。因隨着幀類型的不同，這些字段的作用也有所差異。Address 1代表接收端，Address 2代表發送端，Address 3代表被接收端拿 來過濾的地址。地址本身的長度有48位。如果傳送給實際媒介的第一個位爲0，則該地址爲單播（unicast），如果第一位爲1，則該地址爲組播（multicast），如果所有的位均爲1，則該地址爲廣播（broadcast）。
二、管理幀的結構
802.11管理幀的基本結構如下圖所示（圖3），所有管理幀的MAC標頭都一樣，與幀的子類型無關。管理幀會使用信息元素（帶有數字卷標的數據塊）來與其它系統交換信息。
Frame Control前面已經講過
計算持續時間
管理幀使用Duration（持續時間）字段的方式。
（1） 無競爭週期內所傳送的任何幀均會將持續時間設爲32768。
（2） 基於競爭的訪問週期內利用DCF所傳送的幀會通過Duration字段防止別人訪問媒介，以確保原子幀交換(atomic frame exchanges)得以完成。
a、 如果是廣播或組播幀（目的地址爲組地址），則持續時間會設定爲0。廣播與組播幀無需得到確認，因此NAV無需防止別人訪問媒介。
b、 如果不是最終片段，則持續時間會設爲3個SIFS加上下一個片段及其確認所需要的微秒數。
c、 最終幀片段的持續時間會設定爲一個響應加上一個SIFS所需要的時間。
幀主體
管理幀十分靈活。幀主體(frame body)中的大部分數據如果使用長度固定的字段，就稱爲固定字段(fixed field)；如果字段長度不定，就稱爲信息元素(information element)。所謂信息元素，是指長度不定的數據塊(data block)。每個數據塊均會標註類型編號和大小，各信息元素的數據字段元素都有特定的解釋方式。
長度固定的管理幀組件
在管理幀中，可能出現的長度固定的字段有10種。長度固定的字段一般簡稱爲字段(field)，以便與長度不定的信息元素有所區別。字段本身並無標頭可與幀主體的其它部分進行區別。因爲長充與次序固定，所以不需要以字段元標頭來界定。
Authentication Algorithm Number字段
Authentication Algorithm Number（身份驗證算法編號）字段佔用了2個字節，此字段代表關聯發生之前，802.11層(802.11-level)的最初認證過程所使用的認證類型。此字段容許的值範圍如下表。目前只定義了兩種值，其它保留給未來版本使用。
|
值
|
意義
|
|
0
|
開放系統身份驗證(Open System authentication)
|
|
1
|
共享密鑰身份驗證(Shared Key authentication)
|
|
2～65535
|
保留
|
如上圖所知，Authentication Algorithm的值爲0爲Open System。
Authentication Transacition Sequence Number字段
身份驗證過程分好幾個步驟，其中包含接入點所發出來的質詢(challenge)以及試圖關聯的移動式工作站所做出的響應。此字段由兩個字節構成，用以追蹤身份驗證的進度。此字段值介於1到65535之間，其值不可爲0。在Shared key中1表示請求，2表示響應，3表示再請求，4表示響應。
Beacon interval字段
每隔一段時間就會發出一個Beacon（信標）信號用來宣佈802.11網絡的存在。Beacon幀中除了包含BSS參數的信息，也包含接入點緩存幀的信息，因此移動式工作站要仔細聆聽Beacon信號。此幀長度爲16位，用來設定Beacon信號之間相隔多少時間單位。時間單位通常縮寫爲TU，代表1024微秒(microsecond)，相當於1毫秒(millisecond)。Beacon通常會被設定爲100個時間單位，相當於每100毫秒，也就是0.1秒傳送一次Beacon信號。
Capability Information字段
長度爲16位的Capability Information（性能信息）字段，傳送Beacon信號的時候，它被用來通告網絡具備何種性能。此字段應用於Beacon幀、Probe Response幀和Association幀。
ESS/IBSS（擴展服務集/獨立基本服務集）
協調者所傳送的 Beacon 幀及 Probe Response 幀中，ESS = 1, IBSS = 0。屬於 IBSS 的工作站所傳送的 Beacon 幀及Probe Response 幀中，ESS = 0, IBSS = 1。工作站爲了偵測 ESSs 而傳送的 Probe 幀中，ESS =1。工作站爲了偵測 IBSSs 而傳送的 Probe 幀中，IBSS =1。工作站如果想同時偵測所有存在的ESSs及IBSSs, 則可同時設定ESS =1, IBSS=1。
Privacy（保密性）
如果Privacy位設定爲1，代表需要使用WEP以維持機密性。
Short Preamble（短前導碼）
802.11b規範新增此字段是爲了支持高速直接序列擴頻物理層(high-rate DSSS PHY)。將之設定爲1，代表此網絡目前使用短前導碼(short preamble)，0代表不使用此項。
PBCC（封包二進制迴旋碼）
802.11b規範新增此字段是爲了支持高速直接序列擴頻物理層(high-rate DSSS PHY)。將之設置爲1，代表目前使用封包二進制迴旋碼(packet binary convolution coding)調製機制。0代表不使用此項。
Channel Agility（機動信道轉換）
802.11b規範新增此字段是爲了支持高速直接序列擴頻物理層(high-rate DSSS PHY)。將之設置爲1，代表此網絡使用機動信道轉換(Channel Agility)選項。0代表不使用此項。
Short Slot Time (802.11g)
此位若設定爲1，代表使用802.11所支持的較短時隙。
Listen interval（聆聽間隔）字段
此字段存在於Association Request幀中。此字段是表示該工作站每隔多少個Beacon間隔會醒來一次。工作站休眠時間越多，AP暫存的資料量越大，反之亦然，如果休眠時間越長還會錯失AP所發出的廣播信息。如下圖所示：
Association ID（關聯標識符）字段
該字段存在於Association Response幀中。該字段長度爲16位。
Reason Code（原因代碼）字段
該字段存在於Deauthentication（解除身份驗證）或Disassociation（取消關聯）幀作爲響應。其字段長度爲16位。該字段表示爲對方的做法有誤。如圖所示：
三、實例報文分析
１、AP與站點都配置爲WPA的情況下：
a、 首先查看AP發出的Beacon幀中，Privacy字段值爲1表示爲啓用加密，則說明AP爲加密模式。再查看Authentication幀中的Authentication Algorithm字段的值爲Open System，則說明並非Shared加密模式，而是Open加密或WPA加密。
b、 查看站點向AP發起的Association Request幀中的Privacy字段，此字段的值爲1則表示啓用加密（說明AP與站點的加密方式一致）。如下圖所示：
c、查看Vendor Specific字段中的值爲WPA，unicast cipher suite: TKIP , auth key management suite 1:PSK等。再查看EAPOL Key幀的交互（六個EAPOL Key）。
２、 AP與站點都配置爲shared key：
b、 查看四個Authentication幀，第一個爲認證請求幀，第二個幀中，會有一個challenge text字段。第三個幀中，會有一個WEP parameters字段，第四個字段爲交互成功的幀。查看Authentication SEQ字段，根據其值便知在哪一個交互中，如果值爲4則表示爲Authentication Success。如下圖所示：
３、 AP配置爲none模式，站點配置爲sharedkey模式：
a、 與上面一樣，首先查看Beacon幀中的privacy字段，其值應爲0，再查看Authentication幀中的Authentication Algorithm字段的值爲shared key，再查看；Status code。由此看出AP與站點的配置不一致。
b、 查看四個Authentication幀，第一個爲認證請求幀，第二個幀主體狀態碼提示出錯信息。如下圖所示：表示AP與站點的認證不一致。
以上內容對我們分析AP與站點連接時出現異常時非常有用，分析在哪裏出現問題了。
參考文檔：《802.11 無線網絡》