802.11 学习笔记-白红宇

802.11 学习笔记

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发布时间：2019-06-18

本文共 7887 字，大约阅读时间需要 26 分钟。

一、网络服务

802 ． 11 总共提供 9 种服务：

分布式（ distribution ）

接入点收到帧，就会使用分布式服务将真传送至目的地。

整合（ integration ）

该服务由分布式系统提供，它让分布式系统得以链接至非 IEEE802.11 网络

关联（ association ）

移动式工作站向接入点登记，分布式系统就可以依据登记信息推断哪个移动式工作站该使用哪个接入点。仅仅有关联之后才干进行身份验证。在身份验证完毕之前，接入点会丢弃来自工作站的全部数据。

又一次关联（ association ）

当移动式工作站在同一个扩展服务区域里的基本服务区域之间移动时，它必须随时评估信号的强度并在必要时切换所关联的接入点。又一次关联是由移动式工作站所开启，当信号强度现实最好切换关联对象时便会又一次关联。

取消关联（ disassociation ）

结束现有关联。

身份验证 （ authentication ）

认证是 STA 在扫描到合适的 AP 之后，仅仅有通过认证该 STA 才干通过 AP 使用 WLAN 。

现有的认证方式有： (1)open ，即不须要认证，仅仅要交互一个 null 帧 (2)shared key ，须要一个 4 次握手的过程 (3)802.11i ，须要到认证server认证

当 STA 完毕认证之后仅仅须要发送 ReAssociation Request 帧，然后等待 ReAssociationResponse 帧完毕关联也就完毕了整个切换的过程。

解除身份验证

机密性

Wep 等一些加密机制

MSDU 传递（ MAC Service Data Unit ）

负责将数据传送给实际的接收端。

传输功率控制（ Transmit Power Control 简称 TPC ）

欧洲标准要求操作与 5G Hz 频带的工作站必须可以控制颠簸的传输功率，避免干扰其它相同使用 5G Hz 频带的用户。

动态频率选择（ Dynamic Frequency Selection 简称 DFS ）

无线局域网必须可以检測到雷达系统并选择未被雷达系统所使用的频率。

二．网络类型

基本服务集 （ basic service set , 简称 BBS ） 由一组相互通信的工作站构成。

BSS 分为两种：

独立型网络 i ndependent BSS ：通常由少数几个工作站为了特定目的而组成的临时性网络。

基础结构型网络 Infrastructure networks ：有接入点。接入点负责基础结构型网络的全部通信。

扩展服务区域 extended service set （ ESS ）

将几个 BSS 串联称为 extended service set 。全部位于同一个 ESS 的接入点使用同样的服务组标示符（ service identifier ，简称 SSID ）

三． MAC 层

数据链路层的两个子层

逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层

媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层

§ 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，无论採用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的

网卡及其功能

§ 数据的封装与解封发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层

§ 链路管理主要是 CSMA/CD 协议的实现

§ 编码与译码即曼彻斯特编码与译码

§ 网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址假设是发往本站的帧则收下，然后再进行其它的处理

否则就将此帧丢弃，不再进行其它的处理

四．帧

802.11 帧主要有三种类型 ： 数据帧、控制帧、管理帧

数据帧 ：

帧格式：

Protocol ：代表MAC 协议版本号

Type 与Subtype ：制定使用帧类型( 控制帧、数据帧、管理帧)

Address1 ：帧接收端

Address2 ：发送端的地址

Address3 ：供接入点与分布式系统过滤之用

Duration ： 媒介使用权 ，RTS 传送段计算 RTS 帧结束后还须要多长时间用于帧交换。

地址信息

功能	ToDS	FromDS	Address 1 ( 接收端)	Address 2 ( 发送端)	Address 3	Address 4
IBSS	0	0	DA	SA	BSSID	未使用
To AP ( 基础结构型)	1	0	BSSID	SA	DA	未使用
From AP ( 基础结构型)	0	1	DA	BSSID	SA	未使用
WDS ( 桥接器)	1	1	RA	TA	DA	SA

帧送至server

相应第二行

Address1 ： RA/BSSID Address2 : SA/TA Address3 : DA

帧来自分布式系统

相应第三行

Address1 ： RA/DA Address2 : TA/BSSID Address3 : SA

控制帧：

通常与数据帧搭配使用，负责区域的清空、信道的取得、载波监听的维护，并于收到数据时予以肯定确认，借此提高工作站之间数据传送的可靠性。

由于无线收发器通常仅仅有半双工工作模式 ， 即无法同一时候首发数据 ， 为防止冲突 ， 802.11 同意工作站使用 request to send(RTS) 和 clear to send （ CTS ） 信号来清空传送区域。

RTS/CTS进行清空

节点1有个帧待传，首先发送RTS帧，预约无线链路的使用权、要求接收到这一帧的其它工作站保持沉默。

接收到RTS帧，接收端会以CTS帧应答，RTS会令附近的工作站保持沉默。

RTS/CTS完毕交换后，可发送frame。

媒介訪问权仅仅留给单播帧使用，组播和广播帧仅仅是简单的传送。

这样的机制一般仅仅用在高用量的环境下以及传输竞争比較激烈的场合，对低用量环境而言，暂不须要。

RTS帧

Duration：媒介使用权，RTS传送段计算RTS帧结束后还须要多长时间用于帧交换。

Address1：大型帧的工作站地址

Address2：RTS的发送端

Rts的Duration

CTS帧

Address1：接收端的字段，拷贝于RTS的发送端地址。

ACK帧

除了这 3 种控制帧，还有 PS-POLL 帧（省电轮询）。

管理帧

负责监督，用来增加或退出无线网络以及处理接入点之间关联的转移事宜。

为了限制广播或组播管理帧所造成的副作用，收到管理帧后，必须加以查验。仅仅有广播或者组播帧来自工作站当前所关联的BSSID时，它们才会被送至MAC管理层。唯一例外是beacon帧。

帧主体分两种：固定字段、信息元素。

固定字段（ Fixed-Length Management Frame Components ）：数据使用长度固定的字段。一共同拥有10种。

1. Authentication Algorithm Number 身份验证算法编号：

0 ：开放系统身份验证

1 ：共享密钥身份验证

2~65535; 保留

2. Authentication Transaction Sequence Number 身份验证处理序列号

用以追踪身份验证进度。

3.beacon interval 字段

用来设定 beacon 信号之间相隔多少时间单位。

4. Capability Information 性能信息

传送 beacon 信号的时候，它被用来通告网络具备何种性能。

5. Current AP Address

移动式工作站用此字段表明当前关联的接入点的 MAC 地址，便于关联与又一次关联的进行。

6. Listen interval

工作站为节省电能，临时关闭 802.11 的天线，休眠中的工作站会定期醒来聆听往来消息，以推断是否有帧缓存于接入点。

事实上就是以 Beacon interval 为单位所计算出的休眠时间。

7. Association ID 关联标示符

工作站与接入点关联时就会被赋予一个关联标识符来协助控制和管理。

8. Timestamp 时间戳

用来同步 BSS 中的工作站。

9. Reason Code 原因代码

对方不适合增加网络时，工作站会发送 disassociation （取消关联）或 deauthentication （解除身份验证）帧作为响应。该字段用以表示产生该原因代码的理由。

10. Status Code

表示某项操作成功或失败。

信息元素：

管理帧的可变长组件。

一般管理帧的信息元素

Element ID	名称
0	服务集标示符(SSID)
1	支持速率Supported Rates
2	跳频參数集FH Parameter Set
3	直接序列參数集DS Parameter Set
4	无竞争參数集CF Parameter Set
5	传输指示映射Traffic Indication Map (TIM)
6	IBSS 參数集
7 (802.11d)	Country
8 (802.11d)	Hopping Pattern Parameters
9 (802.11d)	Hopping Pattern Table
10 (802.11d)	Request
11-15	Reserved; unused
16	Challenge text
17-31	保留
32 (802.11h)	功率限制Power Constraint
33 (802.11h)	Power Capability
34 (802.11h)	发送功率控制请求Transmit Power Control (TPC) Request
35 (802.11h)	发送功率控制报告TPC Report
36 (802.11h)	所支持的信道Supported Channels
37 (802.11h)	信道切换声明Channel Switch Announcement
38 (802.11h)	測量请求Measurement Request
39 (802.11h)	測量报告Measurement Report
40 (802.11h)	静默Quiet
41 (802.11h)	IBSS 动态选频（DFS ）
42 (802.11g)	ERP information
43-49	Reserved
48 (802.11i)	强健安全网络Robust Security Network
50 (802.11g)	扩展支持速率Extended Supported Rates
32-255	Reserved; unused
	Wi-Fi 保护訪问Wi-Fi Protected Access

管理帧类型

管理帧的主体包括的固定字段与信息元素是用来运送信息的。管理帧主要有下面几种，负责链路层的各种维护功能。

1. Beacon （信标）帧

主要用来声明某个网络的存在。定期传送的信标可让 station 得知网络的存在，从而调整增加该网络所必需的參数。

Beacon （信标）帧

2. Probe Request 探查请求

移动工作站利用 Probe Request 探查请求帧来扫描区域内眼下有哪些 802.11 网络。

Probe Request 帧

包括 2 个字段

SSID ：可被设定为特定网络的 SSID 或不论什么网络的 SSID 。

Support rates ：移动工作站所支持的速率。

3.Probe Response 帧

假设 Probe Request 所探查的网络与之兼容，该网络就会以 Probe Response 帧响应。送出最后一个 beacon 帧的工作站必须负责响应所收到的探查信息。

Probe Request 帧中包括了 beacon 帧的全部參数， station 可依据它调整增加网络所须要的參数。

Probe Request 帧

4. IBSS announcement traffic indication map (ATIM)

IBSS 的通知传输仅仅是消息（ ATIM ）帧

5. Disassociation and Deauthentication 取消关联、解除验证

取消关联、解除验证帧

6. Association Request

关联请求帧

7. Reassociation Request

又一次关联

8. Association Response and Reassociation Response

关联响应，又一次关联响应

9. Authentication 身份验证帧

身份验证帧

Authentication Algorithm Number ：用于算法选择

10. Action frame

帧传送、关联与身份验证的状态

状态图

State1 ：未经认证且尚未关联

State2 ：已经认证但尚未关联

State3 ：已经认证且已经关联

帧等级分类

	控制帧	管理帧	数据帧
第一级帧	Request to Send (RTS)	Probe Request	ToDS 或 FromDS 位都设为 0 的全部帧
	Clear to Send (CTS)	Probe Response
	Acknowledgment (ACK)	Beacon
	CF-End	Authentication
	CF-End+CF-Ack	Deauthentication
		Announcement Traffic Indication Message (ATIM)
第二级帧	None	Association Request/Response	None
		Reassociation Request/Response
		Disassociation
第三级帧	PS-Poll	Deauthentication	不论什么帧，包括 ToDS 或 FromDS 位都设为 1 的全部帧

madwifi

1 ．

madwifi 的结构，主要是有三层， hal 是硬件层，然后是 ath 层，在之上的是 802.11 层，整个 madwifi 源代码中重要的就是 hal 目录（硬件）， ath 目录， ath_rate 目录， net80211 目录（ 802.11 协议相关）， tools 目录（一些工具）

当驱动被载入的时候，它会取探測物理设备是否存在，然后通过 ath_attach() 函数安装此设备。同一时候，驱动会自己主动创建一个虚拟的网络接口，通过函数 ieee80211_create_vap( ) 实现。这个虚拟网络接口的初始状态为 INIT ，在此状态下硬件不会接收数据包。

当实际的 AP 接口開始工作（比如通过 ifconfig ath0 up 命令激活），驱动会将对硬件进行适当的设置而且进入 SCAN 状态。

在 SCAN 状态下， AP 会扫描全部它支持的通道。

扫描包含两个方面，一个是主动扫描，即 AP 会发送适当的请求报文；一个是被动扫描，即 AP 监听临近 AP 的 beacons 。

在 SCAN 状态下， AP 不会数据传输报。

在全部的通道都扫描完毕以后， AP 选择一个无线信号强度最低的通道然后进入 RUN 状态（ ap_end( ) ）。

在 RUN 状态下， AP 运行一个存取节点的普通操作。它约每隔 100ms 向外广播一个 beacon 消息（ ath_beacon_send( ) ） ,

应答其他 AP 发送的请求，应答终端发送来的认证消息和连接 / 重连接消息，而且数据传输包。

当接口被关闭的时候， AP 会发送取消认证消息到每个连接了的终端，然后释放所它们所占有的资源并进入 INIT 状态。

须要注意控制消息的使用，如： RTS 、 CTS 和 ACK ，它们是被驱动 HAL （硬件抽象层）控制的。

结构体 ieee80211com 中定义了各种帧处理函数指针

3 ．数据接收

大多数的 CSMA/CA 机制被贯彻在 HAL 或者硬件中。当一个新的包到达时，开源的驱动部分是通过中断来获取通知的（ ath_intr( ) ）。

包被 linux 的 tasklet 来处理（ ath_rx_tasklet( ) ），这个包所在 skb 结构被找到而且

它的目标节点正确。

函数 ieee80211_input( ) 接收各种不同类型的包，在这个函数中管理报文包被传递给 ieee80211_recv_mgmt( ) 函数处理，数据包被做相关的处理后变成以太帧格式然后传送给 linux 内核（ netif_rx( ) ）或者，假设工作在桥模式下，则通过 dev_queue_xmit( ) 发送此数据包

4 ．数据的发送

Linux 内核通过 dev->hard_start_xmit 轮流调用虚拟接口的 ieee80211_hardstart() 函数和物理接口的 ath_hardstart （）函数实现包的传输。

ath_hardstart （）函数将以太格式的包封装成 802.11 格式的包。

ath_tx_start （）函数将须要加密的包进行加密处理，并将保存此包的 skb 映射到 DMA 缓冲，并依据包的优先级选定一个传输队列（ QoS control ）。 ath_tx_txqaddbuf( ) 函数将映射后的缓冲（ buffer ）插入到选定的传输队列里面并通知 HAL 開始传输。