IEEE802.11协议基础知识

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-08-06 05:07 330阅读 0赞

## 1. 802.11管理功能–用户接入过程 ##

STA (工作站）启动初始化、开始正式使用、AP 传送数据幀之前，要经过三个阶段才能接入:

(1) 扫描(SCAN)  
(2) 认证(Authentication)

(3) 关联(Association)

![SouthEast][]

### 1.1 802.11管理–扫描(SCAN) ###

1) 若无线站点 STA 设成 Ad-hoc (无AP)模式：

STA先寻找是否已有 IBSS（与STA所属相同的SSID）存在，如有，则参加（join）；若无, 则会自己创建一个IBSS，等其他站来 join。

2) 若无线站点 STA 设成 Infrastructure (有AP)模式：

\--**主动扫描方式** (特点：能迅速找到)

•依次在每个信道上发送Probe request报文，从Probe Response中获取BSS的基本信息， Probe Response包含的信息和Beacon帧类似

\-- **被动扫描方式** (特点：找到时间较长，但STA节电)

• 通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络， Beacon帧中包含该AP所属的BSS的基本信息以及AP的基本能力级，包括： BSSID（AP的MAC地址）、 SSID、支持的速率、支持的认证方式，加密算法、 Beacons帧发送间隔，使用的信道等

• 当未发现包含期望的SSID的BSS时，STA可以工作于IBSS状态

![SouthEast 1][]

### 1.2 802.11管理功能–认证(Authentication)  ###

802.11支持两种基本的认证方式:

**• Open-system Authentication**

1) 等同于不需要认证，没有任何安全防护能力

2) 通过其他方式来保证用户接入网络的安全性，例如Address filter、用户报文中的SSID

**• Shared－Key Authentication**

1) 采用WEP加密算法

2) Attacker可以通过监听AP发送的明文Challenge text和STA回复的密文Challenge text计算出WEP KEY

另外， STA可以通过Deauthentication来终结认证关系。

![SouthEast 2][]

### 1.3 802.11管理功能–关联(Association)  ###

**1) Association**

• STA通过Association和一个AP建立关联，后续的数据报文的收发只能和建立Association关系的AP进行

**2) Reassociation**

• STA在从一个老的AP移动到新AP时通过Reassociation和新AP建立关联

• Reassociation前必须经历Authentication过程

**3) Deassociation**

• STA通过Deassociation和AP解除关联关系

![SouthEast 3][]

## 2. 802.11相关协议 ##

![SouthEast 4][]

## 3. 802.11帧格式 ##

![SouthEast 5][]

### **3.1 802.11 MAC Header（MAC头）** ###

• Frame Control（帧控制域）

• Duration/ID（持续时间/标识）

• Address（地址域）

• Sequence Control（序列控制域）

#### 3.1.1 Frame Control（帧控制域） ####

• Protocol Version（协议版本）：通常为0；  
• Type（类型域）和Subtype（子类型域）：共同指出帧的类型；  
• To DS：表明该帧是BSS向DS发送的帧；  
• From DS：表明该帧是DS向BSS发送的帧；  
• More Frag：用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧；  
• Retry（重传域）：用于帧的重传，接收STA利用该域消除重传帧；  
• Pwr Mgt（能量管理域）：1：STA处于power\_save模式；0：处于active模式；  
• More Data（更多数据域）：1：至少还有一个数据帧要发送给STA ；  
• Protected Frame： 1：帧体部分包含被密钥套处理过的数据；否则：0；  
• Order（序号域）：1：长帧分段传送采用严格编号方式；否则：0。

#### 3.1.2 Duration/ID（持续时间/标识） ####

表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间；对于帧控制域子类型为：Power Save-Poll的帧，该域表示了STA的连接身份（AID, Association Indentification）。

#### 3.1.3 Address（地址域） ####

Address（地址域）：源地址（SA）、目的地址（DA）、传输工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），SA与DA必不可少，后两个只对跨BSS的通信有用，而目的地址可以为单播地址（Unicast address）、多播地址（Multicast address）、广播地址（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位序列号（Sequence Number）和表示MSDU和MMSDU的每一个片段的编号的4位片段号组成（Fragment Number）。

### **3.2 Frame Body（帧体部分）** ###

包含信息根据帧的类型有所不同，主要封装的是上层的数据单元，长度为0~2312个字节，可以推出，802.11帧最大长度为：2346个字节；

### **3.3 FCS（校验域）** ###

包含32位循环冗余码。

### 3.4 地址格式 ###

**1) 方案一：**

![SouthEast 6][]

A和B 在同一个IBSS，A->B (Ad hoc无线自组网中的数据帧的地址格式)。

**2) 方案二：**

![SouthEast 7][]

从AP发出的无线数据帧中的地址格式。

**3) 方案三：**

![SouthEast 8][]

发到AP的无线数据帧中的地址格式。

**4) 方案四：**

![SouthEast 9][]

通过无线分布系统传输的无线数据帧中的地址格式。

## 4. WLAN拓扑结构 ##

WLAN有以下三种网络拓扑结构：  
1) 独立基本服务集(Independent BSS, IBSS)网络(也叫ad-hoc网络)；  
2) 基本服务集(Basic Service Set, BSS)网络；  
3) 扩展服务集(Extent Service Set, ESS)网络。

其各自的特点如下所示：

### 4.1 IBSS-无AP ###

![SouthEast 10][]

也叫Ad Hoc 网(无线自组网):IBSS (Independent BSS，独立基本服务集)，无AP，站点间直接通信。

### 4.2 BSS-有AP ###

![SouthEast 11][]

又名Infrastructured网(基础设施网)：有AP(Access Point, 接入点)，无线站点通信首先要经过AP。

### 4.3 ESS-有AP和DS ###

![SouthEast 12][]

ESS:属 Infrastructured 网 (  DS:分配系统，AP：接入点， SSID：ESS扩展服务集标识符。一个移动节点使用某 ESS 的 SSID 加入到该扩展服务集中，一旦加入ESS，移动节点便可实现从该ESS的一个BSS到另一个BSS的漫游)

## 5. 802.11帧类型 ##

针对帧的不同功能，可将802.11中的MAC帧细分为以下3类：

• 数据帧：用于在竞争期和非竞争期传输数据；

• 控制帧：用于竞争期间的握手通信和正向确认(RTS信道预约、CTS预约成功、ACK等)、结束非竞争期等，为数据帧的发送提供辅助功能；

• 管理帧：主要用于STA与AP之间协商、关系的控制，如关联、认证、同步等。

Frame Control（帧控制域）中的Type（类型域）和Subtype（子类型域）共同指出帧的类型，当Type的B3B2位为00时，该帧为管理帧；为01时，该帧为控制帧；为10时，该帧为数据帧。而Subtype进一步判断帧类型，如管理帧里头细分为关联和认证帧

### 5.1 管理帧 (Management Frame) ###

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>Type</td> 
 <td>SubType</td> 
 <td>FrameType</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00</td> 
 <td>0000 </td> 
 <td>Association request (连接请求) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>0001</td> 
 <td>Association response (连接响应) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>0010</td> 
 <td>Reassociation request（重连接请求） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>0011</td> 
 <td>Reassociation response（重连接联响应） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>0100</td> 
 <td>Probe request（探测请求） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>0101</td> 
 <td>Probe response（探测响应） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>1000 </td> 
 <td>Beacon（信标，被动扫描时AP 发出，notify） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>1001</td> 
 <td>ATIM（通知传输指示消息） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>1010</td> 
 <td>Disassociation（解除连接，notify） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>1011</td> 
 <td>Authentication（身份验证） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>1100</td> 
 <td>Deauthentication（解除认证，notify） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>00 </td> 
 <td>1101～1111 </td> 
 <td>Reserved（保留，未使用）</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

ATIM：Announcement Traffic Indication Message，ATIM仅在ATIM窗口期间传送，ATIM没有负载。

### 5.2 控制帧 (Control Frame) ###

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>Type</td> 
 <td>Subtype</td> 
 <td>Frametype</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>01</td> 
 <td>1010</td> 
 <td>Power Save（PS）- Poll（省电－轮询） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>01 </td> 
 <td>1011</td> 
 <td>RTS（请求发送，即:&nbsp;Request To Send ，预约信道，帧长20字节） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>01 </td> 
 <td>1100</td> 
 <td>CTS（清除发送，即:Clear To Send ，同意预约，帧长14字节） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>01 </td> 
 <td>1101</td> 
 <td>ACK（确认） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>01 </td> 
 <td>1110</td> 
 <td>CF-End（无竞争周期结束） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>01 </td> 
 <td>1111</td> 
 <td>CF-End（无竞争周期结束）＋CF-ACK（无竞争周期确认）</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

RTS和CTS用于信道预约，CF-End+CF\_ACK和ACK用于确认正确接收到帧。

**1) ACK帧**

![SouthEast 13][]

### 5.3 数据帧 (Data Frame) ###

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>Type</td> 
 <td>Subtype</td> 
 <td>Frametype</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10</td> 
 <td>0000</td> 
 <td>Data（数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0001</td> 
 <td>Data+CF-ACK </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0010</td> 
 <td>Data+CF-Poll </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0011</td> 
 <td>Data+CF-ACK+CF-Poll </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0100</td> 
 <td>Null data（无数据：未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0101</td> 
 <td>CF-ACK（未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0110</td> 
 <td>CF-Poll（未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>0111</td> 
 <td>Data+CF-ACK+CF-Poll </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1000</td> 
 <td>Qos Data </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1001</td> 
 <td>Qos Data + CF-ACK </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1010</td> 
 <td>Qos Data + CF-Poll </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1011</td> 
 <td>Qos Data + CF-ACK+ CF-Poll </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1100</td> 
 <td>QoS Null（未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1101</td> 
 <td>QoS CF-ACK（未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1110</td> 
 <td>QoS CF-Poll（未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>10 </td> 
 <td>1111</td> 
 <td>QoS CF-ACK+ CF-Poll（未传送数据） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td>&nbsp;</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

[SouthEast]: /images/20220806/735c416bf0e14a16b506836f7b0b2b7c.png
[SouthEast 1]: /images/20220806/68d659c0fd8b4b44b5fcb5bd90b0f2f1.png
[SouthEast 2]: /images/20220806/0575563ae4ad413aa843d6e643f3b080.png
[SouthEast 3]: /images/20220806/76c6b507161341989edae1cc6c4967e0.png
[SouthEast 4]: /images/20220806/33700a565bc24f48bf09ea1de68272b6.png
[SouthEast 5]: /images/20220806/a10df3b4a8124a7791ff6e25308bbb6c.png
[SouthEast 6]: /images/20220806/baeda3e9418342deb59bee5afd872608.png
[SouthEast 7]: /images/20220806/f0424e9beca14c6bb7aa0bc3c9d98173.png
[SouthEast 8]: /images/20220806/6e9b3a620b69445ca751a90f33d71220.png
[SouthEast 9]: /images/20220806/80aabd97d8264d5a98c5c95269bf00a6.png
[SouthEast 10]: /images/20220806/411d32b607dc4f539c73f9c66b8c3d62.png
[SouthEast 11]: /images/20220806/e69e9f7487824a808084e255e4647fa2.png
[SouthEast 12]: /images/20220806/daf7714b7ebb4e07802295eea963f42e.png
[SouthEast 13]: /images/20220806/930023d3c5854c049fd1a590c89eda6f.png