WLAN接入流程和MAC幀格式

1、WLAN接入流程和MAC幀格式內(nèi)容提綱1 接入與認(rèn)證服務(wù)2 MAC層概述3 MAC幀結(jié)構(gòu) 3.1 MAC幀主體框架結(jié)構(gòu) 3.2 MAC管理幀 3.3 MAC控制幀 3.4 MAC數(shù)據(jù)幀1 接入與認(rèn)證服務(wù)1.1 加入網(wǎng)絡(luò)工作站的電源被打開之后，它在驗證和連接到合適的AP之前，首先會檢測有無現(xiàn)成的AP可供加入。工作站通過被動或主動掃描方式完成上述的搜索過程。加入一個BSS或ESS之后，工作站從訪問點AP接收服務(wù)組標(biāo)識符（SSID：Service Set Identifier）、時間同步函數(shù)（TSF：Timer Synchronization Function）、計時器的值和物理（PHY）安裝參數(shù)。

2、 在被動掃描模式下，工作站對每一個信道都進(jìn)行一段時間的監(jiān)聽，具體時間的長短由ChannelTime參數(shù)確定。該工作站只尋找具有本站希望加入的SSID的信標(biāo)幀，搜索到這個信標(biāo)后，繼而便分別通過驗證和連接過程建立連接。 在主動掃描方式下，工作站發(fā)送包含有該站希望加入的SSID信息的探詢（Proble）幀，然后開始等待探詢響應(yīng)幀，探詢響應(yīng)幀將標(biāo)識所需網(wǎng)絡(luò)的存在。1 接入與認(rèn)證服務(wù)1.2 認(rèn)證與保密服務(wù)802.11標(biāo)準(zhǔn)提供兩種認(rèn)證服務(wù)，增強(qiáng)了802.11網(wǎng)絡(luò)的安全性能：開放系統(tǒng)認(rèn)證（Open System Authentication）：默認(rèn)的認(rèn)證服務(wù)。 僅僅宣布與其他站和AP的連接請求。共享密匙認(rèn)證

3、（Shared Key Authentication）：包含更加嚴(yán)格的幀交換，以確定響應(yīng)工作站是可信的。一 開放系統(tǒng)認(rèn)證無需對發(fā)送工作站進(jìn)行身份認(rèn)證。二 共享密匙認(rèn)證與開放系統(tǒng)方式相比，共享密匙認(rèn)證方式提供更高的安全級別。采用共享密匙認(rèn)證的工作站必須執(zhí)行WEP。共享密匙以只讀形式存放在工作站的MIB中，只有MAC機(jī)制才能訪問。其過程如下：請求工作站向另一個工作站發(fā)送請求認(rèn)證幀。 當(dāng)一個站收到開始請求認(rèn)證幀后，它會返回一個認(rèn)證幀，該認(rèn)證幀包含WEP服務(wù)生成的128字節(jié)的質(zhì)詢文本。 請求工作站將質(zhì)詢文本復(fù)制到一個認(rèn)證幀中，用共享密匙加密，然后再把幀發(fā)往響應(yīng)工作站。接收站利用相同的密匙對質(zhì)詢文本進(jìn)行

4、解密，將其和早先發(fā)送的質(zhì)詢文本進(jìn)行比較。如果相互匹配，響應(yīng)工作站返回表示認(rèn)證成功的認(rèn)證幀；如不匹配，返回失敗認(rèn)證幀。802.11支持兩種基本的認(rèn)證方式Open-system Authentication等同于不需要認(rèn)證，沒有任何安全防護(hù)能力通過其他方式來保證用戶接入網(wǎng)絡(luò)的安全性，例如Address filter、用戶報文中的SSIDSharedKey Authentication采用WEP加密算法Attacker可以通過監(jiān)聽AP發(fā)送的明文Challenge text和STA回復(fù)的密文Challenge text計算出WEP KEYSTA和AP均可通過Deauthentication來終結(jié)認(rèn)證關(guān)

5、系802.11 -接入認(rèn)證STAAPAuthentication requestAuthentication Response(success)STAAPAuthentication requestPlain text challengeCipher text challengeAuthentication Response (success)預(yù)置Key用Key加密明文密文解密和明文比較預(yù)置Key802.1x認(rèn)證過程STAAPOpen-system AuthenticationAssociationEAPOL startEAPOL-Request/User IdentityEAPOL-Resp

6、onse/User Identity服務(wù)器證書/公鑰STA證書/用公鑰加密的Master key認(rèn)證成功4次握手Key協(xié)商加密數(shù)據(jù)報文Radius ServerUser Identity服務(wù)器證書/公鑰STA證書/用公鑰加密的Master key認(rèn)證成功/PMK驗證服務(wù)器證書用公鑰加密Master Key生成PMK驗證STA證書用私鑰解密Master Key生成PMKPMK一致性檢查生成其他KeyPMK一致性檢查生成其他Key計費請求計費開始WAPI認(rèn)證流程STAAPASU證書鑒別請求證書鑒別響應(yīng)接入鑒別請求接入鑒別響應(yīng)單播密鑰協(xié)商請求單播密鑰協(xié)商響應(yīng)單播密鑰協(xié)商確認(rèn)組播密鑰通告組播密鑰響應(yīng)接

7、入鑒別激活STA：無線接入終端（Station）AP ：無線接入點（Access Point）ASU：鑒別服務(wù)單元 Authentication Service Unit）對稱加密其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 WAPI實施指南WAPI實施指南2 MAC層概述按照無線局域網(wǎng)（WLAN）的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)層次劃分，MAC子層是位于物理（PHY）層和邏輯鏈路控制（LLC）子層中間的一個層次，其主要目的是在LLC子層的支持下為共享物理媒體提供訪問控制以及執(zhí)行尋址方式和幀產(chǎn)生與幀識別。IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中，以CSMA/CA協(xié)議作為無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議的基礎(chǔ)，主要用來支持異步業(yè)務(wù)，并稱其為分布式訪問控制（分布協(xié)調(diào)功

8、能）方式（DCF）。為了使得系統(tǒng)也能夠支持具有最大時延要求的一些同步或時限業(yè)務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)中還要求了MAC協(xié)議支持用戶可選擇的中心網(wǎng)控（點協(xié)調(diào)功能）方式（PCF）。 802.11標(biāo)準(zhǔn)采用帶有碰撞避免功能的載波偵聽多址接入（CSMA/CA）媒體訪問控制（MAC）協(xié)議。為了盡可能避免碰撞的發(fā)生，建議標(biāo)準(zhǔn)中采用了多種措施。例如對不同的幀傳送服務(wù)劃分不同的優(yōu)先級別；在較長的數(shù)據(jù)幀傳送前，通過較短的發(fā)送請求/清除發(fā)送（RTS/CTS）幀的傳遞獲取后續(xù)一定時間的信道使用權(quán)；采用了數(shù)據(jù)幀確認(rèn)（ACK）機(jī)制，確保不會使數(shù)據(jù)幀在傳輸中由于碰撞或其它干擾造成丟失等。 802.11標(biāo)準(zhǔn)提供可選擇的中心控制Polling方

9、式支持同步或時限業(yè)務(wù)。2 MAC層主要功能 媒體訪問控制 加入網(wǎng)絡(luò)連接 數(shù)據(jù)驗證和保密 1無線媒體訪問控制在幀發(fā)送前，MAC須首先利用以下某方式獲得網(wǎng)絡(luò)連接： 具有碰撞避免功能的載波偵聽多址接入（CSMA/CA）媒體訪問控制（MAC）方式，IEEE 802.11規(guī)范稱為分布式訪問控制方式（DCF）。 基于不同服務(wù)優(yōu)先級別的集中式輪詢（Polling）訪問控制，IEEE 802.11規(guī)范稱為中心網(wǎng)絡(luò)控制方式（PCF）。DCF和PCF都能在同一個BSS中提供并行的可選擇的競爭和無競爭訪問期。2加入網(wǎng)絡(luò)連接工作站的電源打開之后，它在驗證和連接到合適的工作站或訪問點之前，首先檢測有無現(xiàn)成工作站和訪問點

10、（AP）可供加入。工作站通過被動或主動掃描方式完成上述的搜索過程。加入一個BSS或ESS之后，工作站從訪問點（AP）接收服務(wù)組標(biāo)識符（SSID：Service Set Identifier）、時間同步函數(shù)（TSF：Timer Synchronization Function）、計時器的值和物理安裝參數(shù)等。 3提供認(rèn)證和保密服務(wù)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)提供兩種認(rèn)證服務(wù)，用于增強(qiáng)802.11網(wǎng)絡(luò)的安全性能： 開放系統(tǒng)認(rèn)證（Open System Authentication），是一種默認(rèn)的認(rèn)證服務(wù)。 僅僅宣布與其他站和AP的連接請求。 共享密匙認(rèn)證（Shared Key Authenticati

11、on），它包含更加嚴(yán)格的幀交換，以確定響應(yīng)工作站是可信的。3 MAC幀結(jié)構(gòu)IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中把無線局域網(wǎng)的MAC幀分為三種類型： 管理幀 控制幀 數(shù)據(jù)幀 MAC管理幀負(fù)責(zé)STA與AP之間的能力級的交互，認(rèn)證、關(guān)聯(lián)等管理工作。負(fù)責(zé)在工作站和AP之間建立初始的通信，提供關(guān)聯(lián)加入和認(rèn)證服務(wù)。 協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)幀的控制報文（RTS、CTS、ACK等），當(dāng)工作站和AP之間建立關(guān)聯(lián)和認(rèn)證之后，控制幀為數(shù)據(jù)幀的發(fā)送提供輔助功能（請求或確認(rèn)等）。用戶的數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)幀的功能是向目的工作站傳送數(shù)據(jù)信息（如MSDU媒體服務(wù)數(shù)據(jù)單元），轉(zhuǎn)交給邏輯鏈路控制（LLC）子層。3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.1 MAC幀主體框

12、架結(jié)構(gòu)IEEE802.11定義了MAC幀格式的主體框架結(jié)構(gòu)，無線局域網(wǎng)中發(fā)送的各種類型的MAC幀都采用這種幀結(jié)構(gòu)。站一旦形成正確的幀之后，MAC層將幀傳給物理層匯聚處理子層（PLCP）。 Frame Duration Addr Addr Addr Sequence Addr Frame FCSControl ID 1 2 3 Control 4 Body 字節(jié)： 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 MAC幀由最長30字節(jié)的幀適配頭、長度可變（02312字節(jié)）的幀體信息和4字節(jié)的幀校驗序列（FCS）組成。 IEEE 802.11 MAC幀一般框架結(jié)構(gòu) 3.1 MAC幀主體框架結(jié)構(gòu)Fra

13、me Duration Addr Addr Addr Sequence Addr Frame FCSControl ID 1 2 3 Control 4 Body 字節(jié)： 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 一. MAC幀的主要字段 Duration/ID（持續(xù)時間/標(biāo)志）：在這個域內(nèi)包含發(fā)送站請求發(fā)送持續(xù)時間的數(shù)值，值的大小取決于幀的類型。通常每個幀一般都包含表示下一個幀發(fā)送的持續(xù)時間信息。網(wǎng)絡(luò)中的各個站都通過監(jiān)視幀中這一字段，來推測前邊的發(fā)送站尚需占用的時間，推遲自己的發(fā)送。Frame Control（幀控制）：這個字段載有在個工作站之間發(fā)送的控制信息。它又可劃分為若干子字段，子

14、字段結(jié)構(gòu)說明如下頁：Addr 1，2，3，4（地址 1，2，3，4）：包含不同類型的地址，地址的類型取決于發(fā)送幀的類型。這些地址類型可以包含基本服務(wù)組標(biāo)識（BSS-ID）、源地址、目標(biāo)地址、發(fā)送站（AP）地址和接收站（AP）地址。各段地址長度均為48位，且有單獨地址、組播地址和廣播地址之分。Sequence Control（序列控制）：該字段最左邊的4位由分段號子字段組成，這個子字段標(biāo)明一個特定的媒體服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）的分段號。第一個分段號為0，后面的發(fā)送分段的分段號依次加1。站在數(shù)據(jù)接收時，可通過監(jiān)視序列號和分段號來判斷是否為重復(fù)幀。Frame Body（幀體）：這個字段的有效長度可變

15、，所載的信息取決于發(fā)送幀的類型。如果發(fā)送幀是數(shù)據(jù)幀，那么該字段會包含一個LLC數(shù)據(jù)單元。MAC管理和控制幀會在幀體中包含一些特定的參數(shù)。如果幀不需要承載信息，那么幀體字段的長度為0。FCS（幀校驗序列）：發(fā)送工作站的MAC層利用循環(huán)冗余碼校驗法CRC對幀前邊諸字段內(nèi)容運算，計算一個32位的FCS，并將結(jié)果存入這個字段。MAC層利用下面的覆蓋MAC頭所有字段和幀體的生成多項式來計算FCS： G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1結(jié)果的高階系數(shù)放在字段中，形成最左邊的位。接收端也利用相同的CRC校驗，檢查接收幀中是否有數(shù)據(jù)傳

16、輸發(fā)生的差錯。3.1 MAC幀主體框架結(jié)構(gòu)二. MAC幀的幀控制字段MAC幀中的幀控制字段（2字節(jié)）劃分為11個子字段，主要用來定義一個MAC幀的類型，是管理幀、控制幀還是數(shù)據(jù)幀。 ProtocolVersionTypeSub-typeToDSFromDSMoreFlagRetryPowerMgmtMoreDataWEPOrder2bit 2 bit 4 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit MAC幀中的幀控制（Frame Control）字段的子字段結(jié)構(gòu)劃分 Protocol Version（協(xié)議版本）：用兩比特（bit1，b

17、it0）表示MAC協(xié)議版本。對于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議版本為0。因此，除非未來的新協(xié)議版本與過去的協(xié)議版本不兼容，協(xié)議版本字段將一直保持為0。 Type（幀類型）：用兩比特（bit3，bit2）表示幀的類型。這個字段表明當(dāng)前的幀是管理幀、控制幀還是數(shù)據(jù)幀。表示方法如表1所示。 bit3，bit2 0，0 0，1 1，0 1，1幀類型管理幀控制幀數(shù)據(jù)幀保留表1 MAC幀的類型 Subtype (幀子類型)：用四比特（bit7，bit6，bit5，bit4）表示幀的類型的進(jìn)一步從功能上的劃分。這個字段說明幀的具體功能，如表2所示。To DS（到分布式系統(tǒng)）：只有一個位，發(fā)往分布式系統(tǒng)的幀，該字段置1，其它

18、的幀則置0。例如某幀若是發(fā)往另一個AP的無線電小區(qū)里的時候， 要對該字段設(shè)置為1。From DS（來自分布式系統(tǒng)）：也是只有一位，發(fā)自分布式系統(tǒng)的幀的該字段置1，其他的幀置0。當(dāng)某幀從一個AP發(fā)送到另一個AP時，To DS和From DS字段都要置1。More Frag（更多分段）：只有一位的字段，如果同一個MSDU還有其他分段存放在后繼的幀中，該字段置1。Retry（重發(fā)）：只有一個位。對于重發(fā)幀，該字段置1；其它幀置0。Power Management（電源管理）：該字段指明發(fā)送工作站在完成目前的幀交換序列之后的電源管理模式。如果工作站進(jìn)入睡眠模式，MAC層將該字段置1；置0則表示工作站處

19、于激活模式。More Data（更多數(shù)據(jù)）：如果某工作站還有MSDU要發(fā)往處于節(jié)能模式的工作站，那么發(fā)送工作站將該字段置1；其他種類的發(fā)送則置0。WEP（加密）：本字段置1表示向接收工作站聲明，幀體（Frame Body）已經(jīng)被WEP算法加工過了（數(shù)據(jù)已經(jīng)用密鑰加密）；其他情況本字段置0。Order（排序）：所有采用嚴(yán)格順序服務(wù)級別的數(shù)據(jù)幀，該字段置1。表明這些須按順序處理。表2 MAC幀類型的進(jìn)一步功能劃分表示 3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.2 MAC管理幀MAC管理幀負(fù)責(zé)在工作站和AP之間建立初始的通信，提供連接加入和認(rèn)證服務(wù)。FrameControlDurationDASABSS-IDSequen

20、ceControlFrameBodyFCS字節(jié)： 2 2 6 6 6 2 0-2312 4 管理信息幀格式 在無競爭期（中心網(wǎng)絡(luò)控制方式規(guī)定的），管理幀的Duration字段被設(shè)置為32768D（8000H），從而管理幀在其它站獲得媒體訪問權(quán)之前，有足夠的時間建立通信連接。 在競爭期，管理幀的Duration字段設(shè)置如下： 目標(biāo)地址是組播或廣播地址時，Duration字段置0。 More Fragment位設(shè)置為0，且目標(biāo)地址是單個獨立地址時，Duration字段的值是發(fā)送一個響應(yīng)（ACK）幀和一個短幀間隔所需的時間（微秒）數(shù)。 More Fragment位設(shè)置為1，且目標(biāo)地址是單個獨立地址時

21、，Duration字段的值是發(fā)送下一個分段、兩個ACK幀和三個短幀間隔所需的時間微秒數(shù)。下面介紹管理幀的功能劃分子類型及其幀體元素： 圖4 不同功能子類型管理幀的幀體元素 認(rèn)證算法 認(rèn)證處理序列號 信標(biāo)間隔 當(dāng)前AP地址 監(jiān)聽間隔 原因代碼 連接標(biāo)識 狀態(tài)碼 時戳 ESS服務(wù)組標(biāo)識 支持速率 跳頻參數(shù)設(shè)置 直擴(kuò)參數(shù)設(shè)置 無競爭參數(shù)設(shè)置 能力信息 業(yè)務(wù)指示表 IBSS參數(shù)設(shè)置 質(zhì)詢文本 分離幀信標(biāo)幀關(guān)聯(lián)請求關(guān)聯(lián)響應(yīng)重關(guān)聯(lián)請求重連接響應(yīng)探詢請求探詢響應(yīng)認(rèn)證幀解除認(rèn)證幀管理幀類型 幀體元素 各管理幀類型解釋見講義。各管理幀幀體元素解釋見講義。3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.3 MAC控制幀當(dāng)工作站和AP之間建立

22、連接和認(rèn)證之后，控制幀為數(shù)據(jù)幀的發(fā)送提供輔助功能。下圖示意了常見的一次成功數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中的控制幀流。 發(fā)送工作站 接收工作站 請求發(fā)送（RTS） 發(fā)送確認(rèn)（CTS）數(shù)據(jù)（DATA）應(yīng)答（ACK）一次成功數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中的控制幀流 3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.3 MAC控制幀不同功能子類型控制幀的結(jié)構(gòu)： 請求發(fā)送（RTS）：工作站向某接收工作站發(fā)送RTS幀，以協(xié)商數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。通過MIB中的aRTSThreshold屬性你可以將工作站加入RTS幀序列，將幀設(shè)置成一般、從不或者僅僅比一個特定的長度長。 Frame ControlDurationRATAFCS字節(jié)： 2 2 6 6 4RTS控制幀格式 D

23、uration字段的值以微秒為單位，是工作站間發(fā)送一個RTS幀、一個CTS幀、一個DATA幀和一個ACK幀和三個短的幀間間隔所需的時間。 字段RA和TA分別是接收地址和發(fā)送地址，各6字節(jié)。3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.3 MAC控制幀結(jié)構(gòu)不同功能子類型控制幀的結(jié)構(gòu)： 清除發(fā)送（CTS）：收到RTS后，接收工作站向發(fā)送工作站返回一個CTS幀，以確認(rèn)發(fā)送工作站享有發(fā)送數(shù)據(jù)幀的權(quán)力。CTS控制幀格式 Duration字段的值以微秒為單位，等于RTS Duration字段的值減去發(fā)送CTS幀和SIFS間隔的時間。CTS控制幀中只有接收地址（RA）而沒有發(fā)送地址（TA）。Frame ControlDuration

24、RAFCS字節(jié)： 2 2 6 4 為了防止由于隱藏網(wǎng)點和提高信道利用率所帶來的碰撞，正在發(fā)送信息的工作站B應(yīng)該向AP發(fā)一個RTS幀 ，請求占有一段時間的服務(wù)。如果AP接收這個請求，它會在這段時間內(nèi)向所有工作站廣播CTS幀。則這段時間內(nèi)，包括A在內(nèi)的所有工作站就都不會在企圖訪問和占用媒體了。RTS/CTS交換同時進(jìn)行快速的碰撞推斷和傳送線路檢測。如果發(fā)送RTS的工作站沒有探測到返回的CTS，它會重復(fù)發(fā)送操作。其重發(fā)速度遠(yuǎn)比象發(fā)送一個很長的數(shù)據(jù)幀之后無ACK幀返回時的重發(fā)要快得多。3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.3 MAC控制幀結(jié)構(gòu)交換RTS/CTS控制幀的意義：障礙物訪問節(jié)點AP 工作站A工作站BRTS/C

25、TS控制幀的交換可改善由于隱藏站點引發(fā)的訪問碰撞 為了防止由于隱藏站點和提高信道利用率帶來的碰撞，正在發(fā)送信息的工作站B應(yīng)該向AP發(fā)一個RTS幀 ，請求占有一段時間的服務(wù)。如果AP接收這個請求，它會在這段時間內(nèi)向所有工作站廣播CTS幀。則該時段內(nèi)，包括A在內(nèi)的所有工作站都不會在企圖訪問媒體了。RTS/CTS交換同時進(jìn)行快速的碰撞推斷和傳送線路檢測。如果發(fā)送RTS的工作站沒有探測到返回的CTS，它會重復(fù)發(fā)送操作。其重發(fā)速度遠(yuǎn)比象發(fā)送一個很長的數(shù)據(jù)幀之后無ACK幀返回時的重發(fā)要快得多。3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.3 MAC控制幀結(jié)構(gòu)不同功能子類型控制幀的結(jié)構(gòu)： 應(yīng)答（ACK）：工作站收到一個無誤的幀（數(shù)據(jù)

26、幀或管理幀）之后，會向發(fā)送工作站發(fā)送一個ACK控制幀，以確認(rèn)幀已經(jīng)被成功地接收。ACK控制幀格式 Duration字段的值以微秒為單位，當(dāng)前的數(shù)據(jù)幀或管理幀的控制字段中“更多分段”bit為0時，該Duration字段的值為0；如果前述的數(shù)據(jù)幀或管理幀的幀控制字段中更多分段bit為1時，該Duration字段的值等于前述的數(shù)據(jù)幀或管理幀的Duration字段的值減去發(fā)送ACK幀和SIFS間隔的時間。Frame ControlDurationRAFCS字節(jié)： 2 2 6 4 ACK控制幀中只有接收地址（RA）而沒有發(fā)送地址（TA）。3 MAC幀結(jié)構(gòu)3.3 MAC控制幀結(jié)構(gòu)不同功能子類型控制幀的結(jié)構(gòu)： 節(jié)能輪詢（PS Poll）：當(dāng)工作站收到PS Poll控制幀后，會更新網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV），NAV用于表明工作站多長時間內(nèi)不能發(fā)送信息，它包含對媒體未來通信量的預(yù)測。PS Poll