IEEE802.11学习笔记

802.11协议学习笔记

1、简介

1.1 IEEE802网络技术规格

IEEE802家族是由一系列局域网络(Local Area Network,LAN) 技术规格所组成，802.11 属于其中一员。

注：现在已经到802.11n 了，高速率

802 协议主要是改动了osi 模型的最底下的两层

PHY：解决传送与接受的细节

MAC：解决如何访问介质与传送数据的规则

802.11/b/g/n 一般处于 2.4ghz 频带，这三种协议互通，最近发布的802.11n 具有5ghz 高频2.4ghz 这个频段被分为13 个信道（CHina），每个信道间隔为5mhz。802.11b/g 是基于扩频与22 MHz 的通道宽度，故无法实现13 个信道不交叠。因此，只有三个通道可以实现频率

不重叠，故在WLAN 部署时，信道1，6 和11 为推荐信道。在信道资源不够用或者用户容

量要求较高时，也可以采用四个非重叠信道1，5，9 和13。

而在5.8GHz 频段，我国把 5.725 GHz到5.875 GHz这一频段分成了 5 个信道，每个信道带宽为20MHz。虽然划分了 5 个信道（149，153，157，161，165），但一般设备只支持其

中的 4 个信道（149，153，157，161）。

1.2 WLAN组成与网络结构

1.2.1 组成

Wireless Medium (WM) ：无线传输媒介，无线局域网络物理层所使用到的传输媒介。

Station (STA)：工作站，任何设备只要拥有IEEE 802.11的MAC 层和PHY层的接口，就可称为一个工作站。

Station Services (SS：) 工作站服务，提供工作站收发数据的服务。

Basic Service Area (BSA：) 每一个几何上的建构区块(building block) 就称为一个基本服务区域(Basic Service Area,简称BSA)，每一建构区块的大小依该无线工作站的环境和功率而定。

Basic Service Set (BSS：) 基本服务区中所有工作站的集合。

Distribute System (DS)：分布式系统，通常是由有线网络所构成，可将数个BSA基本服务区域连结起来。

Access Point (AP：) 接入点，连接BSS和DS的设备，通常在一个BSA内会有一个接入点。Extended Service Area (ESA：)数个BSA基本服务区域经由DS连结在一起，所形成的区域，就叫作一个扩充服务区。

Extended Service Set (ESS：)数个经由DS分布式系统所连接的BSS中的每一基本工作站集，形成一个扩充服务集。

Distribution System Services (DSS：)分布式系统所提供的服务，使得数据能在不同的BSS基本服务集间传送。

1.2.2 WLAN 的网络结构

WLAN 网络结构主要可分为：AD-HOC，基础架构模式，多AP模式，无线网桥模式，无线中继器模式。

Ad-hoc 的网络没有中心接入点来控制设备通讯，而是允许各设备之间直接进行通讯。

Ad-hoc 的网络不能与任何基础架构设备或其他有线网络设备通讯，只可与其他Ad-hoc 设备进行通讯。

Infrastructure 基础架构模式的网络需使用接入点来控制无线网络通讯，通常由无线接入点AP、无线站点STA、分布式系统DS组成。

多AP模式指多个AP 和DS组成的基础架构模式网络，即ESA。

无线网桥模式即采用一对AP 以网桥模式，连通两段DS。

无线中继器模式则类似接力的方式，进行信号延伸。

2、802.11 MAC

2.1 MAC访问与时钟控制

2.1.1 无线链路品质

无线链路(radio link) 的数据传输会受到噪声于干扰的影响。多径衰落造成的布线死区

（dead line）也可能导致帧无法传送，因此采用肯定确认机制（positive acknowledgment ），所有传出去的帧必须得到相应。

、

上述的流程为一个原子操作，即不可分割，必须完成这一套动作，否则就失败，不存在第三

三种情况。

2.1.2 隐藏节点问题

有可能因为距离的原因而导致站点无法接受对方的无线电波导致碰撞的问题相当难以

监听，因为无线收发器通常是半双工模式。为了防止碰撞发生，802.11 使用RTS/CTS允( 许发送)。加上这两个消息，和之前的frameack 构成一个原子操作。

2.1.3 介质访问协调

CSDM/CA访问时有分布式协调功能控制（DCF，先检测链路是否处于空闲，如果传送者

占据某个频道则随机延时（退避算法）），需要用到无竞争服务，可通过PCF协调。HCD是介于两者之间的混合型协调功能。

载波监听有两种

A）物理载波监听：昂贵，有时不管用

B）虚拟载波NAV 来实现，通过RST/CST标头来传送，只要NAV不为0 即其他站不能访问该站点，也就不会被打断，直到收到ACK

2.1.4 帧间间隔

A）短帧间间隔（short interframe space ，SIFS），用于高优先级的传输场合（RTS/CTS）B）PCF帧间间隔（PCF interframe space，PIFS），用于无竞争式服务中

C）DCF帧间间隔（DCF interframe space，DIFS），用于竞争式服务中最短的媒介闲置时间D）扩展帧间间隔（extended interframe space ，EIFS），用于帧传输出错时才会用到

帧接受无误则必须空出一段DIFS,否者空出一段EIFS，介质处于busy 则准备指数型退避访问程序。

一个帧一旦被发出则会启动重传计数器，MAC 被赋予每个帧片段中最长的那一个，传送第

一个片段后，存活计数器启动，超过这个时间就会被丢弃，不会重传剩余的片段。TCP可能检测到重传不过传给802.11 的还是当新帧看待。计数器会归零。

DIFS这段时间会试图传送之前拥塞的数据，之后的时间为竞争期或者是退避期，这个期间会用一个时槽来控制访问

2.2 帧的分段与重传

当上层封包的大小超过网络管理人算所设定的阈值时，就会进行帧的分段，每个帧片段

（fragment ）都有相同的帧序号（frame sequence number ）以及一个递增的帧片段号（fragment number）以便于重组，帧控制信息（frame control information ）用来指示是否还有其他帧片段等待接收，构成整个帧的所有帧片段会在所谓的片段突发期进行传送。

2.3 帧的格式

| frame control | duiration/ID |addr1 | addr2 | addr3 |seq-ctl | addr4 | frame-body | FCS | 802.11 帧分为三个部分：帧头（Mac header）、帧实体(body)、FCS域。分为MAC header、Frame Body 和FCS。

MAC header 由4 个字段构成，分别为：Frame Control 、Duration ID 、Address、Seq-ctl

a) 帧的控制段

version 字段：Protocol （协议版本）字段由两位构成，用显示该帧所使用的MAC 版本。

目前802.11 MAC 只有一个版本，它的协议编号为0。

Type 和subtype

To D S与From DS位

这两个位用来指示帧的目的地是否为分布式系统（distribution system）。在基础结

构型网络里，每个帧都会设定其中一个DS位

To DS=0 To DS=1

所有管理与控制帧。IBSS里的数据帧

From 基础结构型网络里无线工作站所传（D非基础结构型数据帧）

送的数据帧

S

=

From

基础结构型网络里无线工作站所收到无线桥接器上的数据帧

的数据帧

D

S

=

1

MF，more frame

此位的功能类似IP 的“more fragments “位。若较上层的封包经过MAC 分段处理，

除了最后一个片段，其他片段均会将此位设定为1。大型的数据帧以及某些管理帧

可能需要加以分段，除此之外的其他帧则会将此位设定为0

retry，重传帧

有时候可能需要重传帧。任何重传的帧会将此位设定为 1 以协助接收端剔除重复的

帧。

电源管理

此位用来指出发送端在完成当前的原子帧交换之后是否进入省电（power-save）模

式，1 代表工作站即时入省电模式，而0 则代表工作站会一直保持在清醒状态。

More data 位

为了服务处于省电模式中的工作站，接入点会将这些从分布式系统接收来的帧加以

缓存。接入点如果设定此位，即代表至少有一个帧等待给休眠中的工作站

Protected Frame位

相对于固定式网络，无线传送本质上就比较容易被拦截。如果帧受到链路层安全协

议的保护，则此位会被设定为1，而且该帧会略有不同。之前的Protected Frame

位被称为WEP位

Order 位

帧与帧片段可依次传送，不过发送端与接收端的MAC 必须付出额外的代价。一旦

进行严格依序（strict ordering ）传送，则此位会被设定为1，否则这个位必然为0。Address 位

一个802.11 帧最多可以包含四个地址位。这些位地址位均经过编号，因为随着帧

类型不同，这些位的作用也有所差异.基本上

Address 1 代表接收端

Address 2 代表传送端

Address 3 位被接收端拿来过虑地址。

802.11 所使用的定位模式，乃是依循其他IEEE 802 网络所使用的格式，包括以

太网。地址位本身的长度有48 个bit。如果传送给实际介质的第一个bit 为0，该

地址位代表单一工作站（单点传播[unicast] ）。如果第一个bit 为1，该地址代表

一组实际工作站，称为组播（多点传播[multicast] ）地址。如果所有bit 均为1，该

帧即属广播（broadcast ），因此会传送给连接至无线介质的所有工作站。

这些长度48 个bit 的地址位有各种不同的用途：

目的地址

和以太网一样，目的地址（Destination address ）是长度48 个bit 的IEEE MAC 识别码代表最后的接收端，亦即负责将帧交付上层协议处理的工作站。

源地址

此为长度48 个bit 的IEEE MAC 识别码，代表传输的来源。每个帧只能来自单一工作站，因此Individual/Group bit 必然为0，代表来源地址（Source address ）为单一工作站。

接收端地址

此为长度48 个bit 的IEEE MAC 识别码，代表负责处理该帧的无线工作站。如果是无线工作站，接收端地址即为目的地址。如果帧的目的地址是与基站相连的以太网结

点，接收端即为基

站的无线界面，而目的地址可能是连接到以太网的一部路由器。

传送端地址

此为长度48 个bit 的IEEE MAC 识别码，代表将帧传送至无线介质的无线界面。

传送端地址通常只用于无线桥接。

Basic Service Set ID (BSSID)

在基础网络里，BSSID （基本服务集标识）即是基站无线界面所使用的MAC 地址。而对等（Adhoc）网络则会产生一个随机的BSSID ，并将Universal/Localbit 设定为1，以防止与其他官方指定的MAC 地址产生冲突。要使用多少地址位，取决于帧类型。大部分的数据

帧会用到三个位：来源、目的以及BSSID 。数据帧中，地址位的编号与排列方式取决于帧

的传送路径。大部分的传输只会用到三个地址，这解释了为什么在帧格式中，四个地址位都

有其中三个位相邻的。

顺序控制位

控制帧未使用顺序编号，因此并无sequence control 位.

当上层帧交付MAC 传送时，会被赋予一个sequence numbe（

r顺序编号）。此位的作用，相当于已传帧的计数器取4096 的模（modulo ）。此计数器由0 起算，MAC 每处理一个上层封包就会累加1。如果上层封包被切割处理，所有帧片段都会具有相同

的顺序编号。如果时重传帧，则顺序编号不会有任何改变。

帧片段之间的差异在于fragment number （片段编号）。第一个片段的编号为0。

其后每个片段依序累加1。重传的片段会保有原来的sequence number协助重组。FCS，帧检验序列

802.11 中并没有提供对错误帧如何处理，每次都是等待接收端的回应，没有正面回答是否是正确的超时就重传。

2.4 802.11对上层协议的封装

有两种方式802.1h 和RFC 1042

2.5 广播和组播

广播数据帧会在ADRESS1中填入广播地址

组播数据帧会在Address1 位中填入组播地址

广播理帧会在Address1 位中填入广播地址（Beacon、Probe Request 以及IBSS

ATIM 帧）

2.5.1 单点传播

需要得到确认，否则认为丢失。

2.5.2 帧分段

在链路层使用分段机制可以提升速度，而在网络层分段的缺点是，接收端必须进行重组，如果帧在传输过程中遗失，整个封包就必须重传。

2.2.3 拓展功能

省电程序：关闭后基站会发送beacon 帧告知工作站，可以取回缓存

2.6 抓包分析

2.6.1 抓包软件

a) wireshark windows 下不支持监听模式

b）ominipeekwindows 下坚挺模式对网卡有一定要求

鉴于此我采用的是linux 下wireshark 进行抓包，所采用的无线网卡为百度小度wifi 在安装驱动这块，耗费了点时间。

经查询我的网卡芯片为MT7601U，在官方下载驱动后编译发现各种问题

安装小度wifi 驱动:

a) Vi common/rtusb_dev_id.c

在{USB_DEVICE(0x148f,×07601)}, /* MT 6370 */ 修改为你的设备和id

Lsusb可以查看设备地址和id

b）viinclude/os/rt_linux.h 不修改会出现很多类型错误问题，由于内核版本不一样导致的

找到intfsuid;

Intfsgid;

修改为

kuid_tfsuid;

kgid_tfsgid;

c) make

d) make install

配置监听模式和wireshark

a) Ifconfig 查看无线网卡名字

sudo iwconfig ra0( 网卡名字) mode monit

ifconfig ra0 up

iwconfig

b) Sudowireshark

选择无线网卡，在选项中去掉混杂模式

2.6.2 帧的详细结构

从这我们可以看出一些关于这个帧的概况，长度，时间，网络接口等

小插曲：

不得不停下来，系统越来越卡top 看了一下发现内存吃光了，查了一下，发现小度wifimt7601 这个驱动在monitior 下有内存泄漏问题，参考网上教程改了

将上面两个if 语句块调换一下即可。有可能Rxwinpdubytecnt 一直小于14 导致内存不释放。再次编译安装即可modprobemt7601Usta

A)802.11控制帧

1）RTS帧

FRAME control

Version :00 Type：01 为控制帧subtype:1011 说明为RTS帧合起来位0xb400

我们看到帧控制后面8 位全为0 DS位00 代表在网络主机间传送后面的位有相应解释Duration

持续

了4518us

Add

Srcmac 14:75:90 ??des mac 48:5d ?? .

2) CTS 帧

FRAME control

Version :00 Type：01为控制帧s ubtype:1100说明为C TS帧合起来位0xC400

主机间

传送后面的位有相应解释

0DS位00 代表在网络

我们

看到帧

控制后面8 位全为

Duration

了442us

持续

Add

des mac 14:75?? .

3) ACK 帧

FRAME control

Version :00 Type：01为控制帧s ubtype:1101说明为R TS帧合起来位0xd400

传送后面的位有相应解释我们

0DS位00 代表在网络

主机间

控制后面8 位全为

看到帧

Duration

为0

时间

持续

了0usack 表明传

输完了，所以持续

Add

Desmac 48:5d ???

B)管理帧

FRAME control

Version :00 Type：00为管理帧s ubtype:1000说明为导引信号合起来位0x8000

主机间

传送后面的位有相应解释

0DS位00 代表在网络

控制后面8 位全为

我们

看到帧

Add

Desmac 全网srcmacc4：4b:d1 tran mac c4:4b:d1 bssc4：4b

是一个坏帧

内部广播。。最后检验也没有通过

用来宣告自己的网络存在

帧

这

个

C)数据帧

Version :00 Type：10为数据帧s ubtype:1000说明为q os DATA

主机间

传送后面的位有相应解释

0DS位00 代表在网络

控制后面8 位全为

我们

看到帧

Addr

路由器为

b ssid 14：75：90?

Des为尾号为70 的主机

DATA

52 个字节

度为

数据长