WIFI基本知识

1. IE802.11简介

标准号	IEEE 802.11b	IEEE 802.11a	IEEE 802.11g	IEEE 802.11n
标准发布时间	1999年9月	1999年9月	2003年6月	2009年9月
工作频率范围	2.4－2.4835GHz	5.150－5.350GHz 5.475－5.725GHz 5.725－5.850GHz	2.4－2.4835GHz	2.4－2.4835GHz 5.150－5.850GHz
非重叠信道数	3	24	3	15
物理速率（Mbps）	11	54	54	600
实际吞吐量（Mbps）	6	24	24	100以上
频宽	20MHz	20MHz	20MHz	20MHz/40MHz
调制方式	CCK/DSSS	OFDM	CCK/DSSS/OFDM	MIMO-OFDM/DSSS/CCK
兼容性	802.11b	802.11a	802.11b/g	802.11a/b/g/n

2. 频谱划分

     WiFi总共有14个信道，如下图所示：

 

     1）IEEE 802.11b/g标准工作在2.4G频段，频率范围为2.400—2.4835GHz，共83.5M带宽

     2）划分为14个子信道

     3）每个子信道宽度为22MHz
     4）相邻信道的中心频点间隔5MHz 
     5）相邻的多个信道存在频率重叠(如1信道与2、3、4、5信道有频率重叠)
     6）整个频段内只有3个（1、6、11）互不干扰信道

3. 接收灵敏度

误码率要求	速率	最小信号强度
PER(误码率)不超过8％	6Mbps	-82dBm
	9Mbps	-81dBm
	12Mbps	-79dBm
	18Mbps	-77dBm
	24Mbps	-74dBm
	36Mbps	-70dBm
	48Mbps	-66dBm
	54Mbps	-65dBm

 

4. 2.4GHz中国信道划分
 

2.4GHz频段WLAN信道配置表
信道	中心频率（MHz）	信道低端/高端频率
1	2412	2401/2423
2	2417	2406/2428
3	2422	2411/2433
4	2427	2416/2438
5	2432	2421/2443
6	2437	2426/2448
7	2442	2431/2453
8	2447	2426/2448
9	2452	2441/2463
10	2457	2446/2468
11	2462	2451/2473
12	2467	2456/2478
13	2472	2461/2483

 5. SSID和BSSID

     1）基本服务集（BSS）

     基本服务集是802.11 LAN的基本组成模块。能互相进行无线通信的STA可以组成一个BSS（Basic Service Set） 。如果一个站移出BSS的覆盖范围，它将不能再与BSS的其它成员通信。

     2）扩展服务集（ESS）

    多个BSS可以构成一个扩展网络，称为扩展服务集（ESS）网络，一个ESS网络内部的STA可以互相通信，是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS。连接BSS的组件称为分布式系统（Distribution System，DS）。
     3）SSID

     服务集的标识，在同一SS内的所有STA和AP必须具有相同的SSID，否则无法进行通信。

     SSID是一个ESS的网络标识(如:TP_Link_1201)，BSSID是一个BSS的标识，BSSID实际上就是AP的MAC地址，用来标识AP管理的BSS，在同一个AP内BSSID和SSID一一映射。在一个ESS内SSID是相同的，但对于ESS内的每个AP与之对应的BSSID是不相同的。如果一个AP可以同时支持多个SSID的话，则AP会分配不同的BSSID来对应这些SSID。

     BSSID(MAC)<---->SSID

 

6. AP种类

FAT AP和FIT AP比较如下图所示：

 

7. 无线接入过程三个阶段   

对于低头党来说，在使用WIFI功能时，经常性的操作是打开手机上的WIFI设备，搜索到心目中的热点，输入密码，联网成功，各种低头上网。。。这个看似简单的过程，背后却是隐藏着大量的无线通信技术。用几个专业术语来表示这个过程，分别是：扫描（Scanning）、认证（Authentication）、关联（Association）。下面用一张图来表示这个过程。

图1  WIFI接入网络过程

7.1 Scanning

         扫描的目的是什么？就是要找到一个无线网络，然后加入到该网络中。

         要加入一个无线网络，那么我们需要找到它的网络名称，即SSID。这个SSID其实是接入点（Access Point）回应工作站扫描时所带的参数，还有其它的网络参数，包括BSSID（可理解为接入点的MAC地址）、信号强度、加密和认证方式等。

         扫描类型分两种，一种是主动扫描（active scanning），另一种是被动扫描（passivescanning）。

        1、 主动扫描（activescanning）特点：能迅速找到

        我们先来说说主动扫描。即我们的手机（工作站STA）以主动的方式，在每个信道上发出Probe Request帧，请求某个特定无线网络予以回应。主动扫描是主动寻找网络，而不是静候无线网络声明本身的存在。使用主动扫描的工作站将会以如下的程序扫描信道表所列的频道：

        （1）跳至某个信道，然后等候来帧指示（indicationof an incoming frame）或者等到ProbeDelay定时器超时。如果在这个信道收到帧，就证明该信道有用户在使用，因此可以加以探测。而ProbeDelay定时器可用来防止某个闲置信道让整个过程停止，因为工作站不会一直等待帧的到来。

        （2）利用基本的DCF访问过程取得媒介使用权，然后送出一个Probe Request帧。

        （3）至少等候一段最短的信道时间（即MinChannelTime）。

        a.如果媒介并不忙碌，表示没有网络存在，因此可以跳至下个信道。

        b.如果在MinChannelTime这段期间媒介非常忙碌，就继续等候一段时间，直到最长的信道时间（即MaxChannelTime）超时，然后处理任何的Probe Response帧。

         大家可能会发现当手机进行WIFI热点搜索时，有时时间会比较长，原因是你处在的区域存在多个接入点（AP），当手机发出Probe Request帧时，多个接入点（AP）通过竞争窗口（congestionwindow）回应Probe Response帧，而这个竞争过程受限于最长的信道时间（即MaxChannelTime）。

        当无线网络收到搜寻其所属的扩展服务集（ESS）的Probe Request时，就会发出Probe Response帧。若要找到附近所有的无线网络，那么Probe Request帧可使用broadcastSSID，如此一来，该区所有的802.11无线网络都会以Probe Response加以回应。

        2、 被动扫描（passivescanning）特点：找到时间较长，但STA节电

        现在大部分移动电子产品都是采用被动扫描（passive scanning）的方式，原因是扫描过程中不需要传送任何信号，可以省电。在被动扫描中，工作站会在信道列表（channel list）所列的各个信道之间不断切换，并静候Beacon帧的到来。所收到的任何帧都会被暂存起来，以便取出传送这些帧的BSS 的相关数据。

        在被动扫描的过程中，工作站会在信道间不断切换，并且会记录来自所收到的任何Beacon的信息。Beacon在设计上是为了让工作站知道加入某个基本服务集（Basic Service Set，简称 BSS）所需要的参数以便进行通信。在下图中，通过监听来自前三个接入点的Beacon帧，移动式工作站以被动扫描找出该区所有BSS。如果该工作站并未收到来自第四个接入点的Beacon，就会汇报目前只发现的三个BSS。

7.2 Authentication

     当STA找到与其有相同SSID的AP，在SSID匹配的AP中，根据收到的AP信号强度，选择一个信号最强的AP，然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。AP提供如下认证方法：
     1）开放系统身份认证(open-system authentication)
     2）共享**认证(shared-key authentication）
     3）WPA PSK认证（ Pre-shared key）
     4）802.1X EAP认证

还是用手机来举例，扫描完成后，我们会选择想要加入的WIFI热点。此时，大部分都会弹出一个输入密码的窗口，当然也有不用输入密码的。这个过程叫做：认证（Authentication）。

        有时觉得搞技术的真累，当我们辛辛苦苦地在网上找资料学习新技术时，当我们渐渐掌握这门技术之后，才发现该技术对自己来说是新的，但是对现时来说，已经过时并且被遗弃了！所以说……Shit!

        由于网上大量讲解WIFI技术的资料在认证方面都是侧重讲WEP加密方式。但是，时至今日，WEP已经属于石器时代的技术了，而且**方法满天飞。虽然现在无线路由器都保留WEP加密方式，但是当你进行设置时，它会用红字提醒你：

        注意：您选择的WEP加密经常在老的无线网卡上使用，新的802.11n不支持此加密方式。所以，如果您选择了此加密方式，路由器可能工作在较低的传输速率上。建议使用WPA2-PSK等级的AES加密。

        看到没？现在的802.11n协议已经不支持WEP加密方式了，更何况最新的802.11ac。所以本文侧重讲解现当代正在使用的WPA/WPA2加密方式，特别是倾向于家庭网络的WPA-PSK/WPA2-PSK。

        无线网络所使用的媒介是经过特殊编码与调制过的无线电波链路。它是众所周知的开放标准，只要对无线传输有所研究和了解的人，都可以在无线覆盖范围内发送和接收信号。因此对数据的拦劫和非法灌注是多么的简单！

        由于无线网络的最大缺陷就是安全性，进行身份认证是必须的，同时认证的连接工作也必须予以加密，以防未经授权的使用者访问。

        早期的IEEE802.11定义了两种认证方式：

        （1）开放系统认证（OpenSystem authentication）；

        （2）共享**认证（SharedKey authentication）。

        开放系统认证是IEEE802.11默认的认证方式，实质上并没有做认证。连接无线网络时，基站并没有验证工作站的真实身份。认证过程由以下两个步骤组成：第一，工作站发送身份声明和认证请求；第二，基站应答认证结果，如果返回的结果是“successful”，表示两者已相互认证成功。

        共享**认证依赖于WEP（Wired Equivalent Privacy，有线等效加密）机制，而上文已经提到WEP渐渐被淘汰，我们就不讲解了，接下来侧重讲解与我们家庭无线网络息息相关的WPA-PSK/WPA2-PSK认证机制。当我们进入无线路由器设置界面，打开无线安全设置，就会看到以下信息，如图1。WPA（Wi-Fi Protected Access）是WIFI联盟制定的安全性标准，WPA2是第二个版本。PSK（PreShared Key）叫做预共享**。WPA-PSK/WPA2-PSK主要是针对个人或家庭网络等，对安全性要求不是很高的用户。而WPA /WPA2是针对企业的，对安全性要求很高的用户，在WPA/WPA2选项中，大家可以看到它比WPA-PSK/WPA2-PSK多了一个Radius服务器，这个就是认证服务器。而对我们家庭网络来说，适合选择WPA-PSK/WPA2-PSK选项，因为我们不需要认证服务器。现有我们来详细分析WPA-PSK/WPA2-PSK认证机制。

图1 WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2

        1、WPA-PSK

        WPA-PSK（Wi-Fi ProtectedAccess，Wi-Fi保护访问）是WiFi联盟推出的标准，它是为兼容原有的WEP硬件产品，所以它采用的模式是：

WPA-PSK = PSK + TKIP + MIC

        PSK：PreShared Key，预共享**。

        TKIP：Temporal KeyIntegrity Protocol，临时**完整性协议。

        MIC：Message IntegrityCode，消息完整性校验码。

        TKIP的开发目的是为了提高原有的基于WEP硬件的安全性，因此它和WEP一样都是采RC4加密算法，同时保留了WEP的基本结构和操作方式。TKIP是一种过渡的加密协议，现已被证明安全性不高。因此，我们就不去详细的讲解了。

        2、WPA2-PSK

        WPA2是在802.11i颁布之后，WIFI联盟随即推出的最新无线安全标准，它遵循802.11i标准，以下是它采用的模式：

WPA2-PSK= PSK + AES + CCMP

        PSK：PreShared Key，预共享**，它是一种802.11身份验证方式，以预先设定好的静态**进行身份验证，此**必须手动进行传递，即是我们的手机连接WIFI热点时需要输入的密码。

        AES：Advanced EncryptionStandard，高级加密标准。AES是美国NIST制定的替代DES的分组加密算法。AES具有优秀的**扩展方案，灵活的**生成算法。算法对内存要求极低，即使在限制较大的环境中也能获得很好的性能。分组和**被设计成可以在三种长度中自由选择的形式，AES具有128、192、256位的**。802.11规定CCMP中的AES使用的是128位**，它的加密块大小也是128位。

        CCMP：Counter modewith Cipher-block chaining Message authentication code Protocol，计数器模式及密码块链消息认证码协议。它是基于高级加密标准（AES）的CCM（CTR with CBC-MAC）模式。CCM是一种通用的模式，它可以使用在任何成块的加密算法中。CCM模式使用CTR（Counter Mode）提供数据保密，并采用密码块链信息认证码（Cipher-Block Chaining with Message Authentication Code，CBC-MAC）来提供数据认证和完整性服务。

        CCMP加密时由以下四个输入项组成：

        （1）明文（Plaintext MPDU）；

        （2）临时**（TK）；

        （3）封包编号（PN）；

        （4）**标识符（KeyId）；

        CCMP的加密和解密过程如图2、图3。

图2  CCMP加密过程

图3  CCMP解密过程

        下面让我们来看看CCMP帧封装格式，如图4。MAC Header是明文（Plaintext MPDU）原封不动传递过来的，该MAC Header符合802.11MAC标准帧格式。CCMP扩展了原始的MPDU长度到16个octet（注：在网络术语中，用octet表示8 bits），包括8 octets的CCMP头部和8 octets的MIC。CCMP头部由PN、ExtIV、KeyID组成。PN是48位的代表6个octets的数组，在PN中，PN5是最重要的的，PN0是重要性最低的。Data（PDU）是我们需要传输的数据。MIC（Message Integrity Code）是消息完整性检验码，它是针对一组欲保护数据计算出来的散列值，用以防止数据遭人篡改。FCS（Frame Check Sequence）是帧检验序列，处于802.11网络帧的尾部，用来侦测数据是否损坏，若接收端所计算出的FCS与帧中记载的FCS值不同，则可推断出该帧已经损坏并将其丢弃。

图4  CCMP帧封装格式

7.3 Association

   当AP向STA返回认证响应信息，身份认证获得通过后，进入关联阶段。
    1） STA向AP发送关联请求
    2） AP 向STA返回关联响应
    至此，接入过程才完成，STA初始化完毕，可以开始向AP传送数据帧。

 7.4 认证和关联过程

7.5 漫游过程