目 录 WLAN 专 题 2010 年 第 2 季 度 总 第 十 三 期 主 办 单 位 :H3C 测 试 中 心 策 划 : 刘 宇 陈 旭 盛 杜 祥 宇 主 编 : 陆 宇 翔 本 期 编 委 : 林 立 周 国 军 于 鸿 洲 刘 晓 勇 聂 树 伟 郭 晓 周 宇 刘 楠 刘 宏 超 刘

Transcription

1 WLAN 专 题 2010 年 第 2 季 度 总 第 十 三 期 网 络 之 路 ROUTE TO NETWORK

2 目 录 WLAN 专 题 2010 年 第 2 季 度 总 第 十 三 期 主 办 单 位 :H3C 测 试 中 心 策 划 : 刘 宇 陈 旭 盛 杜 祥 宇 主 编 : 陆 宇 翔 本 期 编 委 : 林 立 周 国 军 于 鸿 洲 刘 晓 勇 聂 树 伟 郭 晓 周 宇 刘 楠 刘 宏 超 刘 彦 东 马 鹏 程 杨 庭 剑 网 络 之 路 ROUTE TO NETWORK 基 础 知 识 Wlan 发 展 史 1 Wlan 基 础 mac 11 射 频 技 术 简 介 23 深 入 探 讨 WLAN 安 全 27 WAPI 36 Wlan Qos 42 Mesh n 技 术 漫 谈 59 LWAPP 协 议 简 介 66 测 试 技 术 Wlan 测 试 技 术 89 WLAN 漫 游 特 性 简 介 73 WIDS 77 AC 备 份 83 应 用 与 部 署 无 线 网 络 部 署 96 网 络 之 路

3 WLAN 专 题 基 础 知 识 WLAN 发 展 史 文 / 林 立 无 线 通 信 技 术 的 起 源 和 比 较 众 所 周 知, 古 列 尔 默 马 可 尼 于 1896 年 发 明 了 无 线 电 报, 并 在 1901 年 把 长 波 无 线 电 信 号 从 英 国 西 南 部 的 康 沃 尔 (Cornwall) 传 递 到 了 加 拿 大 纽 芬 兰 岛 的 圣 约 翰 (St.John), 信 号 横 跨 大 西 洋, 传 输 距 离 长 达 3200 公 里 ( 站 在 科 学 严 谨 的 立 场 上, 教 科 书 上 我 们 所 熟 知 的 马 可 尼, 其 实 并 不 是 无 线 通 信 的 创 始 人, 无 线 通 信 的 发 明 应 该 归 功 于 尼 古 拉 特 斯 拉 (Nikola Tesla), 他 在 1893 年 就 已 经 进 行 过 公 开 演 示 为 此,1943 年 马 可 尼 的 专 利 被 取 消 了 ) 不 管 怎 么 说, 这 项 伟 大 的 发 明 使 得 通 信 双 方 可 以 发 送 模 拟 信 号 编 码 的 字 母 数 字 符 号 来 进 行 通 信, 开 启 了 人 类 无 线 通 信 的 时 代 距 离 人 类 发 出 第 一 封 无 线 电 报, 已 经 过 去 了 一 个 多 世 纪, 无 线 通 信 已 经 完 全 融 入 了 我 们 的 生 活, 并 1

4 基 础 知 识 且 呈 现 出 愈 加 多 样 化 的 发 展 我 们 目 前 使 用 的 移 动 通 信 网 络 ( 手 机 网 络 ), 采 用 的 是 GSM CDMA 等 2G 移 动 通 信 技 术 ; 而 随 着 3G 时 代 的 到 来,WCDMA CDMA2000 TD-SCDMA, 包 括 WiMAX 等 多 种 3G 技 术 也 已 经 开 始 应 用, 其 无 线 传 输 速 率 从 2G 时 代 的 几 十 上 百 Kbit/s, 增 加 到 了 3G 时 代 的 2Mbit/s 左 右 无 论 是 GSM 还 是 WCDMA 等, 根 据 其 应 用 模 型, 都 属 于 无 线 城 域 网 范 畴, 主 要 解 决 移 动 通 讯 和 宽 带 无 线 接 入 移 动 宽 带 化 宽 带 移 动 化 是 无 线 城 域 网 多 种 技 术 融 合 发 展 的 方 向 另 外 一 种 我 们 熟 悉 的 无 线 通 信 技 术 蓝 牙 (Bluetooth), 是 由 世 界 著 名 的 数 家 大 公 司 爱 立 信 (Ericsson) 诺 基 亚 (Nokia) 东 芝 (Toshiba) 国 际 商 用 机 器 公 司 (IBM) 和 英 特 尔 (Intel) 等, 于 1998 年 5 月 联 合 宣 布 的 一 种 无 线 通 信 技 术 其 传 输 距 离 较 短, 理 想 的 连 接 范 围 为 10cm~10m, 属 于 无 线 个 域 网 络 范 畴 (Wireless Personal Area Network) 蓝 牙 可 以 支 持 异 步 数 据 信 道 和 多 达 3 个 同 步 语 音 信 道, 还 有 一 个 信 道 可 以 同 时 传 送 异 步 数 据 和 同 步 语 音 每 个 语 音 信 道 支 持 64kbit/s 同 步 语 音 链 路, 而 异 步 信 道 可 以 支 持 43.2kbit/s 的 对 称 连 接, 或 一 端 72kbit/s 另 一 端 57.6kbit/s 的 不 对 称 连 接 处 在 无 线 城 域 网 和 无 线 个 域 网 之 间 的, 就 是 本 次 期 刊 将 要 讨 论 的 重 点 无 线 局 域 网 (Wireless Local Area Network,WLAN) WLAN 其 实 是 计 算 机 网 络 与 无 线 通 信 技 术 相 结 合 的 产 物 WLAN 出 现 之 前 的 局 域 网 (Local Area Network,LAN), 采 用 的 传 输 介 质 多 为 有 线 电 缆 或 光 纤, 称 为 有 线 局 域 网 有 线 局 域 网 应 用 广 泛 并 且 传 输 速 率 高, 但 缺 点 也 很 明 显 : 铺 设 电 缆 十 分 耗 时, 当 环 境 发 生 变 化 时 重 新 改 造 十 分 麻 烦, 并 且 由 于 使 用 位 置 固 定, 移 动 性 差 人 们 对 于 组 网 便 捷 性 和 移 动 性 的 要 求, 促 成 了 WLAN 技 术 的 诞 生 目 前 WLAN 主 要 采 用 IEEE 系 列 技 术 标 准, 覆 盖 距 离 在 50~100m 为 了 保 持 和 LAN 同 等 级 的 接 入 速 度, 目 前 比 较 常 用 的 g 能 提 供 54Mbit/s 的 速 率, 而 n 则 能 提 供 300Mbit/s, 最 高 600Mbit/s 的 速 率 WLAN 已 经 成 为 一 种 经 济 高 效, 特 别 适 应 移 动 便 捷 性 要 求 的 网 络 接 入 方 式 WLAN 的 发 展 史 1971 年, 夏 威 夷 大 学 的 研 究 人 员 在 Norman Abramson 的 带 领 下, 创 造 了 第 一 个 基 于 封 包 式 技 术 的 无 线 局 域 网 这 个 被 称 作 ALOHAnet 的 无 线 网 络 由 7 台 计 算 机 组 成, 采 用 双 向 星 型 拓 扑 横 跨 夏 威 夷 的 四 座 岛 屿, 中 心 计 算 机 放 在 瓦 胡 岛 (Oahu Island) 这 实 际 上 标 志 着 WLAN 的 诞 生 遗 憾 的 是, 受 限 于 技 术 障 碍, 此 后 二 十 年 里,WLAN 技 术 的 研 究 被 搁 浅 下 来, 没 有 制 定 标 准 和 实 用 化 但 期 间 WLAN 的 先 驱 们 并 没 有 放 弃 研 究, 在 1979 年 和 1980 年,R.Gfeller U. Bapst 和 P. Ferrert 先 后 在 IEEE 大 会 上 报 告 了 自 己 WLAN 实 验 的 成 果 而 在 1985 年, 在 Marcus 的 努 力 推 动 下, 美 国 联 邦 通 信 协 会 (Federal Communications Commission,FCC) 宣 布 将 ISM 频 带 作 为 WLAN 商 业 应 用 的 频 带 所 谓 ISM, 即 工 业 (Industrial) 科 学 (Scientific) 与 医 疗 (Medical),ISM 频 带 是 保 留 给 工 业 科 学 或 医 疗 设 备 使 用 的, 只 要 设 备 的 功 率 符 合 限 制, 不 需 要 申 请 许 可 证 即 可 使 用 这 些 频 段 WLAN 频 带 问 题 的 解 决, 为 WLAN 的 商 业 化 和 进 一 步 研 究 打 下 了 坚 实 的 基 础 20 世 纪 90 年 代 初,WLAN 开 始 获 得 较 多 关 注, 随 后 IEEE 成 立 了 专 门 的 工 作 组 开 始 WLAN 标 准 的 研 究 和 制 定 1997 年 6 月,IEEE 推 出 了 第 一 代 WLAN 标 准 IEEE , 定 义 了 介 质 访 问 接 入 控 制 层 (MAC 层 ) 和 物 理 层 物 理 层 定 义 了 工 作 在 2.4GHz 的 ISM 频 段 上 的 两 种 无 线 调 频 方 式 和 一 种 红 外 传 输 的 方 式, 其 中 无 线 传 输 包 括 直 接 序 列 扩 频 技 术 (Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS) 和 跳 频 扩 频 技 术 (Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS), 总 数 据 传 输 速 率 设 计 为 2Mbit/s 经 过 2 网 络 之 路

5 WLAN 专 题 一 段 时 间 完 善 后, 又 在 1999 年 推 出 了 改 进 后 的 IEEE ( 对 的 最 新 一 次 正 式 更 新 是 在 2007 年, 称 为 IEEE ) 但 2Mbit/s 的 速 率, 相 对 于 当 时 以 太 网 10M 100Mbit/s 的 速 率, 实 在 是 太 小 了, 于 是 IEEE 于 1999 年 又 推 出 了 两 个 补 充 标 准 IEEE a 和 IEEE b: a 工 作 在 5GHz 的 ISM 频 段, 并 且 选 择 了 正 交 频 分 复 用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM) 技 术, 能 有 效 降 低 多 路 径 衰 减 影 响 和 有 效 使 用 频 率, 因 此,802.11a 的 物 理 层 速 率 可 达 54Mbit/s b 则 依 然 工 作 在 2.4GHz 的 ISM 频 段, 但 在 的 基 础 上 增 加 了 两 种 更 高 的 通 信 速 率 5.5Mbit/ s 和 11Mbit/s 为 了 做 到 这 一 点,802.11b 选 用 DSSS 作 为 唯 一 的 物 理 层 技 术, 并 采 用 补 充 编 码 键 控 (CCK) 改 进 了 的 编 码 方 式 1999 年 后, 随 着 芯 片 技 术 的 发 展,WLAN 产 品 的 价 格 不 断 下 降, 而 WLAN 的 简 单 便 利 和 无 需 线 缆 传 输 媒 介 的 特 性, 使 其 应 用 迅 速 发 展 但 当 时 市 场 上 主 流 b 设 备 提 供 的 11Mbit/s 速 率, 已 经 不 能 满 足 例 如 数 字 动 态 影 像 的 要 求 ; 而 a 虽 然 能 提 供 54Mbit/s 的 速 率, 但 因 工 作 在 5GHz, 与 主 流 的 b 不 能 兼 容, 且 设 备 尚 未 成 熟 且 价 格 居 高 不 下, 使 得 WLAN 技 术 和 市 场 发 展 陷 入 多 标 准 的 混 乱 局 面 ( 实 际 上 此 时 加 入 竞 争 的, 还 有 欧 洲 电 信 标 准 化 协 会 (ETSI) 的 宽 带 无 线 电 接 入 网 络 (BRAN) 小 组 制 定 的 无 线 局 域 网 标 准 HyperLAN2) 为 了 解 决 上 述 问 题,2000 年 初,IEEE g 工 作 组 开 始 着 手 开 发 一 项 既 能 提 供 54Mbit/s 速 率, 又 能 向 下 兼 容 已 经 成 功 应 用 了 的 b 的 标 准 经 过 一 年 半 的 努 力, 第 一 个 IEEE g 草 案 在 2001 年 11 月 提 出, 但 等 该 草 案 真 正 成 为 标 准, 则 到 了 2003 年 g 兼 容 了 b, 为 此 它 继 续 支 持 CCK 192us 的 长 前 导 同 步 码 等 b 采 用 的 技 术 而 为 了 达 到 54Mbit/s 的 速 率,802.11g 借 用 了 a 的 成 果, 在 2.4GHz 频 段 也 采 用 了 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 技 术, 提 供 了 CCK-OFDM 可 选 模 式 IEEE g 的 推 出, 暂 时 满 足 了 人 们 对 带 宽 的 要 求, 对 WLAN 的 发 展 起 到 了 极 大 的 推 动 作 用 这 里 有 一 个 疑 问 : 为 什 么 不 在 1999 年 制 定 b 标 准 时, 就 直 接 采 用 和 a 相 同 的 OFDM 技 术, 这 样 就 可 以 更 早 的 在 2.4GHz 频 段 上 取 得 54Mbit/s 的 速 率 了, 而 不 必 等 到 2001 年 底 的 g 的 出 现? 事 实 上 在 1999 年 b 被 讨 论 时,OFDM 技 术 确 实 被 提 出 应 用 到 b 标 准 中, 但 由 于 当 时 美 国 联 邦 通 信 协 会 (FCC) 禁 止 在 2.4GHz 频 段 使 用 OFDM, 因 此 b 被 迫 转 向 使 用 了 CCK 而 这 条 禁 令 直 到 2001 年 5 月 才 被 撤 销,6 个 月 后, 已 经 煎 熬 了 一 年 半, 采 用 OFDM 技 术 的 g 草 案 才 得 以 顺 利 出 台 日 益 丰 富 的 网 络 应 用, 加 速 了 人 们 对 带 宽 的 渴 求 当 有 线 以 太 局 域 网 开 始 获 得 Gbit/s 级 的 速 率, WLAN 技 术 如 果 还 停 留 在 54Mbit/s 的 速 率, 将 无 法 跟 上 应 用 的 需 要 为 此, 从 2002 年 开 始, 一 个 新 的 IEEE 工 作 组 IEEE 任 务 组 N(Task Group n,tgn), 开 始 研 究 一 种 更 快 速 的 WLAN 技 术, 目 标 是 扣 除 协 议 开 销 后 ( 如 前 导 码 帧 间 隙 等 ), 还 能 达 到 100Mbit/s 以 上 的 速 率 TGn 任 务 组 总 共 收 到 6 份 完 整 的 提 案, 焦 点 在 其 中 2 份, 分 别 由 TGnSync 与 WWiSE(World-Wide 3

6 基 础 知 识 Spectrum Efficiency) 阵 营 提 出 TGnSync 阵 营 包 括 Atheros,Agere,Marvell,Intel 等 ; 而 WWiSE 阵 营 包 括 Airgo,Broadcom,Conexant,Texas Instruments 等 事 实 上, 从 高 层 次 来 看,TGnSync 与 WWiSE 的 标 准 提 案 差 异 并 不 大, 核 心 技 术 都 是 采 用 了 MIMO OFDM(Multiple-input/Multiple-output, 多 入 多 出 ) 但 两 个 阵 营 都 是 如 此 强 大, 使 得 n 的 标 准 之 争 变 得 分 外 激 烈 由 于 IEEE 的 规 定 草 案 通 过 需 达 到 75% 的 赞 成 票,2006 年 投 票 中,802.11n 草 案 1.0 版 本 未 获 得 通 过 在 随 后 的 多 次 投 票 中, 尽 管 TGnSync 阵 营 在 IEEE 工 作 组 的 投 票 中 取 得 了 领 先, 但 依 然 无 法 建 立 明 显 的 优 势 值 得 庆 幸 的 是, TGnSync 与 WWiSE 都 开 始 意 识 到, 如 果 双 方 不 采 取 合 作, 单 凭 一 己 之 力, 谁 都 无 法 取 得 75% 的 多 数, n 标 准 的 发 布 也 将 变 得 遥 遥 无 期 在 巨 大 的 市 场 压 力 下, 经 过 协 商,TGnSync 与 WWiSE 终 于 提 交 了 统 一 的 新 的 n 草 案, 并 获 得 了 n 工 作 组 内 部 75% 的 赞 成 票, 在 经 过 长 达 7 年 的 争 论 和 等 待 后,IEEE n 标 准 终 于 在 2009 年 9 月 正 式 获 批 在 这 个 过 程 中,802.11n 的 速 率 也 从 最 初 设 计 的 100Mbit/s, 完 善 到 了 最 高 600Mbit/s 技 术 的 发 展 永 无 止 境, 尽 管 n 标 准 才 刚 刚 尘 埃 落 定, 但 IEEE 已 经 有 两 个 小 组,802.11ac 和 ad, 开 始 研 究 Gbit/s 级 别 的 无 线 局 域 网 技 术 了 WLAN 的 未 来, 值 得 期 待 Wi-Fi 说 到 WLAN, 就 不 得 不 提 到 一 个 著 名 的 组 织 Wi-Fi 联 盟 早 在 b 时 代, 尽 管 所 有 b 产 品 都 是 使 用 相 同 的 b 标 准, 但 为 了 保 证 不 同 厂 商 的 产 品 能 够 有 良 好 的 兼 容 性,1999 年,3com Aironet Lucent Intersil Nokia 等 众 多 公 司 成 立 了 一 个 工 业 联 盟 无 线 以 太 网 兼 容 性 联 盟 (Wireless Ethernet Compatibility Alliance,WECA), 后 来 更 名 为 Wi-Fi(Wireless Fidelity) 联 盟 Wi-Fi 联 盟 建 立 了 一 套 用 于 验 证 b 产 品 兼 容 性 的 测 试 程 序, 称 为 Wi-Fi 认 证, 通 过 认 证 的 产 品 可 以 使 用 Wi-Fi 认 证 标 识 后 来,Wi-Fi 认 证 的 范 围 逐 步 扩 展 到 a, g 和 n 值 得 一 提 的 是, 由 于 忍 受 不 了 n 漫 长 的 标 准 化 进 程 和 市 场 的 巨 大 需 求 推 动, Wi-Fi 联 盟 以 n 2.0 版 草 案 作 为 产 品 认 证 的 依 据, 已 经 认 证 批 准 了 数 百 个 n 产 品 这 也 是 为 什 么 n 标 准 尚 未 正 式 发 布, 而 我 们 却 能 在 市 场 上 购 买 到 各 类 兼 容 性 良 好 的 n 产 品 的 原 因 只 要 它 打 着 Wi-Fi 认 证 的 标 签 由 于 Wi-Fi 所 取 得 的 巨 大 成 功, 在 很 多 场 合,Wi-Fi 几 乎 成 为 了 WLAN 的 代 名 词 4 网 络 之 路

7 WLAN 基 础 WLAN 专 题 文 / 林 立 8 5

8 基 础 知 识 当 你 坐 在 星 巴 克 舒 适 的 沙 发 上, 一 边 优 雅 的 喝 着 咖 啡, 一 边 将 笔 记 本 接 入 无 线 热 点 处 理 新 收 到 的 邮 件 时, 有 没 有 意 识 到 在 这 个 过 程 中, 笔 记 本 和 提 供 服 务 的 无 线 接 入 点 (Access Point,AP) 间, 空 间 中 基 于 的 奇 妙 交 互 正 在 进 行 本 文 希 望 通 过 对 的 基 础 性 介 绍, 让 您 更 好 的 理 解 的 WLAN 世 界 WLAN 网 络 基 础 概 念 与 IEEE 802 协 议 族 IEEE 802 协 议 族 定 义 了 一 系 列 局 域 网 (LAN) 技 术 规 范, 大 名 鼎 鼎 的 以 太 网 标 准 就 是 其 中 之 一 当 LAN 的 覆 盖 领 域 从 有 线 延 伸 到 无 线, 便 应 运 而 生 了 从 图 中 可 以 看 出 与 802 家 族 成 员 的 关 系, 以 及 在 OSI 模 型 中 的 角 色 定 位 802 Overview and architecture Management Logical link control (LLC) MAC MAC MAC Data link layer LLC sublayer MAC sublayer PHY PHY FHSS PHY DSSS PHY a OFDM PHY b HR/DSSS PHY g ERP PHY n MIMO-OFDM PHY Physical layer 图 与 802 协 议 族 在 802 协 议 族 中,802.1 主 要 用 于 网 络 管 理, 范 围 涵 盖 譬 如 桥 接 (802.1D) 虚 拟 局 域 网 (802.1Q) 规 范 了 逻 辑 链 路 控 制 层 (LLC), 可 供 所 有 底 层 局 域 网 技 术 使 用 很 明 显, 和 家 族 中 的 其 他 成 员 一 样, 也 可 以 方 便 地 使 用 LLC 链 路 层 封 装, 但 由 于 无 线 射 频 的 特 点, 其 使 用 的 PHY 层 就 更 为 丰 富 这 种 丰 富 反 映 了 无 线 射 频 和 调 制 解 调 技 术 的 渐 进 式 发 展, 不 过 也 为 相 互 兼 容 制 造 了 麻 烦 由 于 无 线 环 境 本 身 的 复 杂 性, 以 及 为 了 实 现 譬 如 漫 游,Mesh 之 类 的 额 外 功 能, 的 MAC 层 也 比 家 族 中 其 他 成 员 更 为 复 杂, 充 溢 着 精 致 繁 华 的 美 感 网 络 组 成 Distribution System Wireless Medium Access Point (AP) Station Station Wireless Medium Access Point (AP) 图 WLAN 的 组 成 元 件 6 网 络 之 路

9 WLAN 专 题 WLAN 网 络 总 体 上 由 有 线 和 无 线 两 部 分 组 成 : 无 线 侧 作 接 入, 使 用 协 议 ; 而 有 线 侧 骨 干 网 络 作 上 行, 一 般 使 用 以 太 网 协 议 AP 完 成 和 以 太 网 两 种 协 议 间 的 转 换 WLAN 网 络 由 四 个 组 件 组 成 : Station( 工 作 站 ) 即 支 持 的 终 端 设 备 比 如 安 装 了 WLAN 网 卡 的 笔 记 本 电 脑, 支 持 WLAN 的 手 机, 支 持 WLAN 的 PDA 终 端 等, 都 属 于 Station 的 范 畴 Access Point(AP, 接 入 点 ) 为 Station 提 供 基 于 的 无 线 接 入 服 务, 同 时 将 无 线 独 特 的 mac 帧 格 式 转 换 为 其 他 类 型 有 线 网 络 的 帧, 相 当 于 完 成 无 线 和 有 线 之 间 的 桥 接 帧 的 转 换 类 型 取 决 于 AP 所 连 的 有 线 网 络, 一 般 是 以 太 网 Wireless Medium( 无 线 媒 介 ) 标 准 定 义 了 2 类 物 理 层 : 射 频 物 理 层 (2.4GHz 和 5GHz) 和 红 外 线 物 理 层 目 前 广 泛 应 用 的 是 射 频 方 式 Distribution System(DS, 分 布 式 系 统 ) 即 将 各 个 接 入 点 连 接 起 来 的 骨 干 网 络, 通 常 是 以 太 网 网 络 类 型 有 两 种 网 络 类 型 : 基 础 结 构 型 网 络 和 独 立 型 网 络 AP Station Station Station Station Station Station 图 3 基 础 结 构 型 网 络 图 4 独 立 型 网 络 基 础 型 结 构 网 络 和 独 立 型 网 络 的 主 要 区 别 在 于 : 基 础 型 结 构 网 络 需 要 AP 提 供 接 入 服 务, 所 有 Station 关 联 到 AP 上, 报 文 由 AP 转 发 这 种 网 络 类 型 可 以 提 供 丰 富 的 服 务 应 用, 众 多 的 Station 接 入 数 量 前 面 所 说 的 星 巴 克 的 无 线 热 点, 就 是 这 种 类 型 独 立 型 网 络 一 般 是 少 数 几 个 Station 为 了 特 定 的 目 的 而 组 成 的 一 种 暂 时 性 网 络 比 如 两 个 Station 间 临 时 相 互 拷 贝 文 件 之 类 独 立 型 网 络 又 称 为 特 设 网 络 (ad hoc network) 网 络 服 务 的 基 础 BSS 和 ESS BSS(basic service set, 基 本 服 务 集 ), 是 网 络 提 供 服 务 的 基 本 单 元 在 一 个 BSS 的 服 务 区 域 内 ( 其 实 就 是 其 射 频 信 号 覆 盖 的 范 围 内 ),Station 能 相 互 通 信 ESS(extended service set, 扩 展 服 务 集 ), 由 多 个 使 用 相 同 SSID 的 BSS 组 成 SSID(service set identifier, 服 务 组 标 识 符 ) 用 来 标 识 ESS 当 我 们 笔 记 本 上 搜 索 可 接 入 的 无 线 网 络 时, 显 示 出 来 的 网 络 名 称, 就 是 SSID ESS 是 为 了 解 决 单 个 BSS 覆 盖 范 围 小 的 问 题 而 定 义 的 BSS 和 ESS 的 关 系 如 图 : 7

10 基 础 知 识 ESS BSS1 BSS2 AP AP Station Station Station Station 图 5 BSS 与 ESS WLAN 的 组 网 方 案 最 初 的 传 统 型 AP, 除 了 提 供 基 本 的 无 线 连 接 功 能 外, 还 提 供 安 全 管 理 和 性 能 增 强 等 功 能 这 种 称 为 FAT AP 的 传 统 型 AP, 既 有 功 能 强 大 独 立 性 强 的 优 点, 也 有 设 备 结 构 复 杂 比 较 昂 贵 难 于 管 理 的 缺 点 后 来 随 着 组 网 规 模 的 扩 大, 对 AP 的 经 济 性 可 管 理 性 等 都 提 出 了 新 的 要 求, 于 是 AC(Access Controller, 无 线 控 制 器 )+FIT AP 的 方 案 开 始 出 现 AC 和 FIT AP 配 合 在 一 起 提 供 传 统 AP 的 功 能, 其 中 AC 集 中 处 理 所 有 的 安 全 控 制 和 管 理 功 能,FIT AP 只 提 供 可 靠 高 性 能 的 无 线 射 频 接 入 功 能 AC+FIT AP 方 案 除 具 有 部 署 经 济 易 于 管 理 等 特 点 外, 还 支 持 快 速 切 换 QoS 无 线 网 络 安 全 防 护 网 络 故 障 自 愈 等 高 级 功 能 对 比 图 体 现 了 FAT AP 和 AC+FIT AP 这 种 方 案 的 区 别 FAT AP 天 线 a/b/g/n 加 密 FIT AP 天 线 a/b/g/n 加 密 802.1x 认 证,802.11e QOS 网 管 二 层 漫 游, 安 全 普 通 交 换 机 无 线 控 制 器 无 线 欺 骗 防 护 AP 监 测 用 户 防 火 墙 网 络 自 愈 射 频 管 理 802.1x 认 证,802.11e QOS 网 管 三 层 漫 游, 安 全 Internet Internet 图 6 FAT AP 与 AC+FIT AP 的 区 别 8 网 络 之 路

11 WLAN 专 题 体 系 介 绍 从 上 面 的 介 绍, 我 们 对 WLAN 有 了 初 步 的 了 解, 但 要 让 整 个 系 统 优 雅 的 工 作, 需 要 架 构 中 大 量 部 件 紧 密 而 高 效 的 运 转 和 协 同, 这 并 不 是 件 容 易 的 事 Devil always hide in detail 我 想 用 下 面 一 段 文 章, 揭 开 体 系 一 角, 让 读 者 更 好 的 理 解 面 对 的 挑 战 物 理 层 在 物 理 层, 射 频 技 术 的 发 展, 造 成 了 PHY 层 的 多 样 性, 每 一 种 PHY 层 的 实 现 都 包 含 着 自 有 独 特 的 扩 频 通 信 技 术 和 调 制 解 调 方 式, 并 与 上 层 MAC 层 良 好 适 配, 且 任 何 一 种 后 出 现 的 物 理 层 都 要 考 虑 兼 容 性 而 又 不 过 分 降 低 性 能 MAC 层 在 MAC 层, 如 何 协 同 同 一 区 域 内 的 各 类 WLAN 设 备, 友 好 而 高 效 的 共 用 同 一 片 无 线 环 境, 是 MAC 层 要 解 决 的 首 要 问 题 而 由 于 无 线 环 境 的 不 稳 定 不 可 控 的 特 点, 又 要 求 的 MAC 层 要 比 其 他 网 络 有 更 高 的 可 靠 性 所 以 MAC 层 的 规 则 十 分 复 杂 和 细 致, 任 何 一 点 遗 漏 都 有 可 能 导 致 灾 难 性 的 后 果 射 频 管 理 无 线 频 谱 资 源 的 稀 缺 性 和 世 界 各 国 无 线 管 制 法 令 的 要 求 不 同, 决 定 了 WLAN 设 备 需 要 能 根 据 不 同 国 家 和 地 区 法 令 规 定, 自 动 调 整 支 持 的 信 道 和 射 频 功 率 另 外 减 少 和 避 免 干 扰, 也 是 要 解 决 的 重 要 问 题 干 扰 来 自 两 方 面 : 一 种 是 WLAN 设 备 间 的 干 扰, 属 于 内 部 矛 盾 ; 另 一 种 是 WLAN 设 备 和 其 他 无 线 设 备 间 的 相 互 干 扰, 属 于 外 部 矛 盾, 譬 如 根 据 欧 洲 法 令 的 要 求,WLAN 设 备 如 果 检 测 到 当 前 使 用 的 信 道 中 有 雷 达 信 号, 则 必 须 立 即 让 出 该 信 道, 以 避 免 对 雷 达 造 成 干 扰 安 全 性 安 全 性 也 是 个 让 人 头 疼 的 大 问 题 无 线 环 境 的 开 放 性 与 有 线 形 成 鲜 明 的 反 差, 空 间 中 传 递 的 无 线 数 据 可 以 轻 易 被 捕 获, 非 法 接 入 和 中 间 人 攻 击 也 变 得 更 为 容 易 使 人 哑 然 的 是, 最 初 的 设 计 者 们 显 然 对 安 全 性 问 题 考 虑 不 足, 协 议 最 初 定 义 的 WEP 加 密 对 于 破 解 者 来 说 毫 无 成 就 感 可 言 因 为 实 在 太 容 易 了 幸 好 补 救 措 施 总 算 来 了,802.11i 子 协 议 的 发 布,TKIP CCMP 等 技 术 的 使 用, 使 得 WLAN 安 全 性 获 得 了 极 大 的 增 强 另 外, 我 国 自 主 研 究 的 WAPI 协 议, 也 是 解 决 WLAN 安 全 问 题 的 有 效 手 段 无 线 服 务 质 量 有 线 网 络 的 QoS 机 制, 保 证 了 多 业 务 承 载 时 能 根 据 业 务 特 点, 提 供 区 分 服 务 最 初 的 并 没 有 考 虑 到 这 一 点, 但 幸 好 补 救 也 来 得 及 e 子 协 议 提 供 无 线 层 面 的 QoS 机 制, 使 得 类 似 语 音 之 类 实 时 性 强 的 数 据 可 以 在 无 线 上 得 到 更 高 优 先 级 的 传 输 需 要 说 明 的 是, 这 一 切 是 在 不 可 控 的 无 线 环 境 中, 在 已 有 的 MAC 繁 杂 规 则 下, 来 完 成 的 无 线 漫 游 移 动 设 备 移 动 着 用, 摆 脱 了 网 线 的 约 束, 是 无 线 优 势 淋 漓 尽 致 的 体 现 但 每 个 AP 的 覆 盖 范 围 是 有 限 的, 当 用 户 跑 得 远 了, 就 需 要 一 个 AP 一 个 AP 接 力 般 的 为 其 提 供 不 间 断 的 服 务 这 个 过 程 需 要 平 滑 切 换, 业 务 不 能 中 断, 用 户 无 法 感 知, 就 需 要 系 统 既 有 高 度 可 靠 性, 又 有 极 为 快 速 的 反 应 前 面 所 述 的, 只 是 WLAN 系 统 要 解 决 的 一 部 分 问 题, 具 体 细 节 大 多 会 在 本 期 期 刊 各 篇 文 章 中 描 述 WLAN 并 不 仅 仅 是 有 线 在 无 线 的 简 单 延 续, 无 线 自 身 的 特 点 决 定 了 它 超 出 以 往 的 繁 复 和 精 细, 只 有 深 刻 认 识 这 种 差 异, 才 能 体 味 WLAN 世 界 的 优 美 9

12 基 础 知 识 下 面 列 出 的 是 协 议 族 中 一 些 常 用 的 标 准 标 准 名 称 内 容 简 述 定 义 了 物 理 层 和 媒 体 访 问 控 制 (MAC) 规 范 这 也 是 在 无 线 局 域 网 领 域 内 的 IEEE 标 准 第 一 个 国 际 上 被 认 可 的 协 议 在 这 个 标 准 中, 提 供 了 1M 和 2M 的 数 据 传 输 率 以 及 一 些 基 本 的 信 令 规 范 和 一 些 服 务 规 范 1999 年 制 定 完 成 该 标 准 规 定 无 线 局 域 网 工 作 频 段 在 5.15~5.825GHz, 数 据 IEEE a 标 准 传 输 速 率 达 到 54 Mbps a 采 用 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 的 独 特 扩 频 技 术 1999 年 9 月 被 正 式 批 准, 该 标 准 规 定 无 线 局 域 网 工 作 频 段 在 2.4GHz~2.4835GHz, 数 据 传 输 速 率 达 到 11 Mbps 该 标 准 是 对 IEEE 的 一 个 补 充, 在 数 据 传 输 速 率 方 面 可 以 根 据 实 际 情 况 在 11 Mbps 5.5 Mbps IEEE b 标 准 2 Mbps 1 Mbps 的 不 同 速 率 间 自 动 切 换 b 使 用 直 接 序 列 (Direct Sequence)DSSS 作 为 协 议 b 和 工 作 在 5GHz 频 率 上 的 a 标 准 不 兼 容 IEEE e 标 准 对 无 线 局 域 网 MAC 层 协 议 提 出 改 进, 以 支 持 多 媒 体 传 输, IEEE e 标 准 以 支 持 所 有 无 线 局 域 网 无 线 广 播 接 口 的 服 务 质 量 保 证 QoS 机 制 IEEE f 标 准 定 义 无 线 客 户 端 在 不 通 AP 节 点 之 间 漫 游 切 换 时 AP 节 点 间 IEEE f 标 准 的 信 息 同 步 和 交 互, 由 于 在 安 全 性 和 网 络 规 模 上 有 较 大 局 限 性 目 前 已 经 很 少 使 用 可 以 视 作 对 b 标 准 的 提 速 ( 速 度 从 b 的 11 Mb/s 提 高 到 54Mb/s, 仍 然 工 作 在 2.4G 频 段 ) g 采 用 2 种 调 制 方 式, 含 a 中 采 用 的 OFDM IEEE g 标 准 与 IEEE802.11b 中 采 用 的 CCK(DSSS 中 的 一 种 模 式 ) g 接 入 点 支 持 b 和 g 客 户 设 备 IEEE h 标 准 使 a 符 合 欧 洲 无 线 电 管 制 的 标 准 IEEE i 标 准 是 结 合 IEEE 802.1x 中 的 用 户 端 口 身 份 验 证 和 设 备 验 证, 对 IEEE i 标 准 无 线 局 域 网 MAC 层 进 行 修 改 与 整 合, 定 义 了 严 格 的 加 密 格 式 和 鉴 权 机 制, 以 改 善 无 线 局 域 网 的 安 全 性 工 作 组 目 前 正 在 定 义 的 下 一 代 WLAN 传 输 标 准 n 将 使 用 IEEE n 草 案 MIMO 多 输 入 多 输 出 天 线 技 术, 基 于 OFDM 调 制 技 术, 物 理 传 输 速 率 可 高 达 300M-600Mbps IEEE s 草 案 工 作 组 目 前 正 在 定 义 的 针 对 无 线 网 状 网 (mesh) 组 网 模 式 的 协 议 IEEE r 草 案 工 作 组 目 前 正 在 定 义 的 针 对 无 线 客 户 端 快 速 漫 游 的 协 议 10 网 络 之 路

13 WLAN 专 题 MAC 文 / 林 立 MAC(Medium access control, 媒 介 访 问 控 制 ), 位 于 物 理 层 之 上, 控 制 无 线 报 文 的 空 间 传 输 IEEE 标 准 定 义 了 WLAN MAC 层 的 规 范 由 于 IEEE 标 准 中 MAC 的 内 容 包 含 大 量 信 息, 本 文 只 集 中 展 示 MAC 的 精 髓, 并 尽 可 能 多 的 深 入 披 露 细 节, 以 尽 量 满 足 不 同 程 度 阅 读 者 的 需 求 隐 藏 节 点 问 题 隐 藏 节 点 问 题 是 WLAN 领 域 一 个 经 典 问 题 之 所 以 放 在 全 文 开 头, 一 是 为 了 展 示 WLAN 无 线 世 界 面 对 的 与 有 线 迥 异 的 挑 战 ; 同 时 也 期 待 通 过 隐 藏 节 点 问 题, 激 发 读 者 对 世 界 的 兴 趣 因 为 电 磁 波 发 往 四 面 八 方, 过 程 中 有 衰 减 有 折 射, 受 环 境 影 响 大, 所 以 无 线 网 络 的 界 限 往 往 比 较 模 糊, 难 以 清 晰 测 量 在 现 实 中 就 会 容 易 出 现 隐 藏 节 点 问 题 11

14 基 础 知 识 节 点 1 覆 盖 范 围 节 点 3 覆 盖 范 围 节 点 1 3 覆 盖 交 集 部 分 图 1 隐 藏 节 点 问 题 所 谓 节 点, 其 实 就 是 任 意 WLAN 无 线 设 备, 图 中 用 Station 示 意 现 状 : 1. 节 点 2 可 以 和 节 点 1 节 点 3 通 信 2. 节 点 1 和 节 点 3 之 间 无 法 直 接 通 信 ( 覆 盖 范 围 均 未 把 对 方 包 含 进 来 ) 3. 由 于 节 点 1 和 节 点 3 的 无 线 信 号 不 能 覆 盖 对 方, 所 以 双 方 均 无 法 得 知 对 方 的 存 在 引 发 的 问 题 : 如 果 节 点 1 和 节 点 3 在 同 一 时 间 传 递 数 据 给 节 点 2, 此 时 覆 盖 交 集 部 分 的 节 点 2 将 无 法 识 别 任 何 信 息, 因 为 碰 撞 将 导 致 无 线 传 输 的 内 容 无 法 被 正 确 区 分 此 时 节 点 2 知 道 有 冲 突 发 生, 但 节 点 1 和 节 点 3 均 无 从 得 知 此 时 节 点 1 和 节 点 3 即 互 为 隐 藏 节 点 隐 藏 节 点 会 导 致 WLAN 网 络 可 用 率 极 差 解 决 办 法 : 当 判 断 网 络 中 存 在 隐 藏 节 点 时, 可 以 开 启 一 组 特 别 的 无 线 报 文 交 互 程 序 RTS/CTS 机 制 来 解 决 RTS 和 CTS 是 两 种 MAC 的 帧,RTS=Request to Send,CTS=Clear to Send 下 面 用 图 中 例 子 解 释 RTS/CTS 机 制 的 作 用 : 1. 当 节 点 1 向 节 点 2 传 送 数 据 前, 先 发 送 一 个 RTS 帧, 通 知 节 点 2, 自 己 将 要 发 送 数 据 节 点 1 信 号 覆 盖 范 围 内 的 其 他 无 线 设 备 也 会 听 到 这 个 RTS 帧, 知 道 节 点 1 将 要 发 送 数 据 2. 节 点 2 收 到 RTS 后, 如 果 自 己 在 接 收 节 点 3 数 据, 则 不 回 应 CTS; 如 果 能 够 接 收 ( 即 节 点 3 此 时 没 向 节 点 2 发 数 据, 节 点 2 所 在 无 线 空 间 是 空 闲 的 ), 则 回 应 CTS 帧 给 节 点 1, 节 点 1 收 到 CTS 后 即 可 发 送 数 据 3. 同 时, 节 点 2 回 应 的 CTS 帧 也 能 被 节 点 3 收 听 到, 节 点 3 即 可 知 道 节 点 2 将 和 自 己 不 知 道 的 其 他 设 备 在 通 信, 自 己 随 后 不 能 发 送 数 据 因 此 就 不 会 出 现 节 点 1 和 节 点 3 同 时 发 送 数 据 的 情 况 了 RTS/CTS 只 是 MAC 众 多 帧 类 型 的 一 种, 而 丰 富 的 帧 类 型 正 是 相 对 于 的 一 个 重 要 特 点 MAC 的 帧 MAC 帧 类 型 MAC 有 三 种 帧 类 型 : 数 据 帧, 控 制 帧, 管 理 帧 12 网 络 之 路

15 WLAN 专 题 数 据 帧 数 据 帧 负 责 传 送 数 据 报 文 按 理 说 数 据 帧 就 是 用 来 传 递 数 据, 一 种 就 足 够 了, 但 中 却 并 非 如 此 : Data 帧 : 货 真 价 实 的 数 据 帧, 所 有 的 数 据 报 文 的 承 载 体 Null 帧 : 很 奇 怪 的 数 据 帧, 只 有 两 部 分 : MAC 头 +FCS 尾, 其 中 FCS 负 责 帧 校 验, 和 以 太 CRC 差 不 多 在 以 太 网 中, 这 种 帧 毫 无 用 处, 还 是 额 外 的 负 担 但 在 中,Station 可 以 使 用 Null 帧 通 知 基 站 自 己 省 电 模 式 的 改 变 ( 关 于 省 电 模 式 帧 格 式 等 见 本 文 ) 控 制 帧 控 制 帧 主 要 用 来 协 助 数 据 帧 的 传 输, 负 责 无 线 区 域 的 清 空, 信 道 的 获 取 等, 还 用 于 收 取 数 据 时 的 确 认 常 用 的 几 种 控 制 帧 : RTS/CTS: 前 面 有 过 介 绍, 负 责 无 线 信 道 的 清 空, 取 得 媒 介 控 制 权 PS-Poll: 当 Station 从 省 电 模 式 醒 来, 可 以 发 送 PS-Poll 帧, 从 基 站 获 取 缓 存 帧 ACK: 由 于 无 线 不 可 靠 性, 在 没 有 定 义 特 定 回 帧 的 情 况 下, 发 送 端 接 收 报 文 后 需 要 回 应 ACK 帧 向 发 送 端 确 认 接 收 到 了 报 文 Block Ack Request/ Block ACK:802.11n 中, 为 了 提 升 MAC 层 效 率, 使 用 一 个 BlockACK 机 制 对 收 到 的 一 批 数 据 帧 一 次 性 确 认 Block Ack Request/ Block ACK 用 来 建 立 BlockACK 通 道 ( 详 见 期 刊 n 部 分 ) 管 理 帧 管 理 帧 负 责 对 无 线 网 络 的 管 理, 包 括 网 络 信 息 通 告 加 入 或 退 出 无 线 网 络, 频 谱 管 理 等 常 用 的 管 理 帧 包 括 : Beacon: 信 标 帧, 周 期 性 宣 告 某 个 网 络 的 存 在, 以 及 支 持 的 各 类 无 线 参 数, 比 如 网 络 名 称 (SSID), 支 持 的 速 率, 认 证 类 型 等 也 包 含 基 站 为 进 入 省 电 模 式 的 Station 缓 存 帧 的 信 息 Association Request/Response: 关 联 请 求 / 应 答, 当 Station 试 图 加 入 某 个 网 络,Station 和 基 站 关 联 时 会 使 用 Disassociation: 去 关 联 帧,Station 和 基 站 都 可 以 发 送 Disassociation 解 除 和 对 方 的 关 联 Authentication/Deauthentication: 认 证 / 去 认 证 帧,Station 和 基 站 关 联 时 使 用, 用 于 无 线 身 份 验 证 Probe Request/Response: 探 测 帧,Station 或 基 站 均 可 发 送 Probe Request 来 探 测 周 围 有 哪 些 网 络, 接 收 到 的 基 站 需 回 应 Probe Response,Probe Response 帧 中 基 本 包 含 了 Beacon 帧 的 所 有 参 数 Action:802.11h 标 准 中 添 加 的 帧, 用 来 要 求 设 备 采 取 各 类 行 动 进 行 频 谱 管 理, 比 如 对 空 间 中 的 信 道 传 输 功 率 控 制 情 况 进 行 量 测, 或 进 行 信 道 切 换 宣 告 ( 比 如 检 测 到 冲 突 雷 达 信 号 时 ) Action 帧 也 有 5 种 细 分 的 子 类 型 :Measurement Request/Report( 量 测 请 求 / 报 告 ) TPC Request/Report (Transmit Power Control, 传 输 功 率 控 制 请 求 / 报 告 ) Channel Switch Announcement( 信 道 切 换 通 告 ) MAC 的 帧 种 类 虽 然 多, 但 都 遵 循 着 同 样 的 帧 格 式 规 范, 均 由 帧 头 (MAC Header), 帧 主 体 (Frame Body) 和 帧 校 验 (FCS) 字 段 组 成, 主 要 依 靠 帧 头 中 各 属 性 字 段 的 设 置 来 确 定 帧 的 类 型 13

16 基 础 知 识 MAC 帧 格 式 MAC 的 帧 格 式 中, 最 引 人 注 目 的 就 是 多 达 4 个 的 地 址, 对 于 习 惯 了 以 太 网 2 个 地 址 格 式 的 读 者, 确 实 显 得 突 兀, 但 也 从 侧 面 说 明 了 无 线 传 输 的 复 杂 性 MAC Header Octets: ~ Frame Control Duration/ Address 1 Address 2 Address 3 Sequence ID Control Address 4 QoS Control Frame Body FCS Bits: Protocol Version Type Subtype To DS From More Retry Pwr More Protected DS Frag Mgmt Data Frame Order 图 2 一 般 的 MAC 帧 格 式 由 图 可 以 看 出, MAC 最 大 帧 长 为 2346 字 节 但 MAC Header 帧 头 部 分, 不 是 每 个 字 段 都 需 要 出 现 的 以 下 依 次 说 明 每 个 字 段 的 作 用 Frame Control 字 段 所 有 的 MAC 帧 开 头 都 有 2 个 字 节 的 Frame Control 字 段, 包 含 以 下 子 字 段 : Protocol Version: 使 用 的 MAC 版 本, 由 于 到 目 前 为 止 MAC 只 有 一 个 版 本, 编 号 为 0 Type/Subtype: 指 示 帧 类 型,Management( 管 理 帧 ),Control( 控 制 帧 ) 或 Data( 数 据 帧 ) ToDS&FromDS: 指 示 了 帧 是 否 来 自 和 去 往 一 个 分 布 式 系 统 (Distribution System, 其 实 就 是 指 AP) 例 如 都 为 1, 指 AP 到 AP 之 间 的 帧 ; 都 为 0,Station 到 Station 之 间 的 帧, 以 及 管 理 帧 和 控 制 帧 More Frag: 表 示 是 否 有 后 续 分 片 传 送 Retry: 表 示 管 理 帧 或 数 据 帧 是 否 重 传 ; 用 来 排 除 重 复 帧 Pwr Mgmt: 表 示 Station 在 发 送 完 成 当 前 帧 序 列 后 将 要 进 入 的 状 态,Active 或 Sleep More Data:AP 向 Power-Save( 省 电 ) 状 态 的 STA 传 送 缓 存 报 文 Protected Frame: 表 示 当 前 帧 是 否 已 经 被 加 密 Order: MAC 层 提 供 Strictly Order 服 务 和 非 Strictly Order 服 务, 乱 序 是 指 来 自 同 一 源 mac 的 广 播 或 组 播 报 文 和 单 播 报 文 之 间 的 发 送 次 序 产 生 错 乱 当 此 位 置 1 时, 帧 将 严 格 依 次 传 输 Duration/ID 字 段 此 字 段 有 多 种 作 用, 通 过 填 入 不 同 的 值, 实 现 以 下 三 种 功 能 : a 实 现 NAV(Network Allocate Vector, 网 络 分 配 矢 量 ) 机 制 Duration 值 代 表 了 当 前 进 行 的 传 送 会 占 用 媒 介 多 少 微 秒, 在 此 帧 标 明 的 NAV 时 间 内, 其 他 无 线 设 备 不 能 试 图 占 用 无 线 环 境, 避 免 冲 突 b 无 竞 争 周 期 所 传 送 的 帧 此 类 帧 的 Duration 设 置 为 32768, 即 会 一 直 占 用 无 线 媒 介, 其 他 无 线 设 备 不 能 竞 争 无 线 环 境 c PS-Poll 帧 ( 省 电 - 轮 询 帧 ) Station 进 入 省 电 模 式 后, 天 线 关 闭,AP 要 缓 存 到 其 的 数 据 帧 而 当 Station 从 省 电 模 式 醒 来 后, 发 出 PS-Poll 帧, 来 从 AP 获 取 缓 存 的 报 文 此 时 PS-Poll 帧 的 Duration/ID 字 段, 就 会 包 含 一 个 值 为 1~2007 的 AID(Association ID, 关 联 标 识 符 ), 用 以 标 明 其 属 于 哪 个 BSS 14 网 络 之 路

17 WLAN 专 题 Address 字 段 MAC 帧 头 中, 有 4 个 Address 位,Address1 Address2 Address3 Address Ethernet 帧 头 中 有 2 个 Address 位, 填 写 的 模 式 是 固 定 的, 第 一 个 始 终 是 目 的 mac 地 址, 第 二 个 始 终 是 源 mac 地 址 但 MAC 帧 头 中,4 个 Address 位 填 法 是 不 固 定 的, 需 要 和 Frame Control 字 段 中 的 To DS/From DS 位 结 合 来 确 定 即 帧 从 一 个 Station 发 往 AP, 与 从 AP 发 往 Station,4 个 Address 字 段 的 填 法 是 不 一 样 的 表 1 Address 字 段 填 写 规 则 To DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address RA=DA TA=SA BSSID N/A 0 1 RA=DA TA=BSSID SA N/A 1 0 RA=BSSID TA=SA DA N/A 1 1 RA TA DA SA 其 中 : RA(Receiver Address), 接 收 端 地 址 ; TA(Transmitter Address), 发 送 端 地 址 ; DA(Destination Address), 目 的 地 址 ; SA(Source Address), 源 地 址 ; BSSID, 相 当 于 BSS 的 MAC 地 址 ; 其 中 DA SA 与 以 太 帧 意 义 一 致, 是 实 际 的 目 的 和 源 MAC 地 址 而 RA TA 是 指 MAC 帧 在 无 线 传 输 时, 两 端 无 线 设 备 的 MAC 标 识 地 址 Sequence Control 字 段 此 字 段 用 来 丢 弃 重 复 帧 和 重 组 分 片 包 含 两 个 子 字 段 :Fragment Number, 用 于 分 片 帧 ;Sequence Number, 用 于 检 验 重 复 帧, 当 设 备 收 到 一 个 MAC 帧, 其 Sequence Number 与 之 前 收 到 的 帧 重 复, 则 丢 弃 该 帧 QoS Control 字 段 QoS Control 字 段 只 会 出 现 在 数 据 帧 中, 用 以 实 现 e 无 线 QoS 功 能 因 为 涉 及 众 多 e 的 概 念, 详 细 描 述 请 参 考 本 期 期 刊 的 e 文 档 Frame Body 字 段 也 称 数 据 字 段, 负 责 传 递 上 层 有 效 载 荷 (Payload) 实 际 上, 在 中, 在 进 入 MAC 处 理 之 前, 待 传 输 的 载 荷 报 文 更 多 的 被 称 为 MSDU MAC Service Data Unit FCS 字 段 FCS(Frame Check Sequence, 帧 校 验 序 列 ), 用 于 检 查 所 收 到 帧 的 完 整 性 与 Ethernet 中 的 CRC 其 实 是 一 样 的 MAC 的 基 本 规 则 无 线 环 境 的 复 杂 性, 决 定 了 MAC 帧 在 空 间 中 的 传 递 难 以 像 以 太 网 封 闭 性 结 构 那 样 轻 15

18 基 础 知 识 松 IEEE 规 范 了 一 系 列 MAC 规 则, 协 同 各 类 设 备 在 无 线 环 境 中 进 行 数 据 传 输 MAC 规 则 总 体 上 分 为 两 类 : 规 范 对 无 线 媒 介 的 访 问 和 MAC 帧 的 传 输 无 线 媒 介 的 访 问 NAV 虚 拟 载 波 检 测 机 制 在 有 线 LAN 里,IEEE 使 用 载 波 侦 听 多 址 访 问 碰 撞 检 测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect,CSMA/CD) 机 制, 来 协 调 不 同 的 设 备 对 有 线 介 质 的 竞 争 访 问 但 在 的 WLAN 世 界, 碰 撞 将 导 致 无 线 传 输 的 内 容 无 法 被 正 确 区 分, 所 以 采 用 了 一 种 先 听 后 说 的 碰 撞 回 避 策 略 CSMA/CA(Collision Avoidance, 冲 突 避 免 ) 网 络 分 配 矢 量 (NAV) 被 用 来 实 现 CSMA/CA NAV 表 示 媒 介 空 闲 剩 余 时 间 在 一 个 WLAN 中, 每 个 WLAN 设 备 都 会 监 听 无 线 环 境 中 的 帧, 并 提 取 报 文 MAC 头 中 的 Duration 字 段 的 值, 来 更 新 自 己 的 NAV 无 线 设 备 通 过 检 查 NAV 决 定 是 否 发 送, 当 自 己 的 NAV 不 为 0, 即 意 味 着 无 线 媒 介 不 是 空 闲 的 NAV 又 称 为 虚 拟 载 波 检 测 机 制 每 个 WLAN 设 备 在 发 送 帧 时, 也 会 填 写 MAC 头 中 的 Duration 字 段, 来 标 明 这 个 帧 的 发 送 会 需 要 多 久 时 间 ( 有 时 也 包 括 Ack 回 应 等 帧 交 换 程 序 所 需 时 间 ), 声 明 这 段 时 间 内 自 己 占 用 无 线 环 境, 值 的 单 位 是 微 秒 通 过 物 理 载 波 检 测 和 虚 拟 载 波 检 测 的 结 合,MAC 得 以 实 现 CSMA/CA 的 碰 撞 避 免 机 制 DCF PCF HCF 载 波 监 听 并 不 能 解 决 无 线 媒 介 竞 争 时 的 全 部 问 题, 比 如 多 个 Station 的 NAV 同 时 为 0 后, 随 后 同 时 使 用 无 线 媒 介, 结 果 会 很 糟 糕 因 此 使 用 协 调 功 能 (Coordination Function,CF) 来 控 制 对 无 线 媒 介 的 访 问 目 前 阶 段 协 调 功 能 CF 包 括 三 种 : DCF(Distribution Coordination Function, 分 布 式 协 调 功 能 ) DCF 是 标 准 CSMA/CA 访 问 机 制 的 基 础, 和 Ethernet 类 似 发 送 帧 前, 先 检 测 媒 介, 若 忙, 则 退 避, 然 后 再 检 测 有 时 也 使 用 RTS/CTS 机 制 来 清 空 环 境 PCF(Point Coordination Function, 点 协 调 功 能 ) PCF 主 要 提 供 的 是 免 竞 争 服 务 点 协 调 者 可 以 确 保 不 需 要 竞 争 即 可 使 用 无 线 媒 介 PCF 并 不 常 用 HCF(Hybrid Coordination Function, 混 合 协 调 功 能 ) HCF 提 供 了 比 DCF 更 加 灵 活 的 访 问 控 制, 相 比 于 DCF 严 格 的 均 等 访 问,HCF 允 许 WLAN 设 备 维 护 多 组 服 务 队 列, 对 需 要 更 高 服 务 质 量 的 应 用 提 供 更 多 无 线 媒 介 访 问 机 会 下 面 以 DCF 为 例, 介 绍 无 线 媒 介 访 问 的 过 程 : DIFS DIFS PIFS Contention Window Busy Medium SIFS Backoff-Window Next Frame Slot time Defer Access 图 3 DCF 方 式 访 问 无 线 媒 介 过 程 Select Slot and decrement Backoff as long as medium is idle 16 网 络 之 路

19 WLAN 专 题 a) 每 个 帧 发 送 前 都 要 等 待 一 小 段 时 间 间 隔, 称 为 帧 间 隔 ; b) 发 送 前 先 检 查 信 道 是 否 空 闲 如 果 闲, 发 送 ; 否 则, 随 机 退 避, 退 避 时 长 从 当 前 的 竞 争 窗 口 中 随 机 选 取 ; c) 判 断 信 道 是 否 空 闲 根 据 两 个 因 素 : 物 理 信 道 NAV 机 制 ( 虚 拟 载 波 侦 听 ) 各 个 Station 要 收 听 其 他 Station 发 送 的 报 文, 并 根 据 报 文 中 Duration 值 设 置 自 己 的 定 时 器 当 定 时 器 不 为 0 时, 认 为 信 道 是 忙 的 ; d) 只 有 Duration 大 于 自 己 的 定 时 器 值 时 才 需 要 修 改 定 时 器 值 ; e) NAV 定 时 器 到 期 后, 重 复 上 述 过 程 在 上 述 过 程 中, 涉 及 到 了 两 个 参 数 : 帧 间 隔 和 竞 争 窗 口 帧 间 隔 帧 在 发 送 之 前 等 待 的 那 一 小 段 时 间, 称 为 帧 间 隔 (Interframe Space,IFS) 帧 间 隔 也 分 为 多 种 : SIFS(Short IFS, 短 帧 间 隔 ): 最 短 的 帧 间 隔, 用 于 高 优 先 级 场 合, 比 如 CTS ACK 和 11mac 分 片 报 文 的 非 首 片 的 发 送 PIFS(PCF IFS,PCF 帧 间 隔 ): 用 于 PCF 的 无 竞 争 操 作 PIFS 比 SIFS 长 DIFS(DCF IFS,DCF 帧 间 隔 ):DFS 使 用,DIFS 比 PIFS SIFS 都 长 EIFS(Extended IFS, 扩 展 帧 间 隔 ):EIFS 长 度 并 不 固 定, 只 有 帧 传 输 出 现 错 误 时 才 会 用 到 IFS 与 数 据 传 输 速 率 无 关,IFS 对 于 物 理 层 是 固 定 的, 由 物 理 层 属 性 决 定 不 同 场 景 下 通 过 使 用 不 同 的 帧 间 隔, 可 以 进 一 步 区 分 控 制 无 线 设 备 对 无 线 媒 介 的 访 问 竞 争 窗 口 当 检 测 到 媒 介 繁 忙, 而 启 动 随 机 退 避, 是 通 信 领 域 常 用 的 做 法 在 MAC 的 处 理 中, 帧 间 隔 之 后 就 是 从 竞 争 窗 口 (Contention Window,CW) 中 随 机 选 取 的 退 避 时 长 由 于 无 线 的 特 点, MAC 的 竞 争 窗 口 以 时 隙 (Slot) 来 表 示 WLAN 设 备 会 从 竞 争 窗 口 ( 即 若 干 个 时 隙 长 度 ) 中 随 机 选 择 一 段 时 隙 长 度, 开 始 退 避 如 果 再 次 失 败, 竞 争 窗 口 的 大 小 也 会 相 应 增 加, 直 到 达 到 最 大 值 竞 争 窗 口 的 大 小 是 2n-1 个 Slot, 最 大 值 不 超 过 255 个 Slot 第 一 次 尝 试 frame DIFS CW=31 Slots 第 二 次 尝 试 frame DIFS CW=63 Slots 第 三 次 尝 试 frame DIFS CW=127 Slots 图 4 竞 争 窗 口 示 意 图 MAC 帧 的 传 输 尽 管 前 面 规 范 了 众 多 无 线 介 质 的 访 问 原 则, 但 由 于 无 线 介 质 的 不 可 靠 性 特 点, 在 帧 的 传 输 过 程 中, 还 是 会 碰 到 各 类 突 发 状 况 IEEE MAC 定 义 了 大 量 传 输 规 范, 来 尽 量 保 证 MAC 帧 交 互 过 程 的 可 靠 性 17

20 基 础 知 识 ACK 帧 的 发 送 需 要 对 方 进 行 确 认, 在 没 有 定 义 特 定 回 应 帧 的 情 况 下, 应 回 应 ACK ACK 在 接 收 报 文 后 等 待 SIFS 时 间 后 立 即 发 送 广 播 帧 错 误 帧 不 回 ACK 重 传 若 发 送 端 没 有 收 到 ACK, 或 ACK 接 收 失 败, 都 需 要 重 新 发 送 数 据 每 个 帧 或 帧 分 片 分 别 对 应 一 个 重 传 计 数 器 帧 重 传 计 数 由 0 算 起, 只 要 帧 被 重 传, 重 传 计 数 器 就 会 累 计 重 传 一 直 持 续 到 传 送 成 功, 或 达 到 重 传 限 制 如 果 达 到 重 传 限 制, 该 帧 随 即 被 丢 弃, 并 通 知 上 层 重 复 帧 数 据 帧 和 管 理 帧 都 要 使 用 MAC 头 中 Sequence 编 号, 接 收 端 在 缓 存 中 对 帧 编 号 进 行 记 录, 但 不 记 录 广 播 / 多 播 /ATIM 所 有 分 片 使 用 同 一 Sequence, 通 过 Fragment Number 进 行 区 分 若 收 到 重 传 帧, 且 在 缓 存 中 有 该 帧 的 记 录, 拒 绝 接 收 即 使 是 重 复 帧, 也 应 回 应 ACK 分 片 (Fragment) Ethernet 的 MAC 层 是 不 支 持 分 片 的, 分 片 的 动 作 都 在 IP 层 完 成 但 MAC 与 其 不 同, 支 持 MAC 层 分 片 分 片 是 在 TA 处 立 即 完 成 的, 分 片 重 组 在 RA 处 立 即 完 成 的 广 播 / 多 播 报 文 不 分 片, 只 有 RA 是 单 播 地 址 的 报 文 才 能 分 片 分 片 以 burst 方 式 独 立 发 送, 各 个 分 片 之 间 间 隔 是 SIFS 成 功 收 到 每 一 个 分 片 都 要 回 应 ACK 分 片 按 顺 序 发 送, 前 面 的 分 片 More frag 标 志 为 1, 最 后 一 个 分 片 该 标 志 为 0 所 有 分 片 大 小 保 持 一 致, 且 双 字 节 对 齐, 除 最 后 一 个 分 片 外 如 果 某 个 分 片 发 送 失 败, 则 重 新 执 行 退 避 过 程, 从 失 败 的 分 片 开 始 发 送 当 时 间 超 过 报 文 的 生 存 期 时, 整 个 报 文 被 丢 弃 如 果 需 要 进 行 WEP 加 密, 则 先 分 片, 后 进 行 WEP 加 密 加 密 后 大 小 允 许 超 过 分 片 阈 值 多 速 率 支 持 在 Station 和 AP 关 联 的 过 程 中, 双 方 会 进 行 速 率 的 协 商, 随 后 发 送 的 报 文 均 使 用 双 方 都 支 持 的 速 率 集 来 发 送 支 持 的 速 率 分 为 基 本 速 率 集 (Basic Rate) 和 支 持 速 率 集 (Support Rate), 基 本 速 率 集 一 般 是 所 有 设 备 均 支 持 的 速 率 发 送 速 率 选 择 的 一 般 规 则 是 : 所 有 控 制 帧 都 使 用 Basic Rate 来 发 送, 所 有 广 播 帧 都 使 用 Basic Rate 来 发 送 单 播 的 数 据 帧 管 理 帧 使 用 双 方 都 支 持 的 任 何 一 个 速 率 来 发 送 RTS 使 用 Basic Rate 来 发 送 控 制 响 应 帧 ( 如 CTS/ACK 帧 ) 使 用 小 于 等 于 前 一 帧 速 率 的 最 大 Basic Rate 进 行 发 送 18 网 络 之 路

21 WLAN 专 题 省 电 模 式 由 于 使 用 WLAN 的 多 数 是 便 携 式 移 动 设 备, 电 池 电 力 有 限, 为 了 尽 可 能 节 约 电 池 电 力, 支 持 省 电 模 式, 即 在 没 有 数 据 传 输 时,Station 可 以 关 闭 自 己 的 天 线 即 Station 可 能 处 于 两 种 模 式,active 或 sleep 下 面 以 常 用 的 基 础 性 网 络 架 构 系 统 为 例, 描 述 省 电 模 式 的 工 作 过 程 Station 进 入 sleep 状 态 前, 向 AP 发 送 的 最 后 一 个 MAC 帧, 帧 头 的 Frame Control 字 段 的 Pwr Mgmt 子 字 段 会 置 为 1, 表 明 自 己 随 后 会 进 入 PS 状 态 (Power-Save) AP 随 后 会 缓 存 到 该 Station 的 报 文, 单 播 报 文 缓 存 到 和 该 Station 对 应 的 AID 下, 广 播 和 组 播 报 文 缓 存 到 AID 0 下 对 于 单 播 报 文,AP 通 过 发 送 的 Beacon 帧 携 带 的 TIM 属 性 (Traffic Indication Map, 传 输 指 示 映 射 ), 显 示 哪 些 AID 的 Station 有 缓 存 的 报 文 Station 必 须 定 期 醒 来, 判 断 收 到 的 Beacon 帧 里 是 否 显 示 AP 有 自 己 AID 的 缓 存 报 文 如 果 有, 则 发 送 PS-Poll 报 文 或 QoS-Null 报 文 来 从 AP 处 获 取 单 播 报 文 对 于 广 播 组 播 报 文, 则 是 通 过 Beacon 中 特 殊 的 TIM DTIM(Delivery TIM, 延 迟 传 输 指 示 映 射 ) 来 通 告 Beacon 中 的 TIM 包 含 了 一 个 计 数 器, 每 发 一 个 Beacon, 计 数 器 的 值 就 会 减 1, 当 计 数 器 的 值 减 为 0 时, 这 个 帧 就 是 DTIM Beacon 而 AP 缓 存 的 广 播 和 组 播 报 文, 将 在 DTIM Beacon 帧 之 后 依 次 传 送 Station 应 定 期 醒 来 监 听 Beacon, 并 在 DTIM Beacon 帧 后 醒 来 以 便 接 受 广 播 组 播 帧 RTS/CTS 机 制 RTS/CTS 机 制 主 要 用 来 清 空 无 线 环 境, 例 如 解 决 隐 藏 节 点 g 保 护 之 类 的 问 题 其 主 要 工 作 原 理 是, 发 送 方 有 个 帧 待 传, 而 无 线 环 境 复 杂 时, 为 了 避 免 干 扰, 可 以 向 接 收 方 发 送 一 个 RTS(Request to Send) 帧,RTS 帧 的 目 的 有 两 个 : 预 约 无 线 介 质 使 用 权 并 要 求 收 到 这 个 帧 的 其 他 无 线 设 备 保 持 沉 默 接 收 端 会 发 送 CTS 来 应 答, 和 RTS 一 样,CTS 也 会 使 其 他 无 线 设 备 保 持 沉 默 等 RTS/ CTS 交 换 完 成 后, 即 可 发 送 之 前 待 传 的 帧, 而 无 需 担 心 其 他 无 线 设 备 的 干 扰 为 了 使 RTS/CTS 能 被 其 他 无 线 设 备 听 到,RTS/CTS 帧 必 须 使 用 基 本 速 率 集 来 发 送 MAC 定 义 了 很 多 类 的 帧 交 互 程 序, 即 对 于 某 些 帧, 只 能 用 特 定 帧 来 回 应 下 面 以 Station 和 AP 的 关 联 过 程 为 例, 简 要 介 绍 一 下 4 关 联 过 程 和 结 束 语 Station 和 AP 的 关 联 过 程 都 是 由 以 下 几 个 步 骤 组 成 第 一 步 : 发 现 和 选 择 BSS STA 通 过 Scanning 选 择 AP ( 采 用 侦 听 Beacon 帧 或 发 送 Probe 帧 ) Authentication Association 和 建 立 Association 关 系 的 AP 收 发 数 据 图 5 Station 关 联 AP 的 过 程 AP Station 可 以 有 两 种 方 式 来 发 现 AP 的 BSS 一 是 通 过 被 动 监 听 Beacon 帧 信 息 ; 二 是 Station 主 动 发 送 Probe Request 帧 请 求, 而 AP 回 应 Probe Response 第 二 步 : 认 证 Station 发 出 Authentication Request 报 文,AP 回 应 Authentication Response 这 个 过 程 是 Station 和 AP 相 互 认 证 的 环 节, 为 之 后 的 关 联 做 准 备, 即 使 是 不 需 要 验 证 的 BSS, 也 会 有 这 个 过 程 认 证 环 节 分 为 两 种 :Open-system Authentication 过 程 和 Shared-Key Authentication 过 程 由 于 涉 及 无 线 安 全 内 19

22 基 础 知 识 容, 在 期 刊 i 无 线 安 全 文 章 中 会 有 详 细 描 述 第 三 步 : 关 联 关 联 过 程 通 过 association request 和 association response 两 个 报 文 的 交 互 来 完 成 AID 的 分 配 和 确 认 也 是 在 这 个 环 节 完 成 在 关 联 成 功 后,Station 和 AP 即 可 以 进 行 数 据 报 文 的 交 互 了 限 于 篇 幅, 本 文 无 法 将 MAC 的 内 容 和 细 节 全 部 展 示, 只 能 取 其 精 要 上 面 的 关 联 过 程, 介 绍 得 比 较 简 单, 实 际 上 这 个 过 程 也 是 有 很 多 内 容, 有 兴 趣 的 读 者 可 以 自 行 学 习 协 议 文 档 并 结 合 抓 包 内 容 理 解 以 下 展 示 的 是 关 联 过 程 中 使 用 的 最 常 见 的 Beacon 帧 细 节, 供 读 者 参 考 Beacon 帧 总 体 构 成 : 图 6 Beacon 帧 总 体 构 成 三 部 分 组 成 :Packet Info,11 Mac Header 和 帧 主 体 Beacon Packet Info 字 段 : 图 7 Packet Info 字 段 包 含 了 包 长 (Packet Length,208 字 节 ), 该 帧 传 输 使 用 的 速 率 (Data Rate,6 Mbps), 使 用 的 信 道 (Channel,11a,153 信 道 ), 信 号 强 度 (Signal,-42 dbm), 噪 声 强 度 (Noise,-100 dbm) 等 信 息 MAC Header 字 段 : 帧 头 内 容 的 解 释 请 自 行 对 照 前 面 的 MAC 帧 格 式 20 网 络 之 路

23 WLAN 专 题 图 MAC Header 字 段 帧 主 体 Beacon 字 段 : 图 9 Beacon 字 段 包 含 :Beacon 帧 发 送 间 隔 (beacon interval=100ms);ap 能 力 信 息 (Capability Info); 网 络 名 称 (SSID=leo1);TIM 信 息 (TIM); 国 家 码 及 可 用 信 道 资 源 信 息 (Country,CN);11n 高 速 率 能 力 集 信 息 (HT Cap +Add HT Info); 无 线 QoS 能 力 信 息 (WMM) 等 21

24 基 础 知 识 帧 主 体 Beacon 字 段 里 的 内 容 很 多, 我 们 展 开 其 中 三 项 作 为 展 示 Capability Info 子 字 段 : 图 10 Capability Info 子 字 段 包 含 :BlockACK APSD WMM 短 前 导 (short preamble) ESS 类 型 等 的 支 持 情 况 Rate 子 字 段 : 包 含 : 对 11a 速 率 集 支 持 的 情 况 HT Cap 子 字 段 : 图 11 Rate 子 字 段 图 12 HT Cap 子 字 段 帧 主 体 Beacon 中 的 HT Cap 子 字 段 又 包 含 更 多 子 能 力 集 字 段, 这 里 就 不 一 一 展 开 了 有 兴 趣 的 读 者 可 以 自 行 研 究 22 网 络 之 路

25 WLAN 专 题 射 频 技 术 简 介 文 / 周 国 君 射 频 技 术 的 进 步 提 高 了 WLAN 的 性 能, 降 低 了 系 统 成 本, 是 WLAN 应 用 得 以 迅 速 普 及 的 推 动 力 射 频 新 技 术 的 采 用 使 WLAN 速 率 从 最 初 的 1~2Mbps, 到 如 今 高 达 600Mbps, 经 历 了 革 命 性 的 变 化, 射 频 技 术 和 主 要 射 频 指 标 决 定 了 WLAN 系 统 的 容 量 覆 盖 范 围 和 抗 干 扰 能 力 等 关 键 性 能 调 制 解 调 技 术 : 调 制 解 调 技 术 是 WLAN 射 频 技 术 的 基 础, 不 同 的 调 制 解 调 技 术 对 系 统 的 要 求 和 支 持 的 数 据 数 率 有 很 大 差 别 早 期 的 产 品 基 于 直 接 序 列 扩 频 (DSSS) 调 制 技 术, 分 别 使 用 BPSK 和 QPSK 实 现 1Mbps 和 2Mbps 的 数 据 传 输 速 率 后 来 推 出 的 b 产 品 采 用 补 码 键 控 (CCK) 调 制 技 术, 通 过 BPSK 和 QPSK 技 术 将 数 据 传 输 速 率 分 别 提 高 到 5.5Mbps 和 11Mbps DSSS 和 CCK 都 是 b 标 准 的 一 部 分, 使 用 2.4GHz 频 段 另 一 新 标 准 是 a, 它 采 用 正 交 频 分 多 路 复 用 (OFDM) 调 制 技 术, 通 过 64-QAM 调 制 方 式 将 数 据 传 输 速 率 提 高 到 54Mbps a 标 准 使 用 5GHz 频 段 鉴 于 在 2.4GHz 频 段 上 提 供 11Mbps 以 上 速 率 的 需 求,IEEE 标 准 机 构 推 出 了 g 标 准, 它 工 作 于 2.4GHz 频 段 的 OFDM 调 制 方 式, 数 据 速 率 达 到 了 54Mbps 目 前 主 流 的 WLAN 产 品 都 可 同 时 支 持 上 述 三 个 无 线 局 域 网 标 准 技 术 不 断 更 新, 新 的 技 术 标 准 不 断 推 出, 极 大 地 推 动 了 无 线 局 域 网 的 发 展 下 一 代 移 动 通 信 的 关 键 技 术, 如 OFDM 技 术 MIMO 技 术 智 能 天 线 (Smart Antenna) LDPC( 奇 偶 校 验 码 ) 自 适 应 技 术 和 软 件 无 线 电 SDR(Soft Defined Radio) 等, 开 始 应 用 到 无 线 局 域 网 中, 提 升 了 WLAN 的 性 能,OFDM-MIMO 已 成 为 下 一 代 无 线 局 域 网 标 准 IEEE802.11n 的 基 础 串 \ 并 编 码 编 码 检 测 解 码 Л Л Q A M 映 射 Q A M 映 射 插 入 导 频 插 入 导 频 S1(0) S1(N t-1) SNt (0) SNt (N t-1) 图 1 MIMO OFDM 系 统 发 送 方 案 框 图 图 2 MIMO OFDM 系 统 接 收 方 案 框 图 IFFT 加 CP TX 1 IFFT 加 CP TX 1 去 FFT CP 时 R X x FFT y 频 同 去 步 CP r R X 信 道 估 计 1 Nt 23

26 基 础 知 识 OFDM 技 术 其 实 是 多 载 波 调 制 MCU(Multi-Carrier Modulation 的 一 种 其 主 要 思 想 是 : 将 信 道 分 成 许 多 正 交 子 信 道, 在 每 个 子 信 道 上 进 行 窄 带 调 制 和 传 输, 这 样 减 少 了 子 信 道 之 间 的 相 互 干 扰 每 个 子 信 道 上 的 信 号 带 宽 小 于 信 道 的 相 关 带 宽, 因 此 每 个 子 信 道 的 频 率 选 择 性 衰 落 是 平 均 的, 大 大 消 除 了 符 号 间 的 干 扰 在 各 个 子 信 道 中 的 正 交 调 制 和 解 调 采 用 IFFT 和 FFT 方 法 实 现 随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 与 DSP 技 术 的 发 展,IFFT 和 FFT 都 是 非 常 容 易 实 现 的 快 速 傅 里 叶 变 换 (FFT) 的 引 入, 大 大 降 低 了 OFDM 的 复 杂 性, 提 升 了 系 统 的 性 能 MIMO OFDM 发 送 接 收 机 系 统 结 构 如 图 1 和 2 所 示 另 外, 与 单 载 波 系 统 相 比,OFDM 还 存 在 一 些 缺 点, 易 受 频 率 偏 差 的 影 响, 存 在 较 高 的 峰 值 平 均 功 率 比 (PAR) MIMO 技 术 能 在 不 增 加 带 宽 的 情 况 下 成 倍 地 提 高 通 信 系 统 的 容 量 和 频 谱 利 用 率 它 可 以 定 义 为 发 送 端 和 接 收 端 之 间 存 在 多 个 独 立 信 道, 也 就 是 说 天 线 单 元 之 间 存 在 充 分 的 间 隔, 因 此 消 除 了 天 线 间 信 号 的 相 关 性, 提 高 信 号 的 链 路 性 能, 增 加 了 数 据 吞 吐 量 现 代 信 息 论 表 明 : 对 于 发 射 天 线 数 为 N 接 收 天 线 数 为 M 的 多 入 多 出 (MIMO) 系 统, 假 定 信 道 为 独 立 的 瑞 利 衰 落 信 道, 并 设 N M 很 大, 则 信 道 容 量 C 近 似 为 公 式 (1): C=[min(M,N)Blog2(p/2)] (1) ( 其 中 B 为 信 号 带 宽,p 为 接 收 端 平 均 信 噪 比,min(M,N) 为 M N 中 的 较 小 者 ) 式 (1) 表 明,MIMO 技 术 能 在 不 增 加 带 宽 的 情 况 下 成 倍 地 提 高 通 信 系 统 的 容 量 和 频 谱 利 用 率 因 此 将 MIMO 技 术 与 OFDM 技 术 相 结 合 是 下 一 代 无 线 局 域 网 发 展 的 趋 势 研 究 表 明, 在 瑞 利 衰 落 信 道 环 境 下, OFDM 系 统 非 常 适 合 使 用 MIMO 技 术 提 高 容 量 采 用 多 输 入 多 输 出 (MIMO) 系 统 是 提 高 频 谱 效 率 的 有 效 方 法 多 径 衰 落 是 影 响 通 信 质 量 的 主 要 因 素, 但 MIMO 系 统 却 能 有 效 地 利 用 多 径 的 影 响 来 提 高 系 统 容 量 系 统 容 量 是 干 扰 受 限 的, 不 能 通 过 增 加 发 射 功 率 来 提 高 系 统 容 量, 而 采 用 MIMO 结 构 不 需 要 增 加 发 射 功 率 就 能 获 得 很 高 的 系 统 容 量 图 1 图 2 分 别 为 采 用 MIMO 技 术 的 OFDM 系 统 发 送 接 收 方 案 框 图 从 图 中 可 以 看 出,MIMO- OFDM 系 统 有 Nt 个 发 送 天 线,Nr 个 接 收 天 线 在 发 送 端 和 接 收 端 各 设 置 多 重 天 线, 可 以 提 高 空 间 分 集 效 应, 克 服 电 磁 波 衰 落 的 不 良 影 响 因 为 多 副 天 线 提 供 多 个 空 间 信 道, 不 会 全 部 同 时 受 到 衰 落 输 入 的 比 特 流 经 串 行 变 换 分 为 多 个 分 支, 每 个 分 支 都 进 行 OFDM 处 理, 即 经 过 编 码 Π( 交 织 ) 正 交 幅 度 调 制 (QAM) 映 射 插 入 导 频 信 号 IFFT 变 换 加 循 环 前 缀 等 过 程, 再 经 天 线 发 送 到 无 线 信 道 中 ; 接 收 端 进 行 与 发 射 端 相 反 的 信 号 处 理 过 程 例 如 : 去 除 循 环 前 缀 FFT 变 换 解 码 等, 同 时 通 过 信 道 估 计 定 时 同 步 MIMO 检 测 等 技 术 完 全 恢 复 原 来 的 比 特 流 频 谱 和 信 道 : 各 国 家 或 地 区 的 频 谱 使 用 规 定 有 一 定 差 别, 国 内 b/g 采 用 2.4GHz ISM( 工 业 科 学 和 医 学 ) 频 段 2.4~2.4835GHz, 起 始 频 点 是 2.412GHz( 信 道 号 为 1), 有 1~13 总 共 13 个 信 道, 信 道 间 隔 5MHz, 信 道 与 中 心 频 点 的 对 应 关 系 : f( 中 心 频 率 )=2412+5x(nch-1)(MHz) b/g 占 用 带 宽 为 22MHz(99% 能 量 ), 所 以 频 点 间 隔 25MHz 才 算 互 不 干 扰 信 道, 一 般 把 1,6, 11 或 1,7,13 称 为 互 不 交 叠 信 道 值 得 注 意 的 是, 由 于 各 地 区 频 谱 分 配 的 限 制, 有 些 网 卡 并 不 支 持 11 以 24 网 络 之 路

27 WLAN 专 题 上 的 信 道, 若 AP 设 为 13 信 道, 可 能 导 致 某 些 网 卡 无 法 连 接 国 内 a 占 用 5.725~5.85GHz 频 段, 信 道 间 隔 为 20MHz, 共 5 个 互 不 交 叠 信 道, 在 IEEE 标 准 中 5GHz 频 段 信 道 号 是 统 一 分 配 的, 计 算 公 式 为 : f( 中 心 频 率 )=5000+5xnch(MHz) 国 内 5GHz WLAN 频 段 对 应 的 5 信 道 号 分 别 是 149,153,157,161 和 165 一 些 老 的 点 对 点 微 波 设 备 也 占 用 这 个 5GHz 频 段, 若 在 同 一 地 点 部 署 会 存 在 干 扰 问 题 发 射 功 率 和 等 效 全 向 辐 射 : 发 射 功 率 是 指 在 无 线 设 备 的 发 射 机 天 线 口 达 到 的 射 频 有 效 功 率, 反 映 发 射 机 系 统 的 能 力 等 效 全 向 辐 射 (EIRP) 是 天 线 在 特 定 的 方 向 上 所 辐 射 的 功 率, 通 常 单 位 是 dbm, 这 个 指 标 一 般 应 该 用 辐 射 方 式 测 试, 但 通 常 是 根 据 传 导 发 射 功 率 计 算 : EIRP=P( 设 备 发 射 功 率 )+ G( 天 线 增 益 )- A( 线 路 损 耗 ) EIRP 准 确 反 映 了 设 备 辐 射 信 号 的 强 度, 接 收 设 备 收 到 的 信 号 强 度 与 这 个 指 标 有 密 切 关 系 一 般 的 认 证 法 规 都 是 规 定 EIRP 的 限 值, 而 不 是 发 射 功 率 的 限 值 接 收 灵 敏 度 和 最 大 接 收 电 平 : WLAN 的 接 收 灵 敏 度 是 指 接 收 机 在 满 足 PER( 错 包 率 ) 小 于 10% 的 条 件 下, 天 线 口 能 够 接 收 到 的 最 小 接 收 信 号 电 平, 一 般 用 dbm 表 示, 反 映 了 设 备 接 收 小 信 号 的 能 力, 在 发 射 功 率 一 定 的 情 况 下, 灵 敏 度 越 高, 覆 盖 范 围 越 大, 接 收 灵 敏 度 与 调 制 方 式 和 数 据 速 率 有 密 切 关 系, 在 b 1Mbps 速 率 下 WLAN 接 收 灵 敏 度 可 达 -95dBm 左 右, 在 g 54Mbps 速 率 下 WLAN 接 收 灵 敏 度 约 -72dBm 左 右 最 大 接 收 电 平 (Receiver maximum input level) 接 收 机 在 满 足 PER( 错 包 率 ) 小 于 10% 的 条 件 下, 天 线 口 能 够 接 收 的 最 大 接 收 信 号 电 平, 一 般 用 dbm 表 示, 规 范 要 求 OFDM 是 -30dBm,CCK 是 -20dBm 最 大 接 收 电 平 反 映 了 接 收 机 接 收 大 信 号 的 能 力, 超 过 最 大 接 收 电 平 将 导 致 接 收 机 饱 和, 误 码 率 明 显 升 高 接 收 机 动 态 范 围 是 指 最 大 接 收 电 平 与 接 收 灵 敏 度 之 间 的 差 值 信 号 强 度 噪 底 和 信 噪 比 : 噪 底 (Noise Floor) 反 映 当 前 信 道 的 噪 声 水 平, 信 噪 比 (SNR) 是 指 接 收 机 收 到 的 有 效 信 号 强 度 与 噪 底 的 差 值 ( 或 比 值 ), 以 db 表 示 对 2.4GHz 频 段, 噪 底 通 常 在 -90~-95dBm 之 间, 在 干 扰 环 境, 噪 底 可 能 到 -90dBm 以 上 对 于 WLAN, 虽 然 灵 敏 度 可 达 到 -90dBm 以 上, 要 获 得 较 好 的 通 信 质 量, 信 噪 比 要 求 达 到 20dB 左 右, 因 此, 从 覆 盖 角 度, 我 们 通 常 要 求 边 缘 信 号 强 度 达 到 -75dBm 以 上 杂 散 和 干 扰 : 杂 散 (unwanted emission or spurious emission) 是 指 用 标 准 测 试 信 号 调 制 时 在 除 载 频 和 由 于 正 常 调 制 和 切 换 瞬 态 引 起 的 边 带 以 及 邻 道 以 外 离 散 频 率 上 的 发 射, 杂 散 是 客 观 存 在 的, 只 要 不 超 过 相 应 的 值 就 符 合 认 证 规 范 随 着 无 线 通 信 的 普 及,WLAN 与 2G 和 3G 系 统 共 存 的 情 况 越 来 越 多, 空 间 无 线 信 号 越 来 越 密 集, 系 统 间 干 扰 成 为 突 出 问 题 要 解 决 系 统 间 干 扰 问 题, 除 了 要 求 各 系 统 设 备 满 足 射 频 相 关 的 法 规 要 求, 重 要 的 是 合 理 的 无 线 网 络 规 划, 大 部 分 情 况 下 通 过 合 理 的 位 置 选 择 和 角 度 调 整, 在 空 间 上 增 加 系 统 间 的 隔 离 度, 基 本 可 以 解 决 系 统 间 干 扰 问 题 但 是, 在 安 装 条 件 受 限 制 的 环 境, 空 间 隔 离 难 以 满 足 抗 干 扰 要 求, 可 能 要 增 加 特 殊 频 段 的 带 通 滤 波 器 来 降 低 干 扰 25

28 基 础 知 识 WLAN 深 入 讨 论 天 线 增 益 和 路 径 衰 减 : 天 线 的 基 本 功 能 是 发 射 和 接 收 无 线 电 波 发 射 时, 把 高 频 电 流 转 换 为 电 磁 波 ; 接 收 时, 把 电 磁 波 转 换 为 高 频 电 流 天 线 的 一 般 原 理 是 : 当 导 体 上 通 以 高 频 电 流 时, 在 其 周 围 空 间 会 产 生 电 场 与 磁 场 表 征 天 线 性 能 的 主 要 参 数 有 频 率 范 围, 半 功 率 角, 增 益, 输 入 阻 抗, 驻 波 比, 极 化 方 式 等 天 线 是 无 源 器 件, 不 能 放 大 能 量, 只 能 汇 聚 能 量 由 于 能 量 是 守 恒 的, 某 一 方 向 的 能 量 大 ( 增 益 大 ) 必 然 导 致 其 它 方 向 的 能 量 小, 因 此 大 增 益 天 线 的 半 功 率 角 都 比 较 小 天 线 办 公 率 角 的 示 意 图 如 图 3-3dB 点 峰 值 方 向 ( 最 大 辐 射 方 向 ) 所 示, 在 半 功 率 角 之 外, 能 量 下 降 非 常 快, 因 此 有 效 的 覆 盖 应 保 证 目 标 区 在 半 功 率 角 之 内 在 露 天 情 况 下 的 衰 减 被 称 为 自 由 空 间 衰 减, 主 要 因 为 在 空 中 信 号 的 分 散 造 成 的 在 建 筑 物 里, 无 线 网 络 还 会 遭 受 其 它 类 型 的 衰 减, 比 如 ( 墙 体 地 面 和 门 等 的 ) 吸 收,( 不 规 则 表 面 的 漫 反 射 造 成 的 ) 散 射,( 绕 过 物 体 的 ) 衍 射,( 穿 过 不 同 介 质 如 玻 璃 墙 时 的 ) 折 射 等, 这 些 特 性 和 频 率 有 关, 频 - 3dB 点 率 越 高, 传 输 损 耗 越 大, 这 就 很 容 易 理 解 WLAN 信 图 3 3dB 波 瓣 宽 度 号 的 覆 盖 范 围 和 穿 透 性 都 比 GSM 或 CDMA 差 多 径 干 扰 : 虽 然 增 益 和 损 耗 往 往 能 够 决 定 你 是 否 能 联 接 无 线 网 络, 但 是 还 有 另 外 一 个 因 素 影 响 着 建 筑 物 里 的 无 线 电 波 : 多 径 传 输, 当 无 线 电 波 遇 到 固 体 表 面 时 造 成 的 一 种 干 扰 一 个 直 接 的 后 果 就 是 接 收 器 接 收 到 一 串 幅 度 不 同 存 在 时 延 的 同 一 信 号 形 式 的 叠 加 工 程 师 们 一 直 在 努 力 设 计 可 以 克 服 多 径 干 扰 的 系 统 比 如, 目 前 的 很 多 Wi-Fi 系 统 都 采 用 分 集 天 线, 在 某 些 情 况 下 可 以 减 少 多 径 的 影 响 在 大 多 数 情 况 下, 无 线 接 收 器 的 设 计 决 定 了 在 处 理 多 径 时 候 的 健 壮 性 这 也 就 是 为 什 么 有 的 高 输 出 功 率 的 NIC 在 速 率 - 距 离 性 能 方 面, 还 不 如 其 它 供 应 商 的 低 输 出 功 率 NIC 的 原 因, 因 为 后 者 加 入 了 多 径 处 理 的 功 能 26 网 络 之 路

29 深 入 讨 论 WLAN 安 全 文 / 聂 树 伟 的 安 全 机 制 Wlan 设 备, 即 基 于 系 列 协 议 的 设 备, 使 用 射 频 通 信 发 送 者 发 送 的 数 据 希 望 在 射 频 覆 盖 范 围 内 的 接 收 者 可 以 收 到, 但 同 时, 任 何 处 于 此 覆 盖 范 围 内 的 无 线 客 户 端 (Station) 都 能 接 收 到 这 个 信 息 所 以,Wlan 需 要 一 种 安 全 机 制 来 保 证 数 据 的 安 全 性 在 最 初 的 协 议 中, 对 于 安 全 方 面 的 描 述 很 简 单, 概 括 为 两 种 链 路 认 证 方 法,Open System 和 Shared Key; 两 种 安 全 防 范 措 施 :MAC 地 址 过 滤 和 有 线 等 效 保 密 (wired equivalent privacy,wep) 两 种 认 证 方 法 : Open system authentication: 开 放 系 统 认 证 是 缺 省 使 用 的 认 证 机 制, 即 不 认 证 如 果 认 证 类 型 设 置 为 开 放 系 统 认 证, 则 所 有 请 求 认 证 的 客 户 端 都 会 通 过 认 证 Shared key authentication: 用 于 pre-rsn 设 备 的 认 证, 在 认 证 前 STA 和 无 线 接 入 设 备 上 都 预 先 设 置 好 密 码, 可 以 称 为 预 共 享 密 钥, 协 议 规 定, 除 了 WEP 认 证, 其 余 的 认 证 方 式 (802.1X 与 MAC) 都 不 会 选 择 Shared key 的 方 式, 只 能 选 择 Open system 方 式 两 种 安 全 防 范 措 施 : MAC 地 址 过 滤 :AP 通 过 过 滤 网 卡 MAC 地 址 限 制 非 法 用 户 接 入 由 于 MAC 地 址 在 报 文 中 明 文 携 带, 所 以 很 容 易 被 攻 击 者 得 到, 攻 击 者 就 可 以 更 改 MAC 后 接 入 AP 有 线 等 效 保 密 : 即 WEP, 是 一 种 基 于 RC4 算 法 的 密 钥 长 度 为 40bit 104bit 或 者 128bit 的 加 密 技 27

30 28 WLAN 深 入 讨 论 术, 移 动 终 端 和 AP 采 用 WEP 加 密 (WEP 加 密 有 动 态 和 静 态 之 分, 动 态 使 用 802.1X 认 证 与 WEP 加 密 方 法 配 合 实 现 ; 静 态 WEP 是 我 们 常 用 的 配 置 密 码 的 实 现 方 式, 本 文 讲 述 的 WEP 是 静 态 WEP) AP 和 它 所 联 系 的 所 有 移 动 终 端 都 使 用 相 同 的 加 密 密 钥, 因 此 带 来 如 下 问 题 : 一 旦 其 中 一 个 用 户 的 密 钥 泄 漏, 其 他 用 户 的 密 钥 也 无 法 保 密 了 另 外,WEP 的 安 全 特 点 决 定 了 破 解 它 已 经 变 得 异 常 容 易,WEP 的 安 全 特 征 如 下 : 1) WEP 加 密 中 IV 和 Key 一 起 作 为 输 入 来 生 成 key stream, IV 逐 包 变 化, 在 报 文 中 明 文 携 带, 这 样 接 受 方 可 以 提 取 IV 进 行 解 密 2) IV 只 有 24 bits, 容 易 出 现 IV 重 用 3) 检 验 结 果 ICV 附 加 在 MSDU 后, 一 起 被 加 密 保 护,ICV 采 用 CRC-32 计 算 4) 不 支 持 用 户 的 身 份 认 证 5) 不 支 持 key 管 理 机 制, 只 支 持 预 共 享 密 钥 在 实 际 中 可 能 还 会 使 用 服 务 区 标 识 符 (service set identifier,ssid) 来 实 现 安 全 的 目 的,SSID 用 于 标 识 无 线 区 域 中 不 同 AP 的 不 同 服 务 名 称,STA 就 是 根 据 不 同 的 SSID 选 择 所 接 入 的 无 线 服 务 SSID 是 一 个 简 单 的 认 证 标 志, 发 送 一 个 空 的 广 播 性 质 的 SSID 探 测 请 求,AP 在 收 到 探 测 请 求 后 就 会 回 复 自 己 的 SSID, 这 样 STA 收 到 该 区 域 SSID 后 就 可 以 选 择 不 同 的 SSID 接 入 目 的 AP 这 是 SSID 的 设 计 初 衷, 其 产 生 目 的 并 不 是 用 于 安 全 方 面, 后 来 为 了 安 全 性 考 虑 AP 不 再 响 应 自 己 的 SSID 给 发 送 广 播 探 测 请 求 的 STA 如 果 STA 提 供 的 SSID 与 目 的 AP 的 SSID 不 符, 将 不 能 接 入 该 无 线 网 络 从 中 我 们 可 以 知 道, 由 于 SSID 在 传 输 中 不 加 密, 且 以 原 文 形 式 发 送, 实 际 上 是 没 有 任 何 安 全 性 质 的 综 上 可 知 :802.11a/b/g 定 义 的 安 全 机 制 存 在 严 重 的 隐 患, 突 出 表 现 为 : 1) 采 用 的 链 路 认 证 机 制 不 完 善, 认 证 功 能 形 同 虚 设 ; 2) 缺 乏 双 向 认 证 手 段,STA 无 法 识 别 非 法 的 AP 3) 加 密 Key 易 被 破 译, 用 户 数 据 易 被 窃 听 ( 主 要 指 WEP 方 法 ) 所 以, 随 着 Wlan 应 用 的 发 展, 迫 切 需 要 更 加 安 全 的 保 护 机 制,802.11i 应 运 而 生 i 的 安 全 机 制 为 了 解 决 原 有 的 WEP 等 协 议 的 安 全 缺 陷,IEEE 成 立 了 i 工 作 组, 于 2004 年 完 成 了 标 准 的 制 定 这 个 标 准 被 称 为 无 线 局 域 网 络 安 全 问 题 的 终 极 解 决 方 案, 彻 底 解 决 了 无 线 网 络 的 安 全 隐 患, 为 Wlan 广 泛 应 用 提 供 了 安 全 基 础 i 引 入 了 RSNA (robust security network association) 的 概 念, 针 对 WEP 加 密 机 制 的 各 种 缺 陷 做 了 多 方 面 的 改 进 i 协 议 的 主 要 内 容 : (1) 增 强 了 STA 和 AP 的 认 证 机 制 : i 并 没 有 重 新 定 义 认 证 方 法 等, 而 是 重 用 了 802.1x EAP Radius 等 既 有 标 准, 采 用 双 向 认 证 方 式 有 效 的 防 止 非 法 AP 的 使 用 ; 除 了 802.1x, 同 时 还 支 持 Pre-shared key 认 证 方 式, 该 方 式 要 求 在 STA 侧 预 先 配 置 密 钥,AP 通 过 4 次 握 手 Key 协 商 协 议 来 验 证 STA 侧 Key 的 合 法 性 (2) 增 加 了 Key 的 生 成 管 理 以 及 传 递 的 机 制 i 协 议 定 义 了 密 钥 (session secret) 的 动 态 协 商 密 钥 的 分 发 和 使 用 会 话 密 钥 进 行 数 据 的 加 密 保 护 用 户 密 钥 (session secret) 的 动 态 协 商 是 通 过 4 次 握 手 报 文 交 互 来 实 现 每 用 户 使 用 独 立 的 Key

31 (3) 增 加 了 两 类 对 称 加 密 算 法 TKIP 与 CCMP, 加 密 强 度 大 大 增 强 其 中 TKIP 仍 采 用 WEP 中 的 RC4 作 为 流 加 密 算 法, 可 以 对 现 有 设 备 通 过 升 级 硬 件 和 驱 动 程 序 的 方 法 使 用 TKIP 实 现 增 强 安 全 性 CCMP 机 制 是 基 于 高 级 加 密 标 准 AES(advanced encryption standard) 加 密 算 法 和 CCM(counter-mode/CBC-MAC, 区 块 密 码 锁 链 - 信 息 真 实 性 检 查 码 ) 认 证 方 式 的 数 据 保 密 协 议,CCMP 使 得 Wlan 的 安 全 程 度 大 大 提 高, 是 实 现 RSN 的 强 制 性 要 求 但 由 于 AES 加 密 技 术 对 硬 件 要 求 比 较 高, 因 此 仅 仅 对 现 有 设 备 的 软 升 级 不 能 支 持 CCMP, 只 能 通 过 更 换 硬 件 实 现 (4) 增 加 了 安 全 漫 游 的 解 决 方 案 漫 游 是 Wlan 的 一 个 重 要 功 能,802.11i 中 提 到 的 Pre-authentication 技 术 和 Key caching 技 术 可 以 有 效 解 决 快 速 漫 游 中 的 安 全 性 i 的 认 证 技 术 前 面 已 经 说 了,802.11i 并 没 有 重 新 定 义 认 证 方 法 等, 而 是 重 用 了 802.1x EAP Radius 等 既 有 标 准 ;802.1x 通 过 EAP(EAP 设 计 的 中 心 思 想 就 是 可 以 支 持 多 种 认 证 方 法 和 多 种 链 路 层 协 议 ) 协 议 实 现 了 对 多 种 认 证 方 法 的 支 持, 包 括 :EAP-TLS,EAP-PEAP,EAP-TTLS 等, 从 而 解 决 了 缺 乏 双 向 认 证 的 问 题 下 面 是 采 用 EAP-PEAP 方 法 的 简 单 认 证 流 程 : STA AP/AC Server Start Request Identity Identity Identity Server-side Authentication Server Certificate Server Certificate Encrypted Tunnel Established Client-side Authentication EAP in EAP Authentication Key 图 1 EAP-PEAP 认 证 流 程 对 照 上 面 的 流 程 : 客 户 端 发 出 开 始 认 证 请 求 AP/AC 以 EAP Request Identity 消 息 应 答 客 户 端 送 出 网 络 接 入 标 识 ( 用 户 名 ) 给 AP/AC AP/AC 将 其 封 装 成 RADIUS 消 息 传 送 给 Server 服 务 器 端 收 到 消 息 后 发 送 自 己 的 数 字 证 书 29

32 30 WLAN 深 入 讨 论 客 户 端 验 证 服 务 器 送 来 的 数 据 证 书 客 户 端 和 服 务 器 端 经 过 协 商 建 立 一 条 加 密 隧 道, 此 数 据 隧 道 会 为 客 户 端 的 认 证 提 供 安 全 保 障 在 此 隧 道 内 将 由 服 务 器 端 重 新 初 始 化 一 个 EAP 认 证 过 程 交 互 认 证 数 据 服 务 器 端 通 知 客 户 端 认 证 成 功 协 商 密 钥 认 证 成 功 后 密 钥 协 商 通 过, 则 客 户 端 通 过 认 证, 端 口 打 开, 可 以 正 常 接 入 网 络 ; 如 果 密 钥 协 商 失 败, 即 使 认 证 是 成 功 的, 那 么 整 个 过 程 也 是 失 败 的, 端 口 关 闭, 客 户 端 不 能 接 入 网 络 Wi-Fi Protected Access(WPA) 无 线 网 络 最 初 采 用 的 安 全 机 制 是 WEP( 有 线 等 效 私 密 ), 但 是 后 来 发 现 WEP 是 很 不 安 全 的, 组 织 着 手 制 定 新 的 安 全 标 准, 就 是 后 来 的 i 协 议 ; 但 是, 标 准 的 制 定 到 最 后 的 发 布 需 要 较 长 的 时 间, 消 费 者 不 会 因 为 为 了 网 络 的 安 全 性 而 放 弃 原 来 的 无 线 设 备, 所 以 Wi-Fi 联 盟 在 标 准 推 出 之 前, 在 i 草 案 的 基 础 上, 制 定 了 一 种 称 为 WPA(Wi-Fi Protected Access) 的 安 全 机 制, 它 使 用 TKIP( 临 时 密 钥 完 整 性 协 议 ), 使 用 的 加 密 算 法 还 是 WEP 中 使 用 的 加 密 算 法 RC4, 所 以 不 需 要 修 改 原 来 无 线 设 备 的 硬 件,WPA 针 对 WEP 中 存 在 的 问 题, 通 过 软 件 升 级 的 方 法 提 高 网 络 的 安 全 性 WPA 工 作 在 WPA-PSK 模 式 ( 又 称 Personal 模 式 ) 或 者 WPA-802.1x 模 式 ( 又 称 WPA-Enterprise 模 式 ) 下 PSK(Preshared Key, 预 共 享 密 钥 ) 模 式 下 使 用 预 共 享 密 钥 或 者 口 令 进 行 认 证, 而 WPA- Enterprise 模 式 使 用 802.1x RADIUS 服 务 器 和 EAP(Extensible Authentication Protocol, 可 扩 展 认 证 协 议 ) 进 行 认 证 因 为 WPA 给 用 户 在 WEP 和 WPA2 之 间 暂 时 提 供 一 个 完 整 的 认 证 机 制, 它 兼 容 了 原 来 的 硬 件, 同 时 提 供 了 足 够 安 全 的 解 决 方 案, 因 此 称 它 为 中 间 安 全 机 制 Temporal Key Integrity Protocol(TKIP) Temporal Key Integrity Protocol(TKIP, 临 时 密 钥 完 整 性 协 议 ), 是 一 个 用 于 提 高 WEP 安 全 性 的 数 据 保 密 协 议, 在 WEP 许 多 缺 陷 中, 尤 其 以 报 文 完 整 性 编 码 和 不 安 全 的 数 据 保 密 性 最 为 突 出 为 弥 补 这 些 缺 陷,TKIP 使 用 了 Michael 方 法 作 为 报 文 完 整 性 编 码 Michael 方 法 最 主 要 的 改 进 是 使 通 信 双 方 能 够 对 接 收 到 的 分 组 信 息 进 行 真 伪 鉴 别 在 无 线 网 技 术 中 这 种 鉴 别 显 得 尤 为 重 要, 特 别 是 在 经 常 发 生 拥 塞 的 无 线 网 中 TKIP 使 用 了 一 种 混 合 方 法 抵 御 弱 密 钥 攻 击, 这 种 方 法 使 攻 击 者 在 破 解 过 程 中 遇 到 阻 碍 由 于 破 解 行 为 能 够 被 动 执 行 及 无 线 网 络 的 开 放 性, 所 以 就 意 味 着 攻 击 者 能 够 从 远 距 离 监 测 WEP 通 信 而 不 被 察 觉, 获 得 原 始 通 信 数 据 TKIP 通 过 使 用 混 合 方 法 弥 补 了 这 种 缺 陷, 混 合 方 法 创 建 了 一 个 单 帧 密 钥 避 免 该 弱 点 TKIP 和 WEP 加 密 机 制 都 是 使 用 RC4 算 法, 但 是 相 比 WEP 加 密 机 制,TKIP 加 密 机 制 可 以 为 Wlan 服 务 提 供 更 加 安 全 的 保 护,TKIP 对 于 WEP 的 改 进 如 下 : TKIP 通 过 增 加 算 法 中 IV 的 长 度 提 高 了 WEP 加 密 的 安 全 性, 将 IV 长 度 从 24 bits 增 加 到 48 bits, 减 少 了 IV 重 用 TKIP 支 持 MIC 和 Countermeasure 功 能, 使 用 Michael 来 实 现 MIC (Message Integrity Code, 信 息 完 整 性 校 验 ) 结 合 MIC,TKIP 采 用 了 countermeasures 方 式, 即 在 一 定 时 间 内 发 生 一 定 次 数 的 MIC 错 误

33 之 后, 就 中 止 该 用 户 接 入 TKIP 加 密 的 临 时 密 钥 的 一 部 分 被 用 作 MIC key, 并 且 在 不 同 的 方 向 上 是 不 同 的 ( 见 后 面 的 密 钥 分 发 部 分 ), 虽 然 MIC 的 保 护 机 制 是 非 常 弱 的, 但 是 它 是 在 大 多 数 原 有 硬 件 上 的 最 好 实 现 TKIP 支 持 密 钥 的 动 态 协 商, 解 决 了 WEP 加 密 需 要 静 态 配 置 密 钥 的 限 制 : 使 用 了 Per-Packet Key Mixing 方 式 来 增 加 key 的 安 全 性 TKIP 的 密 钥 算 法 是 经 过 两 次 配 钥 的 过 程 (Key mixing), 为 每 个 数 据 帧 提 供 唯 一 的 加 密 密 钥, 如 下 图 所 示 : TA TK 一 次 密 钥 混 合 TSC 二 次 密 钥 混 合 IV 密 钥 WEP 种 子 (IV +RC4 密 钥 ) 图 2 TKIP 密 钥 生 成 机 制 输 入 条 件 为 TA TK 和 TSC;TA 是 传 送 地 址,TK 是 临 时 密 钥,TSC 是 初 始 向 量 / 序 号 计 数 器 其 配 钥 过 程 如 下 : 第 一 次 配 钥, 得 到 中 介 key(intermediate key), 称 为 TTAK(TKIP-mixed transmit address and key) 使 用 的 输 入 量 是 传 送 端 地 址, 序 号 的 前 32 位 以 及 128 位 的 临 时 密 钥, 输 出 一 个 80 位 元 的 值 由 于 使 用 的 都 是 一 些 简 单 的 运 算, 所 以 整 个 计 算 量 是 很 小 的, 这 个 为 了 符 合 硬 件 的 需 要 ; 只 要 序 号 的 前 32 位 不 变, 第 一 次 配 钥 的 结 果 就 是 一 个 常 量 因 此 只 要 个 帧 计 算 一 次 就 可 以 了 TTAK = Phase1 (TK, TA, TSC) 第 二 次, 这 次 的 目 的 是 针 对 每 个 帧, 得 到 WEP seed 或 者 per-frame key 使 用 的 输 入 量 是 第 一 次 的 结 果, 临 时 密 钥 和 TSC 的 后 16 位, 输 出 量 是 128 位 元 的 RC4 密 钥, 作 为 WEP 的 随 机 种 子 使 用 这 些 量 中,TSC 是 变 化 的, 保 证 每 个 帧 使 用 的 密 钥 都 不 相 同,16 位 TSC 还 用 来 产 生 WEP IV 的 一 部 分, 变 化 的 TSC 的 变 化 方 式 是 经 过 严 格 定 义 的 WEP seed = Phase2 (TTAK, TK, TSC) 与 WEP 一 样,TKIP 中 密 钥 的 生 成 同 样 与 传 输 的 数 据 无 关 相 对 于 WEP 简 单 混 合 密 钥 的 近 1700 万 组 可 能,TKIP 的 密 钥 提 供 了 近 300 万 亿 组 可 能, 这 就 使 暴 力 破 解 变 得 十 分 困 难, 提 高 了 无 线 通 信 的 安 全 性 同 时,TKIP 还 提 供 了 密 钥 更 新 手 段, 可 以 根 据 实 际 情 况 在 一 定 时 间 内 或 者 传 送 一 定 数 量 的 数 据 包 之 后 更 新 密 钥 针 对 WEP 所 有 用 户 使 用 相 同 的 密 钥, 一 个 用 户 下 线 就 有 可 能 泄 漏 密 钥 的 缺 点,TKIP 还 存 在 有 用 户 下 线 即 更 新 密 钥 的 机 制 31

34 32 WLAN 深 入 讨 论 Counter mode with CBC-MAC Protocol (CCMP) 除 了 TKIP 算 法 以 外,IEEE802.11i 还 规 定 了 一 个 基 于 AES 加 密 算 法 的 CCMP 数 据 加 密 模 式 CCMP (Counter mode with CBC-MAC Protocol,[ 计 数 器 模 式 ] 搭 配 [ 区 块 密 码 锁 链 - 信 息 真 实 性 检 查 码 ] 协 议 ) 此 加 密 机 制 是 基 于 AES 加 密 标 准 的 CCM 方 法, 仅 用 于 RSNA 客 户 端 CCM 结 合 CTR(Counter mode, 计 数 器 模 式 ) 进 行 机 密 性 校 验, 同 时 结 合 CBC-MAC 进 行 认 证 和 完 整 性 校 验 CCM 可 以 保 护 MPDU 数 据 段 和 IEEE 首 部 中 被 选 字 段 的 完 整 性 AES-CCM 为 块 加 密,802.11i 要 求 AES 为 128 bit( 当 然, 可 以 根 据 需 要 将 密 钥 加 长, 例 如 192 或 256bit), 每 个 block 为 128 bits 对 于 块 加 密, 需 要 将 待 加 密 的 消 息 转 化 为 block, 这 个 过 程 称 为 mode of operation 128bit 中,CCMP 首 部 块 为 64 位, 这 64 位 中 包 含 48 位 的 nonce 和 16 位 的 CCMP 密 钥 信 息, 另 外 64 位 用 于 信 息 完 整 性 校 验 (MIC) 块 CCM 中 每 个 会 话 都 需 要 一 个 新 的 临 时 密 钥 对 于 每 个 通 过 给 定 的 临 时 密 钥 加 密 的 帧 来 说,CCM 同 样 需 要 确 定 唯 一 的 随 机 值 (nonce) CCMP 使 用 48 位 的 PN(Packet Number) 来 实 现 这 个 目 的 除 了 数 据 加 密,AES-CCM 还 使 用 CBC(Cipher Block Chaining) 来 产 生 MIC, 以 实 现 数 据 的 完 整 性 校 验 AES 是 一 种 对 称 的 块 加 密 技 术, 提 供 比 WEP/TKIP 中 RC4 算 法 更 高 的 加 密 性 能 对 称 密 码 系 统 要 求 收 发 双 方 都 知 道 密 钥, 而 这 种 系 统 最 大 的 困 难 在 于 如 何 安 全 地 将 密 钥 分 发 给 通 信 双 方, 特 别 是 在 网 络 环 境 中 AES 加 密 算 法 使 用 128 bit 分 组 加 密 数 据, 目 前 它 已 经 成 为 Wlan 网 络 中 最 安 全 并 且 应 用 广 泛 的 加 密 技 术 3 种 加 密 机 制 的 比 较 如 下 表 所 示 表 1 加 密 机 制 比 较 WEP TKIP CCMP 加 密 算 法 RC4 RC4 AES 密 钥 长 度 40/ IV 长 度 安 全 校 验 CRC Michael CCM 密 钥 管 理 无 EAP EAP 密 钥 协 商 与 分 发 因 为 i 标 准 中 不 止 一 种 数 据 保 密 协 议, 所 以 i 为 申 请 方 和 认 证 方 提 供 了 协 商 的 方 法 确 定 在 特 定 通 信 环 境 下 使 用 何 种 协 议 及 安 全 参 数 在 i 中, 接 入 点 通 告 它 的 参 数, 同 时 也 向 收 到 的 探 测 请 求 帧 回 复 包 含 接 入 点 安 全 参 数 的 响 应 接 入 点 通 告 的 安 全 参 数 包 括 : 组 密 码 套 件, 是 用 于 发 送 广 播 的 数 据 保 密 协 议 ; 成 对 密 码 套 件 表, 是 一 个 被 允 许 用 于 单 播 通 信 的 所 有 数 据 保 密 协 议 表 ; 认 证 和 密 钥 管 理 套 件, 通 告 预 共 享 密 钥 或 802.1X 是 否 正 在 被 使 用 一 旦 用 户 知 道 了 这 些 参 数, 就 选 择 适 当 参 数 并 在 请 求 连 接 的 报 文 中 将 其 发 送 给 接 入 点 这 个 参 数 必 须 匹 配 接 入 点 所 提 供 的 参 数 表, 否 则 接 入 点 将 发 送 连 接 失 败 响 应 拒 绝 接 入 有 一 点 需 要 说 明, 协 商 是 没 有 经 过 保 密 措 施 保 护 的, 协 商 在 EAPOL-Key 交 换 中 也 会 占 用 一 定 的 时 间 i EAPOL-Key 交 换 使 用 了 很 多 密 钥, 并 拥 有 不 同 的 密 钥 层 次 关 系, 将 初 始 密 钥 信 息 分 割 成 多