基于IP的WPAN和WLAN技术解析

### 基于IP的WPAN和WLAN技术解析 #### 1. 帧类型概述 在无线通信中，存在多种帧类型，它们各自承担着不同的功能。 - **重新关联帧**：当STA（配备无线网卡的设备）与一个AP（接入点）的信号强度减弱，而发现另一个信号更强且与网络关联的AP时使用。新的AP会尝试与STA关联，并转发原AP缓冲区中存储的信息。 - **重新关联响应帧**：由AP发送，用于接受或拒绝重新关联请求。 - **控制帧**：协助STAs之间交换数据，具体包括： - **确认帧（ACK）**：若接收的STA在接收数据时未出现错误，会发送ACK。若发送方在固定时间内未收到ACK，则会重新发送该帧。 - **请求发送帧（RTS）**：是避免冲突机制的一部分。若STA希望传输数据，会先发送RTS消息。 - **清除发送帧（CTS）**：STA对RTS帧的响应。收到CTS后，请求的STA可以发送数据帧，这是一种冲突管理方式，通过时间值来阻止其他STAs在请求的STA传输时进行发送。 - **数据帧**：是协议中承载数据的主要部分。 #### 2. IEEE 802.11操作流程 STA始终会在特定信道上监听活跃的通信。连接Wi - Fi的过程主要分为以下几个阶段： - **扫描阶段**： - **被动扫描**：使用信标和探测请求。选择信道后，进行扫描的设备会接收附近STAs的信标和探测请求。若AP发送信标，且STA接收到该传输，可能会继续加入网络。 - **主动扫描**：STA通过发起探测请求来尝试定位AP。这种扫描模式功耗较高，但能更快地加入网络。AP可能会用探测请求响应来回应探测请求，该响应类似于信标消息。 AP通常会以固定的时间间隔（目标信标传输时间，TBTT，通常为每100ms一次）广播信标。信标以最低基本速率广播，以确保范围内的每个STA都能接收到，即使它无法连接到该特定网络。 |信标包含信息|描述| | ---- | ---- | |SSID|服务集ID，1到32个字符的网络名称，可通过将SSID长度设为零隐藏，但不增加网络安全性| |BSSID|基本服务集ID，遵循第2层MAC地址约定的唯一48位标识符| |信道宽度|如20 MHz、40 MHz等| |国家|支持的信道列表（特定国家）| |信标间隔|即TBTT时间| |TIM/DTIM|唤醒时间和检索广播消息的间隔，用于高级电源管理| |安全服务|如WEP、WPA和WPA2能力| - **同步阶段**：处理信标后，进入同步阶段，此阶段对于使客户端与AP保持同步至关重要。 - **认证阶段**：若STA找到可连接的AP或另一个STA，则进入认证阶段。 - **关联阶段**：若安全和认证过程成功，STA会向AP发送关联请求帧，AP随后会用关联响应帧回复，允许STA加入或排除该网络。若STA被允许加入，AP会向客户端发布关联ID，并将其添加到已连接客户端列表中。此时，STA和AP可以交换数据，且所有数据帧之后都会有确认。 #### 3. IEEE 802.11安全标准 不同的安全标准在Wi - Fi WLAN中有着不同的应用和优缺点： - **WEP（有线等效隐私）**：客户端以明文形式发送密钥，然后密钥被加密并返回给客户端。通常使用128位或256位密钥，且所有客户端使用相同的共享密钥。由于密钥生成存在弱点，攻击者通过拦截五到一千万个数据包，有一定概率获取密钥信息，因此安全性较低。 - **WPA（Wi - Fi受保护访问）**：作为IEEE 802.11i安全标准开发，用于取代WEP，是一种无需新硬件的软件/固件解决方案。使用临时密钥完整性协议（TKIP），对每个数据包进行密钥混合和重新密钥化，即每个数据包使用不同的密钥进行加密。先基于MAC地址、临时会话密钥和初始化向量生成会话密钥，然后提取接收数据包的最低16位与第一阶段生成的位结果组合，得到104位的每数据包密钥，最后对数据进行加密。 - **WPA - PSK（WPA预共享密钥）**：在没有802.11认证基础设施的情况下使用，使用密码短语作为预共享密钥，每个STA可以有与自己MAC地址关联的预共享密钥。若预共享密钥使用弱密码短语，会存在安全弱点。 - **WPA2**：取代了原始的WPA设计，使用AES进行加密，比WPA中的TKIP更强，这种加密也称为带CBC - MAC协议的CTR模式，简称CCMP。在802.11n中，要实现高带宽速率，必须使用CCMP模式，否则数据速率不会超过54 Mbps。此外，使用Wi - Fi联盟商标标志需要WPA2认证。 #### 4. IEEE 802.11ac技术特点 IEEE 802.11ac是下一代WLAN标准，于20