802.11成帧封装实现(三) 管理帧

1.3   管理帧

在802.11规格书中，管理所占据的篇幅最多。各式各样的管理帧，为的只是提供对有线网络而言相当简单的服务。对有线网络而言，识别一部工作站并非难事，毕竟控制中心与工作站之间必须通过布线方能建立连接。有时候，集线器的插座面板可加速网络的构建，不过重点还是在于：建立新的连接时，可通过人员进行身份认证。

无线网络必须建立一些管理机制，方能提供类似的功能。802.11将整个过程分解为三个步骤。寻求连接的移动工作站，首先必须找出可供访问的无线网络。在有线网络中，这个步骤相当于在墙上找出适当的网孔。其次，网络系统必须对移动工作站进行身份认证，才能决定是否让工作站与网络系统关联。在有线网络方面，身份认证是由网络系统本身提供。如果必须通过网线才能够取得信号，那么能够使用网线至少算得上是一种认证过程。最后，移动工作站必须与接入点建立关联，这样才能访问有线网络，这相当于将网线插到有线网络系统。

1.3.1   管理帧的结构

802.11管理帧的基本结构如图 1-20 所示。所有管理帧的 MAC标头都一样，这与帧的子类型无关。管理帧会使用信息元素（带有数字标签的数据区块）来与其他系统交换数据。

 

　　　　　　　　　　图1-20：管理帧的基本结构

 1.3.1.1 地址位

和其他帧一样，第一个地址位是给帧的目的地址使用的。有些管理帧主要用来维护个别 BSS特有的属性。为了限制广播或组播管理帧所造成的副作用，收到管理帧之后，工作站必须加以验证，虽然不是所有实现均会进行这一 BSSID 过滤程序。只有在广播或组播帧来自工作站目前所连接的BSSID ，才会被送至 MAC管理层。惟一的例外是 Beacon帧，毕竟它是用来宣布 802.11网络的存在。BSSID 是以大家所熟悉的方式来指定的。接入点会以本身无线网络接口的MAC地址作为BSSID 。移动工作站会采纳目前所连接的接入点的 BSSID 。位于 IBSS 的工作站则会使用 BSS建立之初随机产生的 BSSID 。惟一的例外是：寻找特定网络的工作站，可以在所发出的帧中指定该特定网络的 BSSID ，或者使用广播型 BSSID 来寻找邻近所有的网络。

 1.3.1.2 计算持续时间

管理帧使用 Duration （持续时间）位的方式和其他帧没有两样：

1.  免竞争期间所发送的任何帧，均会将持续时间设为32,768。

2.  竞争式访问期间，利用DCF 所发送的帧会通过 Duration位防止别人访问介质。确保基本帧交换程序得以完成。

   a.如果是广播或组播帧（目的地地址为群组地址），则持续时间会设定为 0。广播与组播帧无须得到应答，因此 NAV 无须防止别人访问介质。

   b.如果不是最终片段，则持续时间会设为三个 SIFS期间加上下一个片段及其应答所需要的微秒数。

c.最终帧片段的持续时间会设定为一个应答加上一个 SIFS 所需要的时间。

 1.3.1.3 帧主体

管理帧十分具有弹性。帧主体中大部份的数据，如果使用长度固定的位，就称为固定式位；如果位长度不定，就称为信息元素（information element ）。所谓信息元素，是指长度不定的数据区块。每个数据区块均会标注上类型编号与大小，各种信息元素的数据位都有特定的解释方式。新版的802.11规格书允许定义新的信息元素；根据旧版规格书所实现的产品可忽略这些新元素。实际上，硬件一般采取回溯相容（backward-compatible）原则，因此较旧的产品通常无法加入根据新标准所建立的网络。还好，新功能通常可以予以停用，以便兼容性。

除了探讨这些作为基本元件的固定式与信息元素，本节还会说明这些基本元件如何构成管理帧。802.11强制规定了这些信息元素的排列次序，不过并非所有元素均属于要。本书将以特定的顺序说明这些基本元件，论及各个次类型时，也会特别标明哪些元素比较少见，哪些元素彼此互不相容。

1.3.2   长度固定的管理帧元件

在管理帧中，可能出现的长度固定位有十种。长度固定的位一般简称为位，以便与长度不定的信息元素有所区别。位本身并无标头可与帧主体其他部份区别。因为长度与次序固定，因此不需要以位标头作为界定。

Authentication Algorithm Number位

Authentication Algorithm Number （身份认证算法编号）位占用了两个字节，如图 1-21 所示。此位代表连接发生之前 802.11层次（802.11-level）的最初认证程序所使用的认证类型。此位值的允许范围列于表 1-3。目前只定义了两种值。其他值保留给未来版本使用。

 

　　　　　　图1-21 ：Authentication Algorithm Number（身份认证演算法编号）位

表1-3：Authentication Algorithm Number（身份认证算法编号）位的允许值

 Authentication Transaction Sequence Number 位

身份认证过程分为好几个步骤，其中包含由接入点所发出的质询口令（challenge），以及试图关联的移动工作站所做出的应答。如图 1-22 所示Authentication Transaction Sequence Number（身份认证交易顺序编号）位是由两个字节所构成，用以追踪身份认证的进度。此位值介于1 到65,535直接，其值不可为 0 。

 

图1-22：Authentication Transaction Sequence Number（身份认证交易顺序编号）位

Beacon interval位

每隔一段时间就会发出的Beacon（信标）信号，用来宣布 802.11网络的存在。Beacon帧中除了包含BSS 参数的信息，也包含接入点暂存帧的信息，因此移动工作站必须仔细聆听Beacons 信号。Beacon interval （信标间隔）位的长度有 16个bit，用来设定 Beacon信号之间相隔多少时间单位。时间单位通常缩写为 TU，代表 1,024 微秒（microseconds），相当于一毫秒。有些文件中会以千一微秒（kilo-microseconds ）［注］来表示时间单位。Beacon interval位通常会被设定为 100 个时间单位，相当于每 100 毫秒或0.1 秒发送一次 Beacon信号。

［注］千一微秒（kilo-microseconds）是相当奇怪的组合， 因为它以2的乘方来计算Kilo，而以较为常见的1/1000来表示micro。

 

　　　　　　图1-23：Beacon Interval （信标间隔）寺阑位

Capability information 位

图1-24 所示为长度 16个bit的Capability Information 性能信息位，发送Beacon信号的时候，它被用来通知各方，该网络具备哪种性能。Capability information 位也可以使用在 Probe Request 与Probe Response 帧。在本位中，每个 bit各自代表一个旗标，对应到网络所具备的某种特殊功能。工作站会使用这些公告数据来判断自己是否支持该 BSS 所有的功能。没有实现性能公告中所有功能的工作站，就无法加入该 BSS 。

 

　　　　　　　　图1-24：Capability Information（性能信息）位

l  ESS/IBSS（扩展服务集/独立型塞本服务集）

这两个bit旗标彼此互斥（mutually exclusive）。接入点会将 ESS 位设定为 1，而将 IBSS 布位设定为 0，表示接入点属于基础网络的一部分。IBSS 中的工作站则会将 ESS 位设定为 0 ，而将IBSS 位设定为 1 。

l  Privacy（私密性）

将Privacy bit 设定认1 ，代表需要使用 WEP以维持机密性。在基础网络中，发送端为接入点。在IBSS 里，Beacon信号必须由 IBSS 当中某部工作站负责。

l  short Preamble （短同步信号）

802.11b 规格新增此位的目的，是为了支持高速直接序列扩频物理层( high-rate DSSS PHY）。将之设定为 1 ，代表此网络目前使用短同步信号（short preamble ）。0 代表不使用此选项，并且在该 BSS 中禁止使用短同步信号。802.11g 规定使用短同步信号，因此在依循 802.11g 标准所建置的网络中，此位必然设定为 1 。

l  PBCC （分组二进制卷积编码）

802.11b 规格新增此位的目的，是为了支持高速直接序列扩频物理层(high-rate DSSS PHY）。将之设定为1 ，代表此网络目前使用的分组二进制卷积编码（packet binary convolution coding)调变机制，或是802.11g PBCC 调变机制。0 代表不使用此选项，并且在该 BSS 中禁止使用分组二进制卷积编码。

l  Channel Agility（机动信道转换）

这一位加入802.11b 规格的目的，是为了支持高速直接序列扩频物理层(high-rate DSSS PHY）。将之设定为 1 ，代表此网络使用机动信道转换（Channel Agility）选项。0 代表不使用此选项，并且在该 BSS 中禁止使用机动信道转换。

l  Short Slot Time （802.llg ）

此bit若设定为 1 ，代表使用 802.11所支持的较短的时槽。

l  DSSS-OFDM （802.lIg ）

此bit若设定为 1 ，代表使用 802.11g 的DSSS-OFDM 帧构建（frame construction）选项。

l  Contention-free polling（免竞争轮询）bit

工作站与接入点使用这两个 bit(CF-Ppllable  与CF-Poll Request) 当作标签。这些标签的意义如表1 一4 所示。

表1-4：Capability Information（性能信息）位中 polling bit所代表的意义

 Current AP Address 位

移动工作站可以使用图 1-25 所示的 Current AP Address （目前接入点的地址）位来表明目前所连接的接入点的 MAC地址。这个位的用途是便于连接（association ）与重新连接（reassociation ）的进行。工作站会借此发送上一次所连接的接入点的地址。当工作站打算与不同的接入点建立连接时，此位可用来转换连接，以及取回所有暂存的帧。

 

　　　　　　图1-25：Current AP Address （目前接入点的地址）位

Listen interval 位

为了节省电池的电力，工作站可以暂时关闭 802.11网络接口的天线。当工作站处于休眠状态，接入点必须为之暂存帧。休眠中的工作站会定期醒来聆听往来信息，以判断是否有帧暂存于基站。当工作站与接入点连接时，会将 Listen Interval（聆听间隔）记录下来。所谓 Listen Interval，其实就是以 Beacon interval（信标间隔）为单位所计算出的休眠时间。图 1-26 所示的Listen Interval ，让移动工作站得以要求接入点必须为它暂存帧多久的时间。聆听间隔越久，接入点就必须使用更多记忆体来暂存帧。接入点可以藉此项功能估计所需资源，以决定是否拒绝资源密集（resource-intensive）的连接。第八章会进一步描述 Listen Interval。

 

　　　　　　　　图1-26 ：Listen Interval（聆听间隔）位

Association ID 位

图1-27 所示为长度 16bit的Association ID（连接识别码）位。当工作站与接入点连接时，就会被赋予一个连接识别码，用以协助控制与管理功能。虽然连接识别码可用 bit数为 14个bit，不过只有1-2007可以使用。为了与 MAC标头的Duration/ID位相容，最高效的两个 bit均被设定为1。

 

　　　　　　　　图1-27：Association ID（连接识别码）位

Timestamp位

图1-28 所显示的 Timestamp （时戳）位，可用来同步 BSS 中的工作站 BSS 的主计时器会定期发送目前已作用的微秒数。当计数器到达最大值时，便会从头开始计数。（对一个长度 64bit、可计数超过 580,000 年的计数器而言，很难会遇到有从头开始计数的一天。）

 

　　　　　　　　图1-28：Timestamp （时戳）位

Reason Code位

当对方不适合加入网络时，工作站会送出 Disassociation（解除关联）或 Deauthentication（解除身份认证）帧作为应答。这些帧当中包含一个长度 16bit的Reason Code（原因代码）位，表示对方的做法有误，如图 1-29 所示。表 1-5 列出了产生原因代码的理由。要完全了解原因代码的用法，必须对各种帧以及 802.11工作站的状态有所了解。

 

　　　　　　图1-29：Reason Code（原因代码）位

 

 

 

 

 

 Status Code 位

状态代码用来表示某项过程成功或失败。Status Code （状态代码）位，如图 1-30 所示。如果某项过程成功，该位的值就会被设定为0 ，否则设为非零值。表1-6 列出了标准的状态代码。

 

　　　　　　　　图1-30：Status Code（状态代码）位

 

表4-6：状态代码