WiFi基础(四)：WiFi工作原理及WiFi接入过程
liwen01 2024.09.16
前言
802.11 无线 WiFi 网有三类帧：数据帧、管理帧、控制帧。与有线网相比，无线 WiFi 网会复杂很多。大部分应用软件开发对 WiFi 的控制帧和管理帧了解得并不多，因为它们在物理层和数据链路层就已经被处理了，上层应用很少能感知到。
一般是在设备出现 WiFi 连接不上，或者是工作不稳定的情况下，才会去分析 WiFi 驱动工作情况以及抓 WiFi 空口包数据来分析。
有抓过 WiFi 空口包的同学应该清楚，无线 WiFi 网的网络包不管是从包类型还是包信息内容来看，都会比有线网的包复杂很多。
这篇主要介绍有线网与无线 WiFi 网在物理层的差异、WiFi 介质访问控制原理和它的一些关键技术以及无线用户的接入过程。
WiFi 空口包抓包、分析，以及各类 WiFi 帧结构的介绍放到下一篇介绍。这篇是基础原理知识的介绍，也是后面一篇 WiFi 帧分析的基础。
(一) 有线与无线网物理层差异
- CSMA/CD 用于有线网络，通过检测和处理冲突来维持网络的稳定性。
- CSMA/CA 用于无线网络，强调冲突的预防，以应对无线信道共享的挑战。
(1) 有线网 CSMA/CD
在有线网络中，设备间通过网线相互连接，它的工作原理是：
载波侦听：设备在发送数据之前会先监听网络，以检测是否有其他设备在传输数据。如果检测到网络空闲，则开始发送数据。
冲突检测： 在数据发送过程中，设备持续监听网络。如果检测到冲突 (即两个或多个设备同时发送数据导致信号混合) ，发送数据的设备会停止传输，并发送一个“冲突信号”以通知网络上的其他设备。
重传数据： 发生冲突后，设备会等待一段随机的时间后再次尝试发送数据。这个随机等待时间称为“退避算法”，可以有效减少后续冲突的可能性。
这个就是有线网 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,载波侦听多路访问与冲突检测) 的工作原理。
它依赖的是网线共享介质，设备在数据发送的过程中，还可以检测网线状态。
(2) 无线网 CSMA/CA
与有线网不同的是，无线网它是通过电磁波进行数据交互。无线是半双工工作模式，无线客户端没有同时进行接收和发送的能力，无法检测到冲突。
所以有线网络中的冲突检测方式，在无线中并不适用，并且无线中还存在相邻站点不一定能侦听到对方的情况：
手机位于两个路由器中间，并且距离两个路由器都比较远，这个时候路由器 AP1 检测不到路由器 AP2 的信号，两个路由器之间都不知道对方是否有在给手机 STA2 发送数据。
所以无线网引入了 CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多路访问/冲突避免)
(3) CSMA/CA 工作原理：
载波侦听：设备在发送数据之前也会监听无线信道，检查是否有其他设备在使用。只有信道空闲，设备才会继续执行发送操作。
冲突避免：为了尽量避免冲突，在发送数据之前，设备可能会先发送一个“准备发送”信号 (如RTS，即请求发送) ，并等待接收设备返回“允许发送”信号 (如CTS，即清除发送) 。
数据发送：收到 CTS 信号后，设备才会发送数据。
ACK确认：数据发送成功后，接收设备会发送一个确认信号 (ACK) 。如果发送设备在规定时间内没有收到 ACK，它会认为数据丢失并重新发送。
由于无线网引入了额外的信号交换 (如 RTS/CTS) 和 ACK 等机制，增加了无线网设备连接、数据交互的复杂度。
(二) CSMA/CA 的关键技术
(1) ACK 确认机制 (Acknowledgment Mechanism)
在数据帧成功发送并被接收设备接收到后，接收设备会发送一个 ACK (Acknowledgment)帧 给发送设备，表示数据成功到达。
如果发送设备在指定时间内未收到 ACK，它会认为数据丢失并重新发送。
ACK 机制 保证了数据传输的可靠性，避免了数据丢失后无反馈导致的传输失败。
(2) RTS/CTS 机制 (Request to Send / Clear to Send)
RTS/CTS 机制 是 CSMA/CA 中用于减少冲突的关键技术。它通过引入“准备发送”请求 (RTS) 和“允许发送”确认 (CTS) 这两个控制帧，在发送数据之前确保信道空闲，减少隐蔽节点问题。
RTS(Request to Send)：发送设备首先向接收设备发送一个 RTS 帧，表明自己想要发送数据。
CTS (Clear to Send)：接收设备在确认信道空闲后，会回复一个 CTS 帧，允许发送设备进行数据传输。
(a) RTS/CTS与隐藏节点:
隐藏节点 指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的节点。
- PC1 要发送数据，所以它发送了 RTS 帧， 这时路由器可以收到该 RTS 帧，但是 PC2 与 PC1 距离较远，PC2 收不到 PC1 的 RTS 帧。
- 路由器 AP 收到PC1 的 RTS 帧后，会同时向 PC1 和 PC2 发送 CTS 帧
- PC1 收到路由器发的 CTS 帧后，PC1 开始发送数据。
- PC2 收到路由器发的 CTS 帧后，PC2 保持安静，不能发送数据
(b) RTS/CTS与暴露节点:
暴露节点 指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的节点
AP1 和 AP2 属于同一个信道，当 PC1 向 AP1 发送数据时，PC2 也希望向 AP2 发送数据。
根据 CSMA/CA 协议，PC2 侦听信道，它将听到 PC1 正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向 AP2 发送数据，但实际上它的发送不会影响 AP1 的数据接收，这就导致 PC2 所谓暴露节点问题的出现。
(c) 暴露节点解决方案
- PC1 要发送数据，于是发送 RTS 帧，AP1 和 PC2 都可以接收到该 RTS帧
- AP1 收到 RTS 帧后，会发送 CTS 帧
- PC1 收到 CTS 帧后可以开始传输数据
- PC2 如果也收到了 AP1 的 CTS 帧，PC2 不能与 AP2 发送数据，只能保持安静
- PC2 如果只收到 PC1 的 RTS 帧，但是没有收到 AP1 发送的 CTS帧，这个时候 PC2 可以发送数据给 AP2,并且也不会影响到 AP1 数据的接收
通过 RTS/CTS 机制，避免了同时传输引发的冲突。
(3) 随机退避算法 (Random Backoff Algorithm)
当信道忙碌时，设备不会立即重新尝试发送数据，而是会等待一个随机的时间段后再尝试。这种随机等待时间由 退避算法 (Backoff Algorithm) 决定，以减少多个设备同时再次尝试发送数据的可能性，从而避免冲突。
具体做法是，在每次检测到信道忙碌后，设备会生成一个随机退避时间。退避时间越长，设备等待的时间越久，从而分散重试时间点，降低冲突概率。
- 发送数据前随机选取退避时间
- 退避时间最短的站优先发送数据帧
- 最短的时间为退避窗口
- 新的退避时间 = 上次退避时间 - 退避窗口
(4) 帧间间隔 (Interframe Space, IFS)
IFS (Interframe Space, 帧间间隔) 用于控制设备在发送数据帧之间的等待时间，以确保无线信道的公平性和有效性。根据不同的情况，IEEE 802.11 标准定义了几种不同类型的 IFS：
(a) 短帧间间隔 (Short Interframe Space, SIFS)
应用场景：用于高优先级的操作，如 ACK 确认帧、CTS 帧、以及从站的响应帧。
特点：SIFS 是所有 IFS 中最短的，确保重要数据能够迅速传输而不受其他帧的干扰。由于它的间隔短，接收方可以快速发出确认，减少等待时间，提高数据传输效率。
(b) 点协调功能帧间间隔 (Point Coordination Function Interframe Space, PIFS)
应用场景：用于集中控制模式下，接入点 (AP) 在无竞争的情况下使用，如在 PCF (点协调功能) 模式下的优先级操作。
特点：PIFS 的等待时间比 DIFS 短，但比 SIFS 长。它主要用于在竞争前启动通信，以便接入点在竞争阶段之前获得信道控制权。
(c) 分布式协调功能帧间间隔 (Distributed Coordination Function Interframe Space, DIFS)
应用场景：用于普通数据帧的传输，通常在竞争环境中使用。
特点：DIFS 是正常数据帧在竞争信道时使用的间隔。它的等待时间比 PIFS 长，确保优先级较低的设备在优先级较高的操作完成后再尝试发送数据。
(d) 扩展帧间间隔 (Extended Interframe Space, EIFS)
应用场景：当一个设备接收到一个有错误的数据帧时，它会等待 EIFS 时间后再试图发送数据。
特点：EIFS 是所有 IFS 中最长的，旨在避免网络中更多的冲突或干扰发生。当设备认为信道状况不佳时，会使用更长的等待时间以减少进一步的冲突。
(e)应用实例
- 发送者想要发送数据，先侦听信道状态，如果空闲，它就会发送一个 RTS 帧(请求发送帧)
- 接收者接收到该 RTS 帧之后，等待一个 SIFS (短帧间间隔)时间后，再发送一个 CTS 帧(可以发送数据了)
- 发送者收到 CTS 帧之后，间隔一个 SIFS (短帧间间隔)时间后，发送数据帧。
- 接受者接收到数据后，再间隔一个 SIFS 后应答一个 ACK 帧
- 最下面一行的 NAV 是其它设备的一个时间记时器，当设备的 NAV 计时器大于零时，设备会认为信道正在被其他设备占用，因此不会尝试进行传输，被进制访问介质。
- ACK 之后有个 DIFS (分布式协调功能帧间间隔),这是个竞争窗口，容许优先级低的设备再尝试发送数据。
通过不同的 IFS 间隔时间，CSMA/CA 可以控制不同类型的数据帧在信道上的优先级。高优先级的数据帧 (如 ACK 和 CTS) 使用较短的间隔，确保它们能快速获得信道使用权。
通过强制设备在每次传输前等待一定时间，IFS 降低了多个设备同时传输的可能性，减少了冲突的发生。
(5) 载波侦听 (Carrier Sensing)
(a) 物理载波侦听与虚拟载波侦听
载波侦听 在设备发送数据之前，它会先侦听无线信道，检查是否有其他设备在使用该信道。如果信道空闲，设备才会继续后续的发送操作。这一过程被称为 物理载波侦听。
虚拟载波侦听 是通过网络分配器 (如无线接入点) 来管理信道的占用情况，利用控制帧 (如 RTS/CTS)来减少冲突。
(b) 网络分配向量(Network Allocation Vector,NAV)
NAV 是无线设备在信道上听到某些控制帧 (如 RTS/CTS 或数据帧) 时设置的一个计时器。这个计时器表示该设备预计信道会被占用的时间，设备会在 NAV 计时器归零之前避免传输数据。
(c) NAV 的工作原理
NAV 设置： 当一个设备在无线信道上接收到某个帧 (如 RTS 或 CTS) 时，它会读取该帧中的持续时间字段 (Duration Field) 。这个字段表示该帧预期的占用时间，包括发送数据帧和接收 ACK 所需的时间。接收设备会根据这个持续时间设置自己的 NAV 计时器。
信道占用判断： 当设备的 NAV 计时器大于零时，设备会认为信道正在被其他设备占用，因此不会尝试进行传输。NAV 计时器归零后，设备会再次检查信道是否空闲，如果空闲，则可以开始自己的传输。
NAV 与物理载波侦听的结合：NAV 是一种 虚拟载波侦听 机制，它与 物理载波侦听 相结合。
物理载波侦听是通过硬件直接检测信道上的信号强度，来判断信道是否被占用。
NAV 通过读取帧信息来推断信道的占用状态。物理载波侦听与 NAV 结合使用，有助于更准确地判断信道状态，减少冲突。
PC1 给路由器发送数据帧，同一个范围的PC2、PC3、phone 也会收到该数据帧帧。
PC1 发送的数据帧在该帧的 MAC 头部有个 Duration 字段，表示持续时间，它包括一个短帧间间隔(SIFS)时间加上 ACK 帧的时间，假设该时间是50us。
PC2、PC3、phone 在收到 frame 数据帧后，会去读取该帧的 Duration 字段，然后重置自己的 NAV 计数器为 Duration 字段的值 50 us。
(三)无线用户接入过程
我们手机、笔记本电脑等设备的 WiFi 模块一般工作在 STA 模式，路由器的 WiFi 一般工作在 AP 模式。当我们 STA 设备连接到路由器 AP 的时候，有三个过程：扫描、认证、关联。
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扫描阶段 STA进行扫描，定期搜索周围的无线网络，获取到周围的无线网络信息。
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认证阶段 STA 接入 WiFi 网络前需要进行终端身份验证，即链路认证。链路认证通常被认为是终端连接 AP 并访问 WiFi 的起点。
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关联阶段 完成链路认证后，STA 会继续发起链路服务协商。
(1) 扫描阶段 (Scanning)
扫描阶段 (Scanning) 是 WiFi 设备连接无线网络的第一步，设备通过扫描找到可用的无线接入点 (Access Point, AP) ，从而选择合适的 AP 进行连接。WiFi 标准中定义了两种主要的扫描方式：主动扫描 (Active Scanning) 和被动扫描 (Passive Scanning) 。每种方式有其特点和应用场景。
(a) 主动扫描 (Active Scanning)
在主动扫描过程中，设备会主动向周围的无线信道发送探测请求 (Probe Request) ，并等待 AP 发送探测响应 (Probe Response) 。这个过程可以快速发现周围的 WiFi 网络，尤其是在设备不知道有哪些网络可用的情况下。主动扫描的过程分为以下几个步骤：
探测请求 (Probe Request) 设备依次切换到不同的信道 ( WiFi 网络使用多个信道进行通信，不同的标准使用不同的信道范围，比如 2.4GHz 频段有 14 个信道) 。
在每个信道上，设备会发送探测请求帧 (Probe Request) 。这个探测请求可以是针对所有网络的广播，也可以是针对特定 SSID 的单播。
针对某个特定 SSID 的单播，探测包中有携带需要探测的 SSID 信息，只有 SSID 能够匹配上的 AP 才会返回探测响应包。
这种场景一般是设备已经配置过网络，设备端有保存需要连接的 AP ，设备上电就直接扫描该 AP 是否存在。
当探测请求是针对所有网络的广播时，探测包中 SSID 信息是为 NULL，接收到该探测包的 AP 都会返回探测响应包。
比较常见的场景是我们要手动去连接 WiFi 时，先会去扫描所有的信道的 WiFi 热点，然后生成一个 WiFi 热点列表。
探测请求的主要内容包括：
- SSID (可以是具体的SSID，也可以是广播请求)
- 支持的速率
- 扩展功能信息 (如支持的安全协议)
探测响应 (Probe Response)
AP在接收到探测请求后，会返回探测响应帧 (Probe Response) 。这个响应帧包含AP的详细信息，例如：
- SSID (网络名称)
- BSSID (AP的MAC地址)
- 信道号
- 支持的速率
- 安全协议信息 (如WPA/WPA2)
- 网络容量和设备数量
- 其他可能的扩展功能 (如QoS、WMM等)
主动扫描的优缺点：
优点：能够快速发现隐藏的 WiFi 网络 (隐藏SSID的网络) ，因为设备可以通过探测请求主动询问某个特定SSID的存在。
缺点：主动发送请求帧会增加设备的能耗，且在某些环境中可能暴露设备的存在和意图，减少隐私性。
(b) 被动扫描 (Passive Scanning)
在被动扫描过程中，设备不会主动发送探测请求，而是通过监听特定信道上的信标帧 (Beacon Frame)，从中获取 AP 的信息。信标帧是 AP 定期广播的一种特殊的管理帧，所有设备只需监听信道即可获知周围可用的网络。
信标帧 (Beacon Frame)
AP 会定期 (通常是100ms)在指定信道上广播信标帧。信标帧包含了AP的关键信息，包括：
- SSID
- BSSID (AP的MAC地址)
- 支持的传输速率
- 信道号
- 安全信息 (如WPA/WPA2)
- 网络时间戳 (用于同步设备的时钟)
- 其他可能的功能 (如WMM、HT Capabilities、VHT Capabilities等)
监听信道
- 设备依次切换到不同的信道，并在每个信道上监听信标帧。每个信道可能包含多个 AP 的信标帧。
- 通过这些信标帧，设备可以了解哪些 AP 在附近可用，并获取相关的配置信息。
被动扫描的优缺点：
优点：更节能，因为设备只需被动监听信标帧，而不需要主动发送请求。它也不会暴露设备的身份和意图，增强了隐私性。
缺点：相比主动扫描，发现 AP 的速度较慢，因为设备必须等待 AP 广播信标帧。尤其在密集的网络环境中，等待多个 AP 广播信标帧可能会耗费更多时间。
(2) 认证阶段 (Authentication)
认证是设备和 AP 之间相互确认身份的过程。在传统的 WiFi 认证中，有两种方式：
开放系统认证 (Open System Authentication)：这是最简单的方式，不需要设备和AP之间进行任何密钥交换，所有请求都会通过。
共享密钥认证 (Shared Key Authentication)：设备和 AP 会通过 WEP (Wired Equivalent Privacy) 密钥进行加密认证。这种方式现已很少使用，因为 WEP 的安全性较差，已被更强的 WPA/WPA2/WPA 3等认证方式取代。
现代 WiFi 网络一般使用 WPA/WPA2/WPA3 等协议进行身份验证，结合了 PSK (Pre-Shared Key) 或企业级的 RADIUS 认证服务器来提升安全性。
WiFi 认证就简单介绍这些，后面会专门再针对 WiFi 认证做详细介绍。
(3) 关联阶段
在完成扫描和认证阶段之后，设备必须通过关联阶段，才能与无线接入点 (Access Point, AP) 建立正式的连接，并开始进行数据通信。在这个阶段，设备与 AP 之间会进行详细的参数交换，确保双方能够兼容并高效地进行后续通信。
关联阶段包括 关联请求 (Association Request) 和 关联响应 (Association Response) 两部分：
(a) 关联请求 (Association Request)
在认证通过后， WiFi 设备会发送一个关联请求帧 (Association Request)，请求与 AP 建立正式的连接。这个关联请求帧携带了设备的详细信息，以便 AP 了解设备的能力，并确定双方能否以最佳方式进行通信。
关联请求帧的主要字段包括：
- SSID：所请求连接的网络名称。
- 支持的速率集 (Supported Rates Set)：设备所支持的传输速率，AP可以根据这些速率来选择合适的通信速率。
- 扩展速率集 (Extended Supported Rates)：用于支持更高的传输速率 (例如802.11n/ac/ax)。
- 信道信息：设备希望使用的信道以及相关的频段信息。
- 安全信息：包括设备支持的加密和认证协议 (如WPA2/WPA3等)。
- 能力信息 (Capability Information)：设备的其他功能，如是否支持QoS (Quality of Service)、电源管理等。
- HT/VHT Capabilities：如果设备支持802.11n (HT, High Throughput) 或802.11ac/ax (VHT, Very High Throughput)，它会在关联请求中包含这些信息，以允许AP使用更高效的技术来优化传输性能 (如 MIMO、多信道聚合等)。
(b) 关联响应 (Association Response)
AP 接收到设备的关联请求帧后，会检查设备的请求信息，评估其是否能够接受设备的连接。通常，AP 会基于设备的能力和当前网络的负载情况作出决定。然后，AP 会通过 关联响应帧 (Association Response) 来通知设备是否成功关联。
关联响应帧包括以下重要信息：
- 状态码 (Status Code)：指示关联是否成功。如果状态码为0，表示关联成功；否则，设备需要重新尝试。
- 关联标识符 (Association ID, AID) 每个成功关联的设备会被 AP 分配一个唯一的 AID，用于区分不同的设备。在后续通信中，AP 使用 AID 来管理每个设备。
- 支持的速率信息：AP 会在响应中确认双方支持的最高传输速率，这些速率会成为后续通信中的基准。
- 可能的信道信息：如果 AP 支持多信道传输或设备的请求中包含特定信道要求，AP 会在响应中确认所选择的信道。
(c) 关联成功后的状态
一旦设备收到关联成功的响应帧，它就会正式成为 AP 的一部分，并可以开始通过AP 访问网络资源。关联成功后的状态有以下几个关键点：
- 设备获得AID：设备的 AID 可以用于 AP 管理关联设备的无线资源，例如通过AID 来识别哪些设备可以发送或接收数据。
- 资源分配：AP 可能根据网络条件和设备的能力，分配特定的无线资源 (如信道带宽、时隙等)。
- 准备数据传输：关联完成后，设备与 AP 之间的通信变为数据帧传输，设备可以通过 AP 接入互联网或本地网络资源。
(d) 关联失败的情况
关联过程并非总是成功的，可能的失败原因包括：
- AP 超载：如果 AP 已经连接了过多的设备，它可能会拒绝新的关联请求，通常会返回一个“超载”状态码。
- 信道不匹配：设备请求使用的信道可能不在 AP 当前支持的信道范围内。
- 安全协议不兼容：如果设备和 AP 使用不同的安全协议 (例如设备只支持 WPA， 而 AP 要求 WPA2 或 WPA3)，关联将会失败。
- 信号质量差：如果设备距离 AP 太远，信号质量过差，AP 可能无法维持稳定的连接，从而拒绝关联请求。
结尾
上面主要介绍了有线网与 WiFi 无线网在物理层的差异、WiFi 介质访问控制原理及其关键技术、无线用户的接入过程。
下一篇将介绍 WiFi 空口包抓包、以及各类 WiFi 包的解析。
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