802.11帧结构分析.pdf

计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 1 页802.11 帧结构分析帧结构分析1.802.11 介绍1.1 802.11 概述802.11 协议组是国际电工电子工程学会（IEEE）为无线局域网络制定的标准。IEEE 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2Mbps。虽然 WI-FI 使用了 802.11 的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY），但是两者并不完全一致。在以下标准中，使用最多的应该是 802.11n 标准，工作在 2.4GHz 频段，可达 600Mbps（理论值）。IEEE 802.11 是一个协议簇，主要包含以下规范：a.物理层规范：802.11b，802.11a，802.11g；b.增强型 MAC 层规范：802.11i，802.11r，802.11h 等；c.高层协议规范：802.11f，802.11n，802.11p，802.11s 等。802.11 中定义了三种物理层规范，分别是：频率跳变扩展频谱(FHSS)PHY 规范、直接序列扩展频谱(DSSS)PHY 规范和红外线(IR)PHY 规范，由于物理层的规范与无线信息安全体系关系不大，故本文不对物理层做过多阐述。802.11 同 802.3 一样，主要定义了 OSI 模型中物理层和数据链路层的相关规范，其中数据链路层又可分为 MAC 子层和 LLC 子层，802.11 与 802.3 的 LLC 子层统一由802.2 描述。1.2 802.11 拓扑结构及服务类型WLAN 有以下三种网络拓扑结构：a.独立基本服务集(Independent BSS,IBSS)网络(也叫 ad-hoc 网络)，如图 1 所示。b.基本服务集(Basic Service Set,BSS)网络，如图 2 所示。c.扩展服务集(Extent Service Set,ESS)网络，如图 2 所示。图 1STA1STA2计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 2 页其中，ESS 中的 DS（分布式系统）是一个抽象系统，用来连接不同 BSS 的通信信道(通过路由服务)，这样就可以消除 BSS 中 STA 与 STA 之间直接传输距离受到物理设备的限制。根据拓扑结构可以得出 802.11 的两类服务：站点服务 SS（每个 STA 都要有的服务）：认证（Authentication）、解除认证(Deauthentication)、加密(Privacy)、MSDU 传递(MSDU delivery)；分布式系统服务 DSS（DS 特有服务）：关联(Association)、解除关联(Deassociation)、分布(Distribution)、集成（Integration）、重关联(Ressociation)。2.帧结构分析2.1 帧格式概述无线中的数据传播有如表格 1 所示的格式：PreamblePLCPMACUser DataCRC表格 1preamble 是一个前导标识，用于接收设备识别 802.11。PLCP 域中包含一些物理层的协议参数，显然 Preamble 及 PLCP 是物理层的一APSTA1STA2图 2STA1SAT2SAT3SAT4BSS1DSBSS2APAP图 3计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 3 页些细节。MAC 层处理的是帧数据，截取上图中 MAC 头开始的部分构成 MAC 帧格式如表格 2 所示。226662620-234244FrameControlDuraltion/IDAddress1Address2Address3SequenceControlAddress4QosControlFrameBodyFCSMAC Header表格 2MAC Header（MAC 头）：Frame Control（帧控制域），Duration/ID（持续时间/标识），Address（地址域），Sequence Control（序列控制域）、QoS Control（服务质量控制）；Frame Body（帧体部分）：包含信息根据帧的类型有所不同，主要封装的是上层的数据单元，长度为 02312 个字节，可以推出，802.11 帧最大长度为：2346 个字节；FCS（校验域）：包含 32 位循环冗余码。3.2 MAC Header（1）Frame Control（帧控制域）格式如表格 3 所示。Bit:22411111111ProtocolVersonTypeSubtypeTo DSFromDSMoreFragRetryPwtMgtMoreDataProtectedFrameorderB0 B1B2 B3B4 B7B8B9B10B11B12B13B14B15表格 3Protocol Version（协议版本）：通常为 0；Type（类型域）和 Subtype（子类型域）：共同指出帧的类型；To DS：表明该帧是 BSS 向 DS 发送的帧；From DS：表明该帧是 DS 向 BSS 发送的帧；More Frag：用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧；Retry（重传域）：用于帧的重传，接收 STA 利用该域消除重传帧；Pwr Mgt（能量管理域）：为 1：STA 处于 power_save 模式，0：处于 active模式；More Data（更多数据域）：为 1：至少还有一个数据帧要发送给 STA；Protected Frame：为 1：帧体部分包含被密钥套处理过的数据；否则：0；Order（序号域）：为 1：长帧分段传送采用严格编号方式；否则：0。（2）Duration/ID（持续时间/标识）：表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间；对于帧控制域子类型为：Power Save-Poll 的帧，该域表示了 STA 的连接身份计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 4 页（AID,Association Indentification）；（3）Address（地址域）：源地址（SA）、目的地址（DA）、传输工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），SA 与 DA 必不可少，后两个只对跨 BSS 的通信有用，而目的地址可以为单播地址（Unicast address）、多播地址（Multicast address）、广播地址（Broadcast address）；（4）Sequence Control（序列控制域）：由代表 MSDU（MAC Server Data Unit）或者 MMSDU（MAC Management Server Data Unit）的 12 位序列号（Sequence Number）和表示 MSDU 和 MMSDU 的每一个片段的编号的 4 位片段号组成（Fragment Number）。3.3 帧类型针对帧的不同功能，可将 802.11 中的 MAC 帧细分为以下 3 类：1）控制帧：用于竞争期间的握手通信和正向确认、结束非竞争期等；2）管理帧：主要用于 STA 与 AP 之间协商、关系的控制，如关联、认证、同步等；3）数据帧：用于在竞争期和非竞争期传输数据。Frame Control（帧控制域）中的 Type（类型域）和 Subtype（子类型域）共同指出帧的类型，当 Type 的 B3B2 位为 00 时，该帧为管理帧；为 01 时，该帧为控制帧；为 10 时，该帧为数据帧。而 Subtype 进一步判断帧类型，如管理帧里头细分为关联和认证帧，管理帧的帧格式（Management frameformat）如表格 4 所示。2266620-23124FrameControlDuraltionAddress1（DA）SABSSIDSequenceControlFrameBodyFCSMAC Header表格 4在 802.11 中，比较重要的管理帧有：Beacon(notify)Probe(request and response)Authenticate(request and response)Associate(request and response)Reassociate(request and response)Dissassociate(notify)Deauthenticate(notify)其中，关联、认证中进行相关安全参数协商主要用到 RSN IE。计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 5 页数据帧（Data Header）帧格式如表格 5 所示。226662620-234244FrameControlDuraltion/IDAddress1Address2Address3SequenceControlAddress4QosControlFrameBodyFCSMAC Header表格 53.802.11 帧的抓取3.1 软件的安装（1）commView for WIFI 是主要用于抓取无线网卡的软件，用此软件抓取 802.11的数据包不需要相关配置，直接安装完成即可抓取数据包。软件安装开始界面如图 4所示。图 4（2）如图 5 所示表示选取安装标准模式。计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 6 页图 5（3）如图 6 所示显示的是安装路径。图 6（4）如图 7 所示表示软件安装成功。计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 7 页图 73.2 802.11 驱动的安装（1）如图 8 所示表示安装 802.11 网络适配器驱动。图 8计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 8 页（2）如图 9 所示表示安装插件成功。图 93.3 数据包的抓取使用这个软件抓到的都是 802.11 的数据包，如图 10，图 11，图 12 所示显示的都是数据包的具体信息。图中位置 1 处，表示图中左边及其下面显示的都是位置 1 处的数据包的信息，信息中包含的有数据包的类型，数据包的大小，数据包的抓取时间等等，最重要的是位置 2 处显示了此包在 802.11 中的详细信息，比如协议版本，帧是 BBS 向 DS 发送的帧，重传帧，能量管理域，类型域，目的地址，源地址等等各种详细信息。图中位置 3 处显示的是数据帧中的具体数据信息。如图 10 所示，对位置 3 处的数据帧进行具体分析，位置 3 处显示的是十六进制的数据信息，这是一个 74 位信息的数据帧。Protocol Version,Type,Subtype 的数据信息就是前 8 位数据（08 02 00 00），位置 a 显示的是目的主机地址，位置 b 处显示的是BSS ID 的信息，位置 c 处显示的是源地址。图 11、图 12 所示的不同于图 10 所示的数据帧类型，但是分析方法大同小异。计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 9 页图 10图 11计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 10 页图 124.以太网帧结构的分析4.1 以太网介绍以 太网这个术语通常是指由 DEC，Intel 和 Xerox 公司在 1982 年联合公布的一个标准，它是当今 TCP/IP 采用的主要的局域网技术，它采用一种称作 CSMA/CD 的媒体接入方法。几年后，IEEE802 委员会公布了一个稍有不同的标准集，其中 802.3 针对整个 CSMA/CD 网络，802.4 针对令牌总线网络，802.5 针对令牌环网络；此三种帧的通用部分由 802.2 标准来定义，也就是我们熟悉的 802 网络共有的逻辑链路控制（LLC）。在 TCP/IP 世界中，以太网 IP 数据报文的封装在 RFC 894 中定义，IEEE802.3 网络的 IP 数据报文封装在 RFC 1042 中定义。标准规定：a.主机必须能发送和接收采用 RFC 894（以太网）封装格式的分组；b.主机应该能接收 RFC 1042（IEEE 802.3）封装格式的分组；c.主机可以发送采用 RFC 1042（IEEE 802.3）封装格式的分组。如果主机能同时发送两种类型的分组数据，那么发送的分组必须是可以设置的，而且默认条件下必须是 RFC 894（以太网）。最常使用的封装格式是 RFC 894 定义的格式，俗称 Ethernet II 或者 Ethernet DIX。下面，我们就以 Ethernet II 称呼 RFC 894 定义的以太帧，以 IEEE802.3 称呼 RFC 1042 定义的以太帧。4.2 以太网帧格式在以太网链路上的数据包称作以太帧。以太帧起始部分由前导码和帧开始符组成。计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 11 页后面紧跟着一个以太网报头，以 MAC 地址说明目的地址和源地址。帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包(例如 IP 协议)。以太帧由一个 32 位冗余校验码结尾。它用于检验数据传输是否出现损坏。来自线路的二进制数据包称作一个帧。从物理线路上看到的帧，除其他信息外，还可看到前导码和帧开始符。任何物理硬件都会需要这些信息。以太帧有很多种类型。不同类型的帧具有不同的格式和 MTU 值。但在同种物理媒体上都可同时存在。a.以太网第二版或者称之为 Ethernet II 帧，DIX 帧，是最常见的帧类型。并通常直接被 IP 协议使用。b.Novell 的非标准 IEEE 802.3 帧变种。c.IEEE 802.2 逻辑链路控制(LLC)帧。d.子网接入协议(SNAP)帧。所有四种以太帧类型都可包含一个 IEEE 802.1Q 选项来确定它属于哪个 VLAN 以及他的 IEEE 802.1p 优先级(QoS)。这个封装由 IEEE 802.3ac 定义并将帧大小从 64 字节扩充到 1522 字节(注：不包含 7 个前导字节和 1 个字节的帧开始符以及 12 个帧间距字节)。如表格 6 所示是 802.3 帧结构。Octets：11664246-1500412前导码帧开始符MAC 目标地址MAC 源地址802.1Q 标签（可选）以太类型或长度负载冗余校验帧间距表格 6前导码和帧开始符：一个帧以 7 个字节的前导码和 1 个字节的帧开始符作为帧的开始。报头：包含源地址和目标地址的 MAC 地址，以太类型字段和可选的用于说明VLAN 成员关系和传输优先级的 IEEE 802.1Q VLAN 标签。帧校验码：帧校验码是一个 32 位循环冗余校验码，以便验证帧数据是否被损坏。帧间距：当一个帧发送出去之后，发送方在下次发送帧之前，需要再发送至少 12个 octet 的空闲线路状态码。5.以太网数据包的抓取以太网数据包的抓取使用的软件是 Wireshark，之前已经详细学习了此款软件，所以这里关于软件的介绍及安装就不多做说明了。5.1 数据包的抓取及分析（1）如图 1 所示表示是在软件上选取抓取以太网数据包。计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 12 页图 13（2）Ethernet II 帧结构的分析。如图 14 所示，这是一个 60 字节，小于最小帧 64 字节。前导码（Preamble）的 8个字节已经被去除，因而帧长是 68 字节。目的地址（Destination Address）为：ff.ff，源地址（Source Address）为：b8 a3.1a；类型（Type）为：0 x0800，表示该帧封装类型是 IP 协议。数据（Data）为：00 01.01 01，因为长度低于 46 个字节，该数据段自动填充了一段字符。该帧没有帧校验序列（FSC），可能是抓到包时校验序列已经被底层去除。图 146.802.11 和以太网对比计算机学院 网络 123 班 秦向红 201200824302 无线网络第 13 页6.1 802.11 与以太网传输的对比802.3 是总线网协议，802.11 是无线网络协议。他们只是对网络架构的定义。用不同的访问方法，与访问介质。但是传输数据的帧，也就是传输层与网络层协议基本一致。都是 TCP/IP/UDP 协议。如表格 7 所示是 IEEE802.11 标准；表格 8 所示是千兆以太网标准。IEEE 802.11 标准标准数据速率802.11b最高 11Mb/s,可降低为 5.5Mb/s,2Mb/s,1Mb/s802.11a物理层速率为 54Mb/s802.11g最高可达 54Mb/s802.11n提高到 300Mb/s,最高可达 600Mb/s表格 7千兆以太网标准名称传输距离1000Base-LX多模光纤为 550 米，单模光线为 3000 米1000Base-CX屏蔽双绞线 25 米1000Base-SX多模光纤 550 米1000Base-ZX在平常的的单模光线链路可达 70 千米，使用收费的单模光线可达 100 千米1000Base-FX多模光纤 412 米表格 86.2 802.11 与以太网帧的对比（1）802.11 帧要使用 4 个 mac 地址。接口侦听并接收线缆上的以太网帧，主要是检查以太网帧的目的 MAC 地址，如果目标 MAC 地址和自身的 MAC 地址匹配则接受并处理，否则丢弃。（2）802.3 以太网采用数据通信方法是 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）载波侦听多路访问冲突检测。802.11 无线局域网采用数据通信方法是 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）载波侦听多路访问冲突避免。（3）802.11 帧与 802.3 相对比，除了共有的目的地址和源地址，还有第三个地址，这个地址是 ap 的中继点。指明远程端点。