基于Wireshark的EUHT MAC层协议解析插件的设计与实现.pdf

2023 年 7 月基于的层协议解析插件的设计与实现李子峥（公安部第一研究所，北京 100048）【摘要】增强型超高吞吐 渊enhanced ultra high throughput,EUHT冤 技术是一种无线高速通信技术遥 利用Wireshark 软件的插件技术袁设计 EUHT 媒体访问控制渊media access control,MAC冤层协议的解析流程袁使用C 语言编写 MAC 层协议的解析程序袁实现了解析 EUHT MAC 层协议功能袁并通过实际的测试数据进行了验证遥【关键词】EUHT曰Wireshark曰协议解析【中图分类号】TP311.1【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）07-0001-031 EUHT MAC 层协议概述1.1 EUHT 技术增强型超高吞吐（enhanced ultra high throughput,EUHT）技术是基于现代无线通信理论，由我国自主研发的一种无线高速通信技术。该技术对无线通信涉及的帧结构、导频、预编码、信道估计、信道预测、物理（physical,PHY）层、媒体访问控制（media accesscontrol,MAC）层、同步、控制、调度等进行了创新，设计上具有简洁、灵活、高效的特点，性能上具有高可靠、低时延、大容量等特点1。EUHT 技术系统模型主要包括 PHY 层和 MAC层，如图 1 所示。EUHT 技术系统模型中，PHY 层主要将 MAC 协议数据单元（MAC protocol data unit,MPDU）映射到相应物理信道的传输机制上，采用了正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing,OFDM）和多输入多输出（multiple input multiple output,MIMO）技术。MAC 层分为适配子层和 MAC 子层，主要通过MPDU 实现对多个用户之间分配和共享 PHY 层传输资源的管理和控制2。1.2 MAC 帧格式MAC 帧主要分为管理控制帧和数据帧，其中，管理控制帧包括有序列号管理控制帧和无序列号管理控制帧。有序列号管理控制帧格式如表 1 所示。帧体前面的 6 字节统称为有序列号管理控制帧 MAC 头，帧体后面的 4 字节为帧校验序列（frame check sequence,FCS）。无序列号管理控制帧格式如表 2 所示。数据帧格式如表 3 所示。帧体前面的 6 字节统称为数据帧 MAC 头。帧控制 分片号 序号 预留 分片指示 长度帧体FCS16 bit4 bit12 bit 3 bit1 bit12 bit04 095 字节 4 字节表 1 有序列号管理控制帧格式帧控制帧体FCS16 bit04 095 字节4 字节表 2 无序列号管理控制帧格式帧控制分片号序号预留随路请求指示立即/延迟确认分片指示长度帧体FCS16 bit4 bit12 bit1 bit1 bit1 bit1 bit12 bit04 095 字节4 字节表 3 数据帧格式管理控制帧和数据帧均包含帧控制字段，该字段主要包括协议版本、帧类型、子类型、流标识、重传指示、预留等。帧控制字段格式如表 4 所示。EUHT MAC 层协议根据帧控制字段中帧类型、子类型两个字段的值确定具体 MPDU。常用 MPDU协议版本帧类型子类型流标识重传指示预留2 bit1 bit5 bit4 bit1 bit3 bit表 4 帧控制字段格式图 1 EUHT 技术系统模型MAC 层PHY 层适配子层 SAP适配子层MAC 子层 SAPMAC 子层PHY 子层 SAPPHY 子层管理控制平面通信设计与应用12023 年 7 月如表 5 所示。其中，BCF 属于有序列号管理控制帧，RA谣REQ、RA谣RSP、SBC谣REQ、SBC谣RSP、GroupAck 属于无序列号管理控制帧，DATA 为数据帧。1.3 EUHT 站点入网及数据传输过程根据信息技术系统间远程通信和信息交换中高速无线局域网媒体访问控制和物理层规范（GB/T 364542018），EUHT 站点入网及数据传输过程基本涵盖了全部常用 MPDU，如图 2 所示。EUHT 站点入网过程如下：淤EUHT 接入点通过BCF 广播网络信息，包括 MAC 地址、工作带宽等；于 EUHT 站 点 收 到 BCF 并 完 成 同 步 后，通 过RA谣REQ 发送随机接入请求；盂EUHT 接入点收到RA谣REQ 后，向 EUHT 站点回复随机接入响应RA谣RSP，为 EUHT 站点分配临时标识；榆EUHT 站点向接入点发送 SBC谣REQ，通报自身的基本能力参数，包括天线数、最大工作带宽等；虞EUHT 接入点收到 SBC谣REQ 后，向 EUHT 站点回复 SBC谣RSP，通知协商后的工作参数，为 EUHT 站点分配唯一标识；愚EUHT 站点收到 SBC谣RSP 后，向 EUHT 接入点回复GroupAck，对 SBC谣RSP 进行确认，结束入网过程。EUHT 站点结束入网过程后，即可使用 DATA 发送业务数据。2 EUHT MAC 层协议解析插件的设计与实现Wireshark 是一款开源的网络封包分析工具，可以对通信系统的通信过程进行监测，解析通信协议数据包，并显示数据包的详细信息，常用于定位开发测试过程中的各种问题3-4。Wireshark 还提供了插件技术，供开发人员解析自定义协议或新协议5。本文基于该技术，设计了 EUHT MAC 层协议解析插件euhtmac.dll。2.1 解析流程EUHT MAC 层协议数据的解析主要分为帧控制字段解析、MAC 头解析、帧体解析、FCS 解析等部分。EUHT MAC 层协议解析程序首先接收数据包并解析管理控制帧和数据帧均包含的帧控制字段，其次根据帧类型和子类型确定具体 MPDU，最后按照以下步骤进行解析。步骤 1：判断 MPDU 是否为管理控制帧，如果是则继续执行步骤 2，否则跳至步骤 3。步骤 2：判断 MPDU 是否为有序列号管理控制帧，如果是则解析有序列号管理控制帧 MAC 头，然后跳至步骤 5，否则跳至步骤 4。步骤 3：判断 MPDU 是否为数据帧，如果是则解析数据帧 MAC 头，否则跳至步骤 7。步骤 4：判断 MPDU 是否为无序列号管理控制帧，如果是则继续执行步骤 5，否则跳至步骤 7。步骤 5：根据 MPDU 解析管理控制帧/数据帧帧体，继续执行步骤 6。步骤 6：解析 FCS，继续执行步骤 7。步骤 7：结束本流程。2.2 解析函数及功能根据解析流程，本文使用 C 语言编写了用于生成 EUHT MAC 层协议解析插件的 packet谣euhtmac.c源文件，主要包括解析主函数 dissect_euhtmac()和多个解析子函数。然后根据 Wireshark 官网提供的方法，在 Windows10 操作系统下，利用 Wireshark 源码（3.6.3 版本）编译生成了 EUHT MAC 层协议解析插件 euhtmac.dll。主要函数及功能如表 6 所示。3 测试验证3.1 测试环境测试环境如图 3 所示。帧类型取值（二进制）子类型取值（二进制）MPDU 名称说明000000BCF广播信息帧000001RA谣REQ随机访问请求帧000010RA谣RSP随机访问响应帧000011SBC谣REQ终端基本能力协商请求帧000100SBC谣RSP终端基本能力协商响应帧010010GroupAck组确认帧100000DATA数据帧表 5 常用 MPDU函数功能说明dissect_euhtmac()EUHT MAC 层协议数据解析主函数register_dissector()将 dissect_euhtmac()作为解析器注册到 Wireshark 中dissect_FRAME_CONTROL()帧控制字段解析子函数dissect_MANAGEMENT_CON原TROL_MAC_HEADER()有序列号管理控制帧 MAC 头解析子函数dissect_DATA_MAC_HEADER()数据帧 MAC 头解析子函数dissect_BCF()BCF 帧体解析子函数dissect_RA_REQ()RA谣REQ 帧体解析子函数dissect_RA_RSP()RA谣RSP 帧体解析子函数dissect_SBC_REQ()SBC谣REQ 帧体解析子函数dissect_SBC_RSP()SBC谣RSP 帧体解析子函数dissect_GroupAck()GroupAck 帧体解析子函数dissect_FCS()FCS 解析子函数表 6 主要函数及功能图 2 EUHT 站点入网及数据传输过程EUHT 站点EUHT 接入点BCFRA谣REQRA谣RSPSBC谣RSPSBC谣REQGroupAckDATA噎噎通信设计与应用22023 年 7 月EUHT 接入点广播网络信息并使用转发软件将其收到和发出的 MPDU 转发给上位机；EUHT 站点以随机接入方式接入该网络，完成接入流程后发送业务数据；上位机安装 3.6.3 版本 Wireshark 软件并在安装目录的 plugins3.6epan 文件夹中放置 euhtmac.dll，用于接收并解析 EUHT 接入点转发的 MPDU。3.2 解析结果验证在实际测试环境中，捕获了一组 EUHT 站点入网及数据传输过程的数据包，各 MPDU 解析结果如下。（1）BCF 解析结果。BCF 为有序列号管理控制帧，实际数据包结构与表 1 和表 4 相同，包含 6 字节有序列号管理控制帧 MAC 头、帧体及 FCS。BCF 帧体包括 EUHT 接入点 MAC 地址、工作信道号以及工作带宽等 23 个参数，与 GB/T 364542018 标准相关内容一致。（2）RA谣REQ 解析结果。RA谣REQ 为无序列号管理控制帧，实际数据包结构与表2 和表 4 相同，包含2 字节帧控制字段、帧体及 FCS。RA谣REQ 帧体包括EUHT 站点 MAC 地址等 5 个参数，与 GB/T 364542018 标准相关内容一致。（3）RA谣RSP 解析结果。RA谣RSP 为无序列号管理控制帧，实际数据包结构与表 2 和表 4 相同，包含2字节帧控制字段、帧体及FCS。RA谣RSP 帧体包括接入状态、EUHT 站点 MAC 地址以及为 EUHT 站点分配 的 临 时 标 识 TSTAID 等 6 个 参 数，与 GB/T364542018 标准相关内容一致。（4）SBC谣REQ 解析结果。SBC谣REQ 为无序列号管理控制帧，实际数据包结构与表 2 和表 4 相同，包含 2 字节帧控制字段、帧体及 FCS。SBC谣REQ 帧体包括 EUHT 站点的天线数、最大工作带宽等 21 个参数，与 GB/T 364542018 标准相关内容一致。（5）SBC谣RSP 解析结果。SBC谣RSP 为无序列号管理控制帧，实际数据包结构与表 2 和表 4 相同，包含2 字节帧控制字段、帧体及 FCS。SBC谣RSP 帧体包括为 EUHT 站点分配的唯一标识 STA ID 以及其他协商后的工作参数，共计 20 个参数，与 GB/T 364542018 标准相关内容一致。（6）GroupAck 解析结果。GroupAck 为无序列号管理控制帧，实际数据包结构与表 2 和表 4 相同，包含 2 字节帧控制字段、帧体及 FCS。GroupAck 帧体包括管理控制帧确认位、长度以及由该长度指示的FID谣n 等参数，与 GB/T 364542018 标准相关内容一致。（7）DATA 解析结果。DATA 为数据帧，实际数据包结构与表 3 和表 4 相同，包含 6 字节数据帧 MAC头、帧体及 FCS。数据帧 MAC 头包括帧控制、分片号、序号、随路请求指示等参数，与 GB/T 364542018 标准相关内容一致；DATA 帧体为 EUHT 站点发送的业务数据。综上所述，实际测试数据包顺序与图 2 描述的EUHT 站点入网及数据传输过程一致，并且实际测试数据包中 MPDU 格式与 GB/T 364542018 标准中规定的 MAC 帧格式相符。4 结语本文提出了一种 EUHT MAC 层协议解析插件。首先，基于 MAC 帧格式和站点入网及数据传输过程，设计该协议帧控制解析、MAC 头解析、帧体解析、FCS 解析的流程。其次，使用 C 语言和 Wireshark插件技术，编写源文件并编译得到了插件 euhtmac.dll。最后，结合实际测试环境和抓包数据进行验证，结果表明，该插件解析 EUHT MAC 层协议的功能，并且能通过 Wireshark 软件使用户更为直观地查看和分析 EUHT MAC 层协议数据。随着 EUHT 技术在公共安全等行业以及高速率、高可靠等场景的推广及使用，此插件将在相关领域为 EUHT 厂商和用户提供数据分析、设备监测、产品测试等重要技术支撑。参考文献1 董国良援论 EUHT 技术特点及在北京地铁的应用J援智慧轨道交通，2022，59（6）：77-81援2 国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会援信息技术系统间远程通信和信息交换中高速无线局域网媒体访问控制和物理层规范：GB/T 364542018 S援北京：中国标准出版社，2018援3 吕雪峰，张春芳.Wireshark 网络协议解析原理与新协议添加方法J.软件导刊，2011，10（12）：105-107.4 丁戍卫，何麟，史哲烽，等.基于 Wireshark 的 FF HSE 报文分析工具设计J.流体测量与控制，2021，2（6）：1-5.5 朱振乾，张周晶，马慧慧，等.基于 Wireshark 与 Nmap 的工业协议分析与工业漏洞挖掘的实现J.通信技术，2021，54（3）：716-726.作者简介院李子峥（1993），男，汉族，河北衡水人，硕士研究生，工程师，主要从事移动通信领域相关工作。图 3 测试环境EUHT 站点EUHT 接入点192.168.1.21上位机 PC192.168.1.66通信设计与应用3