WiFI浅谈

      详细请参阅802.11 协议！

 

      WiFi是Wireless-Fidelity（无线仿真）的缩写。它是基于802.11 协议，可分为MAC层（媒体访问控制层）和PHY层（物理层）。802.11 的频道主要定义在2.4GHZ、5.8GHZ。

 

1,802.11协议

IEEE802.11，1997年，原始标准（2Mbit/s，播在2.4GHz）。

IEEE802.11a，1999年，物理层补充（54Mbit/s，播在5GHz）。

IEEE802.11b，1999年，物理层补充（11Mbit/s，播在2.4GHz）。

IEEE802.11c，符合802.1D的媒体接入控制层桥接（MAC Layer Bridging）。

IEEE802.11d，根据各国无线电规定做的调整。

IEEE802.11e，对服务等级（Quality of Service, QoS）的支持。

IEEE802.11f，基站的互连性（IAPP，Inter-Access Point Protocol），2006年2月被IEEE批准撤销。

IEEE802.11g，2003年，物理层补充（54Mbit/s，播在2.4GHz）。

IEEE802.11h，2004年，无线覆盖半径的调整，室内（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz频段）。

IEEE802.11i，2004年，无线网络的安全方面的补充。

IEEE802.11j，2004年，根据日本规定做的升级。

IEEE802.11k，该协议规范规定了无线局域网络频谱测量规范。该规范的制订体现了无线局域网络对频谱资源智能化使用的需求。

IEEE802.11l，预留及准备不使用。

IEEE802.11m，维护标准；互斥及极限。

IEEE802.11n，更高传输速率的改善，基础速率提升到72.2Mbit/s，可以使用双倍带宽40MHz，此时速率提升到150Mbit/s。支持多输入多输出技术（Multi-Input Multi-Output，MIMO）。

IEEE802.11o，针对VOWLAN（Voice over WLAN）而制订，更快速的无限跨区切换，以及读取语音（voice）比数据（Data）有更高的传输优先权。

IEEE802.11p，这个通信协议主要用在车用电子的无线通信上。它设置上是从IEEE 802.11来扩充延伸，来符合智能型运输系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）的相关应用。

IEEE802.11q:

IEEE802.11r:快速 BSS切换 (FT) (2008)

IEEE802.11s: Mesh Networking, Extended Service Set (ESS) (July 2011)

IEEE802.11t: Wireless Performance Prediction (WPP)—test methods and metricsRecommendation cancelled

IEEE802.11u: Improvements related to HotSpots and 3rd party authorization ofclients, e.g. cellular network offload (February 2011)

IEEE802.11v: Wireless network management (February 2011)

IEEE802.11w: Protected Management Frames (September 2009)

IEEE802.11x:

IEEE802.11y: 3650–3700 MHz Operation in the U.S. (2008)

IEEE802.11z: Extensions to Direct Link Setup (DLS) (September 2010)

IEEE802.11-2012: A new release of the standard that includes amendments k, n, p, r,s, u, v, w, y and z (March 2012)

IEEE802.11aa: Robust streaming of Audio Video Transport Streams (June 2012)

IEEE802.11ab:

IEEE802.11ac，802.11n的潜在继承者,更高传输速率的改善，当使用多基站时将无线速率提高到至少1Gbps，将单信道速率提高到至少500Mbps。使用更高的无线带宽(80MHz-160MHz)(802.11n只有40MHz),更多的MIMO流(最多8条流),更好的调制方式(QAM256)。。

IEEE802.11ad: Very High Throughput 60 GHz (December 2012) - see WiGig

IEEE802.11ae: Prioritization of Management Frames (2012年3月)

 

2,802.11 phy调制技术总结

The802.11 2.4 GHz frequency hopping PHY(跳频)
The 802.11 2.4 GHz direct sequencing PHY(直接序列)
The 802.11b 2.4 GHz direct sequencing PHY
The 802.11a 5 GHz Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) PHY
The 802.11g 2.4 GHz extended rate physical (ERP) laye

802.11中定义了三种物理层规范（主要负责编码与调制），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;

       OFDM(正交频分多路复用Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种多载波发射技术，它将可用频谱划分为许多载波，每一个载波都用低速率数据流进行调制。它获取高数据传输率的诀窍就是，把高速数据信息分开为几个交替的、并行的Bit流，分别调制到多个分离的子载频上，从而使信道频谱被分到几个独立的、非选择的频率子信道上，在AP与无线网卡之间进行传送，实现高频谱利用率。      

 

3.802.11 phy接口层浅析

 PHY的上层是MAC，各个版本的PHY需要向MAC提供统一的调用接口，就是原语。原语包括以下几类：

    3.1 基本特性。包括：MIB管理（PLME-GET、PLME-SET）、复位（PLME-RESET）、特性参数查询（PLME-CHARACTERISTICS）、DSSS进入测试模式（PLME-DSSSTESTMODE）、发送时间估计（PLME-TXTIME）

     3.2 数据首发。包括：数据传输（PHY-DATA）、发送控制（PHY-TXSTART、PHY-TXEND）、信道空闲检测（PHY-CCARESET、PHY-CCA）、接收控制（PHY-RXSTART、PHY-RXEND）

PHY内部结构：

       最下层叫PMD（物理介质依赖），与实际的物理介质打交道

       中间层叫PLCP（物理层聚合），把MAC层传下来要发送的数据变成对应的实际物理层PHY要发送的数据（经过调制和编码，肯定和MAC层原来的不同了），送给PMD

       最上层叫PHY SAP，就是上段定义的对MAC的服务接口。是MAC可以直接调用的稳定接口，不论具体的PHY是什么，这些接口都是可用的，而且只可以调用这些接口。

 

4.802.11 MAC

802.11MAC主要分为数据、管理部分；

数据部分：数据包的收发接口

管理部分：媒介访问控制、扫描、认证与保密、关联、电源管理、定时器同步等。

数据部分
数据	MA-UNITDATA
管理部分
电源管理	MLME-POWERMGT
信道扫描	MLME-SCAN
时间同步	MLME-JOIN
认证	MLME-AUTHENTICATE
断开认证	MLME-DEAUTHENTICATE
建立连接	MLME-ASSOCIATE
重新连接	MLME-REASSOCIATE
断开连接	MLME-DISASSOCIATE
复位	MLME-RESET
网络开始	MLME-START
测量	MLME-MREQUEST
信道测量	MLME-MEASURE
测量报告	MLME-MREPORT
信道切换	MLME-CHANNELSWITCH
发送功率通知	MLME-TPCADAPT
设置密钥	MLME-SETKEYS
删除密钥	MLME-DELETEKEYS
迈克尔失败事件	MLME-MICHAELMICFAILURE
可扩展局域网认证协议帧	MLME-EAPOL
点对点连接请求	MLME-PeerKeySTART
设置发送或接收的安全保护	MLME-SETPROTECTION
帧密钥错误丢弃通知	MLME-PROTECTEDFRAMEDROPPED
交通流（TS）管理接口	MLME-ADDTS/ MLME-DELTS
直接连接管理	MLME-DLS/ MLME-DLSTearDown
高层同步支持	MLME-HL-SYNC
合并ACK帧管理	MLME-ADDBA  /MLME-DELBA
Qos调度变更通知	MLME-SCHEDULE
发行商特有	MLME-VSPECIFIC
MIB管理	MLME-SET/MLME-GET

 

5.媒介访问机制

1),DCF：分布式协调功能（Distibuted Coordination Function）,它主要用于载波侦听多路访问及冲突避免（CSMA/CA）技术；

2),PCF :点协调功能（Point Coordination Function）

帧间隔:主要协调介质的访问

ShortInterframe Space(SIFS):在802.11系列无线局域网中SIFS是固定值，SIFS是最小的帧间间隔，因此采用SIFS的节点具有访问无线链路的最高优先级。它等于节点从发送状态切换到接收状态并能正确解码所需要的时间，或者从接收状态转为发送状态所需要的时间，在SIFS过期后可能发送的数据包包括ACK、CTS帧，不同标准中规定的SIFS值不同。

 

Standard	SIFS(μs)
IEEE  802.11b	10
IEEE  802.11a	16
IEEE  802.11g	10

DCF Interframe Space(DIFS):在DCF协议中，节点在开始发送数据之前需要监测信道是否空闲。如果信道已经空闲，则节点仍需等待DIFS段时间才开始发送数据；而如果在DIFS时间段内任一时刻信道被监测为忙，则节点不得不推迟它的数据发送。DIFS和SIFS间的计算关系如下：

DIFS =SIFS + (2 * Slot time)

Standard	Slot  Time(µs)	DIFS(µs)
IEEE  802.11b	20	50
IEEE  802.11a	9	34
IEEE  802.11g	9 or 20	28 or 50

 

PCF Interframe Space(PIFS):PCF使得AP等待PIFS而不是DIFS时间以访问信道，由于DIFS > PIFS >SIFS，因此AP总比普通节点具有更高的访问信道的优先级。

PIFS =SIFS + Slot time

Standard	Slot  time(µs)	PIFS(µs)
IEEE  802.11b	20	30
IEEE  802.11a	9	25
IEEE  802.11g	9 or 20	19 or 30

 

Extended Interframe Space(EIFS):在前一帧出错的情况下，发送节点不得不延迟EIFS而不是DIFS时间段后再发送下一帧。

EIFS =Transmission time of Ack frame at lowest basic rate + SIFS + DIFS

 

6.影响wifi性能速率主要有以下三个因素：

信道带宽

调制模式

空间流的个数

802.11 性能提升的主要技术如下:

802.11n之MIMO-OFDM

　　OFDM调制技术是将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流，再通过已划分为多个子载体的物理信道进行通讯，从而减少ISI(码间干扰)机会。

　　MIMO(多入多出)技术是在链路的发送端和接收端都采用多副天线，将多径传播变为有利因素，从而在不增加信道带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，以达到WLAN系统速率的提升。

　　将MIMO与OFDM技术相结合，就产生了MIMO OFDM技术，它通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容限，使无线网络的有效传输速率有质的提升。

802.11 之双频段（20-MHz和40-MHz带宽)

IEEE 802.11n通过将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通讯带宽，在实际工作时可以作为两个20MHz的带宽使用(一个为主带宽，一个为次带宽，收发数据时既可以40MHz的带宽工作，也可以单个20MHz带宽工作)，这样可将速率提高一倍。同时，对于IEEE 802.11a/b/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在其两侧预留了一小部分的带宽边界。而通过频带绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，从而进一步提高了吞吐量。

802.11之ShortGuard Interval

Short GI(Guard Interval)是802.11n针对802.11a/g所做的改进。射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的，为了数据传输的可靠性，数据块之间会有GI，用以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后续数据块发送过快，会和前一个数据块形成干扰，而GI就是用来规避这个干扰的。11a/g的GI时长为800us，而Short GI时长为400us，在使用Short GI的情况下，可提高10%的速率。另外，Short GI与带宽无关，支持20MHz、40MHz带宽。

在信道的竞争中所产生的冲突，以及为解决冲突而引入的退避机制都大大降低了系统的吞吐量。802.11n为了解决MAC层的这两个问题，采用了帧聚合(Frame Aggregation)技术和Block Acknowledgement机制。

802.11之帧聚合技术（MSDU的聚合(A-MSDU)和针对MPDU的聚合(A-MPDU)

A-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文(MSDU)时，会打上Ethernet报文头，这里我们称之为A-MSDU Subframe;而在通过射频口发送出去前，需要逐一将其转换成802.11报文格式。而A-MSDU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送。从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。

A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header，从而提高系统吞吐量。

802.11之BlockAcknowledgement

　　为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应ACK帧。接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，并针对每一个MPDU发送应答帧。

　　而Block Acknowledgement通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下ACK帧的数量。

802.11之SpatialMultiplexing Power Save

因此802.11n协议在节省电源处理上做了改进，采用了 Spatial Multiplexing(SM) Power Save技术，其技术原理在于当无数据转发时，STA只有一个天线处于工作状态，其余天线均处于休眠状态，从而达到节省电源的目的。SM Power Save定义了两种电源管理方式：动态SM Power Save和静态SM Power Save。

 

7.802.11MAC帧格式

它在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。如下为常用帧类型：

针对帧的不同功能，可将802.11中的MAC帧细分为以下3类：

控制帧：用来协助数据帧的发送，负责无线区域的清空，信道的获取以及接受数据的确认；

RTS/CTS :负责无线信道的清空，取得媒介的控制权。

PS-Poll：sta从省电模式醒来，可发送PS-Poll帧，从AP获取缓存帧。

ACK：接收端收到报文后，需要回应ACK帧向发送端确认收到报文。

Block AckRequest/Block ACK:802.11n中，为提升MAC层效率，使用Block ACK机制对一批数据帧一次性的确认。

CF END

CF ACK

数据帧：主要负责传输数据报文。主要定义了两种数据帧：

Data：真正的数据报文，所有802.11数据报文的载体。

NULL：只有802.11 MAC header和FCS 尾；

Data+CF-ACK

Data+CF-POLL

Data+CF-ACK+CF-POLL

CF-ACK无竞争周期的确认，如果没有数据待传，工作站以此帧确认之前所收到的帧；

CF-POLL无竞争周期轮询，CF-Poll帧是由接入点发送给移动式工作站的，用来赋予移动式工作站传送一个缓存帧的权利。只有当接入点没有数据要传给移动式工作站时才会使用这个帧。

CF-ACK+CF-Poll(nodata)

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,beacon等；

1），认证帧（Authentication Frame）

2），解除认证帧（Deauthentication Frame）

3），连接请求帧（Association Request Frame）

4），连接响应帧（Association Response Frame）

5），重新连接请求帧（Reassociation Request Frame）

6），重新连接响应帧（Reassociation Response Frame）

7），解除连接帧（Disassociation Frame）

8），信标帧（Beacon Frame）

9），Probe帧（Probe Frame）

10），Probe请求帧（Probe Request Frame）

11），Probe响应帧（Probe Response Frame）

在802.11中，比较重要的管理帧有：

Beacon (notify)：周期性宣告802.11网络存在，以及支持的各类无线参数，如ssid、速率、认证类型、缓存帧的STA列表等。

Probe (requestand response)：STA可以发送Probe Request来主动探测周围有哪些802.11网络，接收到AP需回应Probe Response（包含beacon封包的各种参数）

Authenticate(request and response)：认证

Associate(request and response)：关联请求/应答，sta尝试关联每个AP。

Reassociate(request and response)

Dissassociate(notify)

Deauthenticate(notify)：解除认证

Action帧：802.11h标准中添加的帧，用来要求802.11设备进行频谱管理，如空间中的信道、传输功率控制情况进行测量，或进行信道切换通告。Action帧可细分为5种子类型：measurement Request/Report(测量请求/报告)、TPC request、report（传输功率控制请求/报告）、

Channel Switch Announcement(信道切换报告)。

 

8.WiFi Station连接流程

无线扫描阶段  ------> 选择要连接的ap ------>  认证阶段    -----> 关联阶段（STA通过Association和一个AP建立关联，后续的数据报文的收发只能和建立Association关系的AP进行） -----> 四次握手阶段  ----->发送数据阶段

 

等后续用omnipeek 抓取封包，在指定详细的步骤！

 

9.wifi p2p 之miracast 应用

miracast框架，如下图（参考miracast协议栈）：

HIDC: Human Interface Device Class

UIBC: User Input Back Channel

PES: Packetized Elementary Stream

HDCP: High-bandwidth Digital Content Protection

MPEG2-TS: Moving Picture Experts Group 2 TransportStream

RTSP: Real-Time Streaming Protocol

RTP: Real-time Transport Protocol

Wi-Fi P2P: Wi-Fi Direct

TDLS: Tunneled Direct Link Setup

 

后续将RF相关概念！

WPA_SUPPLICANT机制整理出来！

 

上述为本人学习wifi，整理出来的一些理论知识点！如有疑问或者错误，还请大家指出！