computer-network-note-8

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Charles Lv7
  2024-02-21 17:49:06 2024-02-21 17:49:06 Created   2024-02-21 18:09:24 2024-02-21 18:09:24 Updated      2.8k Words  10 Mins  

无线局域网(WLAN)

概 述

  • 802.11网络有两种使用模式

    • 基础设施模式/有架构模式(Infrastructure mode)
    • 每个客户端与一个接入点(AP—Access Point)连接，接入点与其他网络连接
    • 几个接入点可通过有线网络连接形成扩展的802.11网络
    • 自组织网络模式(ad hoc mode)
      • 多台计算机相互连接形成网络，相互间发送帧
      • 无接入点

  • 基础设施模式/有架构模式(Infrastructure mode)

    • 基本服务集(BSS, Basic Service Set)：一个基站( 即AP) + 若干个移动站

    • BSS内的站之间可通信，与BSS外的通信需通过基站进行

    • 每个AP分配一个≤32 字节的服务集标识符SSID和一个信道

      SSID: Sevice Set Identifier <-相当于该基本服务集的名字

  • 关联(association)：移动站与AP建立连接，加入该基本服务集

  • 移动站与AP建立关联的方法

    • 被动扫描
      • 移动站等待接收AP周期性发出的信标帧(beacon frame)
      • 信标帧中包含有若干系统参数(如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等)
    • 主动扫描
      • 移动站主动发出探测请求帧(probe request frame)，等待 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)

  • 重新关联(Reassociation)：移动站改变其首选AP，即加入另一BSS– 移动站从一个BSS漫游至另一个BSS时

  • Wi-Fi与802.11

    • Wireless fidelity(无线保真)的缩写
    • 是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)拥有
    • 目的
      • 改善基于IEEE 802.11的无线网络产品之间的互通性
    • 一般认为，使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为Wi-Fi
    • 热点(Hotspot)
      • 在公共场所提供Wi-Fi接入Internet服务的地点

  • 802.11协议栈 (与其他IEEE802协议类同)

    • 客户端和AP的协议相同
    • MAC子层决定如何分配信道
    • LLC子层屏蔽IEEE802协议之间的差异，同时承上启下

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IEEE802.11的物理层

  • 无线频段
    • 多数无线频段由政府管理和分配，需license才可使用
    • 预留了无需许可即可免费使用的频段
      • ISM频段：ISM—Industrial, Scientific, Medical
      • 限制：发射功率 < 1Watt (WLAN一般不超过50mW)
  • 802.11物理层的几种实现方法：
    • 红外IR
    • 2.4GHz跳频扩频FHSS
    • 直序扩频DSSS
    • 正交频分复用(OFDM)
    • 多入多出(MIMO)+OFDM

IEEE802.11的MAC层

  • 以太网的CSMA/CD协议取得了巨大的成功
  • WLAN与以太网同属IEEE802系列标准
  • 无线网络的特点使得WLAN不能简单照搬CSMA/CD：
    • 无线网络适配器的接收信号强度远小于发送信号强度，像CSMA/CD协议那样进行碰撞检测(边发送边听)比较困难
    • 无线信号覆盖范围有限，即使能够进行碰撞检测，也可能检测不到碰撞 -> 隐蔽站问题
  • WLAN使用CSMA/CA协议
    • CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
    • 由于无线网络的特性，难以像有线网络那样检测冲突，因此着眼于避免冲突
    • 比CSMA/CD复杂得多
  • 802.11的MAC层提供两种服务
    • 分布协调功能 DCF：各站按照CSMA/CA协议竞争使用信道
    • 点协调功能 PCF：集中控制方法，由AP逐个轮询各站发送数据，避免了碰撞的产生
  • 在实际应用中，DCF使用较多
    • DCF需要考虑的问题：如何尽可能减少冲突

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  • 帧间间隔(InterFrame Space)

    • 所有站完成发送后，需要等待一段时间，任何站才可以发送帧
    • 要发送的帧类型不同，等待的时间间隔也不同
      • SIFS: Short IFS，短帧间间隔，用于CTS、ACK等帧
      • DIFS: DCF IFS，DCF帧间间隔，用于DCF模式下数据帧
      • AIFS1/AIFS4: Arbitration IFS，不同优先级的帧
      • EIFS: Extended IFS，收到坏帧时报告问题
    • 高优先级帧的等待时间较短，可以抢先发送
    • 低优先级帧的等待时间较长，等待完毕后如信道忙，则重新等待

  • 802.11的载波监听机制

    • 物理载波监听：简单地检查信道看是否存在有效的信号
    • 虚拟载波监听：802.11特有的机制

  • 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)

    • 发送站将它要占用信道的时间放在发送帧中，其他站在收到该信息后，将不在这一段时间内发送数据 -> 冲突概率大大减少
    • 该时间放置在MAC帧 “持续时间(Duration)”字段
      • 本帧结束后还要占用信道多少时间(单位: 微秒)，包括确认帧所需时间
    • “虚拟载波监听”的意思是：其他站并没有监听信道，而是在收到发送站的通知后才不发送数据

  • 网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)

    • 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)
    • NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。

  • 发送前退避机制

    • 站点要发送数据帧，不仅要等待DIFS帧间间隔，还进入争用窗口，退避一段时间后再次检测信道，信道空闲才发送
    • 目的：避免多个站点同时检测到信道空闲后发送导致碰撞
    • 仅当站点检测到信道空闲且发送第一个数据帧时，才不退避

  • CSMA/CA的退避算法

    • 使用二进制指数退避算法：
      • 第 i 次退避：在$2^{2+i}$个时隙中随机选择，即：{0, 1, …, $2^{2+i-1}$}
        • 第 1次退避：退避时间0—7个时隙
        • 2次退避：退避时间0—15个时隙
    • 站点每过一个时隙就检测一次信道：
      • 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时
      • 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时

  • 按照CSMA/CA，站点发送数据帧的流程:

    • 若站点最初有数据要发送(而不是发送不成功再进行重传)，且检测到信道空闲，在等待时间 DIFS 后，就发送整个数据帧。
    • 否则，执行 CSMA/CA退避算法。一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。
    • 当退避计时器时间减少到零时(这时信道只可能是空闲的)，站点就发送整个的帧并等待ACK。
    • 若收到ACK，就知道帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧，就要从上面的步骤②开始，先行退避。若在规定时间内没有收到ACK，就要重传此帧(重新执行发送流程)，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

  • 为减少隐蔽站带来的碰撞，发送站可对信道进行预约

    • RTS：Ready to send，发送站发送的请求发送帧
    • CTS：Clear to send，目的站返回的允许发送帧
    • RTS/CTS帧很短，虽增加了开销，但与直接发送较长数据帧导致碰撞相比，开销较小
    • RTS/CTS帧可与NAV配合使用，帧中填入所需持续时间
    • 可选：使用RTS/CTS、数据帧达到一定长度时使用、不使用

  • CSMA/CA主要特性总结

    • 发送前退避:同时检测到信道空闲的站退避时间长度不同
    • 发送站/接收站之间RTS/CTS握手:使隐藏站得知数据传输
    • 虚拟载波监听与NAV配合使用:等待站无须持续监听信道
    • 接收站正确接收数据帧后，需返回ACK帧:使发送站知道是否发生冲突
    • 不同类型的帧设置不同的帧间间隔:控制帧等高优先级帧能更快地发送出去

IEEE802.11的帧结构

  • 802.11的帧分为三种类型：数据帧、控制帧、管理帧
  • 帧控制(Frame control)：包含11个子字段
    • Version: 协议版本
    • Type和Subtype: 帧类型(数据、控制、管理)和子类型( 如RTS、CTS等 )
    • To DS和From DS: 该帧是发送到或是来自于AP连接的网络
    • More Fragment: 分片传输用
    • Retry: 是否是重传帧
    • Power management: 指明发送方进入节能模式
    • More data: 发送方还有更多的帧需要发送
    • Protected frame: 该帧数据部分是否被加密
    • Order: 告诉接收方高层是否按顺序处理帧序列
  • 持续时间(Duration)
    • 本帧及ACK帧将占用信道时间(单位:微秒)
    • 其它站根据该字段调整NAV，进行虚拟载波监听
  • 地址(Address)：
    • 连续3个字段，802标准地址( 即MAC地址)
    • 网内两个站之间通信需通过AP，涉及三个地址
  • 帧序号(Sequence)：2字节，用于重复帧的检测
  • 数据(Data)：帧的有效载荷
    • 帧中数据最多2312字节
    • 一般小于1500字节
    • 帧校验(Frame check sequence)：32位CRC校验
    • 管理帧格式与数据帧相同，数据内容依管理帧类型而不同
    • 控制帧较短，只有一个地址，没有数据

IEEE802.11的安全性

  • 第一代安全协议：WEP(Wired Equivalent Privacy)

    • 各方面安全性都存在缺陷
      • 通过异或操作加密数据，密钥分配较弱导致输出经常重复
      • 通过32位CRC实现完整性保护，防攻击能力很弱
    • 2002年被首次攻破
    • 目前使用免费软件可在很短时间内破解WEP

  • 在此背景下，802.11i组仓促上马

    • 2003年推出WPA(WiFi Protected Access)
    • 2004年推出WPA2，成为正式标准
    • WPA是802.11i的子集

  • 同一时期，中国推出了WAPI(Wireless LAN Authentication and Privacy Infrastructure)，强制性国家标准原理与802.11i相似

  • 移动站在通过AP发送帧之前须进行认证(authentication)

    • 如果802.11网络是开放(open)的
      • 可直接通信，无需认证
    • 否则必须进行认证

  • WPA2的两种认证方式

    • 有认证服务器
      • 配置认证服务器，存有用户名和口令数据库
      • 使用802.1x实现认证
      • 适用于企业
    • 无认证服务器
      • 移动站和AP间使用预共享密钥(preshared key)进行认证
      • 适用于家庭和小型应用场合

  • 认证握手过程：4次握手

    • AP发出一个随机数(nonce)用于识别(nonce: 仅使用一次的临时值)
    • 客户端选取自己的临时值nonce，并用其nonce、MAC地址、AP的MAC地址、主密钥作为参数计算会话密钥KS ，客户端将自己的临时值和消息完整性检查值(MIC)发送给AP
    • AP分发一个组密钥$K_G$，用于后续的广播和组播
    • 客户端确认组密钥

  • 后续的通信使用AES算法加密，密钥为会话密钥$K_S$

  • Title: computer-network-note-8
  • Author: Charles
  • Created at : 2024-02-21 17:49:06
  • Updated at : 2024-02-21 18:09:24
  • Link: https://charles2530.github.io/2024/02/21/computer-network-note-8/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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