80211帧结构分析.docx
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80211帧结构分析
802、11帧结构分析
1、802、11介绍
1、1802、11概述
802、11协议组就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与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）与物理层（PHY）,但就是两者并不完全一致。
在以下标准中,使用最多的应该就是802、11n标准,工作在2、4GHz频段,可达600Mbps（理论值）。
IEEE802、11就是一个协议簇,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,分别就是:
频率跳变扩展频谱（FHSS）PHY规范、直接序列扩展频谱（DSSS）PHY规范与红外线（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模型中物理层与数据链路层的相关规范,其中数据链路层又可分为MAC子层与LLC子层,802、11与802、3的LLC子层统一由802、2描述。
1、2802、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（IndependentBSS,IBSS）网络（也叫ad-hoc网络）,如图1所示。
b.基本服务集（BasicServiceSet,BSS）网络,如图2所示。
c.扩展服务集（ExtentServiceSet,ESS）网络,如图2所示。
图1
STA1
STA2
AP
STA1
STA2
图2
STA1
SAT2
SAT3
SAT4
BSS1
DS
BSS2
AP
AP
图3
其中,ESS中的DS（分布式系统）就是一个抽象系统,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（MSDUdelivery）;
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:
Preamble
PLCP
MAC
UserData
CRC
表格1
preamble就是一个前导标识,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就是物理层的一些细节。
MAC层处理的就是帧数据,截取上图中MAC头开始的部分构成MAC帧格式如表格2所示。
2
2
6
6
6
2
6
2
0-23424
4
Frame
Control
Duraltion/ID
Address1
Address2
Address3
Sequence
Control
Address4
Qos
Control
Frame
Body
FCS
MACHeader
表格2
MACHeader（MAC头）:
FrameControl（帧控制域）,Duration/ID（持续时间/标识）,Address（地址域）,SequenceControl（序列控制域）、QoSControl（服务质量控制）;
FrameBody（帧体部分）:
包含信息根据帧的类型有所不同,主要封装的就是上层的数据单元,长度为0~2312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、2MACHeader
（1）FrameControl（帧控制域）格式如表格3所示。
Bit:
2
2
4
1
1
1
1
1
1
1
1
Protocol
Verson
Type
Subtype
ToDS
From
DS
More
Frag
Retry
Pwt
Mgt
More
Data
Protected
Frame
order
B0B1
B2B3
B4B7
B8
B9
B10
B11
B12
B13
B14
B15
表格3
●ProtocolVersion（协议版本）:
通常为0;
●Type（类型域）与Subtype（子类型域）:
共同指出帧的类型;
●ToDS:
表明该帧就是BSS向DS发送的帧;
●FromDS:
表明该帧就是DS向BSS发送的帧;
●MoreFrag:
用于说明长帧被分段的情况,就是否还有其它的帧;
●Retry（重传域）:
用于帧的重传,接收STA利用该域消除重传帧;
●PwrMgt（能量管理域）:
为1:
STA处于power_save模式,0:
处于active模式;
●MoreData（更多数据域）:
为1:
至少还有一个数据帧要发送给STA;
●ProtectedFrame:
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）:
表明该帧与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:
PowerSave-Poll的帧,该域表示了STA的连接身份（AID,AssociationIndentification）;
（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（Unicastaddress）、多播地址（Multicastaddress）、广播地址（Broadcastaddress）;
（4）SequenceControl（序列控制域）:
由代表MSDU（MACServerDataUnit）或者MMSDU（MACManagementServerDataUnit）的12位序列号（SequenceNumber）与表示MSDU与MMSDU的每一个片段的编号的4位片段号组成（FragmentNumber）。
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与正向确认、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:
用于在竞争期与非竞争期传输数据。
FrameControl（帧控制域）中的Type（类型域）与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与认证帧,管理帧的帧格式（Managementframeformat）如表格4所示。
2
2
6
6
6
2
0-2312
4
Frame
Control
Duraltion
Address1
（DA）
SA
BSSID
Sequence
Control
Frame
Body
FCS
MACHeader
表格4
在802、11中,比较重要的管理帧有:
◆Beacon（notify）
◆Probe（requestandresponse）
◆Authenticate（requestandresponse）
◆Associate（requestandresponse）
◆Reassociate（requestandresponse）
◆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RSNIE。
数据帧（DataHeader）帧格式如表格5所示。
2
2
6
6
6
2
6
2
0-23424
4
Frame
Control
Duraltion/ID
Address1
Address2
Address3
Sequence
Control
Address4
Qos
Control
Frame
Body
FCS
MACHeader
表格5
3、802、11帧的抓取
3、1软件的安装
（1）commViewforWIFI就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。
图5
（3）如图6所示显示的就是安装路径。
图6
（4）如图7所示表示软件安装成功。
图7
3、2802、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
（2）如图9所示表示安装插件成功。
图9
3、3数据包的抓取
使用这个软件抓到的都就是802、11的数据包,如图10,图11,图12所示显示的都就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就是位置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,最重要的就是位置2处显示了此包在802、11中的详细信息,比如协议版本,帧就是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处显示的就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处显示的就是十六进制的数据信息,这就是一个74位信息的数据帧。
ProtocolVersion,Type,Subtype的数据信息就就是前8位数据（[08020000]）,位置a显示的就是目的主机地址,位置b处显示的就是BSSID的信息,位置c处显示的就是源地址。
图11、图12所示的不同于图10所示的数据帧类型,但就是分析方法大同小异。
图10
图11
图12
4、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就是指由DEC,Intel与Xerox公司在1982年联合公布的一个标准,它就是当今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RFC894中定义,IEEE802、3网络的IP数据报文封装在RFC1042中定义。
标准规定:
a.主机必须能发送与接收采用RFC894（以太网）封装格式的分组;
b.主机应该能接收RFC1042（IEEE802、3）封装格式的分组;
c.主机可以发送采用RFC1042（IEEE802、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就是可以设置的,而且默认条件下必须就是RFC894（以太网）。
最常使用的封装格式就是RFC894定义的格式,俗称EthernetII或者EthernetDIX。
下面,我们就以EthernetII称呼RFC894定义的以太帧,以IEEE802、3称呼RFC1042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与帧开始符组成。
后面紧跟着一个以太网报头,以MAC地址说明目的地址与源地址。
帧的中部就是该帧负载的包含其她协议报头的数据包（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就是否出现损坏。
来自线路的二进制数据包称作一个帧。
从物理线路上瞧到的帧,除其她信息外,还可瞧到前导码与帧开始符。
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与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EthernetII帧,DIX帧,就是最常见的帧类型。
并通常直接被IP协议使用。
b.Novell的非标准IEEE802、3帧变种。
c.IEEE802、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IEEE802、1Q选项来确定它属于哪个VLAN以及她的IEEE802、1p优先级（QoS）。
这个封装由IEEE802、3ac定义并将帧大小从64字节扩充到1522字节（注:
不包含7个前导字节与1个字节的帧开始符以及12个帧间距字节）。
如表格6所示就是802、3帧结构。
Octets:
1
1
6
6
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
前导码与帧开始符:
一个帧以7个字节的前导码与1个字节的帧开始符作为帧的开始。
报头:
包含源地址与目标地址的MAC地址,以太类型字段与可选的用于说明VLAN成员关系与传输优先级的IEEE802、1QVLAN标签。
帧校验码:
帧校验码就是一个32位循环冗余校验码,以便验证帧数据就是否被损坏。
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就是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所示表示就是在软件上选取抓取以太网数据包。
图13
（2）EthernetII帧结构的分析。
如图14所示,这就是一个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,因而帧长就是68字节。
目的地址（DestinationAddress）为:
[ff、、、ff],源地址（SourceAddress）为:
[b8a3、、、1a];类型（Type）为:
[0x0800],表示该帧封装类型就是IP协议。
数据（Data）为:
[0001、、、0101],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）,可能就是抓到包时校验序列已经被底层去除。
图14
6、802、11与以太网对比
6、1802、11与以太网传输的对比
窗体顶端
802、3就是总线网协议,802、11就是无线网络协议。
她们只就是对网络架构的定义。
用不同的访问方法,与访问介质。
但就是传输数据的帧,也就就是传输层与网络层协议基本一致。
都就是TCP/IP/UDP协议。
如表格7所示就是IEEE802、11标准;表格8所示就是千兆以太网标准。
IEEE802、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/s
802、11a
物理层速率为54Mb/s
802、11g
最高可达54Mb/s
802、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8
6、2802、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,主要就是检查以太网帧的目的MAC地址,如果目标MAC地址与自身的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就是CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,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就是CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,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与源地址,还有第三个地址,这个地址就是ap的中继点。
指明远程端点。
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