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无线局域网网络协议分析与监测系统 摘要 随着无线局域网技术的发展与成熟，无线局域网产品已开始越来 越多地应用到校园、企业、机场、咖啡厅等公共场所，为人们提供高 速无线的i n t e r n e t 接入。但是，由于我国的无线局域网应用研究起步 较晚，如果沿用已有的国际标准，势必导致一些信息的安全问题，因 此我国制定了无线局域网鉴别和保密基础结构( w a p i ) ，以保卫国家 机密和信息安全。但是随着强制实施认证在去年宣布无限期推迟后， w a p i 中国无线局域网国家标准的实施将必然转入其他方式的合作或 其他方式的发展中。 本文为无线局域网的网络协议分析与监测提供了一种实用的方 案，并在中国普天集团一北京电话设备厂提供的开发环境下，实现了 无线局域网的网络分析与监测系统。 本文首先阐述了当前无线局域网国内外的发展状况、应用前景， 并介绍了无线局域网的关键技术，为无线局域网网络协议分析与监测 系统的设计提供理论支持和应用前景；其次，详细介绍了无线局域网 网络协议分析与监测系统的架构设计，分别介绍了无线局域网网络协 议分析与监测系统的系统环境，硬件组成以及软件结构：接下来，介 绍了检测型网卡的实现，深入研究无线局域网的相关标准及网络数据 截获技术，修改了底层协议栈，并在网络驱动和应用上嵌入s nif f e r 应用程序和控制程序，以完成对网卡的控制与数据报的截获；然后， 介绍了检测型网卡与主机控制端的通信和数据传输所使用的专用通 信协议，以此保证控制的有效性和数据传输的可靠性；再然后，根据 无线局域网的相关国际标准及国家标准，分析无线m a c 帧信息，并介 绍了主机控制端的控制实现、数据报处理、协议分析以及网络拓扑分 析，完成对无线局域网网络的监测； 最后，本文介绍了演示系统的搭建，操作运行以及演示结果，从 而验证了无线局域网网络协议分析与监测系统的设计。 关键词：无线局域网，无线局域网鉴别和保密基础结构，m a c ，s n i f f e r t h en e t w o r ka n a l y z i n ga n di n s p e c t i n g s y s t e mo fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) i sd e v e l o p e dm o r ea n dm o r e d e e p l y 一亿a n , l dr e c e n t l y , t h e l a n) d u c t s a p p l i e dtodeeply,and i sg r o w nu pr e c e n t l y , h ew p r o c t u c t sa r ep n e at o 一 r 一一 p u b l i cl o c a t i o n ，s u c h a sc a m p u s ，c o m p a n y , a i r d r o m e ，c o f f e eh o u s e ，e t c ， b e i n gt ：l e dh i l z hs p e e d d e s si n t e r n e ta s s e s s 一e r e a s d u et othebeing p r o v i d e dh i g hs p e e dw i r e l e s si n t e r n e ta s s e s s wn e r e a sa u et om e ， r e s e a r c ho fw l a n a p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r yi sl a t e rt h a ni e e e ，i f b e i n g c o n t i n u e dt ou s ee x i s t e di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，t h ep r o b l e mo fs e c u r i t y w i l lb eb r o u g h t ，s ow l a na u t h e n t i c a t i o na n dp r i v a c yi n f r a s t r u c t u r eh a s b e e ni n s t i t u t e db vc h i n ag o v e r n m e n tt op r o t e c tn a t i o n a ls e c u r i t ya n d i n f o r m a t i o ns a f e t y b u ti ti sd e l a y e dl a s ty e a rb ys o m er e a s o n ，啪io f t h ec h i n an a t i o n a ls t a n d a r ds h o u l db ec o n v e r t e dt oo t h e rc o r p o r a t i o na n d d e v e l o p m e n t a na p p l i e dp r o je c to fw l a nn e t w o r kp r o t o c o la n a l y z i n ga n d d e t e c t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，a n dt h es y s t e mo fw l a nn e t w o r k p r o t o c o la n a l y z i n ga n dd e t e c t i o nh a sb e e nb r o u g h ti n t or e a l i z a t i o ni nt h e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fb e i ji n gp & t t e l e p h o n ee q u i p m e n tf a c t o r y a tf i r s t ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n dt h ek e yt e c h n o l o g y o fw l a nh a v eb e e ne x p a t i a t e di nt h i sp a p e r ，s ot h et h e o r ys u p p o r ta n d a p p l i c a t i o no fw l a nn e t w o r kp r o t o c o la n a l y z i n ga n d d e t e c t i o na r e p r o v i d e d s e c o n d l y , t h e a r c h i t e c t u r eo fw l a nn e t w o r kp r o t o c o l a n a l v z i n ea n dd e t e c t i o ni sd e t a i l e d ，a n dt h ey s t e minmentanalyzing d e t a i l e d s y s t e me n v i r o n m e n t ， ， h a r d w a r ec o n s t i t u t e sa n ds o f t w a r ec o n s t r u c ta r ei n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r n e x t ，t h er e a l i z a t i o no fd e t e c t e dn e t w o r ka d a p t e ri sb ei n t r o d u c e d ，a n dt h e r e l a t e dw l a ns t a n d a r da n dt h et e c b a l o l o g yo fc a p t u r i n gn e t w o r kd a t a h a v eb e e na n a l y z e di nt h i sc h a p t e r ，t h ep r o t o c 0 1 s t a c ka n dn e t w o r kd r i v e r a r em o d i f i e d ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m so fs n i f f e ra n dc o m m a n d e ra r e e m b e d d e di n ，s ot h en e t w o r ka d a p t e rw i l lb ec o m m a n d e da n dd a t aw i l lb e c a p t u r e d a n dt h e nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h en e t w o r k a d a p t e r a n dp cc o m m a n d e rd a t at r a n s m i s s i o na n dc o m m a n da r e e s t a b l i s h e d ；s ov a l i d i t yo fc o m m a n da n dr e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni s g u a r a n t e e d a f t e r t h e n ，a c c o r d i n gt or e l a t e dw l a ns t a n d a r d ，t h em a c f r a m e si n f o r m a t i o ni s a n a l y z e d ，t h e r e a l i z a t i o no fc o m m a n d ，d a t a p r o d u c e d ，a n dp r o t o c o la n a l y z e d ，t h en e t w o r kt o p o l o g ya n a l y z e di nt h e p cc o m m a n d e ra r ed e s i g n e da n db r o u g h ti n t or e a l i z a t i o n ，s ot h ed e t e c t i o n o f ，l a ni sc o m p l e t e d a tl a s t ，t h eb u i l do fd e m os y s t e m ，o p e r a t i o na n dr e s u l to fd e m o n s t r a t o r a r ei n t r o d u c e d ，s ot h es y s t e mo f 、l a nn e t w o r kp r o t o c o la n a l y z i n ga n d d e t e c t i o nh a sb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a na u t h e n t i c a t i o n a n dp r i v a c yi n f r a s t r u c t u r e ，m a c ，s n i f f e r 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：址日期：塑! ! t 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名燃 日期：丛丝 日期：逝笪：主：堡2 无线局域嗍例络阱议分析与嗡测系统：1 匕京邮i u 人学顺? 卜学位沦文2 0 0 6 1 1 课题背景 第一章绪论 随着有线网络的广泛应用，以快捷高效，组嗍灵活为优势的无线嘲络技术也 在飞速发展。无线局域嗍( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，简称w l a n ) 是在有线网 的基础上发展起来的，是指以无线信道作传输媒介的计算机局域例络，是计算机 j 网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域例要求以无线方式相连的计算机之 间共享资源，具有现有网络操作系统( n o s ) 所支持的各种服务功能。计算机无 线联网常见的形式是把远程汁算机以无线方式连入一个计算机网络中，作为网络 中的一个节点，使之具有i 冽上工作站所具有的同样功能，获得网络上的所有月技务； 或把数个有线局域网和无线局域网联成一个区域i 冽；当然，也可用全无线方式构 成一个局域网或在一个局域i 冽中混合使用有线与无线方式。此时，以无线方式入 网的计算机将具有可移动性，在一定的区域移动而同时又随时与例络保持联系。 1 1 1 无线局域网的优点 无线局域网利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。主要有 以下一些优点： ( 1 ) 灵活移动性：无线网络可为用广提供实时的、移动性的i 叫络资源共享， 这是普通局域例无法达到的； ( 2 ) 安装简单、快速； ( 3 ) 运行成本低廉： ( 4 ) 可扩展性强：无线局域例可以配置成各科- 网络拓扑结构来满足多利，庶 ：i - i 和安装需要； ( 5 ) 便于维护，矛u 管：理h 。 无线局域例i 列络仂、议分析与。i l l 。, ；1 。j l 系统北京邮i = 乜人学顺= 卜学位论文2 0 0 6 1 1 2 无线局域网的应用 由于无线局域嘲使i 冽上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线 方式彳易实现的例络联通问题，它日前主要应用在以下几个领域： ( 1 ) 布线困难的场所：受地理环境影响的城市建筑群、学校校同i 跚、老建 筑或布线昂贵的江河湖泊、ii 区草原、港口码头等露天场所； ( 2 ) 变化频繁的环境：经常变更t 作地点和变更位置的销售商、生产商、 银行、各种售票代理点等； ( 3 ) 临时组建的刚络：大型会议、商业展览、建设t 地等场所需要临时组 建的局域恻； ( 4 ) 流动作业的场合：适合于野外勘测、实验、军事、公安的流动场所， 以及需要在流动时得到信息的医护人员、零售商等； ( 5 ) 家庭办公用户； 另外，无线局域嘲在资源共享、办公自动化、i 冽络教学、金融财经、医疗保 健、商业零售、生产制造和码头仓储等方面都有非常广阔的前景。 1 2 课题意义 无线局域i 冽采用公共的电磁波作为载体来传输数据信号，除了存在有线i 删络 的安全问题外，还存在无线嘲络数据信息容易被截获等安全隐患。无线局域例安 全技术的研究随着无线局域| 冽的发展和应用也得到了快速的发展。无线局域i 删安 全系统主要由认证、加密、w l a n 二部分组成： ( 1 ) 认证技术：通过i e e e 8 0 2 1 x ，e a p ，r a d i u s 协议验证信息的发送者 是合法的而彳 是冒充的，验证信息的完整性，是防一i i - 主动攻击的重要技术，对开 放环境中的各种信息系统的安全性有重要作用。 ( 2 ) 加密技术：应用对称密钥、公钥密码、密钏管理来隐蔽利保护需要保 护的信息。 ( 3 ) w l a n 技术：是计算机例络与无线通信技术相结合的产物，主要是研 究无线局域例的m a c 层和物理层，存m a c 层中实现m a c 地址过滤。 我睢i 的无线局域例j 隶7 j - - l ： 研究起步较晚，如果沿j 口已有的匪l 际标准，势必导致 j j 。电信息的攻个问题，f j , l 止- l ：我州制j 芷j 7 无线域州举刖利。仙：j 孛i 鲫鸭i 倦j ( w ap i ) ， 九线局域例例络 办议分析与。i i ；则1 1 系统 ：f 匕京邮l u 人学顺j 卜学位论文2 0 0 6 以保卫我国的国家机密和信息安全。但是随着强制实施认证在一去年四月份宣布无 限期推迟后，w a p i 中国无线局域i 列国家标准的实施将必然转入其他方式的合作 或其他方式的发展中，但无论怎样都是为了保护我国的信息安全和知识产权。 然而，国内大多数公刮都集中于无线局域l 列的应用层面上，对于i 捌络的分析 科l 监测还没有足够的重视，f l 前我国尚没有实施w a p i 对于无线局域l 例的i 冽络安 全和信息安全进行加强。鉴于此种情况，开发和研究对无线局域i 删进行i 冽络分析 和监测的相关产品和技术是非常有实际的意义的。 1 3 课题应用 开发和试验无线局域网网络分析和监测系统是有重要的实际意义的，对于 加强网络的信息安全，保证信息的稳定可靠传输，辅助管理网络资源等具有很强 的实用价值。w l a ni 列络分析与监测系统存在如下的应用环境： ( 1 ) 公司使用无线局域例的客户，可以方便刚络管理员对于本无线局域网 网络的分析与监测，合理的规范本公司的无线接入，对于外来的客户的接入实时 监测，避免入侵，导致机密外泄； ( 2 ) 各种报告会、论坛使用无线局域刚的场合，可以方便会场现场t 程师 对网络进行分析，如果有多个接入点和信道的无线局域网络，可以合理的指挥会 场人员或合理的安排接入点的数量并合理的分布接入点位置，二f 衡使用i 列络资 源，避免某个接入点过于拥挤或例络拥塞的情况发生； ( 3 ) 在加 _ 制造业使用无线局域i 冽的用广( 需首先存储i 删络设备名称、位 置表等基本信息，便于查找) ，对_ - j 二整个网络的无线接入实施监测，如果有某个 设备仪器或计算机控制台掉线可以迅速的找到故障机位置、地，点，实时监测，迅 速排除故障，避免生产受损。 1 4 课题研究内容 该课题来源- - j = 1 l 京陟邑电衍设备厂。无线局域例检测设备的项f i ，在参与该项 i 二l | 1 勺开发柑i 研究过程叶- ，独立的发汁了无线局域川例络分析与临测系统，实现协 无线局域mi 刎络叻、议分析与峪测系统北京邮l l = ! i 大学硕士学位论文2 0 0 6 议分析和删络监测。它用于对i e e e 8 0 2 11 标准终端和无线接入点的信号进行实 时的监测和分析，侦听2 4 g h z 无线d s s s 信号，分析其控制帧和状态帧，得到 需要的信息，然后进行处理，将分析结果直观的描述给用户。 ( 1 ) 熟悉i e e e8 0 2 11 以及i e e e8 0 2 3 、i e e e8 0 2 2 等协议，熟悉各种帧格 式，对i e e e8 0 2 1 1 各种帧( 控制帧、数据帧和管理帧) 进行分析； ( 2 ) 搭建无线局域i 删i 例络分析与监测系统环境，实现无线局域i 圳叫络分析 系统p c 控制端的软件设计，完成对检测型i 冽卡的控制及对各种信息帧的分析等 功能； ( 3 ) 统训分析结果，完成i 冽络的分析与监测功能。 九线局域川叫络队议分析与临测系统 第二章w l a n 网络协议分析与监测系统环境与总体设计 2 1 概述 无线局域i 删i 列络分析与监测系统t 作于无线局域i 叫例络环境中。系统硬件组 成主要有p c 端和无线检测型网卡两部分；软件部分主要包括两部分、两个操作 系统平台下的软件开发，无线检测型网卡部分完成数据的采集，p c 控制端部分 完成对检测型网卡的控制并对采集的数据报文进行解析。 2 2 系统环境 无线局域网网络分析与监测系统丁作与无线局域网网络环境中，故在该环境 中必须存在着无线局域i 冽射频信号，至少存在一个基本服务集。 系统以8 0 2 1 1 b 无线电接收机为主，将接收到的信号进行记录和分析，通过 i e e e 8 0 2 3 以太网协议向数据处理主机特定端口传送数据报文，该报文内容包括 监测到的符合i e e e 8 0 2 1 1 b 的无线电信号强度和有关无线i 列络数据报文( 密文或 明文，因无线i 叫络设置而异) 及其接收时间记录等信息、。系统结构如图2 1 所 7 k 。 图2 1 无线局域网网络协议分析与监；则系统环境 凰吵 凰=垦忆 旦弋凰弋 九线局域h l 叫络协议分析与阶测系统 北京岍u 人学硕士学盥i = 会文2 0 0 6 无线榆测型网卡可以设置其各项参数及其i p 地址，并可根据设定的信道 搜索并接收所有关于该信道频点的无线信号的信息。 2 3 检测型网卡硬件结构 系统硬件组成主要有p c 端和无线检测型列卡两部分。p c 端可以使用笔记 奉或p c 台式机；无线榆测型i 叫卡可以采用专用的无线接入点( a p ) 或l 删譬( s t a ) 。 它们之问使用i e e e8 0 23 以太l 冽进行连接。 p c 端接收数据并进行分析与处理，完成对该无线局域叫的分析与监测。 检测型无线刚 硬件结构上包括无线电射频、中频、基带处理、以太网物理 层控制、主控制器、电源管理等部分，如图22 所示。 主控制器采用a r m 内核的处理芯片，采用嵌入式l i n u x 操作系统完成较复 杂的数据接收和传输等功能。 2 4 系统软件结构 图2 2 检测型网卡硬件结构 软什部分主要包括两部分、两个操f ，f 系统、r 仑阳0 软f l7 t ：发，其结构体系如 图2 - 3 所j j 。 九线局域川例络队议分析与蚧测系统北京邮i u 人学顺十学位论文2 0 0 6 通信控翻主机 o v i n 2 0 0 0 ) 笋 l w i n d 。、v s 界曲 i 例络拓扑分析 统计信息管理卜1 p r o t 。c 。la n a l y z i n g | _ 一帧信息管理 e s 盂 图2 3 无线局域网j 网络协议分析与监测系统软件结构 其一，基于嵌入式l i n u x 土i 台的无线柃测型i 叫卡中的操作系统同件，该同件 中彳 仅包括u c l i n u x 的全部操作系统，同时在此基础上开发出u c l i n u x 的应用系 统软件。 其二，基于w i n d o 、，s 2 0 0 0 x p 的接口程序设计，该程序h | j 于上层应用程序与 例络砹备( 无线柃测型川卡) l 门交f 】和接l i ，埘管理指令干li 数据报文进行i f ：；f ：j 了， 无线局域例i 叫络f 办议分析与i il 1 7 讯- ：- j i 系统北京邮j l l 大学顺+ 学位论文2 0 0 6 实现用广对无线检测型l 捌卡的控制。 其二，作为实现控制和传输的基础，在主机( c l i e n t ) 和无线检测型i 叫卡 ( s e r v e r ) 两端之间的应用通信协议以及数据报文格式必须予以规划并确定，该 部分对于更高层的应用程序来说是刁 透明的，由c l i e n t 端的软件提供面l 曲更高层 应用的接口和调用。 另外，在w i n d o w s 操作二f 台下，设计w i n d o w s 界面程序，设计数据库及数 据分析与处理模块。数据分析与处理模块分析相关的控制帧和状态帧，获得要分 析和检测的无线局域例刚络的信息，并设训w i n d o w s 界面显示分析结果。 九线局域例例络队议分析与临测系统 3 1 概述 第三章网卡端无线数据的获取 检测型刚卡端的实现主要是在于两部分，一是m a c 的实现，另外就是在网 络驱动和应用上嵌入s n i f f e r 应用程序，以截获数据报文。m a c 实现时主要功能 更改有两个，一个是禁止发送数据报功能，另外就是在数据通路上修改m a c 地 址过滤的功能；网络驱动修改主要是设置无线检测型网卡的n t 作模式，配合 s n i f f e r 模块工作，截获数据并将其存储在相应的内存区域。 3 2m a c 的实现 3 2 1ie e e8 0 2 1 1 的逻辑结构 无线局域例的关键技术就在于它的物理层( p h y ) 和数据链路层的媒体访问 控制子层( m a c ) ，其基本参考模型如图3 1 所示： m a cs a p 数据m a c 子层+ 缫卜一 链路层 p h ys a p # * n h w w m h # # l j l j 蔓暖嚣蕊嚣蟊蠹蠹勰 嗤翟盘盟瞄鹫盎毪幽 理实体 p l c p 子层+ p m ds a p 管理实体 n l83 叫瞪p 物理层 咽匿整匿露蛩_ 一 p m d 子层十 图3 1w l anm a c 和p i t ) 7 参考模型 图中描述了w l a n 的m a c 子层和p h y 层的参考模型，它遵循o s i 七层模 型的物理层科i 数据链路层协议： ( 1 ) 层与层之问通过服务核入，。、1 i ( s ap ) 通信： 无线局域网i 叫络协议分析与豁测系统北京邮t 乜火学倾十学位论文2 0 0 6 ( 2 ) m a c 层和p h y 层包含管理实体，叫做m a c 子层管理和p h y 子层管 理实体( m l m e 和p l m e ) ，这些实体提供层管理j j | 支务接口，通过这些接口层 管理函数 功能 将被引用； ( 3 ) 为了提供正确的m a c 操作，每一个s t a 必须存在一个站管理实体 ( s m e ) ，s m e 是一个彳、= 依赖于层的实体。总体上说，s m e 的主要功能是负责 从各种层管理实体中收集层依赖状态，以及设置层的特别参数的值。另外，s m e 还能实现关于一般系统管理实体方面的功能和标准的管理协议。 3 2 1 1 物理层 物理层是协议中的最底层，用来保证通信信道上传输正确的原始比特流，建 立、维持和释放数据链路实体间的连接。色分为两个层：物理汇聚子层p l c p 和 物理媒体相关子层p m d 。 物理层会聚( p l c p ，p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 子层，该模块把 i e e e8 0 2 11m a c 子层协议数据包( m p d u ，m a cs u b l a y e rp r o t o c o ld a t au n i t s ) 映射成适合在两个或多个站点的对等p m d 系统之间传送的用户数据利管理信 息。p l c p 是连接m a c 与p h y 之间的桥梁，负责对数据进行必要的处理，便于 数据在m a c 层和p m d 层之间传输； 物理介质依赖( p m d ，p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层。该模块定义了在 两个或多个站点之间通过无线介质发送或接收数据的特性。p m d 层直接与物理 媒体接口，是无线收发信机。p m d 层根据介质( 红外线、空气) 的特点，采用 彳 同的调制方式和速率来保障通信链路的连通。 在p h y 层，扩频技术是数据传输的关键技术。发送的信息被展宽到一个比 信息带宽宽得多的频带上去，接收端通过相关接收将其恢复到原信息带宽，使得 信息具有很强的抗t 扰能力，可以进行多址通信，安全保密性好。i e e e 8 0 2 11 w l a n 主要采用两种扩频方式：直接序列扩频d s s s ，跳频扩频f h s s ，规定其 t 作频段为2 4 g h z 】s m 频段。 d s s s 是指用高速伪噪声码序列与信息码序列模2 加( 或波开相乘) 后的复 合码序列太控制载波的相位而获得的信号。f h s s 是指信息的载波受一伪随机序 列的控制，1 断随机跳变，即载波拔一定规律变化的多频频移键控，虽然布某+ | l 寸亥i j 捌n 足彳j 引：i ，i j ，一f i - 【z f2 磐个l 卜| i _ i j fj 、j ，划i 步贞系纺i ，i4 羟个判滢i 圳i 变足宽荫? i i i 勺， 九线局域例i , x j 络协议分析与舱测系统 北京邮i u 人学顺? 卜学位沦文2 0 0 6 而达到了扩频的i 二i 的。d s s s 与f h s s 各有利弊。在抗衰落等方面d s s s 优于 f h s s ；而f h s s 则在抗远近效廊上优于d s s s 。为了弥补单一扩频方式的缺陷， 可以将两者结合起来，采用f h d s 方式，从而达到提高性能，降低成本的f - i 标。 在实际应用中应根据需要，综合考虑，选择最优的扩频方式。 3 2 1 2 m a o 子层 数据链路层的基本任务就是激活、保持和拆除数据链路，以及对数据进行检 错和纠错，为l 捌络层提供无差错的通信服务。数据链路层最重要的功能之一是介 质访问控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) ，介质访问控制的内容可以映射为两 部分：m a c 子层协议控制单元( m a cs u b l a y e r ) 和im a c 子层管理实体( m a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 。 m a c 子层协议控制单元用于激活数据链路。在发送数据时，负责数据的分 片和激活物理层的发送电路，按某种规则从l l c 层接收数据，然后执行媒体访 问规程，查看网络，如果可以发送，就给数据加上控制信息形成帧，送往物理层； 在接收数据时，从物理层接收到数据帧，并检查数据帧中的控制信息，判断是否 发生传输错误，将正确的数据太掉控制信息后送至l l c 层。数据链路层中对应 的传输单元是帧，m a c 将数据封装在刁 同的帧中发送，并处理接收端送回的确 认帧。另外，还提供流量控制的功能。 m a c 子层管理实体则用来实现对m a c 子层协议控制单元的管理，通常用 来负责与l 列络的同步和连接，也用于负责系统的功率管理。该层通过m a c 子层 管理实体月陵务接入点( m l m es a p ) 和站点管理实体取得联系，通过m a c 子层 及物理层管理实体服务接入点( m l m ep l m es a p ) 从物理层管理实体中获取 必要的信息。 m a c 子层的功能结构如图3 2 所示。其中，d c f 是无线i 列络对共享媒体 的一种访问控制功能，其核心是c s m a c a ，包括载波榆测( c s ) 机制、帧间间 隔( i f s ) 和随机退避( i a n d o mb a c k o r 0 规程。对i e e e8 0 2 11 而言，网络中所有 的终端要发送数据时，都要按照c s m a c a 的媒体访问方法接入共享媒体，也就 是说需要发送数据的终端甬先要化测i 媒体，以便知道是台有其它终端工 在发送。 如果媒体1 忙：，则可以进行发送处理，但_ 是弓l 发送数据帧，而是f ：l - ic s ma c a 分布鳞法，i 虽铜j i _ - i ! 地# 褂l i , l 并乖i 数 ：j 1 1 | | j 14 乍i 、v jh - l 。m 司l 辅；( 1f s ) ，i _ 、1z i 亥乡：錾i 帅贞廖刊抛 无线局域网l 列络阱议分析与盼测系统 北京邮1 1 1 人学颁十学位论文2 0 0 6 定的i f s 内媒体一直是空闲的方可发送。如检测到媒体正在传送数据，则该终端 将推迟竞争媒体，一直延迟到现行的传输结束为止。在延迟之后，该终端要经过 一个随机退避时间重新竞争对媒体的使用权。 图3 2ie e e8 0 2 11 的m a c 层的基本结构 c s m a c a 的基础是载波侦听，i e e e8 0 2 11 根据w l a n 的媒体特点提出了 两种载波检测方法。一种是基于物理层的载波检测c s ，从接收射频或天线信号 检测信号能量或根据接收信号的质量来估训信道的忙闲状态；另一种是虚拟c s 方式，通过m a c 报头或r t s c t s 中的n a v 来实现。只要其中之一指示媒体正 在被使用，媒体就被认为已处于忙状态。 以c s m a c a 为基础的分布协调功能( d c f ) 是m a c 的基本访问方式，d c f 只能提供竞争型的异步业务，对数据传输的延时较大。为了能提供限时月砹务， m a c 协议还提供了一种刁 t 可按需选择的点协调功能p c f 的 访问方式。p c f 建立在d c f 基础上，由b s s 内接入点a p 的中心控制器来决定 当前哪一个站有权发送数据。p c f 通过d c f 以较高的优先级来竞争媒体，访问 媒体的优先级别是以4 同的i f s 的长短来决定的。p c f 用较短的p 1 f s ，使p c f 的业务优先访问媒体。p c f 彳 象d c f 那样，每个终端用c c a ( c l e a rc h a n n e l a s s e s s m e n t ) 科i 随机退避来竞争信道，而是点协调器用信标帧b f ( b e a c o nf r a m e ) 定义无竞争期c f p 来获得信道，b f 是以一定规则间隔发送的定时信息帧。b s s 内的所有终端在每一个c f p 的开始，设置它们的i 刨络配置矢量n a v ，告诉所有 的终端在该n a v 内要延迟接入媒体。t 作在p c f 的b s sr - i 的所有终钠：m 钏- n r tg h - , 匕p 接收 到p c f 控制下发送来的所有的帧，也能够对，岍协调器发送的尢竞争轮询c f p o l l 作_ 州0 、v 。被轮询兰a 仑- i 狮 - i i - 川- ：cp f 内1 使h jk i - s c t s ，。已，li 发送。个1j 丛任似 i 的 九线局域l 叫h 络协议分析与舱测系统 ： 匕京邮1 1 1 人学硕_ 卜学位论文2 0 0 6 终端的m s d u ，且可以接收到来白下一帧的确认应答。如果数据帧彳 被应答， 则c f p o l l a b l e 终端将一 蕈发该帧，除非它再一次被点协调器轮询或它决定在竞 争期间重发。同样，点协调器也彳 对未确认帧进行重发，它在下一个c f p 内根 据注明在轮询表表头的终端识别号s i d 重发未廊答的帧。 如果一个c f 发送帧的日的终端彳 处于无竞争轮询状态，则该终端按d c f 应答规则虑答此次发送，且点协调器在恢复c f 发送之前要等待一个p i f s ，再控 制媒体。点协调器可单独使用无竞争帧il , jb s s 内的终端发送，无需询问。由于 p c f 具有优先接入媒体的优势，点协调器可在媒体空闲时占有媒体，进入无竞争 期，采用轮询方式在b s s 内各站来发送数据帧。因此，p c f 具有较小的延迟， 能促进i 浏络吞吐量最佳化，更好的支持无竞争的限时业务，如语音、话音、视频 或多媒体业务等。 3 2 2m a c 的实现 无线局域例例络协议分析与监测系统的网卡部分采用的是科胜( c o n e x a n t ) 的无线局域l 列套片方案，由于例卡仅仅是个无线接收机，故在m a c 的实现中主 要要考虑以下问题： ( 1 ) 禁止发送数据的机制； ( 2 ) 能够接收当前频点的所有信息。 m v c 是芯片扩展的基本外部固件，是事件驱动的硬件接口实体，它封装了 j 高片的接口，提供一系列的系统设备，m v c 接口是a r m 协处理器的模式，m v c 驻留在一个已知的，保留的内存区，相对于操作系统是彳 透明的，模糊的。m v c 通过s o f l l r q 向系统通知各种事件发生，如接收数据帧等。 c o n e x a n t 将m a c 层数据编码解码与物理层的调制解调等代码封装于 m v cf i r m a r e ，在m v c 中完成数据m a c 功能，同时能够完成p h y 的功能，驱 动硬件接口，发送和接收数据。m v c 在内存中的结构如l - q3 3 ： 无线局域网网络协议分析与i a 优, 澌h 。l 系统：f 匕京邮i b 人学顺= = 学位论文2 0 0 6 3 2 2 1 w c 的基本结构 _ = 管0 o t c d eb l j g 盼蔓 。 e x l e n 翻b l r t 踟啪l m v c rstb _ ，r 瓒1 1 b a o c 2 5 6 k m v c 会直接响应来自d m a 控制器、r t c 、g p i o 以及各串行数据端口的中 断以及快速中断请求，并检测g p i o 、r t c 以及相关的寄存器、数据和系统变量 的状态和值，根据i e e e 8 0 2 1 1 的p h y 和m a c 层的状态机控制系统的运转，对 接收到的数据包以及准备发出的数据包进行校验、核查以及存储和传输。作为一 个中间层的代码段，m v c 可以将物理层和绝大多数的m a c 层操作封装成简单 的接口，通过该接口操作系统可实施对物理层的控制以及对m a c 层数据的接收 利发送。 m v c 中包含以下几类代码： ( 1 ) p h y 层代码。p h y 层代码包括w l a n 以及e t h 两个设备的物理层控 制功能，这些代码主要是面旺i j 底层的接口控制。 ( 2 ) m a c 层代码。m a c 层代码中实现了w l a n 和e t h 设备的m a c 功 能，对帧数据进行过滤、传输、重组和管理。这部分代码相对复杂，涉及帧数据 的队列矛u 内存管：理。 ( 3 ) v i r t u a lc o p r o c e s s o r 接l i 代码。该部分代码提供给操作系统系列悯用 m a c 功能、实现p h y 控制的接i l l ，足对所订硬件接【啸im a c 功能的土j z - 寸装。 九线局域l 叫例络协、议分析与i 。l l 圳, 。1 系统 北京邮l u 人学f 页十学位论文2 0 0 6 m v c 所l - 彳空间为5 3 k b 。一甬先由b o o t l o a d e r 按m a g i c ( 4 宁节) 寻找并定位 m v c 在f l a s h 中的位置，根据紧随m a g i c 之后的指令执行相应代码，该代码 段的功能是将距离m v c 甬地址偏移量为0 x 2 0 0 及其后的代码复制到r a m 的起 始地址0 x 0 8 0 0 0 0 0 0 的地址下，并对r a m 进行系统配置，配置内容主要包括代 码段和数据段的保护以及i - c a c h 与d c a c h 的刷写和锁定。 m v c 为w l a n ( d o t l1 ) 设备提供二类( 四个) 帧缓冲区，包括f r a m er x 、 f l a m ea d d 、f l a m er e t u m 二类，其缓冲区分别位于地址0 x 0 8 0 0 d 8 8 c 、0 x 0 8 0 3 7 8 0 0 、 0 x 0 8 0 3 7 8 3 0 和0 x 0 8 0 3 7 8 6 0 。其中f l a m er e t u r n 拥有两个缓冲区( 0 x 0 8 0 3 7 8 3 0 和 0 x 0 8 0 3 7 8 6 0 ) ，其中0 x 0 8 0 3 7 8 3 0 一般为接收数据处理过程所使用，而0 x 0 8 0 3 7 8 6 0 一般为发送过程所使用。这些帧缓冲区的初始化过程在d o t l1s t a r t 代码段( 地址 0 x 0 8 0 0 9 6 6 4 ) 中完成。 3 2 2 2 w c 的调用与实现 操作系统通过驱动程序( f i r m w a r e o s u c l i n u x k e m e l d r i v e r s n e t p r i s m e t h c ) 中的d e v h a n d l e _ r e q s ( ) 处理由m v c 产生的s o f t l r q 中断，调用d e v _ f r a m e r x ( ) 统一接收来自网络设备的数据报文。 r e t t l l i l ( m s g f i a m e 宰) 图3 4d ol11 一fr a i l l e l x ( ) 运行过程 d o t l1 一f r a m e 1 x ( ) 运行过程如图3 - - 4 所不。d o t l1 一f i a m e r x ( ) 通过对 d e a l r e q f r a l l l e s ( ) ，d e f i l a g m e n t ( ) w e p a c c e p t ( ) 羽i 氏s a c c e p t ( ) f i 勺川负jf i l i i j ) t j ， 无线局域i 列i 侧络协议分析与临测系统 北京邮i u 人学