（计算机应用技术专业论文）集成有iapp协议的hostap研究与实现.pdf

摘要 无线局域网在过去的几年里得到了很大的发展。i e e e 8 0 211 作为无线局域网的标准， 应用非常广泛。但是i e e e 8 0 2 1 l 没有规范移动站在a p 间漫游的标准，这在很大的程度上 限制了无线局域网的发展。 一些厂商制定了自己私有的漫游协议，使移动站能在该厂商自己的a p 间漫游，但未解 决不同厂商的a p 间漫游问题。 l a p p 作为一个a p 间的标准通信协议。可以解决移动站在不同厂商的a p 间漫游的问题。 这是对i e e e 8 0 2 11 的一个补充和提高， 作者在深入研究i e e e 8 0 21 1 标准、i e e e 8 0 21 1 f 标准和p r i s m 驱动程序员手册的基础 上并且吸取了前人研究h o s t a p 的成果，设计了一个具有漫游功能的h o s t a p 的体系结构。 该a p 不仅能把移动站接入网络，而且，在由该a p 组成的e s s 网络里，移动站可以从一个 b s s 中漫游到另一个b s s 中。 论文从p c m c i a 设备驱动程序的基本方法( m e t h o d ) 、和硬件直接交互以及n e td e v i c e 结 构中的基本方法等方面阐述了编写无线网卡驱动程序的一般方法。详细论述了该h o a t a p 实 现的重要技术细节。 论文撰写中，作者通过研读文献深入研究网络协议栈中的数据链路层以及数据链路层 切换的原理。找到了在无线网卡驱动程序和i e e e 8 0 21 1 提供的服务的基础上实现l a p p 协议 的切入点，实现了l a p p 协议，经过实验验证，证明该实现是正确可行的。 在h o s t a p 中实现i a p p 协议是作者的创新点。 关键字：无线局域网、l a p p 、i e e e 8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 i f 、p c m c i a 、漫游、设备驱动 、 a b s t r a c t i nt 1 1 el a s tf e wy e a r s ，t h ew l a n t e c h n i q u e sw e r eg r e a t l yi m p r o v e d a st l l em a j o r s t a n d a r do fw l p n ，t h ei e e e8 0 2 1 1s t a n d a r dh a sb e e nw i d e l ya d a p t e d b u tt h e s t a n d a r dd o e sn o ts p e c i f yh o wt h em o b i l es t a t i o nr o a m sb e t w e e na p s ，b r i n g i n gt h e d i f f i c u l t y t o d e p l o yl a r g e - s c a l et o p o l o g i c a ln e t w o r k i np r a c t i c a ld e p l o y , s o m e m a n u f a c t u r e r si n t r o d u c e dt h e i rp r i v a t ep r o t o c o l sf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p s a st h er e s u l t ，t h em o b i l es t a t i o n sc a r lr o a l nb e t w e e nt h ea p sc o m i n gf r o mt h es a m e m a n u f a c t u r e r , b u ts t i l lc a n n o tr o a l nb e t w e e nt h ea p sc o m i n gf r o md i f f e r e n t m a n u f a c t u r e r s i no r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m ，a no p e np r o t o c o li sn e e d e dt o r e g u l a t et h e p r o c e d u r e sf o rt h ea p st oe x c h a n g et h er o a m i n gr e l a t e di n f o r m a t i o na n dt h er o a m i n g s e r v i c ec a nb ep r o v i d e dt om o b i l es t a t i o n su n d e ra n ya p sw h i c hi m p l e m e n t e dt h i s p r o t o c 0 1 w ec a l lt h i sp r o t o c o la si a p p i n t e ra c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 t h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do nt h ei m p l e m e n t a t i o no fl a p pp r o t o c 0 1 i tp r e s e n t s t h ed e t a i l so fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fah o s t a p 、i mi a p pf u n c t i o n a l i t i e s t h eh o s t a pi si m p l e m e n t e du n d e rl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，a n dr u f f sc o r r e c t l y k e y w o r d s ：w i r e l e s sl a n ，l a p p ，i e e e 8 0 2 1 1 ，1 e e e s 0 2 i i f ，p c m c i a ，r o a m i n g d e v i c ed r i v e r v 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 第一章引言 1 1 无线局域网发展现状 无线局域网作为有线网的无线延伸，取得了令人瞩目的发展。在因特网的应用中，它把 丰富的信息资源和人们移动性的生活习惯有机地结合起来，极大地方便了人们现代生活对信 息的需要。无线局域网具有高速、组网方便、可移动性等特点，并且在特定环境中能达到有 线网络不能达到的联网要求。 在过去的十几年里，无线局域网飞速发展。现在它正保持这种良好的势头。据国际数据 公司( i d c ) 预测，今后五年，无线局域网市场每年将增长2 9 ，g a r t n e rd a t e q u e s t 公司全 球电信和网络集团首席分析师a n d yr o l f e 说，w l a n 市场一直到2 0 0 7 年都会持续这种健康 增长的发展趋势。g a r t n e rd a t e q u e s t 公司预计，2 0 0 3 年低，在专业移动p c 中安装w l a n 的 普及率将从2 0 0 2 年的9 飙升到5 0 。而且到2 0 0 7 年这个比率将会超过9 0 届时w l a n 将在全球得到普及。 1 2 无线局域网研究现状 i e e e 8 0 2 1i 已经成为无线局域网的事实标准。但是i e e e 8 0 2 1 1 还不够完善。i e e e 工 作组正在在服务质量、安全和漫游等方面对它进行了增强和完善。 1 2 1 服务质量 服务质量意味着具有最小的抖动、稳定的位率、延时恒定。 i e e e s 0 2 1i 的m a c 层采用的是c s m a c a 机制。它缺少服务质量的考虑。所以在多媒 体应用中。i e e e s 0 2 1 l 传输速率的不一致导致服务质量低下。i e e e 8 0 2 1 1 e 提供了可靠的服 务质量和更有效的错误检测方法。它采用了下面的通信技术，增强了m a c 层的效率。 时间调度：为用户数据的传输分配时间。 查询；触发用户( 移动站) 数据的传输。 1 2 _ 2 安全 w l a n 的安全分为三个部分：认证机制、认证算法、和数据帧加密。i e e e 标准组正在 制定一个克服w e p 缺陷的替代方案i e e e s 0 2 1 1 l 。而i e e e 8 0 2 1 x 规范了一个基于端口的认 证机制。 i e e e 8 0 2 1 x 帧被当作一个认证消息的载体；当移动用户要建立一个无线连接，它在 8 0 2 1 x 帧中发送一个认证消息给a p ，a p 转发该帧给认证服务器。认证服务器把认证结果 集成有l a p p 协议的h o s l a p 研究与实现 回送给a p 。i e e e 8 0 2 1 x 有一个内建的密钥管理协议，它能移动态的发布w e p 密钥。a p 使 用这个功能周期性的发送新的密钥给移动用户移动用户用它在以后的数据传输中进行加密 和解密。 另一个加密标准i e e e 8 0 2 1 1 i 正在开发，称之为a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 。 它是w e p 的替代方案。i e e e 8 0 2 1l i 集成了一个新的加密算法和认证机制。a e s 标准依赖 于r i j n d a e l 对称密钥算法，它支持1 2 8 位、1 9 2 位和2 5 6 位密钥长度。 1 2 3 漫游 移动性是无线局域网飞速发展的关键的因素。移动性意味着用户可以随时随地访问网络 资源而不受网线的束缚。基于l p 的漫游有两种类型： 在子网中的漫游。 跨越子网的漫游。 l a p p ( i n t e r a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 正有趋势成为在子网中漫游的标准。l a p p 协议是a p 间的通信协议。有了l a p p 协议，意味着移动用户可以自由地从子网中的一个b s s 中漫游到 子网中的另一个b s s 中而不会中断和子网的连接。更重要的是，i a p p 可以消除不同厂商的 产品的不兼容性。 m o b i l ei p 是跨越子网的漫游标准。当移动用户漫游跨越子网时，m o b i l ei p 协议能使数 据透明的传送给移动用户。在m o b i l ei p 中，家乡代理、外地代理等决定了移动用户的当前 位置。 1 3 本文的主要研究工作和本文的组织 基于i e e e 8 0 2 i1 b 标准的无线服务的普及以及无线联网节点的迅速增加，如何实现移动 用户在不同厂商的网络中自由漫游，目前已经逐渐成为业内关注的焦点。目前，一家a p 制 造商的用户不仅很难使用另一家a p 制造商的联网节点，而且服务费用也极为高昂，所以这 成为了制约无线局域网发展的瓶劲。为了实现移动用户能在不同a p 制造商的子网中自由漫 游，i e e e s 0 2 1 1t g f ( t a s kg r o u pf ) 正在开发i a p p 。该协议目前还是一个草案，它正在不断发 展和完善中。实现该协议具有很大的意义。 本文研究的焦点是如何在l i n u x 环境中实现集成有i a p p 协议的h o s t a p 。为什么选用 l i n u x 作为开友环境。我们知道，l i n u x 是开放源代码的操作系统。我们可以任意添加和修 改内核模块从而使系统满足我们的要求。l i n u x 已经成为了主流操作系统之一，在l i n u x 系 统中实现h o s t a p 对今后的进一步研究具有很大的意义。 本文深入地剖析了1 e e e s 0 2 i l b 规范，数据链路层切换过程和l a p p 协议，并对l i n u x 设备驱动和p r i s m 2 芯片组作了深入的研究，在此基础上深入地剖析了无线网卡驱动程序， 实现了一个低级别的l a p p 协议( 只实现了l a p p 协议最基本的功能) 。i e e e 8 0 2 1 1 b 是无线 局域网物理层和m a c 层规范，它的基本功能已经在无线网卡中实现了。如何根据p r i s m 驱动程序员手册在l i n u x 系统中编写无线网卡驱动，并在此基础上实现a p 的功能是本文的 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 一个重点。l a p p 协议是在i e e e 8 0 2 1 1 规范基础上的一个协议它的实现离不开i e e e 8 0 2 1 l 提供的功能。在无线网卡驱动的基础上实现i a p p 协议是本文研究的另一个重点。据我所知， 还没有人研究在h o s t a p 中如何实现l a p p 协议。因此，它是本文的一个创新尝试。 本文的第一章阐述了无线局域网的发展和研究现状。并说明了当前无线局域网存在的问 题，本文的研究动机和研究的意义。第二章、第三章、第四章、第五章、第六章和第七章是 本文的重点。第二章简要阐述了无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 b 规范。第三章阐述了无线局域网数 据链路层的切换过程，它是实现l a p p 协议的基础。第四章剖析了i a p p 协议草案。第五章 提出了l i n u x 环境中集成有i a p p 协议的h o s t a p 的总体设计方案，井从组织结构和功能结 构等方面进行了分析。第六章详细地阐述了h o s t a p 中的驱动程序模块的具体实现。第七章 详细地阐述了h o s t a p 中的i a p p 协议的具体实现。第八章是对本文的总结，指出了其中一 些不足的地方以及今后如何对这些地方进行提高和改进提出了一些建议。 集成有i a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 第二章无线局域网简介 本章主要论述了无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 标准。着重论述了i e e e s 0 2 1 1 协议栈、体系结 构、i e e e 8 0 2 11 服务以及编写p r j s m 2 无线网卡驱动程序所涉及到的帧结构。还简单的介 绍了i e e e 8 0 2 1i 的能量管理。 2 1 协议栈 i e e e 8 0 2 1 1 定义了无线局域网m a c 层和物理层规范。m a c 规范的是独立于物理媒质的规 程。在无线局域网中，m a c 层采用类似以太网的c s 雌c a 机制。p h y 提供实质的信号功能和 如何访阃物理介质。物理层独立于i o c 当薪的频带或新的调制技术出现了的时候便于网络的 升级。i e e e s 0 2 1 1 协议栈如图2 1 所示。它对应于o s i 模型中的物理层和数据链路层中的 m a c 子层。 图2 1 协议栈 2 1 1 物理层技术 i e e e 8 0 2 1 1 提供了三种物理层技术：d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 、f h s s ( f r e q u e n c yh o p p e ds p r e a ds p e c t r u m ) 和i r ( i n f r a r e d ) 。事实上i r 技术基本上没有被 采用。只有前两种得到了广泛应用。d s s s 技术可能是一种最被广泛应用的技术。使用连续 的2 2 m 带宽的宽频带，数据速率从l 枷o p s 、2 i b p s 、5 5 m b p s 到1 i m b p s 不等。d s s s 将待发送 的信息用伪随机码扩展到很宽的频带上去，在接收端用相同的伪随机码对接收到的信号进行 相关的处理，恢复出原始信息。f h s s 技术是在一个频带上发送完一段较短的信息后，跳转 到另一个频带上，在一段时间内跳转完所有的频带后，再开始另个跳转周期。 2 1 2m a c 子层技术 i e e e s 0 2 1 1 姒c 子层的基本访问方法是d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n t i o n ，并 在此基础上补充了p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n t i o n ) 。它的体系结构如图2 2 2 。 4 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 图2 2 姒c 结构 0 c f ( d is t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n t i o n ) ： m a c 子层控制对物理媒质的访问。i e e e 8 0 2 1 1 的基本访问方法是d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n t i o n ) 。d c f 采用了载波多路访问冲突避免技术( c s m a c a ) 。这个技术类 似于以太网标准i e e e 8 0 2 3 中的c s m a i c d 。 c s m a c a 工作过程如下( 参考图2 3 ) ：移动站感知媒质是否空闲，如果空闲，他就发送 数据：否则，它就等待其它移动站发送完毕。然后进入随机退避过程。这就防止当前一个移 动站发送完毕后，多个移动站同时抢占信道。和以太网的区别在于发送节点在遇到冲突之前 就已经开始退避了，以太网是检溯到冲突之后才开始退避。参考图2 3 2 ，我们可以从图 中看 i m 阴摹哪哪哪丌 阳d i 甩 翻f 8 u - 一一一m 一 w i l - _ ，啊 d i f 8 随 1r 8 i f 8 蜘耐啪翩， l n o x t f r a m e鼬呵哪帅 h i - l8 h m m 日 - | 晰 嘲 8 e l e ds b tm dd e m m e n t 阻d 哪缸咖 图2 3c d m a c a 出在帧间有一个短的时间间隔，叫做i p s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 。有三种i f s ：s i p s 、p i f s 和d i p s 。s i f s ( s h o r ti f s ) 时间最短，用在a c k 、c t s 等帧前，说明这些帧的优先级最高。 其次是p i p s 。它被在p c f 方式下工作的移动站用于传送数据帧和管理帧。d i p s 时间最长， 它被在d c f 方式下工作的移动站用于传送数据帧和管理帧。p c f 方式下工作的移动站比d c f 方式下工作的移动站的优先级高。 上述的方法依赖于该移动站能感知b s s 中所有其它移动站发出的信号。这个方法称为 物理载波帧听。b s s 中每一个移动站能帧听到所有其它移动站这个假设通常是不成立的。参 考图2 4 ，a p 在范围r t s - r a n g e 区域内，但是移动站b 不在这个范围之内。移动站b 帧听不 到移动站a 的信号，这样冲突的可能性就大大增加了这种情况称之为隐藏节点。 为了解决这个问题，标准中引入了另一种载波帧听机制一虚拟载波机制。称为使用 集成有i a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 c t s r t s 。参考图2 4 ，移动站a 发送一个一个r t s 帧给a p ，此帧不会被移动站b 侦听到。 r t s 帧包含一个d u r a t i o n i d 域，该域说明媒质应该为接下来的数据发送保留一段时间。所 有侦听到r t s 帧的移动站把这个时间保留信息存在n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 中。 一接收到r t s ，a p 就发送一个c t s 帧来响应，c t s 中包含有d u r a t i o n i d 域。虽然移动 站b 没有帧听到r t s ，但是它帧听到了c t s ，同样它会更新它的n a v 。这样即使一些节点 对于其它移动站来说是隐藏的，也可以避免冲突。 图2 4 虚拟载波机制 p c p ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n t i o n ) ： 如上面所说。i ) c f 是i e e f 陷0 2 1 1 的基本的媒质访问方法，对于所有的移动站来说，它 是必须的。另一个可选的方法是p c p ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n t i o n ) 。它是作为i ) c f 的补 充。在这种方式下，由a p 来控制移动站的数据发送，不存在竞争信道。 p 查询移动站是否 有数据要发送，如果有移动站就发送一个数据帧。每一个移动站都能在这种方式下正确工 作才能保证整个系统正常工作。p c f 可以和d c f 一起使用，在一段时间问隔内，前一部分使 用p c f 方式，后一部分使用d c f 方式。 2 2i e e e s 0 2 1 1 的体系结构 i e e e 8 0 2 1 1 是一种基于蜂窝状的体系结构，整个系统被分为一个一个的蜂窝。每个蜂 窝由一个a p 来控制。无线局域网的构造有三种不同的方法：a d h o c 和两种i n f r a s t r u c t u r e 。 2 2 1a h - h o c 网络 a d h o c 网络中没有a p ( 如图2 5 ) ，移动站通过无线接口点对点直接互相通信。a d - h o c 网络至少需要两个移动站。这种构造方式在某些特殊的场合下使用，但是它们不能接入有线 网络，所以应用不是根广。 图2 5a d h o c 网络 6 集成有l a p p 协议的h o s u k p 研究与实现 2 2 2i n f r a s t r u c t u r e 网络 在i n f r a s t r u c t u r e 网络中至少有一个接入有线网络的a p 以及许多由a p 控制的无线终 端设备。当网络中只有一个a p 时，称这个无线局域网为b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ( 参考 图2 6 ) ，这是一种i n f r a s t r u c t u r e 网络。a p 的主要功能是在有线网络和无线网络之问起桥 的作用。移动站不再以点对点的方式通信，所有移动站之间、移动站和有线网络中的主机之 间的通信都通过a p 。e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 是一种由许多b s s 通过d s ( d i s t r i b u t i o n s y s t e m ) 连接起来的系统，它是另一种i n f r a s t r u c t u r e 网络( 参考图2 6 ) 。d s 通常是以太 网，但它也可是无线网络，i e e e s 0 2 1 1 中没有指定它的类型，由具体实施者来决定。整个 互联的无线局域网，包括所有的蜂窝，他们各自的a p 和移动站以及分布系统，对于0 s i 模 型的上层协议来说，是一个单个i e e e s 0 2 1 1 网络。e s s 网络满足了任意大小，复杂度高的 大范围覆盖网络的需要。 在e s s 中，移动站可以从一个b s s 漫游到另一个b s s ，在协议栈中，以一种对m a c 层以 上各层来说完全透明的方式和其它移动站或有线网络中的主机通信。i e e e s 0 2 1 1 认可以下 的迁移类型； 不迁移型：这种移动类型是指那些非移动站和在b s s 中移动的站点。 b s s 迁移型：这种移动类型是指移动站从一个b s s 中迁移到另一个b s s 中。 e s s 迁移型：这种移动类型是指移动站从一个e s s 中迁移到另一个e s s 中。 i e e e 8 0 2 1 1 支持前两种迁移类型，不支持最后一种。本文就是要实现移动站从一个b s s 中漫游到另一个b s s 中而不中断和网络的连接，即实现b s s 迁移类型。 图2 6i n f r a s t r u c t u r e 网络 2 3 i e e e 8 0 2 i i 服务 i e e e 8 0 2 1 1 指定了两类服务；s s ( s t a t i o n s e r v i c e ) 和d s s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e ms e w i c e ) 。 这两类服务都在m a c 被使用。 2 3 1 s s ( s t a t i o ns e r v i c e ) 移动站提供的服务叫s s 。s s 服务为m a c 子层实体所使用。s s 有四类服务： a u t h e n t i c a t i o n d e a u t h e n t i c a t i o i l 7 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 p r l v a c y m s d ud e l i v e r y 为了控制对无线局域网的访问，s s 包含了认证服务。移动站若想加入网络，它必须使 用这个服务，把它的身份告知a p 。d e a u t h e n t i c a t i o n 服务能够中止移动站和a p 的 a u t h e n t i c a t i o n 关系。如果移动站和a p 建立了a s s o c i a t i o n 关系。d e a u t h e n t i c a t i o n 服务 也能中止这个关系。偷窥对于无线网络来说是一个很常见的问题。i e e e 提出了一个安全性 能相当于有线网络物理安全属性的数据加密算法w e p 。w e p 使用的是r s a 的r c 4 加密。 2 3 2 d s s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e ms e r v i c e ) d s ( 叭s t r i b u t i o ns y s t e m ) 提供的服务称之为d s s 。d s s 提供了下列服务： a s s o c i a t i o n d is a s s o c i a t i o n d is t r i b u t i o 1 i n t e g a ti o n r e a s s o c i a t i o n 为了通过a p 发送数据给网络或从网络接收数据，移动站必须和该a p 建立a s s o c i a t i o n 关系。在任何时刻移动站只能和某一个a p 建立a s s o c i a t i o n 关系。这样就保证了移动站 的位置的唯一性。也就是移动站被该a p 服务，或者说a s s o c i a t i o n 就是连接移动站到局域 网中。 r e a s s o c i a t i o n 关系满足了移动站在不同的b s s 中漫游的要求。它就是把移动站和a p 的a s s o c i a t i o n 关系从一个a p 转移到另一个a p 。这样移动站和a p 的映射关系在d s ( d is t r i b u t i o ns y s t e m ) 中得到了及时更新。r e a s s o c i a t i o n 也可以更新a s s o c i a t i o n 的 属性。 d is a s s o c i a t i o n 就是中止移动站和a p 的a s s o c i a t i o n 关系。d i s t r i b u t i o n 是指在d s 中如何把消息传送到目的地。i n t e g a t i o n 是指如何和有线网络通信。由于以太网和无线局 域网的帧格式完全不同所以必须进行帧格式转换。 2 _ 3 3 服务之间的关系 移动站在通信过程中存在三种状态：第一种状态是初始状态，即既没有和a p 有 a u t h e n t i c a t i o n 关系，也没有a s s o c i a t i o n 关系：第二种状态是已经和a p 建立了 a u t h e n t i c a t i o n 关系，但还没有建立a s s o c i a t i o n 关系：第三种状态是已经建立了 a s s o c i a t i o n 关系。状态和服务的关系转换如图2 7 。在初始状态下，移动站如果成功的通 过了认证，它就会进入状态2 。在状态2 ，移动站如果和a p 成功的建立了a s s o c i a t i o n 关系， 就进入状态3 。在状态2 ，移动站如果接收到一个d e a u t h e n t i c a t i o n 通知，它就会转变为状 态l 。在状态3 ，如果接收到一个d e a s s o c i a t i o n 通知，就会转变为状态2 ；如果接收到一 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 个d e a u t h e n t i c a t i o n 通知，就会转变为状态1 。当前的状态决定移动站和a p 之间的交换的 帧的类型。 图2 7 状态和服务的关系 2 4i e e e 8 0 2 1l m a c 帧格式 i e e e 8 0 2 1 1 有三种类型的帧：管理帧、控制帧和数据帧。i f _ 卫髓0 2 1 1 服务是通过这些 帧的交换而完成的。 管理帧主要用于a p 对移动站的管理，它又包含子类型帧：a s s o c i a t i o nr e q u e s t 和 a s s o c i a t i o nr e s p o n s e 、r e a s s o c i a t i o nr e q u e s t 和r e a s s o c i a t i o nr e p o n s e 、p r o b er e q u e s t 和p r o b er e p o n s e 、b e a c o n 、a t i m ( a n n o u n c e m e n tt r a f f i ci n d i c a t i o nm e s s a g e ) 、 d e a s s o c i a t i o n 、d e a u t h e n t i c a t i o n 以及a u t h e n t i c a t i o n 帧。其中p r o b er e q u e s t 和p r o b e r e s p o n s e 、b e a c o n 、a t i i 帧在网卡固件中实现。在 l o s ts o f t w a r e ( 在p c 机中运行的代码， 包括内核代码和应用程序) 中，不需要考虑这些帧的发送和接收，只需懂得它们的执行序列 关系。 控制帧的子类型帧有c t s 、r t s 、p s _ p o ll 等，在h o s ts o f t w a r e 只考虑处理p s - p o l1 帧，其余都在网卡固件中实现。 数据帧就是移动站和移动站、移动站和有线网络中的主机交换的数据。数据帧也有许多 子类型的帧。h o s ts o f t w a r e 只考虑子类型为d a t a 、d a t ac f a c k 、d a t a c f p o l l 、 d a t a _ c f a c k _ c f p o l l 和n u l l f u n c t i o n 的帧。移动站发送和接收的数据都要经过a p ，a p 在 这里起了桥的作用。有一个特殊的数据帧，为n u l l f u n c t i o n 帧，帧体部分为空，a p 用它 查询移动站是否还在b s s 中。 i e e e 8 0 2 1 1 帧的一般格式如图2 8 。 其中f r a m ec o n t r o l 域包含很多的子域，它的格式如图2 9 。 9 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 p n d t y p e s u bt of r o mm o r er mp w rm o c e w e p0 1 d e t v e r s i o n t y p e d sd s f r a gm g t d 日l a 图2 9 帧控制域 对于帧控制域： p r o t o c o lv e r s i o n ：通常为0 。 t y p e 和s u b t y p e ：为帧的类型和子类型。 m o r ef r a g 用于长帧被分段传送的情况，说明该m s d u 是否还有其它的段。 r e t r y ：用于帧的重传，说明该帧是否是重传帧。 p o w e rm a n a g e m e n t ：域用于指示该移动站的能量管理模式。1 表示p o w e r _ s a v e 模 式，0 表示a c t i v e 模式。 m o r ed a t a ：当移动站处于p o w e rs a v e 模式时，a p 会缓存送往该移动站的数据， m o r ed a t a 表示a p 还有许多数据有待发送给移动站。 w e p ：如果帧体数据使用w e p 算法处理过时该域为l 。 o r d e r ：表示长帧被分段传送时，采用严格的顺序。 t od s 和f r o md s ：如图2 1 0 所示，它们的组合决定i e e e 8 0 2 1 1 帧的 d d r l ，a d d r 2 ，a d d r 3 和a d d r 4 的含义，其中d a 为目的m a c 地址s a 为源m a c 地址， b s s i d 为基本服务集标识，t a 为在d s 中发送该帧的a p 的m a c 地址s a 为在d s 中接收该帧的a p 的y a c 地址。 图21 0 地址域的内容 对于i e e e 8 0 2 1 1 帧： d u r a t i o n i d ：对于子类型为p s p o l l 的控制帧，该域的含义为m d ( a s s o c i a t i o n i d ) ，对于其它的帧，d u r a t i o n 的值由具体的帧而定。 s e o ：该域由两部分组成：f r a g m e n t 和s e q u e n c e 它用于发送和接收时的分段、 重组和重传。 f c s ：包含了3 2 位的c r c 。该域的计算包括了帧头的所有域和帧体。 f r a m eb o d y ：包括了m s d u 和i v 以及i c y 。i v 和i c y 用于w e p 算法。如果不对帧 体加密，这两个字段可以省略。 不同类型的帧的具体格式不同。在发送的时候，根据具体的要求构造帧。在接收的时候， 首先要判断帧的类型，然后再分析帧的结构。在h o s ts o f t w a r e 中，只需要处理大部分管理 帧、p s p o ll 控制帧和一些数据帧。一些要求快速处理的帧的处理都在固件中完成了。 2 5i e e e 8 0 2 1 1 能量管理 0 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 移动站可以工作在两种模式：a c t i v e 模式和p o w e rs a v e 模式。在a c t i v e 模式下，移动 站可以随时发送和接收数据。但是在p o w e rs a v e 模式下，a p 不能随意的把数据发送给移动 站它先把发送给移动站的数据缓存起来，在特定的时间再把数据发送给移动站( 一般都是 移动站先向a p 发送p sp o l l 帧，a p 再回送数据) 。这种模式下移动可以节省能量。 集成有l a p p 协议的i i o s t a p 研究与实现 第三章数据链路层切换 3 1 切换概述 所谓切换就是在a p 之间，a p 和移动站之间的一组消息交换过程，这个过程导致了移 动站和a p 的物理层连接变迁并且移动站的状态信息从一个a p 传送到了另一个a p 。所以 切换必须有二个参与者。切换之前移动站所连接的a p 称之为老的a p ，切换之后移动站所 连接的a p 称之为新的a p 。状态信息从老的a p 传送到新的a p ，它典型地包含了一些认证 和计费信息。 切换的种类有两种：一种是在数据链路层进行切换，另一种是在i p 层进行切换。数据 链路层切换只能在同一子网内进行，而i p 层切换则没有网络范围的限制。切换通常会带泉 两个问题：一个是移动站的可达性，即如何找到移动站。在无线局域网中移动站的位置由 i p 地址和雌c 地址以及把该移动站接入网络的a p 共同确定。如果移动站从一个a p 切换到 另一个a p 需要更新数据链路层设备的转发表。另一个是上下文信息( 通常是认证信息) 的传递。本文移动站的上下文信息的传送使用了i a p p 协议。 3 2 数据链路层触发 数据链路层触发是当某个事件发生或将要发生时，从数据链路层来的通知的抽象。对数 据链路层触发的处理的方法有多种多样： 驱动程序让i p 协议栈注册一个回调函数。当事件发生时，就调用这个回调函数， 和事件有关的参数传递给该函数。 操作系统让应用程序调用一个系统调用。当事件没有发生时系统调用被阻塞。 事件通知作为一个带外信息由操作系统传递给i p 协议栈。 在a p 之间由协议来传递事件通知和相关的信息。使得不同机器上的i p 协议栈可 以对事件进行响应。l a p p 就是这样一种协议。 数据链路层切换的触发涉及到了三类信息：导致触发的事件，接受触发的l p 实体以及 随触发事件传递的参数。在无线局域阿中，从i a p p 协议的角度来看，r e a s s o c i a t i o n 请求 触发了切换，触发事件携带的参数也在管理帧r e a s s o c i a t i o n 中。 3 3 无线局域网数据链路层的切换过程 在无线局域网中通过a p 接入有线网络的移动站，离开该a p 的覆盖范围，进入另一个a p 的覆盖范围时此时移动站被从原来的a p 切换到新的a p ，移动站和有线网络保持的连接不会 集成有l p p 协议的h o s l 4 p 研究与实现 被切断。这个过程叫漫游。 当移动站移动到当前它所连接的a p 的覆盖区域的边界而进入另一个a p 的覆盖区域的边 界时，当前连接的信号质量下降了，切换开始发生。一个完整的切换过程从逻辑上说包含两 步。第一步是新的 p 的发现过程；第二步是和新的a p 建立连接的过程。 发现过程：由于移动站的移动性，当移动站远离老的a p 的时候，移动站和老的a p 的连接 的信号强度和信噪比会降低。当降低到一定的程度，它就会中断和老的a p 的连接并且开始切 换。这时移动站就开始扫描寻找潜在的a p 以和它建立a s s o c i a t i o n 关系。扫描的方式有两 种：主动扫描和被动扫描。若为被动扫描，移动站在它所分配的信道上倾听来自a p 的b e a c o n 消息，然后根据信号强度创建一个a p 优先链表。当然信号强度最高的a p 优先级最高。若为主 动扫描，移动用户除了倾听a p 周期性发出的b e a c o n 消息外，还在它所分配的每一个信道上主 动发出探测( p r o b e ) 广播帧，如果在该信道上有a p ，则它会收到来自a p 的响应。这样它就 积极主动的探测a p 。 建立连接的过程：在发现过程中移动站已经建立了一个a p 优先链表。移动站会和优先 级最高的a p 建立连接。在这个过程中，新的a p 和老的a p 之间会使用i a p p 协议传送移动站的上 下文信息。如果新的a p 接受移动站，移动站就和新的a p 建立a s s o c i a t i o n 关系。至此，切换 就完成了。图31 说明了一个典型的i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网的切换过程。 a l la p sw i t h i nr a n g e s t ao f f t h a n f l t ho i da p 图3 ii e e e 8 0 211 无线局域网切换过程 3 4 无线局域网数据链路层切换信道的选择和相关的规程 3 4 1 信道的选择 无线局域网卡可以使用多个信道。使用的信道的数目有本地政府决定，一般是从1 到1 3 l3 集成有l a p p 协议的h o s t a p 研究与实现 变换不等。如果两个a p 的覆盖区域有重叠( 即相邻的a p ) ，这两个a p 的信道的设置一般要 相隔8 个信道。例如。a p l 和a p 2 是相邻的a p ，a p l 使用的信道是第一个信道，则它a p 2 使用 的信道为9 、1 0 、l l 、1 2 、1 3 中的一个。影响使用多个信道的因素有：延时：i e e e 8 0 2 1 1 使用的是c s h a c a 机制。这意味着a p 要等到信道为空时才能发送或接收数据。如果相邻的 a p 使用相邻的信道，a p 会把另一个a p 发送的信号当作调制信号。这样增加了延时。干扰： 干扰会妨碍数据发送。除了延时和干扰外，还有a p 的稠密度，a p 的信号过滤能力等。 3 4 2 相关的m a c 规程 1 扫描( s c a n ) 当移动站要加入网络首先要扫描寻找一个新的a p 。扫描的方式有两种：一种称之为被动 扫描，移动站在每一个信道上侦听a p 发出的b e a c o n ( a p 定时发出b e a c o n 帧，该帧中含有s s i d ， c a p a b i l i t y 等信息) 。然后选择合适的a p 加入。另一种称之为主动扫描，移动站在每一个信 道上主动发出p r o b e 帧，内含有s s i d ，寻找合适的a