WiFi基本知识总结 --- 通信框架及基础概念

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802.11通信管理框架
和其他通信方式相似，在进行通信前，通信双方需要进行连接。在进行WiFi通信时也是一样，接下来我们仪器看下WiFi中的连接管理功能。
我将连接管理的流程进行了简化，目的是为了读者更好的理解这些流程。下面给出的一个标准化的WiFi连接管理流程。
WiFi连接流程主要分为：扫描、认证、关联、四次握手四个步骤，其中四次握手并非必须的步骤。它根据系统的认证方式不同，决定是否进行四次握手这一步骤。一般，前面三步即扫描、认证、关联为WiFi建立连接所必须的步骤。


扫描(Scan)
802.11MAC通过使用Scanning功能来完成Discovery,其目的是：寻找一个网络；当STA漫游时寻找一个新的AP。
1. 主动扫描(active scan)
在每一个信道上针对特定的网络发送Probe request报文，从收到的Probe Response中获取BSS的基本信息以及AP的能力集，如BSSID、SSID、支持的速率、加密算法等 ，Probe Response包含的信息和Beacon帧类似的。
优点：速度快
缺点：耗电
2. 被动扫描(passive scan)
通过在每个信道上侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络，Beacon帧中包含的该AP所属的BSS的基本信息以及AP的基本能力级，包括：BSSID、SSID、支持的速率、支持的认证方式，加密算法、Beacon帧发送间隔等。STA在收到对应的Beacon帧后就会进行判断，此AP是否是我们要找的AP以及对应的能力是否匹配以支持连接。
优点：省电
缺点：耗时长


认证(Authentication)
在扫描成功完成后，需要进行无线网络的认证，目的是：防止未授权的STA访问网络，在访问AP之前，需要先进行身份认证。
根据认证的网络类型的不同，又可以分为以下两种：
1. 开放系统认证(Open-System Authentication)
等同于不需要认证，没有任何安全防护能力。允许任何用户加入到无线网络中来。所有请求认证的STA都可以通过认证。类似于我们家里的路由器不设定密码的情况。
STA发送包含station ID(typically the MAC address)的authentication request。
AP回复包含成功或失败的authentication response。
2. 共享密钥认证(Shared－Key Authentication)
AP随机产生一个challenge包（即一个字符串）发送给STA，STA将接收到的字符串拷贝到新的消息中，用密钥加密后再发送给AP。AP接收到该消息后，用密钥将该消息解密，然后对解密后的字符串和最初给STA的字符串进行比较。相同则通过认证，不相同则认证失败。


关联(Association)
当设备认证流程验证通过后，设备会再发起连接请求以关联AP设备。AP将用户信息添加到数据库，向用户回复关联响应，此过程也常被称为注册。
关联的具体步骤为：STA发送Association request帧给到AP，AP检查通过后会回复Association Response给到STA。STA在正确收到AP回复的Association Response后，两个设备就关联上了。
那么此时会根据安全方式的不同，有两种处理方式：
如果AP采用的Open-system方式，则到这里STA已经连上AP了。
如果AP采用的WPA-PSK/WPA2-PSK/WPA3等加密方式，那么此时设备还无法正常通信。设备还需要进行四次握手，以获取加密密钥。再正确获取加密密钥后，STA才能正常使用WiFi网络。


四次握手(Four-way handshake)
当AP采用WPA-PSK、WPA2-PSK、WPA3等加密方式的情况下，当STA在成功收到AP的Association Response后。会继续进行四次握手流程，以获取用于单播帧加密的PTK，基于组播/广播帧加密的GTK。


无线安全
与有线网络不同，理论上无线电波范围内的任何一个站点都可以监听并登录无线网络，所有发送或接收的数据、都有可能被截取。
为了使授权站点可以访问网络而非法用户无法截取网络通信，无线网络安全就显得至关重要。
安全性主要包括访问控制和加密两大部分
访问控制：保证只有授权用户才能访问敏感数据。
加密：保证只有正确的接收方才能理解数据。


下面是WiFi技术中常见的一些加密方式。
Wired Equivalent Privacy (WEP)
WEP是最早的，最常用的，也是最脆弱的安全保证；使用共享秘钥RC4加密算法；有64位密钥和128位密钥两种加密方式；
密钥长度最初为40位(5个字符)，后来增加到104位(13个字符)，有些设备可以支持152位加密。创建一个IV与秘钥共同加密数据包；
缺点：
WEP Key 长度太小；WEP不提供自动修改密钥的方法；IV 空间太小并且IV 重复使用（平均大约每 5 小时重复一次）；如果不是share认证，即使WEP密码错误，站点端显示的还是连接上，只是不能正常数据通信；
WPA（Wi-Fi Protected Access，WiFi接入保护）
遵循802.11i的草案，在802.11i未完成之前的过渡方案，对WEP的改进；WPA 利用TKIP(Temporal Key Integrity Protocol，临时密钥完整性协议) 来代替WEP；TKIP 仍用RC4加密算法, 但是每个包的RC4 key是不同的；WPA 引入4个新算法；48位初始化向量(IV)，IV顺序规则(IV Sequencing Rules)；每包密钥构建(Per-Packet Key Construction)；Michael消息完整性代码Code,MIC以及密钥重获分发；WPA2（Wi-Fi Protected Access 2，WiFi接入保护2）
基于完整的802.11i标准。


支持缓存密钥和预认证。
WPA3（Wi-Fi Protected Access 3，WiFi接入保护3）
基于WPA2全面升级，目前最新也是WiFi最安全的加密方式，采用了更加安全的SAE（Simultaneous Authentication of Equals，对等实体同时验证）加密算法，使用192位的Suite-B安全套件，相较于WPA2采用的128位密钥长度，该模式将密钥长度增加至192位，进一步提升了密码防御强度。
密钥保护：使用更加安全的HMAC-SHA-384算法在四次握手阶段进行密钥导出和确认。
WPS(Wi-Fi Protected Setup)
类似的称呼：QSS/SES/AOSS/EZ-SETUP。
为解决无线安全设置比较繁琐、专业性强的问题。
如果你足够细心的话应该可以在，应该可以在家里面main路由器上找到标有WPS这个按钮，当然你家的路由器要支持这个功能的haul才可以使用。


关联过程
站点通过WPS协商过程获得AP当前的无线安全设置 (SSID，安全模式，密码)正常接入到BSS。
2种常见的启动WPS协商的方式：
PIN：在AP上输入站点的PIN码；
PBC：2分钟内分别按下AP和站点上的按钮(你的STA上面也有该按钮才行)

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