1、WLAN系统原理,寰创通信WLAN初级培训教材,交流提纲,WLAN发展介绍 WLAN网络结构 WLAN安全架构 WLAN协议介绍,WLAN发展介绍 WLAN是什么 WLAN大事记 WLAN标准族 WLAN网站,交流提纲,WLAN是什么,WPAN：无线个域网 采用无线连接的个人局域网，它被用在诸如手机、计算机、PDA之间的小范围（一般是在10米以内）通讯。WPAN的技术包括蓝牙、ZigBee、红外等，其中蓝牙应用最广泛。 WLAN：无线局域网 一般应用于家庭、企业和热点覆盖，覆盖半径几十米到几百米，提供PC和手机高速上网。 无线局域网采用Wi-Fi技术，速率可到达几十Mbps，使用方式与有线局域
2、网一样，简单易用。 WLAN：无线城域网 提供城市范围的无线覆盖，用于进行城市范围内的宽带无线数据传输。 无线城域网采用WiMax技术，覆盖半径几公里到几十公里，速率可达到几十Mbps。,WPAN.WLAN.WMAN,蓝牙,Wi-Fi,WiMax,WLAN： Wireless Local Area Network 广义的WLAN，是指通过无线通信技术将计算机设备互联起来，构成通信网络。 狭义的WLAN，是指采用IEEE 802.11无线技术进行互连的通信网络。目前的WLAN一般指802.11无线网络。 IEEE 802.11，是国际电工电子委员会（Institute of Electrical
3、 and Electronics Engineers）下负责WLAN标准制定的工作组。 Wi-Fi：Wireless Fidelity 是最大的WLAN工业组织Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）的商标，该组织致力于对WLAN设备进行兼容性认证测试。 Wi-Fi是指Wi-Fi联盟认证，通过认证的产品，可以使用Wi-Fi的LOGO。 通常，Wi-Fi作为WLAN的同义词使用，尽管并非所有WLAN设备都进行Wi-Fi认证。,WLAN =,+,WLAN是什么,WLAN大事记,WLAN标准化：IEEE 802.11 1990年，IEEE 802.11标准工作组成立 1997年，IEEE 80
4、2.11标准发布（2Mbit/s，工作在2.4GHz） 1999年，IEEE 802.11a标准发布（54Mbit/s，工作在5GHz） 1999年，IEEE 802.11b标准发布（11Mbit/s工作在2.4GHz） 2003年，IEEE 802.11g标准发布（54Mbit/s，工作在2.4GHz） 2007年，IEEE 802.11n draft2发布（300Mbit/s，工作在2.4GHz/5.8GHz） WLAN产业化： Wi-Fi Alliance 1999年，Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA)成立，后来WECA更名为W
5、i-Fi Alliance（Wi-Fi 联盟），现总部设在美国德州，成员单位超过300个。 2000年，Wi-Fi 联盟启动了Wi-Fi认证计划（Wi-Fi CERTIFIED），对WLAN产品进行802.11兼容性认证测试。 2007年，Wi-Fi联盟启动IEEE 802.11n draft2认证测试。 2008年截止，累计超过4000种WLAN设备通过Wi-Fi认证（Wi-Fi CERTIFIED） 2008年底，累计超过10亿的Wi-Fi芯片出货量；2012年，预计Wi-Fi芯片的年出货量达到10亿,WLAN标准族,主要的IEEE 802.11标准： IEEE 802.11a - 54
6、Mbit/s, 5 GHz standard (1999, shipping products in 2001) IEEE 802.11b - Enhancements to 802.11 to support 5.5 and 11 Mbit/s (1999) IEEE 802.11d - International (country-to-country) roaming extensions (2001) IEEE 802.11e - Enhancements: QoS, including packet bursting (2005) IEEE 802.11g - 54 Mbit/s,
7、2.4 GHz standard (backwards compatible with b) (2003) IEEE 802.11h - Spectrum Managed 802.11a (5 GHz) for European compatibility (2004) IEEE 802.11i - Enhanced security (2004) IEEE 802.11j - Extensions for Japan (2004),WLAN标准族,主要的IEEE 802.11标准： IEEE 802.11k - Radio resource measurement enhancements
8、(2008) IEEE 802.11n - Higher throughput improvements using MIMO (multiple input, multiple output antennas) (November 2009) IEEE 802.11p - WAVE - Wireless Access for the Vehicular Environment (such as ambulances and passenger cars) (working - 2009?) IEEE 802.11r - Fast roaming Working “Task Group r“
9、- (2008) IEEE 802.11s - Mesh Networking, Extended Service Set (ESS) (working - Jul. 2010?) IEEE 802.11T - Wireless Performance Prediction (WPP) - test methods and metrics Recommendation (2008) IEEE 802.11y - 3650-3700 MHz Operation in the U.S. (2008),WLAN标准族,IEEE 802.11a/b/g/n制式的比较,WLAN标准族,Wi-Fi强制认证
10、： Wi-Fi产品无线认证：802.11a/b/g单模认证，802.11b/g双模认证，802.11a/b/g多频段（2.4G和5G）认证。本认证目前是手持设备CTIA认证的一部分。 Wi-Fi无线网络安全认证：包括WPA/WPA2认证。 EAP (Extensible Authentication Protocol) 认证：EAP是一种网络设备身份认证的安全机制。 Wi-Fi可选认证： 下一代Wi-Fi认证：IEEE 802.11n draft 2.0无线标准认证。 Wi-Fi Protected Setup认证：快速完成安全配置的功能认证。 Wi-Fi Multimedia认证：无线QoS
11、认证。 WMM Power Save认证：语音和多媒体业务时省电功能的认证测试。 Wi-Fi手机认证 ：对Wi-Fi手机中Wi-Fi与蜂窝系统的相互影响进行认证。,Wi-Fi认证标准,WLAN网站,IEEE 802.11官方网站：http:/www.ieee802.org/11/Wi-Fi联盟官方网站：http:/www.wi-fi.org/Wi-Fi论坛：http:/www.wi- 802.11802 Infrastructure网络 Ad hoc网络 Mesh网络 胖/瘦AP WDS,802.11802,IEEE 802.11：包括物理层和MAC层协议,Infrastructure网络-B
12、SS,BSS（ Basic Service Set ）网络 BSS是WLAN网络的基本单位，包括一个基站（AP）和若干个终端（STA），通讯必须通过AP来完成。 网络标识：BSSID，使用AP的MAC地址。,Infrastructure网络-ESS,ESS（ Extended Service Set ）网络 由多个BSS组成，多个BSS的AP通过DS(Distribution System)网络互联，终端能在不通BSS之间漫游。 网络标识：SSID，AP上统一配置的一个字符串。,Ad hoc网络,IBSS（Independent Basic Service Set ）网络 若干Wi-Fi站点之
13、间对等、临时的组网，俗称ad hoc网络。 站点之间地位平等，两两进行通讯。 网络标识：BSSID，自动选择某个站点的MAC地址作为ID。,Mesh网络,Mesh网络 是infrastructure网络和ad hoc网络的结合 既支持AP的功能，又能通过ad hoc完成多个BSS互联和回传,Mesh网络,IEEE 802.11s：ESS Mesh Networking 标准进展：因技术分歧大、需求不紧迫，进展缓慢2004年7月，成立11s标准工作组2006年3月，通过第一个提案 2010年底，通过11s标准 网络组成：由MP/MAP/STA/LWMP组成，构成ESSMP：MESH点，只有MES
14、H回传功能的站点MAP：MESH接入点，除了MP功能外，又有AP功能（能接入Wi-Fi终端）的站点STA：Wi-Fi终端LWMP：轻量MESH点，一般是移动的MESH站点（也可称作MESH终端） 网络标识：用接入SSID和回传SSID分别标识接入网络和回传网络,胖AP/瘦AP,胖AP（Fat AP）：能够独立配置、管理和工作的AP设备。桥接型AP：仅完成Wi-Fi终端接入，以及无线与有线之间的二层桥接功能。企业中多采用这种方法，作为企业有线网络的延伸。路由型AP：完成Wi-Fi终端的接入之外，还提供DHCP、NAT路由和PPP拨号等功能，一般用在家庭或简单的热点覆盖，又叫无线路由器。 瘦AP（
15、Thin AP）：多个瘦AP与接入控制器（AC）协同提供Wi-Fi接入服务。AC一般完成集中交换、鉴权和管理，以及外部互联。Fit AP：一些厂家对自己瘦AP的叫法，各厂家AP与AC的功能划分有所差异。无线交换机：早期的AC，从有线交换机演变而来，与瘦AP通过以太网连接。接入控制器（AC）：对瘦AP及其业务流进行集中管理、控制，并完成与外部网络互联的网关设备。AP与AC之间通过TCP/IP专用的隧道进行互联。 大部分支持AC/AP组网的AP都具有胖瘦转换能力。,胖AP/瘦AP,胖AP vs 瘦AP,胖AP：成本低，部署快，适合小规模、安全要求不高的网络。 瘦AP：可管理性好，安全性好，适合大规
16、模或运营性质的网络。,成本低,安全性差,可管理性差,胖AP特性,布设简单,扩展性好,安全性高,可管理性好,可运营性强,瘦AP特性,网络级协调,胖AP/瘦AP,CAPWAP协议：AP与AC之间的交互协议草案，由IETF CAPWAP工作组负责（ http:/www.ietf.org/html.charters/capwap-charter.html ）,CAPWAP协议主要定义以下功能：1、发现，WTP自动发现AC的机制。2、配置，AC通过CAPWAP对WTP进行配置，WTP可以做到零配置。3、软件版本管理，AC可自动更新WTP的软件。4、集中交换，用户数据集中在AC上进行交换。5、无线资源管理
17、，AC进行全网的无线参数优化。,AC,WTP,STA,Intranet/Internet,Wi-Fi,CAPWAP,TCP/IP,WDS,WDS(Wireless Distribution System)：802.11中定义了DS，用于将多个AP互联的有线网络。WDS则是无线DS，通过无线方式将多个AP互联起来。WDS数据帧采用4地址格式，包括接收地址、发送地址、目的地址、源地址（RA/TA/DA/SA）。,WDS优点：部网快速、灵活，成本低。没有有线网络情况下，使用WDS快速部网将已有的有线DS互联的网线网络，通过WDS进行延伸覆盖 WDS缺点：1）安全性差，只能使用WEP；2）性能差，接入
18、和DS共享信道,WDS,AP工作模式：除了标准的功能外，很多AP支持其他工作模式，包括Client、Client Bridge、WDS、Repeater和Repeater Bridge模式。,Client模式：Client作为STA连接AP，用户通过有线连接Client，Client进行NAT转发。,Client Bridge模式：Client Bridge作为STA连接AP，用户通过有线连接Client Bridge，Client Bridge进行二层的桥接。,WDS,AP工作模式：除了标准的功能外，很多AP支持其他工作模式，包括Client、Client Bridge、WDS、Repeat
19、er和Repeater Bridge模式。,WDS模式：WDS AP同时支持STA接入和WDS互联。业务由WDS AP进行桥接转发。,AP工作模式：除了标准的功能外，很多AP支持其他工作模式，包括Client、Client Bridge、WDS、Repeater和Repeater Bridge模式。,Repeater模式：Repeater作为STA连接AP，同时作为AP允许STA接入。业务由Repeater进行NAT转发。,Repeater Bridge模式：Repeater作为STA连接AP，同时作为AP允许STA接入。业务由Repeater进行二层桥接转发。,WDS,交流提纲,WLAN安全
20、架构 什么是WLAN安全 WEP WPA/WPA2 WAPI,什么是WLAN安全?,WLAN安全性：与其它通信网络的安全性含义类似，包括鉴权、私密性和完整性。,鉴权（Authentication）：一般都指双向鉴权，网络对接入的用户进行身份确认，同时用户对接入的网络也进行身份确认。实现合法用户接入合法网络。有时候也叫“鉴别”、“验证”、“认证”。 私密性（Privacy）：指数据包的加解密，确保通信内容不能被偷听。 完整性（Integrity）：在数据包中附加加密的校验字节，确保通信内容没有被篡改。 安全架构：为达到安全目的设计的相关结构、管理和操作方式，良好的安全架构设计能够满足安全要求的同
21、时做到容易部署和管理。,WEP,WEP：Wired Equivalent Privacy，已被淘汰的一种WLAN安全算法。1999年成为WLAN安全标准，2001年被彻底破解，2003年被WPA替代，现在依然在WLAN产品中广泛支持。,鉴权：Open System，不鉴权；Shared Key：四次握手过程进行鉴权。 加密：采用RC4流加密算法，密钥长度为64/128位。 完整性：使用CRC-32算法,WEP安全缺陷：严重的安全缺陷导致WEP最终被废弃。,WEP鉴权缺陷Open System：不鉴权，则容易被利用进行DOS攻击。Shared Key：握手过程中出现了明文/密文对，严重损坏保密性
22、。实际上，其安全性不如Open System。 WEP加密缺陷：现在的研究表明流加密算法的安全性是比较低的，WEP中的RC4算法更加脆弱。初始向量碰撞：24位的IV很容易重复，这是流加密算法的大忌。完整性检查太简单：采用CRC-32来进行校验，容易被攻击者用来猜测明文内容。RC4算法缺陷：RC4生成的密码流中部分bit随机性不好，容易被攻击者利用。 没有密钥管理：无密钥动态生成、分发和更新流程合法用户之间不保密：合法用户使用相同的key，相互之间相当于不保密。固定密钥不安全：这样密码容易泄漏，同时留给攻击者无限的破解时间。 WEP破解工具： 利用这些工具能在几分钟内破解WEP密码 * AirS
23、nort* WEPCrack,WEP,WPA/WPA2,WPA（Wi-Fi Protected Access）：因为WEP的严重安全漏洞，IEEE制定了802.11i来替代WEP，WPA是Wi-Fi联盟基于IEEE 802.11i技术标准制定的商业标准，分WPA/WPA2。其主要差别在于WPA2增加了对CCMP的支持。,WPA：2002年，Wi-Fi联盟以 TKIP 的 IEEE 802.11i draft 3)为基准 ,制定了 WPA 。是一个过渡性的中间标准。 WPA2： 2004年，Wi-Fi联盟以 IEEE 802.11i 标准为基准，制定了WPA2。 TKIP：前向兼容WEP硬件，依
24、然采用了RC4作为加密算法，还是存在安全性漏洞。 CCMP：采用了AES加密算法，彻底解决WLAN全性问题。也称作AES或AES-CCMP。 WRAP：另一种加密协议，因专利权争议，成为可选项（事实上已被废弃）。,802.11i操作流程（阶段一）：关联过程,STA通过Probe流程（或侦听Beacon），获得AP的安全策略信息。 进行Open System方式的鉴权。 进行关联流程，STA将自己的安全策略告知AP，协商达成一致后，则关联成功。 安全策略的内容包括：鉴权方法（802.1x or PSK），单播/多播加密协议（TKIP or CCMP）。,WPA/WPA2,802.11i操作流程（
25、阶段二）：802.1x鉴权,AP触发，启动802.1x/EAP认证过程，认证过程在STA与AS之间进行，AP负责协议转发。 STA与AS之间认证流程与选择的EAP认证方法有关系，AS可同时支持多种认证方法。 认证成功后，STA和AS生成了主密钥MK，AS通过RADIUS将MK分发给AP。,WPA/WPA2,802.11i操作流程（阶段三）：密钥派生和分发,第1步：AS通过Radius协议将MK发送给AP，一般先转换成Radius Key后再分发。 第2步：使用MK（或PSK）作为PMK，通过EAPOL-Key消息完成PTK/GTK的派生和分发。 第3步：多播临时密钥GTK更新。,WPA/WPA
26、2,802.11i操作流程（阶段三）：Pairwise Key Hierarchy,PMK生成临时密钥，PTK用于点播包的加密，PTK可周期性更新。 对于802.1x鉴权，STA与AS协商生成的MK（Master Key）即作为PMK。 对于PSK鉴权，PMK = PSK = PBKDF2(PassPhrase, ssid, ssidLength, 4096, 256),WPA/WPA2,802.11i操作流程（阶段四）：Group Key Hierarchy,GMK由AP随机生成，通过GMK（周期性）生成GTK，GTK用于多播包的加密和完整性检查。 GTK可周期性更新。 仅AP-STA需要使
27、用多播，STA到AP的均为点播包。,WPA/WPA2,WAPI,WAPI：Wireless Authentication and Privacy Infrastructure，定义了WLAN中的安全架构和加密算法，中国的WLAN安全标准。相当于IEEE 802.11i协议。由于美国的抵制，WAPI最终没有成为IEEE 802.11国际标准。,各国的安全标准：美国加密标准是AES，中国WLAN安全标准是WAPI，欧洲安全标准是NESSIE。目前WLAN和有线网络上普遍使用的是AES。 WAPI安全架构：由WAI（接入鉴权）和WPI（通信加密）组成。三元结构双向鉴权：分终端（STA）、接入点（AP
28、）、鉴权服务器（ASE）。终端和AP都采用证书方式互相鉴权，鉴权在中心服务器ASE上完成。密钥管理流程：鉴权通过后，STA与AP之间通过协商确定通信密钥。加密算法：鉴权和密钥协商过程采用了非对称的ECC加密算法，报文加密采用了对称的SMS4块加密算法，这些高强度算法确保无线网络的安全性。,交流提纲,WLAN协议介绍 协议框架 PHY层 PHY层管理 MAC层 MAC层管理,协议框架,802.11协议定义了物理层和数据链路层的MAC子层。,物理层：802.11定义了6种物理层，每一种都有各自的PMD、PLCP和PLME协议，其中最重要的有HR/DSSS（802.11b）、ERP（802.11g）
29、和OFDM（802.11a）。 MAC（Medium Access Control）：媒介接入控制层，提供标准的MAC服务。 层管理（Layer Management Entity）：提供物理层和MAC层的层管理服务接口。,PMD子层,PLCP子层,MAC子层,层管理,物理层,LLC,数据链路层,PHY层,802.11b物理层：HR/DSSS。,频段：2.4G ISM频段，频宽为22MHz。 编码调制：采用DSSS-CCK调制编码。 速率：1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps。,802.11g物理层：OFDM。,频段：5.8G频段，频宽为20/10/5MHz。 编码调制：OFD
30、M，调制方式有BPSK/QPSK/16-QAM/64-QAM。 支持速率： 6/9/12/18/24/48/54Mbps 。,PHY层,PHY层,2.4GHz信道,PHY层,5.8GHz信道,PHY层管理,物理层的层管理：主要获取和设置物理层的参数,物理层操作参数：包括物理层类型、支持的规则区域列表、当前规则区域。 天线参数：发送天线选择、接收天线选择、接收分集。 发射功率参数：各功率等级、当前发射功率等级。 信道：当前工作信道。 速率：支持的接收速率表、支持的发送速率表。 调制方法：支持的调制方法。,MAC层,MAC层功能：使用物理层的服务为上层提供类似以太网的MAC功能，并针对无线的特点进
31、行了修改。,支持数据加密：因为无线环境比有线环境更容易被偷听和攻击。 支持MAC层的确认：因为无线链路可靠性远远低于以太网，MAC层重传比上层重传效率高。 CSMA/CA：无线网络无法使用CSMA/CD，因为无法同时收发，且无线媒介的冲突检测很容易遗漏。冲突退避机制通过随机的退避窗口可将冲突概率将到最低。 QoS：支持类似802.1D的QoS机制，8个用户优先级。 排序功能：因为存在重传和优先级队列，需要接收端进行排序来保证MAC层的按序传递特性。 管理和控制：增加了大量的MAC层管理和控制功能。,MAC层管理,扫描AP,通过Beacon扫描：AP周期性广播Beacon消息，内容包括SSID、
32、BSSID、安全参数等。STA侦听Beacon消息，收集所有AP信息，选择其中一个进行连接。 主动扫描：STA在不同信道上主动发Probe Request广播来探测AP，包的内容包括SSID。STA收听AP的Probe Response，包的内容与Beacon相似。STA收集到的所有的AP信息，选择其中一个进行连接。,鉴权和关联AP,Open System鉴权：2次握手STA给AP发鉴权消息Authentication发起Open System鉴权。AP给STA回Authentication消息，告知鉴权结果。 Shared Key鉴权：4次握手STA给AP发鉴权消息Authenticatio
33、n发起Shared Key鉴权。AP给STA发Authentication消息，带challenge text，质询STA。STA给AP发Authentication消息，带加密的chanllenge，回复质询。AP给STA发Authentication消息，回复鉴权结果。 关联：2次握手STA给AP发Associate Request，内容包括速率、功率、QoS能力、安全参数。AP给STA发Associate Response，内容包括状态、速率集和关联ID。,MAC层管理,MAC层管理,电源管理：2种省电模式（PS mode）,CAM模式：Continuous Active Mode，射频接收始终打开。 PSP模式：Power Save Polling Mode，设备通常是关闭的。AP缓存STA的包，如果有包，则通过Beacon通知终端。STA定期醒过来，收听Beacon，如果没有自己的缓存包，则继续睡眠。如果有自己的缓存包，则通过PS-poll帧通知AP给发送缓存包。,SUMMARY,WLAN发展介绍：IEEE802.11/WiFi Alliance WLAN网络结构：Infrastructure/Adhoc/Mesh/WDS WLAN安全架构：WEP/WPA/802.11i/WAPI WLAN协议框架：PHY/MAC,Thank You!,
