幀類型及其幀在不同加密方式中的應(yīng)用

第一部分：幀類型

Authentication和Association幀屬于管理幀的子類型，符合管理幀通用定義格式：802.11 MAC Header + Frame Body + FCS，但其HT Control 字段為0。如下：

注：

本文將Authentication簡(jiǎn)稱為“auth”，Association簡(jiǎn)稱為“assoc”。

1. Auth幀

Auth幀主要用在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證流程。802.11標(biāo)準(zhǔn)目前定義了五種認(rèn)證方式：開(kāi)放系統(tǒng)認(rèn)證，共享密鑰認(rèn)證，F(xiàn)T認(rèn)證，SAE認(rèn)證和FILS認(rèn)證。

• 開(kāi)放系統(tǒng)認(rèn)證：允許所有設(shè)備加入
• 共享密鑰認(rèn)證：應(yīng)用于WEP加密方式
• FT認(rèn)證：用于支持802.11r協(xié)議的漫游認(rèn)證
• SAE認(rèn)證：用于WPA3加密方式
• FILS認(rèn)證：用于FILS non-AP STAs快速網(wǎng)絡(luò)加入

本文探討“開(kāi)放系統(tǒng)認(rèn)證”，“共享密鑰認(rèn)證”和“SAE認(rèn)證”三種認(rèn)證Auth幀的格式，F(xiàn)T認(rèn)證后續(xù)在探討支持802.11r的roaming功能時(shí)進(jìn)行介紹。

Auth幀802.11 MAC Header和FCS完全符合管理幀格式定義，主要不同在Frame Body。

Body內(nèi)容包含：Fixed字段和Tagged字段(即包含的Element)。

Fixed字段占6個(gè)字節(jié)，用于表示Auth算法，Auth序列和認(rèn)證狀態(tài)，各占2個(gè)字節(jié)，如下圖所示：

在共享密鑰認(rèn)證中，Auth幀Tagged字段包含Challenge text element， Challenge text元素也僅存在某些認(rèn)證幀中。

由上節(jié)對(duì)WEP加密方式的連接流程分析可知，Challenge Text元素存在Shared key seq[2]/[3]中。如下圖所示：

SAE認(rèn)證中，Auth幀body內(nèi)容如下圖所示：

關(guān)于Authentication frame body協(xié)議有明確的定義說(shuō)明，可參考802.11-2020協(xié)議文檔的Table 9-40 和 Table 9-41，部分截圖如下所示。

注：協(xié)議規(guī)范【原】

1.EEE Std 802.11 defines five IEEE 802.11 authentication methods: Open System authentication, SharedKey authentication, FT authentication, simultaneous authentication of equals (SAE), and FILSauthentication.

2.Open System authentication admits any STA to the DS.

3.Shared Key authentication relies on WEP to demonstrate knowledge of a WEP encryption key.

4.SAE authentication uses finite field cryptography to prove knowledge of a shared password.

這里我們留個(gè)疑問(wèn)，開(kāi)放認(rèn)證系統(tǒng)允許任何設(shè)備加入DS，WiFi設(shè)備連接wpa/wpa2加密方式的WiFi網(wǎng)絡(luò)，Auth幀交互使用Open System的作用是什么呢？

2. Association幀

WiFi設(shè)備想經(jīng)過(guò)AP發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先需要與AP建立關(guān)聯(lián)。WiFi設(shè)備需要通過(guò)Assoc幀，發(fā)起關(guān)聯(lián)請(qǐng)求。

AP將通過(guò)Assoc幀對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。因此，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了Assoc request和Assoc response幀類型。

WiFi設(shè)備和AP進(jìn)行關(guān)聯(lián)交互的目的是為了加入網(wǎng)絡(luò)，并獲取關(guān)聯(lián)ID，簡(jiǎn)稱[[AID]]。

Assoc幀802.11 MAC Header和FCS完全符合管理幀格式定義，主要不同在Frame Body。Body內(nèi)容包含：Fixed字段和Tagged字段(即包含的Element)。但其HT Control 字段為0。

• Assoc request幀：發(fā)起關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，并表明支持的網(wǎng)絡(luò)能力。幀Body Tagged字段與probe request幀基本一樣。
• Assoc response幀：響應(yīng)關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，表明是否允許WiFi設(shè)備關(guān)聯(lián)到WiFi網(wǎng)絡(luò)。幀Body Tagged字段與probe response/beacon幀基本一樣。

好，接下來(lái)主要分析Assoc幀的Fixed字段。Assoc request幀F(xiàn)ixed字段占4個(gè)字節(jié)。Capab和Listen Interval各占2個(gè)字節(jié)，如下圖所示。

• Capab表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)支持能力信息
• Listen Interval表示在睡眠模式WiFi設(shè)備喚醒監(jiān)聽(tīng)Beacon周期間隔

Assoc response幀F(xiàn)ixed字段占6個(gè)字節(jié)。Capab，status code和AID各占2個(gè)字節(jié)，如下圖所示。

• Capab表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)支持能力信息
• Status code表示當(dāng)前關(guān)聯(lián)狀態(tài)
• AID表示W(wǎng)iFi網(wǎng)絡(luò)分配給Wifi設(shè)備的關(guān)聯(lián)ID

注：協(xié)議規(guī)范【原】

1.The Listen Interval field is used to indicate to the AP how often a STA in power save mode wakes to listento Beacon management frames.

第二部分：幀在不同加密方式中的應(yīng)用。

1. Auth幀的應(yīng)用

認(rèn)證作為加入WiFi網(wǎng)絡(luò)的第一步，一個(gè)設(shè)備可以與多個(gè)設(shè)備完成認(rèn)證流程。

• WEP Shared key加密方式，Auth幀用做發(fā)起認(rèn)證流程，表明認(rèn)證算法類型，承載Challenge Text內(nèi)容交互，完成WiFi設(shè)備接入的加密鑒權(quán)。對(duì)WiFi網(wǎng)絡(luò)安全有一定保護(hù)作用。
• WEP Open system加密方式，Auth幀僅作為認(rèn)證流程交互，指明認(rèn)證算法類型，無(wú)安全認(rèn)證鑒權(quán)。對(duì)WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)安全保護(hù)作用。
• WPA/WPA2 Auth使用Open system，Auth幀做為認(rèn)證流程交互，對(duì)WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)安全保護(hù)作用。
• WPA3 Auth使用SAE，auth幀用作為認(rèn)證流程交互，承載信息，與路由器協(xié)商產(chǎn)生PMK，用作后續(xù)4次握手密鑰協(xié)商，對(duì)WiFi網(wǎng)絡(luò)有安全保護(hù)作用。

2. Assoc幀的應(yīng)用

WiFi設(shè)備加入所有的WiFi網(wǎng)絡(luò)(不同加密方式)，需要完成關(guān)聯(lián)交互過(guò)程，在同一時(shí)刻，一個(gè)WiFi設(shè)備只能關(guān)聯(lián)到一個(gè)AP上，獲取到AID。

開(kāi)放認(rèn)證系統(tǒng)允許任何設(shè)備加入DS，WiFi設(shè)備連接wpa/wpa2加密方式的WiFi網(wǎng)絡(luò)，Auth幀交互的作用是什么呢？

從上節(jié)可知，掃描過(guò)程中beacon/probe response幀的fixed字段和Element可獲得WiFi網(wǎng)絡(luò)的加密方式。

WiFi連接速度一直是影響WiFi使用體驗(yàn)的影響因素之一，在wpa/wpa2加密WiFi網(wǎng)絡(luò)，auth幀交互對(duì)WiFi連接速率有一定影響。

auth幀交互在wpa/wpa2加密WiFi網(wǎng)絡(luò)被保留下來(lái)的原因，個(gè)人理解有以下：

• WEP加密在wpa/wpa2之前，為了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方便兼容WEP加密方式。
• WiFi設(shè)備和AP簡(jiǎn)單的Auth交互，確認(rèn)加入WiFi網(wǎng)絡(luò)的基本能力。