1. 概述
1.1 介绍
无线局域网（Wireless Local Area Networks; WLAN）利用无线技术在空中传输数据、语音和视频信号。目前无线局域网已经深深融入大众的生活当中，例如在家里中使用的路由器，手机开启的热点链接，公交车上的的WIFI覆盖，手机数据连接这些都是无线局域网的使用场景。无线局域网因其快捷，方便等因素广为大家接受。
由于WLAN是基于计算机网络与无线通信技术，在计算机网络结构中，逻辑链路控制（LLC）层及在其之上的应用层对不同的物理层的要求可以相同也可以不同，因此，WLAN标准主要针对物理层和媒质访问控制层（MAC），涉及到所使用的无线频率范围，空中接口通信协议等技术规范与技术标准。
1.2 标准
IEEE 802.11是现今无线局域网通用的标准，它是由电气和电子工程协会（IEEE）所定义的无线网络通信的标准。
IEEE 802.11标准规范了无线局域网物理层PHY和媒体访问控制层MAC的协议，即开放式系统互联参考模型OSI的下面两层。在IEEE 802.11标准中，只定义了一种类型的MAC子层，它可以对应三种不同类型的物理层：跳频扩频FHSS、物理层直接序列扩频DSSS和物理层红外线IR。为了使用无线介质的特点，MAC子层采用了载波侦听多点接入/避免冲撞协议CSMA/CA。
下面是IEEE 802.11系列标准的发展流程：
- 802.11 定义微波和红外线的物理层和MAC子层（2.4GHz， 2Mbit/s， 1997）
- 802.11a 定义了微博物理层及MAC子层（5GHz， 54Mbit/s, 1999）
- 802.11b 物理层补充DSSS（2.4GHz， 11Mbit/s, 1997）
- 802.11b+ 物理层补充PBCC（2,4GHz， 11Mbit/s, 2002）
- 802.11c 关于802.11网络和普通以太网之间的互通协议（2000）
- 802.11d 关于国际间漫游的规范（2000）
- 802.11c 对服务等级QoS的支持（2004）
- 802.11d 关于国际间漫游的规范（2000）
- 802.11e 对等服务等级QoS的支持（2004）
- 802.11f 基站的互联性（2003）
- 802.11g 物理层补充OFDM（2.4GHz， 54Mbits/s， 2003）
- 802.11h 扩展物理层和MAC子层标准（5GHz， 欧洲， 2003）
- 802.11i 安全和鉴权方面的补充（2004）
- 802.11j 扩展物理层和MAC子层标准（5GHz， 日本， 2004）
- 802.11k 基于无线局域网的微波测量规范（2005）
- 802.11m 基于无线局域网的设备维护规范（2006）
- 802.11n 导入MiMO技术（2.4G/5GHz， 100-300Mbit/s， 2007）
1.3 架构
IEEE 802.11主要描述物理层和链路层，下面是规范描述的架构。
图 1 802.11规范架构图
物理层是介质访问控制层MAC与无线介质之间的接口，它传输和接收共享无线介质上的数据帧。
802.11将物理层进一步划分为两个组件：
（1）物理层收敛程序（Physical Layer ConvergenceProcedure，简称PLCP），MAC层和PLCP通过物理层服务访问点(SAP)利用原语进行通讯。MAC层发出指示后，PLCP就开始准备需要传输的介质协议数据单元(MPDUs)。PLCP也从无线介质向MAC层传递引入帧。PLCP为MPDU附加字段，字段中包含物理层发生和接收所需的信息，802.11标准称这个合成帧为PLCP写数据单元(PPDU)。PLCP将MAC协议数据单元映射成适合被PMD传送的格式，从而降低MAC层对PMD层的依赖程度。PPDU的帧结构提供了各个站之间MPDU的异步传输，因此，接收工作站的物理层必须同步每个单独的将到来的帧。
（2）物理介质依赖（Physical Medium Dependent，简称PMD），在PLCP下方，PMD支持两个工作站之间通过无线介质实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功能，PMD需直接面向无线介质(大气空间)，并对数据进行调整和解调。PLCP和PMD之间通过原语通信，控制发送和接收功能。
（3）MSDU（MAC层业务数据单元，这是最原始的待发数据信息），经过封装编程MPDU（MAC层协议数据单元），MPDU传到PLCP子层编程PSDU（PLCP子层业务数据单元），PSUD经过封装变成PPDU（PLCP子层协议数据单元）。
1.4 拓扑结构及服务类型
WLAN主要由三种网络拓扑结构：
（1）独立基本服务集（Independent BSS，IBSS）网络（也叫ad-hoc网络）。
（2）基本服务集（Basic Service Set，BSS）网络。
（3）扩展服务集（Extent Service Set，ESS）网络。
图 2 独立基本服务集
图 3 基本服务集
图 4 扩展服务集
其中，ESS中的DS（分布式系统是一个抽象系统，用来连接不同的BSS的通信信道（通过路由服务），这样就可以消除BSS中STA与STA之间直接传输距离受到物理设备的限制。
根据拓扑结构可以得出802.11的两类服务：
站点服务SS(每个STA都要有的服务)：认证（Authentication）、解除认证（Deauthentication）、加密（Privacy）、MSDU传递（MSDU delivery）；
分布式系统服务DSS（DS特有的服务）：关联（Association）、解除关联（Deassociation）、分布（Distribution）、集成（Integration）、重关联（Ressociation）。
2 协议
2.1 802.11帧格式
无线中数据传播的帧格式如下图所示。
图 6 802.11 帧格式
preamble是一个前导标识，叫做随机接入前导码，用于随机接入时识别UE身份，这里用于接收设备识别802.11。
PLCP域中包含一些物理层的协议参数，Preamble及PLCP是物理层的一些细节。
MAC也叫MAC帧头，包含了帧的类型、地址等信息。
User Data也叫帧体，主要封装数据部分，不同帧类型数据部分格式以及内容不同。
CRC是校验域，包含32位循环冗余码。
2.2 MAC帧详解
2.2.1 MAC帧格式
MAC层帧主要包含MAC帧头、帧体以及校验码，下面是MAC帧的帧结构。
图 7 MAC帧结构示意图
2.2.2 MAC帧头详解
1、Frame Control（帧控制域）：
- Protocol Version（协议版本）：通常为0；
- Type（类型域）和Subtype（子类型域）：共同指出帧的类型。
- To DS：表明该帧是BSS向DS发送的帧；
- From DS：表明该帧是DS向BSS发送的帧；
- More Frag：用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧；
- Retry（重传域）：用于帧的重传，接收STA利用该域消除重传帧；
- Power Manage（能量管理域）：1表示STA处于power_save模式；0表示STA处于active模式；
- More Data（更多数据域）：1表示至少还有一个数据帧要发送给STA；
- Wep：表示根据WEP（Wired Equivalent Privacy）算法对帧主体进行加密。1表示帧体部分包含被秘钥加密后的数据；0表示没有包含加密后的数据；
- Order（序号域）：在长帧分段传送时，1表示接受者应该严格按照顺序处理该帧，否则为0；
2、Duration/ID（持续时间/标识）：表明该帧和它的确认帧会占用信道多长时间；对于帧控制域子类型为：Power Save-Poll的帧，该域表示STA的连接身份（AID，Association Indentification）。
3、Address（地址域）：源地址（SA）、目的地址（DA）、传输工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），SA与DA必不可少，后两个只对跨BSS的通信有用，而目的地址可以为单播地址、多播地址、广播地址。
4、Sequence Control（序列控制域）：由代表的MSDU（MAC Server Data Unit）或者MMSDU（MAC Management Server Data Unit）的12位序列号和表示MSDU和MMSDU的每一个片段的编号的4位片段号组成。主要用于重组帧片段以及丢弃重复帧。
2.2.3 帧类型详解
针对不同的功能，可将802.11中额MAC帧细分为三类分别是：
（1）控制帧：用于竞争器件的握手通信和正向确认、结束非竞争期等；
（2）管理帧：主要用于STA与AP之间协商、关系的控制，如关联、认证、同步等；
（3）数据帧：用于在竞争期和非竞争期传输数据；
帧类型主要根据帧控制域中额Type和Subtype两个字段共同定义，具体定义如下：
表 1 帧类型
| TYpe Vale |
Type | Subtype value | Subtype Description |
| 00 | 管理帧 | 0000 | 关联请求帧 |
| 00 | 管理帧 | 0001 | 关联响应帧 |
| 00 | 管理帧 | 0010 | 重新关联请求帧 |
| 00 | 管理帧 | 0011 | 重新关联响应帧 |
| 00 | 管理帧 | 0100 | 探测请求帧 |
| 00 | 管理帧 | 0101 | 探测响应帧 |
| 00 | 管理帧 | 0110-0111 | 保留 |
| 00 | 管理帧 | 1000 | 信标帧 |
| 00 | 管理帧 | 1001 | 流量公告指示信息帧ATM |
| 00 | 管理帧 | 1010 | 断开关联帧 |
| 00 | 管理帧 | 1011 | 认证帧 |
| 00 | 管理帧 | 1100 | 取消认证帧 |
| 00 | 管理帧 | 1101-1111 | 保留 |
| 01 | 控制帧 | 0000-1001 | 保留 |
| 01 | 控制帧 | 1010 | 节能轮询帧PS-POLL |
| 01 | 控制帧 | 1011 | 请求发送帧RTS |
| 01 | 控制帧 | 1100 | 结束发送帧 CTS |
| 01 | 控制帧 | 1101 | 应答帧ACK |
| 01 | 控制帧 | 1110 | Contention-Free（CF）-End |
| 01 | 控制帧 | 1111 | CF-End+CF-Ack |
| 10 | 数据帧 | 0000 | Data |
| 10 | 数据帧 | 0001 | Data +CF-Ack |
| 10 | 数据帧 | 0010 | Data +CF-Poll |
| 10 | 数据帧 | 0011 | Data +CF-Ack +CF-Poll |
| 10 | 数据帧 | 0100 | 空白功能（无数据） |
| 10 | 数据帧 | 0101 | CF-Ack（无数据） |
| 10 | 数据帧 | 0110 | CF-Poll（无数据） |
| 10 | 数据帧 | 0111 | CF-Ack +CF-Poll （无数据） |
| 10 | 数据帧 | 1000-1111 | 保留 |
| 11 | 保留 | 0000-1111 | 保留 |
2.2.4 数据帧格式
数据帧的帧格式与通用MAC帧格式相同，但其格式与子类型无关。其中地址字段的内容定义见下表。不可用（N/A）字段将被忽略。
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2.2.5 管理帧格式
管理帧的地址字段不随帧的子类型的改变而改变，且帧格式也与帧的子类型无关，如下图所示。
下面是对管理帧中帧主体所包含的信息内容。
（1） 信标帧格式。如表所示为信标管理帧的帧主体所包含的所有信息。
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（2） ATIM帧格式。该子类型的帧主体为空。
（3） 解除关联帧格式。子类型解除关联管理帧的帧主体包含原因代码信息。
（4） 关联请求帧格式。子类型关联请求管理帧的帧主体包含如下表所示信息。
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（5） 关联响应帧格式。子类型关联响应帧的帧主体包括如下信息。
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（6） 重新关联请求帧格式。子类型重新关联请求管理帧的帧主体包含下表所示信息。
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（7） 重新关联响应帧格式。子类型重新关联响应管理帧的帧主体包含下表所示信息。
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（8） 试探请求帧格式。子类型试探请求管理帧的帧主体包含下表所示信息。
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（9） 试探响应帧格式。子类型试探响应管理帧的帧主体包含下表所示信息。
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（10） 认证帧格式。
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参考资料：
（1）百度百科
（2）无线局域网入侵检测技术研究论文（王利平）