3.3.6　802.11 MAC管理实体[22][23]

802.11包括了MAC层和PHY层。根据图3-4可知这两层内部都对应有Entity，它们通过SAP（Service Access Point）为对应的上层提供服务。图3-27展示了802.11中的Entity和SAP。

3.3.6　802.11 MAC管理实体[22][23] - 图1

图3-27　802.11 Entity模型

由图3-27可知：

·MAC_SAP为LLC层提供服务，其具体内容见3.3.5节“MAC服务定义”。

·MAC子层中还有专门负责管理的Entity，名为MLME（MAC Sublayer Management Entity），它对外提供的接口是MLME_SAP。

·PHY层还可细分为PLCP和PMD两层（本书不讨论）。

·物理层对外提供的管理实体是PLME（PHY Sublayer Management Entity），对应的SAP缩写为PLME_SAP。

·为了方便对802.11 MAC及PHY层统一操作和管理，规范还定义一个SME（Station Management Entity）。该实体独立于MAC和PHY层。使用者可通过SME实体来操作MAC层和PHY层中的SAP。

本节重点关注MAC的管理Entity（即MLME）及其对应的SAP。规范中关于MLME_SAP一共有82个原语，其中一部分如图3-28所示。

3.3.6　802.11 MAC管理实体[22][23] - 图2

图3-28　MLME SAP部分内容

原语的定义曾在3.3.5节MAC服务定义中见过，它其实就是通过定义API来表达自己所具有的功能。MLME_SAP非常多，本章不可能全部覆盖，此处仅介绍三个常用的原语。

·Scan：用于扫描周围的无线网络。

·Authenticate：关联到某个AP前，用于STA的身份验证。

·Associate：关联某个AP。关联成功后，STA就正式加入无线网络了。

提醒　请读者务必注意一点，理解MLME_SAP原语对掌握Wi-Fi技术非常重要。从编程角度来说，MLME_SAP相当于定义了一套接口函数，而后续章节将介绍的wpa_supplicant只是对它们的实现。

1.Scan介绍

原语的参数比较多，但并不是所有参数都需要（由对应的MIB项控制），本书仅介绍比较重要的参数（用加粗字体表示）。

（1）request

Scan.request原语用于扫描周围的无线网络，其原型如下。

  1. MLME-SCAN.request(
  2.     BSSType,BSSID,SSID,ScanType,ProbeDelay,
  3.     ChannelList,MinChannelTime,MaxChannelTime,
  4.     RequestInformation, SSID List,
  5.     ChannelUsage,AccessNetworkType,HESSID,MeshID,VendorSpecificInfo
  6.    )

Scan参数中，比较几个重要的分别如下。

·BSSType：类型为枚举（Enumeration），可取值为INFRASTRUCTURE、INDEPENDENT、MESH、ANY_BSS。

·BSSID：类型为MAC地址。可以是某个指定的BSSID或者广播BSSID。

·SSID：类型为字符串。0～32字节长。指定网络名，如果长度为0，则为wild ssid。

·ScanType：类型为枚举，可取值为ACTIVE（主动）、PASSIVE（被动）。详情见下文。

·ProbeDelay：类型为整型，单位为微秒。用于ACTIVE模式的扫描，详情见下文。

·ChannelList：类型为有序整数列表（Ordered set of integers），扫描时使用。

·MinChannelTime和MaxChannelTime：类型均为整型。用于指示扫描过程中在每个信道上等待的最小和最长时间。时间单位为TU。

由Scan.request的ScanType参数可知，802.11规定了两种扫描模式。

·ACTIVE模式：这种模式下，STA在每个Channel（信道）上都会发出Probe Request帧用来搜索某个网络。具体工作方式是，STA首先调整到某个信道，然后等待来帧指示（表明该信道有人使用）或超时时间ProbeDelay。两个条件满足任意一个，STA都将发送Probe Request帧，然后STA在该信道上等待最少MinChannelTime时间（如果在此时间内信道一直空闲），最长MaxChannelTime时间。

·PASSIVE模式：这种模式下，STA不发送任何信号，只是在ChannelList中各个信道间不断切换并等待Beacon帧。根据前述介绍可知，在基础结构型网络中AP会定时发送Beacon帧以宣告网络的存在。所以，PASSIVE模式下，STA能根据Beacon帧来了解周围所存在的无线网络。

（2）confirm

Scan.confirm用于通知扫描结果，其原型定义如下。

  1. MLME-SCAN.confirm（
  2.      BSSDescriptionSet，BSSDescriptionFromMeasurementPilotSet，
  3.      ResultCode，VendorSpecificInfo
  4.      ）

·BSSDescriptionSet：类型为BSSDescription列表。具体内容见下文。

·ResultCode：类型为枚举，可取值为SUCCESS和NOT_SUPPORTED。

BSSDescription包含很多内容，常见项如表3-12所示。

3.3.6　802.11 MAC管理实体[22][23] - 图3

获取周围的无线网络后，STA可以选择加入（join）其中的一个BSS。规范没有定义网络加入的原语，但实际上大部分无线网卡在实现时，都需要join相关的处理。因为如果周围存在多个无线网络时，需要用户参与来选择加入哪一个网络。BSSDescription全部取值列表请参考规范6.3.3.3.2节。

2.Authenticate介绍

关联到某个AP前，STA必须通过身份验证。该处理由Authenticate对应的原语来完成。由于身份验证涉及两个STA（以基础结构型网络为例，一个是STA，另一个是AP），所以Authenticate包含4个原语，分别如下。

·MLME-Authenticate.request：STA A向AP B发起身份验证请求。

·MLME-Authenticate.confirm：STA A收到来自AP B的身份验证处理结果。

·MLME-Authenticate.indication：AP B收到来自STA A的身份验证处理请求。

·MLME-Authenticate.response：AP B向STA A发送身份验证处理结果。

先来看request和confirm原语。

（1）request和confirm

request和confirm原语原型如下。

  1. MLME-AUTHENTICATE.request(
  2.     PeerSTAAddress,AuthenticationType, AuthenticateFailureTimeout,
  3.     Content of FT Authentication elements,
  4.     Content of SAE Authentication Frame,
  5.     VendorSpecificInfo
  6. )
  7. // confirm原型
  8. MLME-AUTHENTICATE.confirm(
  9.     PeerSTAAddress,AuthenticationType, ResultCode,
  10.     Content of FT Authentication elements,
  11.     Content of SAE Authentication Frame,
  12.     VendorSpecificInfo
  13. )

上述原语定义说明如下。

·PeerSTAAddress：类型为MAC地址，代表对端STA的地址。以本例而言，则是AP B的MAC地址。

·AuthenticationType：类型为枚举，可取值有OPEN_SYSTEN、SHARED_KEY、FAST_BSS_TRANSITION和SAE。用于表示认证过程中使用的认证类型。这部分内容见3.3.7节无线网络安全相关介绍。

·AuthenticateFailureTimeout：类型为整型，代表认证超时时间，单位为TU。

·ResultCode：代表认证处理结果。

MLME-AUTHENTICATE.request将触发STA A发送Authenticate帧。下面来看AP B如何处理收到的这个Authenticate帧呢？

（2）indication和response

这两个原语定义和request以及confirm基本一样。

  1. MLME-AUTHENTICATE.indication(
  2.     PeerSTAAddress,AuthenticationType,
  3.     Content of FT Authentication elements,
  4.     Content of SAE Authentication Frame,
  5.     VendorSpecificInfo
  6. )
  7. // response原型
  8. MLME-AUTHENTICATE.response(
  9.     PeerSTAAddress,AuthenticationType, ResultCode,
  10.     Content of FT Authentication elements,
  11.     Content of SAE Authentication Frame,
  12.     VendorSpecificInfo
  13. )

indication和对应的response参数与request以及confirm一样，此处不详述。

3.Associate介绍

STA通过身份验证后，就需要和AP关联。只有关联成功后，STA才正式成为无线网络的一员。

注意　对于RSN，关联成功后还需通过802.1X身份验证。相关内容留待3.3.7节介绍。

Associate包含的原语和Authentication一样，都有request、confirm、indication和response。我们先来看request和confirm。

（1）request和confirm

request和confirm原语定义如下。

  1. MLME-ASSOCIATE.request(
  2.   PeerSTAAddress, AssociateFailureTimeout,CapabilityInformation,
  3.   ListenInterval,Supported Channels,
  4.   RSN,
  5.   QoSCapability,Content of FT Authentication elements,SupportedOperatingClasses,
  6.   HT Capabilities,Extended Capabilities,20/40 BSS Coexistence, QoSTrafficCapability,
  7.   TIMBroadcastRequest,EmergencyServices,VendorSpecificInfo
  8. )
  9. // confirm原语
  10. MLME-ASSOCIATE.confirm(
  11.   ResultCode,CapabilityInformation,AssociationID,SupportedRates,
  12.   EDCAParameterSet,RCPI.request,RSNI.request,RCPI.response,
  13.   RSNI.response,RMEnabledCapabilities,Content of FT Authentication elements,
  14.   SupportedOperatingClasses,HT Capabilities,Extended Capabilities,
  15.   20/40 BSS Coexistence, TimeoutInterval,BSSMaxIdlePeriod,TIMBroadcastResponse,
  16.   QosMapSet,VendorSpecificInfo
  17. )

上述原语中包含的参数信息如下。

·PeerSTAAddress：响应Association请求的STA的MAC地址，即AP的地址。

·AssociateFailureTimeout：类型为整型，代表关联超时时间，单位为TU。

·CapabilityInformation：指定AP的性能信息。

·ListenInterval：用于告知AP，STA进入PS模式后，监听Beacon帧的间隔时间。

·RSN：类型为RSNE，指示STA选设置的安全方面的信息。详情见3.3.7节。

·ResultCode：AP返回的处理结果。

·AssociationID：AP返回的关联ID。

·SupportedRates：AP返回的所支持的传输速率列表。速率以500kbps为单位。

（2）indication和response

indication和response原语定义如下。

  1. MLME-ASSOCIATE.indication(
  2.   PeerSTAAddress,CapabilityInformation,ListenInterval,SSID,SupportedRates,
  3.   RSN,QoSCapability,RCPI,RSNI,RMEnabledCapabilities,
  4.   Content of FT Authentication elements,SupportedOperatingClasses,
  5.   DSERegisteredLocation,
  6.   HT Capabilities,Extended Capabilities,20/40 BSS Coexistence,QoSTrafficCapability,
  7.   TIMBroadcastRequest,EmergencyServices,VendorSpecificInfo
  8. )
  9. // response原语
  10. MLME-ASSOCIATE.response(
  11. PeerSTAAddress,ResultCode,CapabilityInformation,AssociationID,
  12. EDCAParameterSet,RCPI,RSNI,RMEnabledCapabilities,
  13. Content of FT Authentication elements,
  14. SupportedOperatingClasses,DSERegisteredLocation,HTCapabilities,
  15. Extended Capabilities,
  16. 20/40 BSS Coexistence, TimeoutInterval,BSSMaxIdlePeriod,TIMBroadcastResponse,
  17. QoSMapSet,VendorSpecificInfo
  18. )

上述原语和参数中，只有indication的SSID略有不同，它代表发起关联请求的STA的MAC地址。

4.STA状态转换[24]

上面原语操作成功后，STA状态将发生变化。STA从最初到最终的状态切换如图3-29所示。

3.3.6　802.11 MAC管理实体[22][23] - 图4

图3-29　STA状态切换

图3-29中包含很多知识点，下面一一介绍它们。首先是MAC帧Frame的类别（Class），规范定义MAC帧一共有三种类别，分别是Class 1、Class 2和Class 3，各自包含不同的MAC帧，如表3-13所示。

3.3.6　802.11 MAC管理实体[22][23] - 图5

结合图3-29，可知STA在不同状态下发送的MAC帧类别也不同。这主要是和网络安全有关，没有通过身份验证的STA是不允许随意传输数据的。图3-29中，STA的状态转换如下（以基础结构型网络为例）。

·STA首先处于State 1，即未认证和未关联的情况。为了能加入无线网络，它需要发送Authentication帧给AP。如果认证成功，将转入State 2。State 1情况下不能发送数据帧。

·State 2是已认证，未关联状态。STA将发送Association帧给AP进行关联。成功后，进入State 3。State 2情况下也不能发送数据帧。

·State 3属于已认证，已经关联，但还未通过RSN（Robust Security Network，强健安全网络）认证的状态。RSN采用802.1X进行控制。由于未通过RSN认证，所以只能发送处理认证的数据帧，即4-Way Handshake（四次握手）帧。这部分内容在3.3.7节介绍。

·4-Way Handshake成功后，STA进入State 4。此时它完全加入无线网络，所有数据帧就能正常传输。

MAC管理实体包含的功能很多，不过对程序员来说，其理解难度反而较小，因为它定义的原语类似代码中的API，而且每个参数的作用有详尽的解释。读者以后在分析wpa_supplicant的时候，不妨多回顾本节内容。