从收银系统到全球连接：WiFi的诞生

WiFi的起源可以追溯到收银机。1991年，NCR公司和AT&T发明了WiFi的前身，最初的目标是将其用于收银系统。快进到 1997 年，电气和电子工程师协会 （IEEE） 成立了 802.11 委员会，负责制定无线网络标准。这就是我们今天所知道的WiFi的真正诞生。

“WiFi”一词本身是由一家品牌咨询公司于 1999 年创造的。与流行的看法相反，它并不代表“无线保真”——它只是一个朗朗上口的名字，与录音中使用的“Hi-Fi”一词相呼应。

速度的演变：多年来的WiFi标准

WiFi技术自问世以来已经走过了漫长的道路。让我们快速浏览一下WiFi标准的演变：

• 802.11 （1997）：原始标准，支持高达 2 Mbps 的速度
• 802.11b （1999）：将速度提高到 11 Mbps
• 802.11a （1999）：在 5 GHz 频段引入 54 Mbps 速度
• 802.11g （2003）：将 54 Mbps 引入更常见的 2.4 GHz 频段
• 802.11n （2009）：也称为 WiFi 4，引入了 MIMO 技术，速度高达 600 Mbps
• 802.11ac （2013）：WiFi 5 将速度推入千兆位范围
• 802.11ax （2019）：WiFi 6 和 6E，目前最快的标准，理论速度高达 9.6 Gbps

每个新标准都在速度、范围和效率方面带来了显着改进，同时保持了与旧设备的向后兼容性。

WiFi的工作原理：基础知识

WiFi的核心是一种双向无线电通信系统。它使用无线电波在设备和接入点之间传输数据。让我们分解一下WiFi如何运作的基本原则：

WiFi网络结构

典型的WiFi网络由两个主要组件组成：

1. 接入点 （AP）：这是 WiFi 网络的中心枢纽，通常集成到路由器中。它广播WiFi信号，并充当无线网络和有线网络（通常连接到互联网）之间的桥梁。
2. 客户端：这些是连接到 WiFi 网络的设备，例如智能手机、笔记本电脑、智能家居设备等。

连接过程

当将设备连接到 WiFi 网络时，会执行以下几个步骤：

1. 发现：接入点定期广播其网络名称 （SSID）。
2. 关联请求：您的设备发送加入网络的请求。
3. 身份验证：如果网络是安全的，则设备会提供必要的凭据（密码）。
4. 关联：通过身份验证后，您的设备将与接入点关联。
5. IP 地址分配：为设备分配一个 IP 地址，通常通过 DHCP 分配。

数据传输

连接后，数据将使用无线电波在设备和接入点之间传输：

1. 打包：数据被分解成小数据包。
2. 编码：这些数据包被编码为无线电波。
3. 传输：无线电波通过空气传输。
4. 接收：接收设备接收这些无线电波。
5. 解码：无线电波被解码回数据包。
6. 重组：将数据包重新组装成原始数据。

避 碰

WiFi 使用一种称为 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance （CSMA/CA） 的方法来管理在同一信道上通信的多个设备：

1. 在传输之前，设备会检查信道是否畅通。
2. 如果清除，它会传输。如果没有，它会等待随机时间，然后再检查。
3. 接收设备在成功接收数据包时发送确认。

此过程有助于最大限度地减少干扰，并确保在共享介质中进行高效通信。

WiFi频段和信道

WiFi 在分配给未经许可使用的特定频段内运行。了解这些频段以及它们如何划分为信道对于优化WiFi性能至关重要。

2.4 GHz 频段

2.4 GHz频段是WiFi的原始频率，至今仍被广泛使用。

• 范围：2.400 GHz 至 2.4835 GHz。
• 频道：14 个频道 （1–14），但并非所有频道在所有地区都可用。
• 信道宽度：通常为 20 MHz，但在某些情况下可能为 40 MHz。
• 优点：更好的射程，更好的穿透墙壁。
• 缺点：更拥挤，更容易受到其他设备的干扰。

5 GHz 频段

5 GHz 频段是后来推出的，与 2.4 GHz 频段相比具有一些优势。

• 范围：5.150 GHz 至 5.925 GHz。
• 频道：最多 45 个频道，具体取决于地区和法规。
• 信道宽度：20 MHz、40 MHz、80 MHz 或 160 MHz。
• 优点：不那么拥挤，潜在速度更高。
• 缺点：射程较短，穿透墙壁效果较差。

6 GHz 频段

WiFi 频率的最新成员是 WiFi 6E。

• 范围：5.925 GHz 至 7.125 GHz。
• 通道：多达 59 个非重叠的 160 MHz 通道。
• 优点：最不拥挤，潜在速度最高。
• 缺点：目前射程最短，设备支持有限（2024 年 6 月）。

WiFi数据包的类型

WiFi数据包大致可分为三种类型：

1. 管理框架

这些框架用于建立和维护通信。示例包括：

• 信标帧：广播网络信息
• 关联请求/响应：在客户端加入网络时使用
• 身份验证帧：用于安全进程
• 探测请求/响应：用于网络发现

2. 控制帧：

这些有助于数据帧的交付。示例包括：

• 请求发送 （RTS）：有助于避免隐藏节点的冲突
• 清除发送 （CTS）：响应 RTS，为数据传输扫清道路
• 确认 （ACK）：确认成功收到帧

3. 数据帧：

它们携带实际的数据有效载荷。

WiFi数据包剖析：分解数据

WiFi通信的核心是WiFi数据包。把它想象成一个包含你的数据的信封，上面有地址标签和递送说明。让我们来看看WiFi数据包的结构：

WiFi数据包

下图显示了 WiFi 数据包的不同组件：

1. 帧控制（2 字节）：数据包的流量控制器。
2. 持续时间/ID（2 字节）：持续时间/ID 字段是 WiFi 数据包中的 16 位组件，可根据帧类型和网络条件调整其功能。它可以表示关联标识符、无争用期间的固定值或通道保留的各种持续时间值。这个多功能领域在管理不同WiFi操作场景的网络授时和站点识别方面发挥着至关重要的作用。
3. 地址字段（每个 6 个字节）：每个地址字段的长度为 48 位，根据帧类型和网络配置，可以用于不同的用途。这些地址可以代表基本服务集标识符（BSSID）、源地址、目标地址、发射站地址或接收站地址，从而允许在WiFi网络内正确路由和管理数据。
4. 序列控制（2 字节）：帮助重新组合分段的数据包并识别重复数据包。
5. QoS 控制和 HT 控制：服务质量和高吞吐量操作的可选字段。
6. 帧体（0–2312 字节）：实际数据有效负载。
7. FCS（帧检查序列）：错误检查机制。

“帧控制”字段特别有趣。它就像数据包的 ID 徽章，包含有关帧类型和各种控制标志的关键信息。让我们进一步分解它：

帧控制字段

这个 2 字节的字段包含大量信息：

• 协议版本：指示正在使用的 802.11 版本
• Type 和 Subtype：指定它是管理、控制还是数据帧，以及其特定功能
• 到 DS 和从 DS：指示帧是流向分配系统还是流出分配系统
• 更多片段：发出更多帧片段即将到来的信号
• 重试：指示此帧是否为重传
• 电源管理：提供有关发送设备电源状态的信息
• 更多数据：告知省电设备是否有更多数据在等待
• 受保护的帧：指示帧是否加密
• 订单：用于严格排序的服务类

对于需要分析 WiFi 流量、解决问题或检测潜在安全威胁的网络管理员和安全专业人员来说，了解这些结构至关重要。

WiFi安全：保护您的网络

安全性是WiFi网络的一个关键方面。由于无线信号可以被范围内的任何人拦截，因此强大的安全措施对于保护敏感数据和防止未经授权的访问至关重要。让我们来探讨一下WiFi安全协议的演变，以及保护网络的最佳实践。

1. WEP（有线等效隐私）

• 1997 年作为原始 802.11 标准的一部分推出
• 使用 40 位或 104 位密钥
• 被证明非常脆弱且易于破解
• 由于安全漏洞，2004 年弃用

2. WPA（WiFi保护访问）

• 2003 年推出，作为 WEP 的快速替代品
• 使用 TKIP（临时密钥完整性协议）进行加密
• 与WEP相比，提供了重大改进，但仍存在漏洞

3. WPA2（WiFi 保护访问 2）

• 于 2004 年推出，并于 2006 年成为所有新 WiFi 设备的强制性要求
• 使用 AES（高级加密标准）进行加密
• 提供两种模式：个人 （PSK） 和企业 （802.1X）
• 多年来一直被认为是安全的，但发现了像 KRACK 这样的漏洞

4. WPA3（WiFi 保护访问 3）

• 2018年推出的最新WiFi安全协议
• 提供针对脱机字典攻击的增强保护
• 提供前向保密，即使密码后来被泄露，也能保护数据
• 包括改进的公共WiFi网络加密

分析WiFi流量：PCAP文件一览

数据包捕获 （PCAP） 文件是网络管理员和安全专业人员的宝贵工具。它们允许对网络流量进行详细分析，包括WiFi通信。

什么是 PCAP 文件？

PCAP（数据包捕获）文件包含从网络截获的数据包。对于 WiFi 网络，这些文件可以包括所有类型的 WiFi 数据包：管理帧、控制帧和数据帧。