7/15/2018

IEEE 802.11 L1/2 와 Ethernet De/Encapsulation

1. WLAN 용어 (IEEE 802.11 Layer1,2 )

Layer 1,2의 Packet 단위에 관한 기본용어와 관리 주체들의 용어를 알아보자.

WIFI IEEE 802.11 MAC/PHY Index

  • Layer 1 (Physical Layer)
  1. PSDU (PLCP Service Data Unit, Physical layer Service Data Unit)
  2. PPDU (PLCP Protocol Data Unit, Physical layer Protocol Data Unit)
  3. PLCP  (Physical Layer Convergence Procedure): PSDU들어가는 Preamble/Header 
  4. PMD  (Physical Medium Dependent)
  5. PLME (Physical Layer Management Entity)
  6. CS/CCA (Carrier Sense/Clear Channel Assessment) 

PHY의 종류 
  1. FHSS PHY (Frequency-Hopping spread spectrum)
  2. DSSS PHY (Direct-sequence spread spectrum)
  3. IR PHY (Infrared)
  4. OFDM PHY (Orthogonal frequency division multiplexing)
  5. HR/DSSS PHY (High Rate direct sequence spread spectrum)
PHY의 따라 PLCP Header도 같이 변경됨
PHY
  http://media.techtarget.com/searchMobileComputing/downloads/CWAP_ch8.pdf

  • Layer 2 (Data Layer)
  1. MPDU (MAC Protocol Data Unit): L1의 PSDU
  2. MSDU (MAC Service Data Unit): MPDU의 내부 DATA 
  3. A-MPDU (Aggregated MAC Protocol Data Unit): Frame Aggregation 사용시 
  4. A-MSDU (Aggregated MAC Service Data Unit): Frame Aggregation 사용시
  5. MAC(Media Access Control)
  6. SAP (Service Access Point)
  7. MLME(MAC sublayer Management Entity)

  • 802.11 L2(Data)/L1(Phy) 구조 
L2를 MAC SubLayer라고 하며, 관리와 제어는 MLME라는 걸쳐 Control/Management 관리
L1은 PHY로 두개로 나뉘어지며, PLCP는 MSDU에 PLCP Header를 넣어 주고, PMD는 각각의 PHY에 따라 전송을 하는 구조이며, 이를 PLME에서 관리

http://media.techtarget.com/searchMobileComputing/downloads/CWAP_ch8.pdf


  • 802.11 L2(Data)/L1(Phy) Packet 구조 및 명칭
아래는 간단히 각 명칭을 이해하기 위해서 상위에서 선언된 Packet 구조이며, PPDU안의 Preamble과 Header는 PLCP라고 한다.
그리고, PLCP Format은 각각의 PHY에 따라 다르므로, 이 부분은 각 개별 PHY정보 참고

상위 Layer1 과 Layer2의 용어를 보면 쉽게이해가 간다.
https://en.wikipedia.org/wiki/MAC_service_data_unit


802.11 L2 의 MPDU 내의 MSDU 관련사항 

802.11 L2 의 Frame Aggregation (상위 A-MPDU 참조)
  https://www.netmanias.com/ko/post/qna/6640
  https://en.wikipedia.org/wiki/Frame_aggregation
  http://haru21.tistory.com/entry/%EB%AC%B4%EC%84%A0%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-%EC%9D%B4%ED%95%B4-4-Chapter3-80211n-2

802.11 기본용어 
  https://wireless.wiki.kernel.org/en/developers/documentation/glossary

세부사항 
IEEE 802.11 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC)
and Physical Layer (PHY) Specifications


2. 802.11 Frame Layer2 MPDU 전체구조 

  • MPDU Frame 의 구조 



  • MPDU의 Address 
Address는 4개까지 가질 수 있으며, 보통은 Address3개를 사용하며, MAC Address 이용.
  1. Address 1: Receiver Address 
  2. Address 2: Transmitter Address
  3. Address 3: Recevier에 의해 Filer 목적으로 사용되어진다고 한다. 
  4. Address 4  ESS(Extended Service Set) 안에 AP들 or Mesh network Node들 간의 Data frame에서 전송시 사용된다고 한다. (AP의 Roaming 시) 


  • MPDU의 Duration /ID 
uS 단위로 CP중 PS-Poll frames을 제외한 CFP 중 전송된 HCF 아래의 모든 Frame에 기록

  • MPDU의 Sequence Control
TCP 처럼 Sequence Control을 진행



  • 기타사항 
  1. QoS Control
  2. HT Control

2.1 MPDU의 FC(Frame Control) 부분 

MPDU의 처음 FC(Frame control) Field 의 2 byte에 대한 설정으로 약간 복잡하다. 

Frame Control Field
Subfield Protocol Version Type Subtype To DS From DS More Fragments Retry Power Management More Data Protected Frame Orders
Bits 2 bits 2 bits 4 bits 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit

  https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11i-2004

  • FC의 Protocol Version (2bit)
보통 00으로 설정을 한다고 한다.

  • FC 의 Type (2bit) 
FC의 Type의 종류가 따라 Frame의 종류 결정 
  1. Management Frames
  2. Control Frames
  3. Data Frames

  • FC의 SubType (4bit)
FC의 Type에 의해 각 역할이 정해지고, FC의 Subtype의 세부기능결정  

  • FC의 Type 과 SubType 의 각 역할표 
Type value (b3,b2) Type description Subtype value (b7 b6 b5 b4) Subtype description
00 Management 0000 Association request
00 Management 0001 Association response
00 Management 0010 Reassociation request
00 Management 0011 Reassociation response
00 Management 0100 Probe request
00 Management 0101 Probe response
00 Management 0110-0111 Reserved
00 Management 1000 Beacon
00 Management 1001 ATIM
00 Management 1010 Disassociation
00 Management 1011 Authentication
00 Management 1100 Deauthentication
00 Management 1101 Action
00 Management 1110-1111 Reserved
01 Control 0000-0111 Reserved
01 Control 1000 Block Ack Request (BlockAckReq)
01 Control 1001 Block Ack (BlockAck)
01 Control 1010 PS-Poll
01 Control 1011 RTS
01 Control 1100 CTS
01 Control 1101 ACK
01 Control 1110 CF-End
01 Control 1111 CF-End + CF-Ack
10 Data 0000 Data
10 Data 0001 Data + CF-Ack
10 Data 0010 Data + CF-Poll
10 Data 0011 Data + CF-Ack + CF-Poll
10 Data 0100 Null (no data)
10 Data 0101 CF-Ack (no data)
10 Data 0110 CF-Poll (no data)
10 Data 0111 CF-Ack + CF-Poll (no data)
10 Data 1000 QoS Data
10 Data 1001 QoS Data + CF-Ack
10 Data 1010 QoS Data + CF-Poll
10 Data 1011 QoS Data + CF-Ack + CF-Poll
10 Data 1100 QoS Null (no data)
10 Data 1101 Reserved
10 Data 1110 QoS CF-Poll (no data)
10 Data 1111 QoS CF-Ack + CF-Poll (no data)
11 Reserved 0000–1111 Reserved


WIFI IEEE 802.11 MAC/PHY Index
상위정보는 아래 Index에서 찾아서 Spec으로 자세히 보도록하자 

  • FC의 ToDS(1bit) and From DS (1bit) 
DS(Distribution System)을 위한 Bit로 Control Frame과  Management Frame은 모두 0 설정.
Data Frame은 이 둘 중 한 Bit를 1로 설정하여 AP와 STA을 알수 있다. (infra mode),
IBBS(independent basic service set) network , 즉 ad mode에서는 모두 0으로 설정.


 ToDS FromDS ADDR1 ADDR2 ADDR3 ADDR4
To AP 1 0 BSSID SA DA Unused
From AP 0 1 DA BSSID SA Unused
Within Wireless AP 1 1 RA TA DA SA
Ad-hoc 0 0 DA SA BSSID Unused

  • FC 의 More Fragments
Data or Management Frame이 1로 설정된 것은 MSDU or MMPDU의 분할이 되었다는 것이며, multiple frames 이 분할되었을 때
마지막 Packet제외하고 모두 1로 설정 하거나 다른 Frame은 0 설정

  • FC의 Retry 
Data or Management frame 재전송되었을 때 1로 설정하며, 때때로, 재전송을 요구한다. 이것을 중복 packet을 제거하는데 도움을준다고 한다.

  • FC의 Power Management 
STA의 Power Management의 상태를 나타내며, 1일 경우 PS(Power Save) Mode, 0은 Active Mode로 나타낸다.
AP는 Power-save bit을 설정하지 않는다.

  • FC의 More Data
DS(distributed system)에서 받은 Buffer Frame에 사용되어지며, AP는 이 bit를 power-save mode에 있는 STA와 이용하기 위해 사용한다.

  • FC의 Protected Frame 
인증/보안을 위해 사용되어지며, WEP/WPA/WPA2 사용시 이 bit이 설정된다.

  • FC의 Order
이 부분은 "strict ordering" delivery method에 적용될때 사용한다고 하며, 1일 경우 Non-QoS Data frame을 전송하는 Strictly Ordered Service라고 한다.
다른 Frame에서는 0을 설정

FC(Frame Control)
  https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11i-2004
802.11x Layer 2
  https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11#Layer_2_.E2.80.93_Datagrams


2.2 MPDU의 FC(Frame Control) 의 Type 과 Subtype 

FC(Frame Control)->Type에 따라 아래와 같이 Frame의 종류가 결정되고, SubType에 따라 세부 Frame으로 나누어진다.
  1. Control Frame
  2. Management Frame
  3. Data Frame

FC(Frame Control)->Type의 Frame 구조
  https://flylib.com/books/en/2.799.1.29/1/

MLME 및 FC->SubType 메뉴
  http://dlrudwo.tistory.com/entry/WLAN-MAC-FRAME


2.2.1 FC(Frame Control) 의 Control Frame 
CSMA/CA 포함 한 802.11에서 사용되어지는 제어 Frame들이며, 아래는 그들 중 일부이다.
기본통신을 위해 RTS/CTS 와 ACK는 중요하며 성능향상을 위한 Block Ack Request/Block Ack도 중요하다  (9.10)


https://flylib.com/books/en/2.799.1.29/1/


  • CSMA/CA(Carrier-Sense Multiple Access/Collision Avoidance)
Ethernet CSMA/CD 거의 동일
RTS/CTS 사용목적은 Serial 통신처럼 안전한 통신을 위해서 Flow Control 이라고 보면된다.
  https://ko.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11_RTS/CTS
ACK Control Frame:
PS-Poll (Power Save Poll) Control Frame:


2.2.2 FC(Frame Control)의 Management Frame
MMPDU(MAC management protocol data unit)라고 불리우며, 802.11의 관리를 하는 Frame 이며, 아래의 Frame들로 구성된다.



https://flylib.com/books/en/2.799.1.29/1/


상위세부내역은 다 나오지 않으며, 상위 표에서 더 참조하시길 
IEEE 802.11 2007 문서 7.2.3 Management frames 참조해도 됨  
현재 2007년꺼 WIFI Spec 밖에 없음 

  • WIFI Scan 방식 
Passive Scan 방식 과 Active Scan 방식이 존재하며 아래와 같이 사용되어지는 Management Frame 이 다르다.  


  • WIFI Passive Scan 방식 
Management Frame 중 beacon 사용 
WIFI AP가 경우 주기적으로 Beacon 를 보내는 방식이다. 
WIFI STA의 경우 이 Beacon을 받아 WIFI AP 정보를 알아 SSID Scan 진행하는 방식으로 STA 입장에서는 Passive 방식이다. 

  • WIFI Active Scan 방식 
Management Frame 중 Prove Request/Probe Response 사용 
WIFI STA 입장에서 직접 WIFI AP의 정보를 얻어 가는 방식이라서 Active Scan이라고 한다.
WIFi STA이 Prove Request를 WIFI AP에게 보내고 이에 응답으로 Probe Response 받는 방식이다. 


https://mrncciew.com/2014/10/27/cwap-802-11-probe-requestresponse/

WIFI Passive Scan/Active Scan 차이 

Authentiction Frame 관련
인증에 관련된 부분 

Action Frame


2.2.3 FC(Frame Control)의 Data Frame

  • MPDU / MPDU+QoS Data Frame 비교 

https://flylib.com/books/en/2.799.1.29/1/


Address4의 경우는 사용될 경우가 있고 , 사용되지 않을 경우가 있다.
관련사항은 아래의 MPDU->FC->ToDS/FromDS를 참고



3. WIFI(802.11) 과 Ethernet 의 De/Encapsulation

802.11의 Data Frames은 일반적으로 802.3(Ethernet 2)기반으로 통신한다.
802.11 Layer에 포함해서 802.3 Data 넣는 방법이 802.2 LLC/SNAP을 사용하여 전송한다.

  • 802.2 LLC PDU 
802.2 LLC Header Information
DSAP address SSAP address Control
8 bits 8 bits 8 or 16 bits multiple of 8 bits

SAP(Service Acess Points) 
DSAP(Destination SAP)
SSAP(Source SAP)

  • 802.2 LLC에서 SNAP(SubNetwork Access Protocol) 추가확장 
802.2 LLC Header SNAP extension Upper layer data
DSAP SSAP Control OUI Protocol ID
8 bits 8 bits 8 or 16 bits 24 bits 16 bits multiple of 8 bits

  • 802.2 LLC/SNAP를 802.11 적용의 예 
  1. DSAP/SSAP는 0xAA 설정 (SNAP 적용) 
  2. Control은 8bit로 0x03 설정
  3. OUI는 모두 0으로 설정
  4. Protocol ID는 EtherType으로 설정
802.11 LLC/SNAP Header
LLC Header SNAP-OUI SNAP-EtherType
AA-AA-03 00-00-00 08-00

LSAP:  0xAA : SNAP 
EtherType: 0x0800 : IPv4  


상위 세부사항은 아래 사이트에서 참고하며, EtherType은 각 역할에 따라변경되므로 주의 

802.3 기반의 Layer2 Ethernet Type
802.11->802.3 에서 사용되어지는 Ethernet Type이며, 인증관련부분도 간단히 소개 

LAN Layer2 
 



  • Ethernet/802.3 LAN to 802.11 LAN Encapsulation Example
상위에서 적용된 것을 802.11 LLC Header 에 적용하여 Encapsulation 의 예제 
Protocol Type/Length LLC Header
802.11 LLC Header
IP 08-00 --
AA-AA-03-00-00-00-08-00
IP 802.3 length AA-AA-03-00-00-00-08-00
AA-AA-03-00-00-00-08-00
IP ARP 08-06 --
AA-AA-03-00-00-00-08-06
AppleTalk (1) 80-9B --
AA-AA-03-00-00-00-80-9B
AppleTalk (2) length AA-AA-03-08-00-07-80-9B
AA-AA-03-08-00-07-80-9B
AppleTalk AARP (1) 80-F3 --
AA-AA-03-00-00-F8-80-F3
AppleTalk AARP (2) length AA-AA-03-00-00-00-80-F3
AA-AA-03-00-00-00-80-F3
IPX Ethernet II 81-37 --
AA-AA-03-00-00-F8-81-37
IPX SNAP length AA-AA-03-00-00-00-81-37
AA-AA-03-00-00-00-81-37
IPX 802.2 length E0-E0-03
E0-E0-03
IPX 802.3 length FF-FF
FF-FF




  • 802.11 LAN to Ethernet/802.3 LAN Decapsulation Example 

Protocol 802.11 LLC Header
Type/Length 802.3 LLC Header
IP AA-AA-03-00-00-00-08-00
08-00 --
IP 802.3 AA-AA-03-00-00-00-08-00
08-00 --
IP ARP AA-AA-03-00-00-00-08-06
08-06 --
AppleTalk (1) AA-AA-03-00-00-00-80-9B
80-9B --
AppleTalk (2) AA-AA-03-08-00-07-80-9B
length AA-AA-03-08-00-07-80-9B
AppleTalk AARP (1) AA-AA-03-00-00-F8-80-F3
80-F3 --
AppleTalk AARP (2) AA-AA-03-00-00-00-80-F3
length AA-AA-03-00-00-00-80-F3
IPX Ethernet II AA-AA-03-00-00-F8-81-37
81-37 --
IPX SNAP AA-AA-03-00-00-00-81-37
length AA-AA-03-00-00-00-81-37
IPX 802.2 E0-E0-03
length E0-E0-03
IPX 802.3 FF-FF
length FF-FF


  Ethernet/802.3 LAN to 802.11 LAN Encapsulation 관련문서

https://flylib.com/books/en/2.519.1/encapsulation_of_higher_layer_protocols_within_80211.html


3.1 WLAN과 LAN과 호환 

1.2에서 설명했듯이 LLC/SNAP을 이용하여 WLAN(802.11)과 LAN(802.3)은 서로 호환이 가능하며, WLAN은 User 입장에서는 LAN처럼 사용이 가능하다.
Ethernet Encapulation 기능을 Soft로 진행을 하면, SoftMac이라 호칭하며, WLAN Chip에서 처리를 하면 이를 FullMac이라고 한다.
802.11 의 Layer 2 Frame 단위를 MPDU(Media access control Protocol Data unit)

  • Data Frames의 구성 
802.11 Layer기반에 LLC/SNAP 추가하여 사용을 하여 아래그림과 같이802.3과 802.11을 호환되도록 한다.

  • Ethernet De/Encapsulation 
  1. Ethernet Encapsulation 은 AP/STA/IBSS의 TX 
  2. Ethernet De-Encapsulation 은 AP/STA/IBSS의 RX 

  • 802.11 Layer의  전체 구성 
Frame Control의 Type에 의해 Data Frame들에게만 적용되고 Layer의 구성은 다음과 같다.
  1. Frame Control :  상위 참조 
  2. Duration ID
  3. Address1/2/3 
  4. Sequence Control 
  5. LLC/SNAP : 전체 8 Byte 사용, 상위 참조 
  6. DATA : Ethernet Data
  7. FCS

  •  Address 3개의 사용
  1. Address 1 : RA( Receiver Address)
  2. Address 2 : TA( Transmitter Address)
  3. Address 3 : Recevier에 의해 Filer 목적으로 사용. 


3.2 WIFI AP 와 STA 의 Ethernet De/Encapsulation 

  • Data Frame 구조 
802.11 내에 LLC/SNAP 포함하고 있으며, LLC/SNAP 설정과 EtherType은 상위 3번의 예제를 참고하자.
Data Frame은 송신자가 ACK Frame을 받지 못한다면 재수신 한다.


802.11 Data Frame
802.11 Header 24bytes 802.2 LLC/SNAP 8bytes 802.11-DATA 802.11-CRC
Frame Control Duration /ID Addr1 (RA) Addr2 (TA) Addr3 Sequence Control DSAP SSAP Control ORGCode (OUI) LLC-Type (PrtocolID) Data FCS
2 B 2 B 6 B 6 B 6 B 2 B 1 B 1 B 1 B 3 B 2 B 0~ 2304 B 4 B

재전송 구조
일반적인 전송은 ACK를 사용하지만, 상위 Frame Aggregation를 이용할 경우, RTS/CTS 도 같이 이용
  https://warpproject.org/trac/wiki/802.11/MAC/Lower/Retransmissions
  https://witestlab.poly.edu/blog/802-11-wireless-lan-2/


https://support.mangocomm.com/docs/wlan-user-guide/mac/framework_high_eth_encap.html

AP기능
  https://warpproject.org/trac/wiki/802.11/MAC/Upper/AP


https://support.mangocomm.com/docs/wlan-user-guide/mac/framework_high_eth_encap.html


STA의 기능
  https://warpproject.org/trac/wiki/802.11/MAC/Upper/STA

상위구조를 보면, BSSID와 Wireless Mac Address가 별도로 존재하며, 이는 AP에서는 두 주소가 구분이 될 필요가 없지만, STA에서는 구분이 되어 사용이 되어진다.

  • AP->STA 통신 
AP의 TX Encapsulation (상위 그림참조)
  1. Addr1-RA :  DA
  2. Addr2-TA :  BSSID
  3. Addr3 :  SA

STA RX Decapsulation (상위 그림 참조)
  1. Addr1-RA :  DA
  2. Addr2-TA :  BSSID
  3. Addr3 :  SA
AP에는 Addr2-TA는 Wireless Mac Address or BSSID로 설정

  • STA->AP 통신 
STA의 TX Encapsulation (상위 그림 참조)
  1. Addr1-RA:  BSSID
  2. Addr2-TA:  STA-Wireless MAC Address
  3. Addr3 :  DA

AP RX Decapsulation (상위 그림 참조)
  1. Addr1-RA:  BSSID
  2. Addr2-TA:  SA
  3. Addr3:  DA

DA/SA : 802.3 Mac Layer 의 주소


3.3 WIFI IBBS 의 Ethernet De/Encapsulation  

IBBS(independent basic service set)로 ad hoc이라고 하며 P2P통신을 할때 한다.
Wireless Mac Address로 서로를 구분

  • IBBS->IBBS 통신 
IBBS의 TX Encapsulation
  1. Addr1-RA :  DA
  2. Addr2-TA :  Wireless MAC Address
  3. Addr3 :  BSSID

IBBS RX Decapsulation
  1. Addr1-RA :  DA
  2. Addr2-TA :  SA 
  3. Addr3 :  BSSID

DA/SA : 802.3 Mac Layer 의 주소

https://support.mangocomm.com/docs/wlan-user-guide/mac/framework_high_eth_encap.html


IBBS의 기능 
  https://warpproject.org/trac/wiki/802.11/MAC/Upper/IBSS

Ethernet Encapsulation
  https://warpproject.org/trac/wiki/802.11/MAC/Upper/MACHighFramework/EthEncap
  https://dot11ap.wordpress.com/ieee-802-11-frame-format-vs-ieee-802-3-frame-format/

WNIC (SoftMac vs FullMac)
  https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_network_interface_controller


4. 기타사항 링크

  • WIFI Driver 종류 및 지원사항 (중요)
  1. Interface 부분확인 (SDIO/USB/PCI)
  2. WIFI Driver에서 각 지원되는 인증사항 확인
  3. Monitor Mode 지원사항 확인
  4. AP Mode 지원사항 확인
  5. Ad-Hoc Mode지원여부 확인 
broadcom의 경우 
  1. brcmfmac:  Full MAC의 경우 Ad-hoc mode 미지원
  2. brcmsmac:  Soft MAC의 경우 Ad-hoc mode 지원 
  https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_open-source_wireless_drivers


MAC Format 및 Capture
  https://witestlab.poly.edu/blog/802-11-wireless-lan-2/
  https://zone13.io/post/wifi-monitoring-using-raspberry-pi/


LLC/SNAP
  https://en.wikipedia.org/wiki/Subnetwork_Access_Protocol
  https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-ipwave-ipv6-over-80211ocb-20.html
  https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-ipwave-ipv6-over-80211ocb-20.html#epd
  https://stackoverflow.com/questions/32233879/is-there-an-ethertype-field-in-802-11-header
  http://www.uniroma2.it/didattica/TPI1/deposito/tpi1-1112-03-wlan-v1.pdf
  ftp://ftp.informatik.hu-berlin.de/pub/doc/o-reilly/9780735612914/cd_contents/TrainingSlides/01_LAN_Technologies.PPT

Roaming 구조
  https://www.cs.auckland.ac.nz/courses/compsci314s1t/lectures/314s1-17-19-ether-4up.pdf

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