WiFi连接过程简要分析

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本文通过抓取的WiFi空口包WiFi空口包抓包方式汇总，简要分析下WiFi的连接过程。
如下图可见，WiFi连接过程可大致分为 探测（Probe）-> 认证（Authentication） -> 关联（Association） -> EAPOL 四个阶段。其中EAPOL不是必要阶段，当加密方式为none或wep时，没有此阶段。下面逐一分析各个阶段。

1 探测

此阶段的作用是扫描所在区域目前有哪些802.11网络，好让sta获取AP能力，以决定是否加入网络。一共有两个帧：

1.1 Probe Request

sta主动发送Req包，表明想加入的网络，以及通过Supported Rates表明自身的能力。

1.2 Probe Response

AP收到Req帧后，会回复Rsp帧，这是AP的义务（AP允许此sta连接的前提下），且通过Supported Rates表明自身能力。

2 认证

Sta 收到Rsp帧，根据自身能力及AP能力，决定要不要加入此网络，若决定加入，则发送 Auth 帧进行身份认证，否则流程结束。此流程共有两个帧：

2.1 Authentication Req

sta 通过Authentication Req帧表明自己的认证算法类型：0 -> Open System; 1 -> Shared Key。
Shared Key 方式即代表 WEP加密方式，Open System即代表 TKIP/WPA/WPA2方式。

2.1.1 Shared Key

使用Shared Key方式，是真实的认证过程，此时，没有第四阶段EAPOL。Auth认证共有四步：

1. STA发起认证请求，携带认证算法类型为：Shared Key；
2. AP 回复一个挑战明文(challage text);
3. STA 使用预设密钥对挑战明文进行加密，然后发送给AP；
4. AP收到后，使用密钥对收到的信息进行解密，如果揭秘成功且明文一致则表示认证成功，回复successful。

2.2.2 Open System

使用Open System方式，认证过程放到最后的EAPOL阶段，Auth只有两步：

1. sta发起认证请求，携带认证算法类型为：Open System；

2. AP直接回复successful。

3 关联

sta收到认证successful报文后，决定加入网络，则会发送Assoc Req帧，指明要加入的网络，以及自己的Listen Interval（聆听间隔，即sta多久聆听一次Beacon帧）和自己的能力信息。
AP收到Assoc Req帧后，确认sta的Listen Interval自己是否接受，能力信息是否匹配。如果一切OK，则回复Assoc Rsp帧。携带Association ID（关联ID）和successful信息，表示关联成功。否则回复Assoc Rsp帧，携带falied信息，表明关联失败。共有两帧：

3.1 Association Request

3.2 Association Rsponse

4 EAPOL

当认证算法类型为Open System时，有此阶段，此为真正的身份认证阶段。一共有四帧：

1. AP首先发送Message1, 包含ANonce。
   
2. STA收到Message1，从中获取ANonce，AA。SA是自己本身的信息，SNonce是自己生成的信息，PMK可通过自身的密码和SSID计算得到，也是已知信息，因此，STA此时具备计算PTK的五元组信息，计算得到PTK后，用PTK的KCK位为对将要发送的数据包进行计算得到MIC，并将MIC一同发给AP。
   
3. AP收到Message2，同理，此时也具备所有五元组信息，并成功计算出PTK。AP使用PTK的KCK位对收到的数据进行计算得到MIC，并将计算得到的MIC与收到的MIC进行对比，若相等则代表AP和STA拥有相同的PTK，进而确认两者拥有相同的PMK，即两者拥有相同的密码。AP向STA回复Message3，包含被加密的GTK（用于对广播数据帧和组播数据帧加密）和MIC。如果不相等，则身份认证失败，回复认证失败报文，结束认证流程。
   
4. STA收到被加密的GTK，因为自身有PTK，所以可从中解开GTK，然后AP和STA安装PTK和GTK，整个认证和密钥交换流程至此结束。

其他

名词解释：
sta : 无线终端，如手机，电脑
AP ：无线接入点，如路由器，CPE

EAPOL阶段密钥交换流程图如下：

其底层数学原理是哈希算法，公式如下：

部分名词解释如下：
PTK 就是加密用的密钥。
PRF 可以简单理解为 sha1 算法。
AA 是 Authenticator(认证者) 的 MAC 地址。
SA 是 Supplicant(申请者)的 MAC 地址。
ANonce 是 Authenticator 产生的随机字串。
SNonce 是 Supplicant 产生的随机字串。
PMK 是由密码和 SSID 信息生成的密钥，如果 STA 和 AP 拥有相同的密码，则此密钥值也会相同，反之也成立。

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