CN109462616A - 基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法 - Google Patents

基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，涉及通信技术领域。包括以下步骤：创建所述无线网卡的设备接口，并开启监听模式；打开创建的设备接口，进行无线网卡数据包的嗅探；在数据链路层增加旁路处理，拷贝到达网络接口的数据包；对数据包进行解析，先分析数据包的帧头部字段，获取帧类型标识字段判断该帧是数据帧还是控制帧；若是数据帧，进行固定值偏移获取数据帧类型标识字段，判断该帧是station发送帧还是station接收帧，并根据地址偏移获取station mac信息。本发明的目的在于自动抓取无线数据包，进行帧类型的解析，在数据帧的基础上，进一步区分station发送帧和station发送帧，有利于对终端数据的采集。

Description

基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法。
背景技术
在802.11中的帧有三种类型：管理帧(Management Frame，例如Beacon帧、Association帧)、控制帧(Control Frame，例如RTS帧、CTS帧、ACK帧)、数据帧(Data Frame，承载数据的载体，其中的DS字段用来标识方向很重要)。帧头部中的类型字段中会标识出该帧属于哪个字段。
现有技术对无线控制帧和数据帧扫描和分析的方案需要手动去执行解析。分为以下几个步骤：(1)手动在无线ap设备上新建网络接口并设置无线网卡的监听模式，将通过无线网卡数据链路层的数据帧都进行旁路拷贝处理到新建的网络接口(2)需要使用手动抓包工具类似于tcpdump、Wareshark等网络抓包工具在新建立的网络接口上抓包。(3)使用wareshark将抓取到的每个数据包进行字段分析，分析哪些是控制帧和数据帧，再进行数据段的偏移，手动在该字段获取所需的用户终端信息。
不能做到自动化去进行数据获取与解析，需要人工去执行相关接口的建立、监听模式的创建、数据包的获取、人工对数据包进行分析与解析以及做不同数据帧区分相应位数字段偏移计算，工作量大，费时费力，最终区分出控制帧和数据帧，但从对应类型的数据帧中获取的用户终端信息，也需要手工记录，会耗费大量的人力，解析数据时效性差，不具有实时性，数据获取与解析效率低，不能满足大量数据获取与解析分析的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，自动抓取无线数据包，进行帧类型的解析，在数据帧的基础上，进一步区分station发送帧和station发送帧，有利于对终端数据的采集。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，提供无线设备及若干与无线设备连接的终端，所述无线设备内设置有无线网卡，其特征在于，包括以下步骤：
S1，创建所述无线网卡的设备接口，并开启监听模式；
S2，打开创建的设备接口，进行无线网卡数据包的嗅探；
S3，在数据链路层增加旁路处理，拷贝到达网络接口的数据包；
S4，对数据包进行解析，先分析数据包的帧头部字段，获取帧类型标识字段判断该帧是数据帧还是控制帧；若是数据帧，进行固定值偏移获取数据帧类型标识字段，判断该帧是station发送帧还是station接收帧，并根据地址偏移获取station mac信息。
进一步的，所述设备接口为fish0接口。
进一步的，所述数据包的嗅探和旁路处理采用libpcap抓包框架。
进一步的，所述S3拷贝数据包后将数据包传递到用户缓冲区。
进一步的，所述帧头部字段的分析过程如下：先进行第一长度的偏移获得Radiotap Header的数据长度，再以所述Radiotap Header的数据长度为第二长度偏移到IEEE 802.11Data的数据首地址，获得Frame Control Field，Frame Control Field内包含了帧类型标识字段和数据帧类型标识字段。
进一步的，所述帧类型标识字段的获取过程如下：将Frame Control Field的数据内容转化为二进制数据，取第5-6位二进制数据；若该二进制数据为10，则该帧为数据帧，若该二进制数据为01，则该帧为控制帧。
进一步的，所述帧类型标识字段的获取过程如下：将Frame Control Field的数据内容转化为二进制数据，取最后两位二进制数据；若该二进制数据为10，则该帧为station发送帧，若该二进制数据为01，则该帧为station接收帧。
进一步的，所述第一长度为两个字节。
进一步的，所述station mac信息保存在STA address数据段内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在无线设备的无线网卡上做数据监听，并进性链路层的数据帧增加旁路拷贝，便可以获取到经过该无线设备的网卡的所有数据帧，通过自动抓取多种报文进行数据字段分析，只要根据报文数据做固定数值偏移即可获得数据帧类型的数值，继而可以判断出数据帧类型，并进一步做固定值偏移获取station帧类型，从相应的station帧类型中获取station mac信息；本发明弥补了现有技术需要手工记录，会耗费大量的人力，解析数据时效性差，不具有实时性，数据获取与解析效率低，不能满足大量数据获取与解析分析的需求的缺陷。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明一实施例的完整数据包package数据组成示意图；
图3为本发明一实施例的Radiotap Header数据组成示意图；
图4为本发明一实施例的IEEE 802.11Data数据组成示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在802.11中的帧有三种类型：管理帧(Management Frame，例如Beacon帧、Association帧)、控制帧(Control Frame，例如RTS帧、CTS帧、ACK帧)、数据帧(Data Frame，承载数据的载体，其中的DS字段用来标识方向很重要)。帧头部中的类型字段中会标识出该帧属于哪个字段。
(1)ACK帧
单播(unicast)帧都需要用ACK来确认，ACK本身不是广播帧，ACK在MAC上是unicast的，帧中有receive地址字段(用来标识是对谁的确认)，但是它却不需要再确认了。ACK只有接收地址(receive)而无源地址(src)和序号(sequence)，因为发送和接受是一个整体，发送之后，其他人(除了这个发送的接受者)都不会再发送数据了(无线协议中的冲突避免机制)，所以接受者会发送一个没有src的ack帧给receiver，而接收ACK的一端会根据这个知道它收到了一个ACK帧(其实根据协议，应当把发送单播帧和收到它相应的ACK看作一个原子的不可分割的整体，表示一次成功的通信)。
(2)Beacon帧
Beacon帧定时广播发送，主要用来通知网络AP的存在性。Station和AP建立Association的时候，也需要用到Beacon。Station可以通过Scan来扫描到Beacon，从而得知AP的存在，也可以在扫描的时候通过主动发送Probe来探寻AP是否存在。也就是说，建立Association的时候有主动的扫描或者被动的扫描两种方式。另外，Beacon还包含了关于Power Save、以及地区等信息。
(3)Association帧
通常Association帧都有Probe Request和相应的Probe Response。Association的Request中有其所需要的Channel以及Data Rate等状态，以便让AP决定是否让它与自己建立Association。而关联是否成功，主要是看Response中的Status code是否为Success。
(4)Data帧
Data Frame具有方向，这个方向用DS(分布式系统)字段来标识，以区分不同类型帧中关于地址的解析方式；其它的类型Frame例如Control Frame或者管理帧中，这个字段是全零。这个字段用两位表示，这两个位的含义分别表示“To Ds”和“From Ds”，大致含义如下：
(a)To DS：表示Station->AP，一般也叫Upload。
(b)From DS表示AP->Station，一般也叫Download。
这里，我们可以大致将DS看做AP，To/From是从AP的角度来考虑的。To DS就是让AP干活。另外Data Frame中还有一个比较重要的字段就是Sequence，表示帧的序号。重传帧序号一样，但是多了一个Retry的字段表示该帧是重传的。
为了便于理解，这里再次详细解释一下DS字段的含义：
To DS＝0,From DS＝0:表示Station之间的AD Hoc类似的通信，或者控制侦、管理侦。
To DS＝0,From DS＝1:Station接收的侦。
To DS＝1,From DS＝0:Station发送的侦。
To DS＝1,From DS＝1:无线桥接器上的数据侦。
这里，我们主要关注To DS和From DS分别是01和10的情况，DS虽然大致等于AP但是它不是AP，它其实是一个系统，从Station的角度来看，比较容易理解。并且To DS和FromDS一定是无线网络上面数据侦才有的字段。
日常生活中，手机、PAD、PC等能自动连接到周围的无线信号，就是由于无线设备(这里无线设备以无线ap为例说明)会定时向自己的四周广播发送Beacon帧，用来通知附近wifi设备(手机、PC等终端)连接它，连接它便可以上网。而我们的手机、PC等终端设备也会不停的发送probe帧，去寻找附近可用的无线设备，而这些数据帧中包含了其终端的mac等信息，由于无线设备接收的到所有数据都会进行过无线网卡，我们选择在无线设备的网卡上做数据监听，具体如下：
请参阅图1，本实施例涉及一种基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，提供无线设备及若干与无线设备连接的终端，所述无线设备内设置有无线网卡，包括以下步骤：
S1，创建所述无线网卡的设备接口，如fish0接口，并开启监听模式；
S2，利用libpcap抓包框架，打开创建的设备接口，进行无线网卡数据包的嗅探；
S3，利用libpcap抓包框架，在数据链路层增加旁路处理，对经过无线网卡链路层驱动程序到达网络接口的数据包进行拷贝，并将数据包传递到用户缓冲区；
S4，对数据包进行解析，先分析数据包的帧头部字段，获取帧类型标识字段判断该帧是数据帧还是控制帧；若是数据帧，进行固定值偏移获取数据帧类型标识字段，判断该帧是station发送帧还是station接收帧，并根据地址偏移获取station mac信息。所述帧头部字段的分析过程如下：先进行第一长度的偏移获得Radiotap Header的数据长度，该第一长度为两个字节；再以所述Radiotap Header的数据长度为第二长度偏移到IEEE 802.11Data的数据首地址，获得Frame Control Field，Frame Control Field内包含了帧类型标识字段和数据帧类型标识字段；最后根据地址偏移获取STA address数据段信息，从中获取station mac信息。
将Frame Control Field的数据内容转化为二进制数据，取第5-6位二进制数据作为帧类型标识字段；若该二进制数据为10，则该帧为数据帧，若该二进制数据为01，则该帧为控制帧。取该二进制数据的最后两位二进制数据作为数据帧类型标识字段；若该二进制数据为10，则该帧为station发送帧，若该二进制数据为01，则该帧为station接收帧。
为了一般技术人员更好地理解本技术方案，以下结合一具体实施例进一步介绍。
如图2所示为获取到的完整数据包package，具体数据如图中阴影部分所示。由于package整个报文数据由Radiotap Header、IEEE802.11Data(报文其它组成与本文内容无关暂不分析)等部分数据组成，而数据帧类型的判断主要在IEEE 802.11Data报文所携带的数据中。因此需要从所获取的数据包头进行数据偏移操作，偏移Radiotap Header部分数据内容长度。
如图3所示为Radiotap Header的数据组成示意图，具体数据如图中阴影部分所示。Radiotap Header部分的数据长度可由Header length获取，由图3报文中可获取到Radiotap Header的数据组成字段：Header revision占一个字节、Header pad占一个字节、Header length占两个字节，则进行两个字节的偏移操作，获取两个字节的数据内容即可获得Radiotap Header部分数据长度即header length数值。
由于802.11radio information数据为硬件信息内容不包含在数据内，则从数据包的数据字段的首地址开始以header length为长度的数据偏移操作即可偏移到IEEE802.11Data部分数据首地址。由图4所示报文为例，根据报文内容可获取到IEEE802.11Data(数据帧)数据部分组成如下表1：
表1报文数据组成表
数据组成 字节数
(1)FrameControlField:0x0802 2
(2).000000000000000＝Duration:0microseconds 2
(3)Receiveraddress:IPv6mcast_01:00:02(33:33:00:01:00:02) 6
(4)Destinationaddress:IPv6mcast_01:00:02(33:33:00:01:00:02) 6
(5)Transmitteraddress:Shenzhen_39:09:69(44:d1:fa:39:09:69) 6
(6)Sourceaddress:RealtekS_68:43:eb(00:e0:4c:68:43:eb) 6
(7)BSSId:Shenzhen_39:09:69(44:d1:fa:39:09:69) 6
(8)STAaddress:IPv6mcast_01:00:02(33:33:00:01:00:02) 6
根据图4和表1可知Frame Control Field中包含了帧类型标识字段type和station接收帧与发送帧的标识(即TO DS与FROM DS)，偏移header length的长度获取两个字节的数据内容，其中header length为数据包头的字段长度，如图4所示获取到的为0x0802(十六进制)，将该数据转化为二进制数据为0000100000000010，从左到右获取第5-6位二进制数据即可解析数据包的帧头部字段(帧类型标识字段)为二进制数10(可表示为0x02)，则该帧为数据帧，若解析数据包的帧头部字段为二进制数01(可表示为0x01)，则该帧为控制帧，即在软件中可以以此来对数据包进行帧区分操作；从左到右获取最后两位二进制数即可获得数据帧类型。该例中得到的二进制数据为10(可表示为0x02)则该报文中数据帧类型为station发送帧，若解析出的数据为01(可表示为0x01)则为ap发送的station接收帧；若为station发送帧或接收帧则可在STA address在获取station mac信息(例如表1中STA address)，由对应数据包的数据字段的首地址偏移header length+2+2+6*5的长度即可偏移到STA address数据段，获取6个字节的字符数据内容即可获得该station mac信息，并将该信息在程序中进行已链表方式保存，并释放该数据包，继续对下一个获取到的数据包进行此操作，进而达到对周围无线设备信息进行数据采集的实现。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，提供无线设备及若干与无线设备连接的终端，所述无线设备内设置有无线网卡，其特征在于，包括以下步骤：
S1，创建所述无线网卡的设备接口，并开启监听模式；
S2，打开创建的设备接口，进行无线网卡数据包的嗅探；
S3，在数据链路层增加旁路处理，拷贝到达网络接口的数据包；
S4，对数据包进行解析，先分析数据包的帧头部字段，获取帧类型标识字段判断该帧是数据帧还是控制帧；若是数据帧，进行固定值偏移获取数据帧类型标识字段，判断该帧是station发送帧还是station接收帧，并根据地址偏移获取station mac信息。
2.根据权利要求1所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述设备接口为fish0接口。
3.根据权利要求1所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述数据包的嗅探和旁路处理采用libpcap抓包框架。
4.根据权利要求1所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述S3拷贝数据包后将数据包传递到用户缓冲区。
5.根据权利要求1所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述帧头部字段的分析过程如下：先进行第一长度的偏移获得Radiotap Header的数据长度，再以所述Radiotap Header的数据长度为第二长度偏移到IEEE 802.11Data的数据首地址，获得Frame Control Field，Frame Control Field内包含了帧类型标识字段和数据帧类型标识字段。
6.根据权利要求5所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述帧类型标识字段的获取过程如下：将Frame Control Field的数据内容转化为二进制数据，取第5-6位二进制数据；若该二进制数据为10，则该帧为数据帧，若该二进制数据为01，则该帧为控制帧。
7.根据权利要求5所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述帧类型标识字段的获取过程如下：将Frame Control Field的数据内容转化为二进制数据，取最后两位二进制数据；若该二进制数据为10，则该帧为station发送帧，若该二进制数据为01，则该帧为station接收帧。
8.根据权利要求1所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述第一长度为两个字节。
9.根据权利要求1所述的基于分析无线控制帧和数据帧的扫描方法，其特征在于，所述station mac信息保存在STA address数据段内。
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