CN113783780B - 一种ieee802.11丢包统计及流量预测方法、系统及终端 - Google Patents

一种ieee802.11丢包统计及流量预测方法、系统及终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种IEEE802.11丢包统计及流量预测方法、系统及终端，持续传输数据帧；提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：G＝Si‑Si‑1；如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧。本发明在WiFi检测监管设备领域中基于IEEE802.11协议帧中的序列号连续性来统计丢包率并对丢包数据进行流量补偿。利用本发明方法解决Monitor抓包模式统计流量偏差大的问题。

Description

一种IEEE802.11丢包统计及流量预测方法、系统及终端
技术领域
本发明涉及网络通信数据统计技术领域，尤其涉及一种IEEE802.11丢包统计及流量预测方法、系统及终端。
背景技术
随着现代网络技术的不断发展，WiFi在人们生活中扮演着越来越重要的角色。WiFi具有无需布线、成本低廉，传输速度快等优点，但由于传输介质是无线信号，非法接入的终端、钓鱼热点或特殊场所的偷拍装备不易被发现。因此一款能够实时扫描、监控空间中所有WiFi信号，并发现潜在的安全风险的系统非常关键。
其中，WiFi监管系统的流量监控通过统计可疑终端在某时间段的流量突变来预测行为，发现风险。此类监管系统硬件部分需要一块工作在Monitor模式的网卡，第三方Monitor抓包模式获取数据流量，由于抓包网卡并未接入到AP和STA的链路中，无法保证数据流量的完整性。
而且网卡处于抓包模式会接收无线介质中所有的WiFi信号，由于要处理的数据量非常大，受网卡硬件模组缓存大小及处理效率影响，会导致出现丢包的问题。
发明内容
本发明提供的方法是基于IEEE802.11协议帧中的序列号连续性来统计丢包率并对丢包数据进行流量补偿。
方法包括：
持续传输数据帧；
提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；
计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
G＝Si-Si-1(mod 4096)；
如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧。
进一步需要说明的是，如果G∈[2,4095]，则判断存在数据帧丢失，发出数据帧丢失提示。
进一步需要说明的是，如果G∈[500,4095]，则表示当前数据帧和上一数据帧之间的时间间隔超阈值；
再获取下一数据帧所对应的帧序列号，计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
如果依然为G∈[500,4095]，则说明当前数据帧是乱序帧，将其剔除。
进一步需要说明的是，如果G∈[2,499]，则将当前帧序列号列入丢包序列，对该数据帧进行流量补偿。
进一步需要说明的是，方法还包括：
基于IEEE802.11的MAC层在数据的首位增加一个帧序列控制字段，用来标识管理帧和数据帧。
设置IEEE标准中，序列控制字段最左边的4位为分段号子字段，用来表示一个数据单元的分段号，其余的12位是序列号子字段。
对于每个发送的数据帧的帧序列号字段依次递增，设置模为4096。
进一步需要说明的是，方法还包括：
获取当前通信周期内数据包的总长度；
调取在先通信周期的数据包的总长度；
将当前通信周期内数据包的总长度与在先通信周期的数据包的总长度进行比对；
或者将当前通信周期内数据包的总长度与预设总长度进行比对；
当当前通信周期内数据包的总长度低于在先通信周期的数据包的总长度，或低于预设总长度时，发出丢包提示；并计算出丢包数量。
本发明还提供一种IEEE802.11丢包统计及流量预测系统，系统包括：数据帧提取模块、计算模块以及预测比对模块；
数据帧提取模块，用于根据预设条件调取预设时间段内的数据帧，并提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；
计算模块，用于计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
G＝Si-Si-1(mod 4096)；
预测比对模块，用于如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧。
本发明还提供一种实现IEEE802.11丢包统计及流量预测方法的终端，包括：
存储器，用于存储计算机程序及IEEE802.11丢包统计及流量预测方法；
处理器，用于执行所述计算机程序及IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，以实现IEEE802.11丢包统计及流量预测方法的步骤。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种基于IEEE802.11序列号机制，通过统计前后序列号差值，判断数据帧是否有丢失。根据差值落入集合的区间来分析帧异常的类型，计入丢包计数器中，并给予针对的流量补偿。
本发明避免了第三方Monitor抓包模式获取数据流量，由于抓包网卡并未接入到AP和STA的链路中，无法保证数据流量完整性的问题。本发明可以解决由于要处理的数据量非常大，受网卡硬件模组缓存大小及处理效率影响，出现丢包而无法判断的问题。
本发明在WiFi检测监管设备领域中基于IEEE802.11协议帧中的序列号连续性来统计丢包率并对丢包数据进行流量补偿。利用本发明方法解决Monitor抓包模式统计流量偏差大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为IEEE802.11丢包统计及流量预测方法流程图；
图2为序列号异常数据帧检测实例图；
图3为IEEE802.11丢包统计及流量预测系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明提供的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明提供的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本发明提供的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
本发明是针对WiFi信号的监控当然，并不局限于对WiFi信号的丢包统计。还可以涉及其他任意通信方式的丢包统计。也就是说通信过程是基于数据帧来进行通信。本发明提供的系统可以对每个时间段的数据帧进行提取计算，进而可以判断出是否存在丢包。
对于本发明来讲系统架构可以包括终端设备，网络和服务器。也就是是终端设备，网络和终端设备。
网络是用以在终端设备和服务器之间提供通信链路的介质。网络也可以是终端设备直接的通信链路的介质。网络可以包括各种连接类型，例如无线通信链路或者光纤电缆等等。
本发明涉及的WiFi通信方式，还可以是无线宽带(Wibro)、全球微波互联接入(Wimax)、高速下行链路分组接入(HSDPA，High Speed Downlink Packet Access)等等。
用户可以使用终端设备通过网络与服务器交互，以接收或发送消息等。也可以是终端设备之间的数据交互。终端设备包括但不限于智能手机、平板电脑、便携式计算机和台式计算机、数字电影放映机等等。
对于本发明的应用场景来讲，可以应用到视频数据的通信，或者音频数据的通信，或者交易时，交易数据的判断是否丢包。如丢包对丢包数据进行流量补偿。
具体来讲，方法包括：如图1所示，
S101，持续传输数据帧；
也就是说为了系统中数据是持续的进行通信，本发明的方法为了检测是否存在丢包，实时的，或者在一定时间段内进行监测。
S102，提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；
对于本发明来讲，IEEE 802.11b是无线局域网的一个标准。IEEE 802.11b的频率为2.4GHz，可提供1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s及11Mbit/s的多重传送速度。
本发明的数据传输是基于数据帧来实现的，传输过程中可以是连续不间断的传输，也可以是具有一定的时间间隔进行传输。
本发明为了实现对每个数据帧进行标识区分，便于了解每个数据帧的类型等信息。IEEE802.11 MAC层在IEEE802.11的头部增加了一个帧序列控制字段，用来对管理帧、数据帧实行分片。IEEE标准规定序列控制字段最左边的4位是分段号子字段，用来表示一个数据单元的分段号，其余的12位是序列号子字段，对于每一个发送的数据单元序列号字段依次递增，模为4096。
S103，计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
S104，G＝Si-Si-1(mod 4096)；
如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧。
也就是说对于本发明来讲，计算序列号差值的公式为：
G＝Si-Si-1(mod 4096)
其中Si代表第i帧的序列号，Si-1代表第i-1帧的序列号。G就是当前帧序列号与上一帧序列号的差值对4096取模。因为序列号记到4095后会再从0开始累加，所以两个帧的序列号相减会有负值情况，所以需要对结果进行取模运算。
检测节点记录无线网络中无线AP和STA发出的所有帧。本发明中，WLAN主要由站(Station，STA)、接入点(Access Point，AP)、无线介质(Wireless Medium，WM)和分布式系统(Distribution System，DS)组成。
也就是STA，英文全称Spike-triggered average，直译做“发放-触发平均方法”。表示传送地址指令。无线AP是移动计算机用户进入有线网络的接入点，可以基于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，可以覆盖几十米至上百米
当有一个帧到达后，算法与该同一源发出的上一帧比较，计算出序列号间隙G。G的值将落在0和4095之间。根据G的值，分为两种情况：
对于本发明来讲，序列号正常的帧：如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧，前后没有丢包。
序列号异常的帧：如果G＝0，说明是重传帧。重传帧则不记录在流量统计范围。
如果G∈[2,4095]，则说明有数据帧丢失。
对于G∈[500,4095]这类间隙过大的帧，算法要计算其与下一帧的间隔，如果依然落入G∈[500,4095]，则说明该帧是乱序帧，可能在之前已作为丢包统计过，所以此处将其剔除。
如果G∈[2,499]，则列入丢包序列，对该帧进行流量补偿。
如图2所示，是一张Wireshark软件抓取的某终端与其热点交互的抓包数据。从序列号的变化来看，SN＝290和SN＝32的两个帧与前后序列号差别都很大，需要剔除。而其他的G∈[2,499]的情况则列为丢包序列。
本发明中的方法还包括：
获取当前通信周期内数据包的总长度；
调取在先通信周期的数据包的总长度；
将当前通信周期内数据包的总长度与在先通信周期的数据包的总长度进行比对；
或者将当前通信周期内数据包的总长度与预设总长度进行比对；
当当前通信周期内数据包的总长度低于在先通信周期的数据包的总长度，或低于预设总长度时，发出丢包提示；并计算出丢包数量。
也就是说，在每个通信周期的数据包的总长度是一定范围内的，如果低于预设总长度，或均低于在先多个周期数据包的总长度时，可以判断当前通信周期内数据包丢失了数据。需要进行补偿，可以对当前通信周期内数据包进行解析，解析出数据包中的数据帧，再对数据帧进行辨识，得到各个数据帧的状态，在比对出缺少的数据帧，进行补偿。
示例性的讲，丢失的数据帧是无法预先得知数据长度的大小，经过大量的抓包实测，大部分包的长度是一致的，即传输一段视频流量，捕获到的数据包长度都是包允许的最大值，因此针对丢失的数据帧，算法统计前一段时间的每数据帧的长度值，以此作为丢失帧的数据长度，对流量进行补偿。
本发明提供了一种基于IEEE802.11序列号机制，通过统计前后序列号差值，判断数据帧是否有丢失。根据差值落入集合的区间来分析帧异常的类型，计入丢包计数器中，并给予针对的流量补偿。
本发明避免了第三方Monitor抓包模式获取数据流量，由于抓包网卡并未接入到AP和STA的链路中，无法保证数据流量完整性的问题。本发明可以解决由于要处理的数据量非常大，受网卡硬件模组缓存大小及处理效率影响，出现丢包而无法判断的问题。
基于上述方法本发明还提供一种IEEE802.11丢包统计及流量预测系统，如图3所示，系统包括：数据帧提取模块1、计算模块2以及预测比对模块3；
数据帧提取模块1，用于根据预设条件调取预设时间段内的数据帧，并提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；
计算模块2，用于计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
G＝Si-Si-1(mod 4096)；
预测比对模块3，用于如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧。
本发明还提供一种实现IEEE802.11丢包统计及流量预测方法的终端，包括：
存储器，用于存储计算机程序及IEEE802.11丢包统计及流量预测方法；
处理器，用于执行所述计算机程序及IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，以实现IEEE802.11丢包统计及流量预测方法的步骤。
本发明在WiFi检测监管设备领域中基于IEEE802.11协议帧中的序列号连续性来统计丢包率并对丢包数据进行流量补偿。利用本发明方法解决Monitor抓包模式统计流量偏差大的问题。
本发明提供的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，其特征在于，方法包括：
持续传输数据帧；
提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；
计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
G＝Si-Si-1，mod 4096；
如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧；
如果G∈[2,4095]，则判断存在数据帧丢失，发出数据帧丢失提示；
方法还包括：
获取当前通信周期内数据包的总长度；
调取在先通信周期的数据包的总长度；
将当前通信周期内数据包的总长度与在先通信周期的数据包的总长度进行比对；
或者将当前通信周期内数据包的总长度与预设总长度进行比对；
当当前通信周期内数据包的总长度低于在先通信周期的数据包的总长度，或低于预设总长度时，发出丢包提示；并计算出丢包数量。
2.根据权利要求1所述的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，其特征在于，
如果G∈[500,4095]，则表示当前数据帧和上一数据帧之间的时间间隔超阈值；
再获取下一数据帧所对应的帧序列号，计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
如果依然为G∈[500,4095]，则说明当前数据帧是乱序帧，将其剔除。
3.根据权利要求1所述的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，其特征在于，
如果G∈[2,499]，则将当前帧序列号列入丢包序列，对该数据帧进行流量补偿。
4.根据权利要求1所述的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，其特征在于，方法还包括：
基于IEEE802.11的MAC层在数据的首位增加一个帧序列控制字段，用来标识管理帧和数据帧。
5.根据权利要求4所述的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，其特征在于，方法还包括：
设置IEEE标准中，序列控制字段最左边的4位为分段号子字段，用来表示一个数据单元的分段号，其余的12位是序列号子字段。
6.根据权利要求5所述的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，其特征在于，方法还包括：
对于每个发送的数据帧的帧序列号字段依次递增，设置模为4096。
7.一种IEEE802.11丢包统计及流量预测系统，其特征在于，系统采用权利要求1至6任意一项所述的IEEE802.11丢包统计及流量预测方法；
系统包括：数据帧提取模块、计算模块以及预测比对模块；
数据帧提取模块，用于根据预设条件调取预设时间段内的数据帧，并提取当前数据帧的帧序列号和上一帧序列号；
计算模块，用于计算当前帧序列号和上一帧序列号的差值，并将差值与4096进行取模运算：
G＝Si-Si-1(mod 4096)；
预测比对模块，用于如果G∈[1，1]，则是正常的数据帧。
8.一种实现IEEE802.11丢包统计及流量预测方法的终端，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序及IEEE802.11丢包统计及流量预测方法；
处理器，用于执行所述计算机程序及IEEE802.11丢包统计及流量预测方法，以实现如权利要求1至6任意一项所述IEEE802.11丢包统计及流量预测方法的步骤。
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