wifi网络接入原理（上）——扫描Scanning

对于低头党来说，在使用WIFI功能时，经常性的操作是打开手机上的WIFI设备，搜索到心目中的热点，输入密码，联网成功，各种低头上网。。。这个看似简单的过程，背后却是隐藏着大量的无线通信技术。用几个专业术语来表示这个过程，分别是：扫描（Scanning）、认证（Authentication）、关联（Association）。下面用一张图来表示这个过程。

图1  WIFI接入网络过程

        现在让我们来分析一下这个过程的工作原理。

        相对移动电子产品来说，WIFI的功耗会比较大。因此，上层应用程序都会有一个开关，用于打开和关闭WIFI功能。个人认为，最好的电源管理设计是上层应用程序的开关可操作WIFI硬件模块的电源的通断。当用户在手机上点击打开WIFI时，WIFI模块通电运行起来，当然也会相应加载WIFI的驱动程序。

         打开完成后，我们可以看到手机上显示搜索到附近的WIFI热点，这个搜索过程的工作原理是怎样的呢？用一个无线通信专业术语来表示：扫描（Scanning）。

         扫描的目的是什么？就是要找到一个无线网络，然后加入到该网络中。

         要加入一个无线网络，那么我们需要找到它的网络名称，即SSID。这个SSID其实是接入点（Access Point）回应工作站扫描时所带的参数，还有其它的网络参数，包括BSSID（可理解为接入点的MAC地址）、信号强度、加密和认证方式等。

         扫描类型分两种，一种是主动扫描（active scanning），另一种是被动扫描（passivescanning）。

        1、 主动扫描（activescanning）

        我们先来说说主动扫描。即我们的手机（工作站STA）以主动的方式，在每个信道上发出Probe Request帧，请求某个特定无线网络予以回应。主动扫描是主动寻找网络，而不是静候无线网络声明本身的存在。使用主动扫描的工作站将会以如下的程序扫描信道表所列的频道：

        （1）跳至某个信道，然后等候来帧指示（indicationof an incoming frame）或者等到ProbeDelay定时器超时。如果在这个信道收到帧，就证明该信道有用户在使用，因此可以加以探测。而ProbeDelay定时器可用来防止某个闲置信道让整个过程停止，因为工作站不会一直等待帧的到来。

        （2）利用基本的DCF访问过程取得媒介使用权，然后送出一个Probe Request帧。

        （3）至少等候一段最短的信道时间（即MinChannelTime）。

        a.如果媒介并不忙碌，表示没有网络存在，因此可以跳至下个信道。

        b.如果在MinChannelTime这段期间媒介非常忙碌，就继续等候一段时间，直到最长的信道时间（即MaxChannelTime）超时，然后处理任何的Probe Response帧。

         大家可能会发现当手机进行WIFI热点搜索时，有时时间会比较长，原因是你处在的区域存在多个接入点（AP），当手机发出Probe Request帧时，多个接入点（AP）通过竞争窗口（congestionwindow）回应Probe Response帧，而这个竞争过程受限于最长的信道时间（即MaxChannelTime）。

        当无线网络收到搜寻其所属的扩展服务集（ESS）的Probe Request时，就会发出Probe Response帧。若要找到附近所有的无线网络，那么Probe Request帧可使用broadcastSSID，如此一来，该区所有的802.11无线网络都会以Probe Response加以回应。

        2、 被动扫描（passivescanning）

        现在大部分移动电子产品都是采用被动扫描（passive scanning）的方式，原因是扫描过程中不需要传送任何信号，可以省电。在被动扫描中，工作站会在信道列表（channel list）所列的各个信道之间不断切换，并静候Beacon帧的到来。所收到的任何帧都会被暂存起来，以便取出传送这些帧的BSS 的相关数据。

        在被动扫描的过程中，工作站会在信道间不断切换，并且会记录来自所收到的任何Beacon的信息。Beacon在设计上是为了让工作站知道加入某个基本服务集（Basic Service Set，简称 BSS）所需要的参数以便进行通信。在下图中，通过监听来自前三个接入点的Beacon帧，移动式工作站以被动扫描找出该区所有BSS。如果该工作站并未收到来自第四个接入点的Beacon，就会汇报目前只发现的三个BSS。

图2  被动扫描