S2W-M02嵌入式WiFi串口WiFi联网过程协议详解
目前，在嵌入式领域，智能家居、智能工业、智能公交等等控制中，WiFi已经成为了一种普遍被采用的技术。
笔者常年在嵌入式WiFi行业做一线技术开发。本文主要从协议层面描述的是一个串口WiFi模块加电到联网过程中所经历的过程。
本文以SimpleWiFi的S2W-M02为例，通过Commviewforwifi抓包工具描述串口WiFi的联网过程：
第一步：设备上电，WiFi模块发起扫描过程:
在此过程以前，通常已经将需要连接的无线路由器的名称（ssid）和密码已经通过其他方式设置到了模块里面。比方说S2W-M02是通过web网页的方式或者AT指令的方式已经将ssid和密码设置到了模块中。模块上电后将发起扫描动作（探测请求数据帧）。通常这一过程在WiFi联网过程中称之为主动扫描（相对应的被动扫描请查阅相关文档）。
探测请求帧（PROBE REQ）数据协议如下：
通过上图红圈1中，我们可以清楚的看到。S2W-M02发起了一个类型（Type-0 subtype-4）为探测请求的数据帧。该数据即为模块的扫描请求数据帧。该帧目的地址为广播地址（如上图2中所示，FFFFFFFFFFFF）,也就是说环境中所有的WiFi热点都会接收到该数据帧。从抓包数据中我们看出SimpleWiFi发起的探测请求帧中的含有设置过的热点的名称。这样可以减少热点发送的探测响应帧的数量。
无线路由器在收到探测请求帧后，将对比自己的SSID。如果SSID与自己SSID相同，那么将回应探测相应帧给终端（S2W-M02）。如下图所示，思科无线路由器回应探测相应帧给SimpleWiFi模块。
从上图，我可以看出。无线路由器给S2WM02模块（红色部分为数据的地址信息）。
第二步：模块收到路由器信息后，发起鉴权请求过程
SimpleWiFi模块在收到路由器的探测相应数据后，将解析路由器的信息。包括路由器的capability信息。比方说HT信息域，此信息域代表无线路由器所支持的一些功能的信息。模块收到该信息后，设置相关的寄存器（比方说，信道、加密方式、支持的速率、11N的相关信息），以便来适应该无线路由器。
设置参数后，S2W-M02模块将发起鉴权请求帧（具体数据帧格式见802.11协议）。该数据帧如下图所示：
我们从上图可以看出：SimpleWiFi模块发起了鉴权数据帧给无线路由器（Type-0 Subtype-11），该数据帧含有鉴权的类型（open方式还是共享秘钥方式）。该数据帧是模块发给无线路由器的一个单播数据。
路由器在收到鉴权请求数据的时候，将根据鉴权类型回应鉴权相应帧给终端（S2W-M02）。改数据帧中包含鉴权结果。如下图所示：
上图1红圈处我可以看出数据类型，上图2红圈处我们可以看到数据发送方向（发起方为无线路由器，接收端为S2W-M02模块）。上图3红圈处代表鉴权结果。
如果无线路由器采用的是WEP64或者WEP128的共享秘钥的加密方式的话，鉴权过程分为4步。这2种方式的加密，现在很少有人使用。可以参考802.11协议栈了解相关的信息，该文档就不做描述了。
第三步：鉴权成功后，模块发起关联过程
在SimpleWiFi模块收到成功的鉴权结果后。模块将发起关联Association过程。该过程主要是告诉无线路由器，模块所支持的一些功能信息（比方说采用的加密方式）。同时，在关联相应数据帧中，无线路由器也将通知模块关联结果等信息。关联相应帧中有很多信息与第一步中的探测响应帧一样，都是代表无线路由器所支持的功能。
模块发起的关联请求数据帧，如下图所示：
上图1红圈处我可以看出数据类型，上图2红圈处我们可以看到数据发送方向（发起方为SimpleWiFi模块，接收端为无线路由器）。该数据中包括模块的capability，以及将要使用的加密方式等等，详细的数据域可以参照802.11协议。
无线路由器在接收到关联请求帧后，将根据自身的情况（是否支持该加密方式、是否支持模块的特殊功能）将生成关联相应帧，关联相应帧体中含有关联的结果。如下图所示：
上图1红圈处我可以看出数据类型，上图2红圈处我们可以看到数据发送方向（发起方为无线路由器，接收端为SimpleWiFi模块）。上图3红圈处有关联的结果显示。
至此，模块与无线路由器的802.11的鉴权和关联步骤已经完成。通过关联的结果，我们可以查看模块使用过程中的一些问题。比方说，路由器的加密方式不支持、以及模块和无线路由器是否支持QOS功能等。
接下来，模块与无线路由器将进行秘钥协商阶段。不同的加密方式秘钥协商的过程有些区别。如果采用WPA或者WPA2相关的加密方式的话。我们从抓包过程可以看见EAPOL过程即我们通常所说的4步握手过程。秘钥协议分为单播秘钥协商和广播秘钥通告2个步骤。秘钥协商的具体过程，在本文档中我们就不做详细描述。具体可以参考802.11协议相关文档。
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