第四章 系統架構
4.2 系統設計
4.2.1. 訊框分析
我們必須加入一些額外的資訊於IEEE 802.11訊框中，例如：金鑰的交換、
隨機位元串資訊等等，並且不能影響到原有的802.11協定運作，也就是設計的機 制必須與802.11向後相容（Backward Compatible）。所以本研究必須利用訊框中 沒有使用到或保留的位置，為其欄位定義出新的意義。
一般典型的802.11訊框格式如圖20所示，依據型態（Type）的不同可以分為 管理訊框（Management Frame）、控制訊框（Control Frame）以及資料訊框（Data Frame）三種，而每種型態以子型態來定義所需的功能，如表5列出的管理訊框型 態與子型態的對應功能表。不是每個訊框都包含圖20中的所有欄位，而是當有需 求時才會包含某一欄位，因此我們可以利用這種特性加入額外資訊，但是卻不會 影響系統運作。
管理訊框（型態 = 00）
子型態 功能
0000 連結要求 0001 連結回覆 0010 重新連結要求 0011 重新連結回應 0100 試探要求 0101 試探回覆
1000 訊標
1001 ATM 1010 連結終止
1011 身份認證 1100 身份認證終止 表 5 管理訊框型態與子型態功能對照
接下來我們將分析管理訊框中訊框表頭（Mac Header）與訊框主體（Frame Body）中有哪些位置是可以被我們使用的。
訊框表頭分析：
在[1][7][8][9][10][1]中都是將額外資訊加在訊框表頭中，不過在此處所受的 限制很大，因為只有些許的位置是未使用到的。例如：如圖 21 所示，在[1]中將 額外資訊加入訊框控制（Frame Control）中，訊框控制在型態為管理訊框的情形 下，可能只有 B8、B9、B10、B12、B13、B15 這些位置是可以使用的。這些可 用的位置數目對本研究所提的架構是不夠的，所以把額外的資訊加在訊框表頭中 並不適用於我們的系統，底下列出加入額外資訊於此處的缺點：
（1）位置不夠（除了隨機位元串至少要三個位置，還有金鑰交換資訊等等）
（2）沒有使用相同格式管理，效率不好
（3）無彈性
所以本研究中的額外資訊都將加入訊框主體（Frame Body）中，如此則可以決上 述（1）（2）（3）中的缺點，下一段將為大家說明。
圖 21訊框控制中可以使用的位置分析[1]
訊框主體分析：
根據上述說明，我們知道把額外的資訊加在訊框表頭中並不恰當。所以接下 來會把本研究架構所需的額外資訊都加在訊框主體中的，如此不僅可以解決位置 不夠多的問題，亦因使用相同的格式來管理而使得效率提昇。管理訊框中的訊框 主體定義了許多用來提供資訊的欄位，以便告知對方（擷取點或無線工作站）本 身資訊的欄位。例如：訊標訊框中含有擷取點 SSID 的資訊項目等等。要告知對 方自己本身相關資訊的欄位可以分為兩種，一種是固定欄位，另一種「資訊項目」
欄位。固定欄位並不適合本研究（因為位置不夠），所以我們將使用「資訊項目」
欄位，加入本研究所需額外資訊。
資訊項目欄位如表 6 所示，可以看到編號 7~15 與 32~255 都是屬於保留區 段，所以我們可以使用這些保留的位置來定義出新的項目資訊。定義方式如圖 22 所示，管理訊框中所攜帶的資訊項目都使用相同的格式來表達，一個位元組 的「項目編號」欄位，一個位元組的「長度」欄位，以及不固定長度的「項目表 示內容」欄位。
項目編號 項目表示內容 0 服務組編號（SSID）
1 支援速率
2 FH 參數集 3 DS 參數集 4 CF 參數集 5 流量指示圖譜（TIM）
6 IBSS 參數集 7~15 保留未使用
16 挑戰字串
17~31 保留作為挑戰字串的延伸 32~255 保留未使用
表 6 管理訊框的項目內容
圖 22 項目資訊格式
至於要定義出哪些新的欄位呢？與我們需要在訊框中加入哪些額外資訊有 關。根據我們提出的機制，需要定義的資訊項目有 Diffie-Hellam 金鑰交換（大 質數 P、P 的原根 G、無線工作站產生的 Ks、擷取點產生的 Ka）、虛擬亂數產生 器（a、b、m）、隨機位元串、回覆成功/失敗、計數器。各個新定義資訊項目的 功能，會在本章各節中會有更進一步的介紹。
圖 23 無線工作站與擷取點為了利用 Diffie-Hellman 金鑰交換演算法得到共 同金鑰，所需的大質數 P 與 P 的原根 G。
圖 23 金鑰交換所需大質數 P 與原根 G 資訊項目
圖 24 為雙方知道公開的 P 與 G 後，各自產生的一半金鑰資訊（Ka/Ks），加 入試探要求與試探回覆（Probe Request/Response）中互相交換，即可算出同一把 金鑰，細節於 4.2.2 討論
圖 24 擷取點與無線工作站各自產生一半的金鑰交換資訊項目
圖 25 是利用線性同餘（Linear Congruential）方式當虛擬亂數產生器時，所 需的公開值，用於 4.2.3 中認證隨機位元串產生器中，細節將於 4.2.3 中討論。
圖 25 虛擬亂數產生器的資訊項目
圖 26 為擷取點或無線工作站插入驗證的隨機位元串欄位，擷取點或無線工 作站收到管理類型訊框後，會去檢驗這個欄位的值是否相符，之後才會有續動作。
圖 26 加入驗證的隨機位元串資訊項目
圖 27 中的回覆成功或失敗欄位，是接收端用來回覆傳送端驗證的隨機位元 串是否相符。若相符，則回覆成功；反之，則回覆失敗。
圖 27 同步演算法需要的回覆成功或失敗資訊項目
圖 28 的計數器欄位，是用調整擷取點與無線工作站的隨機位元串不同步的 問題，細節於 4.2.5 討論。
圖 28 同步演算法需要的計數器資訊項目
經過以上的分析之後，我們就可以利用新定義於訊框主體的新欄位加入我們 需要的額外資訊於管理訊框中，以下各小節會有更詳盡的介紹本研究的機制是如 何運作，包括金鑰交換、隨機位元串的產生、兩層過濾的機制、隨機位元串同步