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ICT应用解决方案12-WLAN工作原理

发布时间 2023-07-11 11:06:56作者: Qurare

ICT应用解决方案12-WLAN工作原理

1 WLAN工作流程

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1.1 AP上线

AP获取IP地址并发现AC，与AC建立连接, 为确保AP能够上线，AC需预先配置如下内容:

  1. 配置网络互通:
    • 配置DHCP服务器，为AP和STA分配IP地址，也可将AC设备配置为DHCP服务器
    • 配置AP到DHCP服务器间的网络互通；配置AP到AC之间的网络互通
  2. 创建AP组:
    • 每个AP都会加入并且只能加入到一个AP组中，AP组通常用于多个AP的通用配置
  3. 配置AC的国家码(与管理模板):
    • 国家码用来标识AP射频所在的国家，不同国家码规定了不同的AP射频特性，包括AP的发送功率、支持的信道等
  4. 配置源接口或源地址(与AP建立隧道):
    • 每台AC都必须唯一指定一个IP地址或接口，该AC设备下挂接的AP学习到此IP地址或者此接口下配置的IP地址，用于AC和AP间的通信，以及CAPWAP隧道的建立
  5. (可选)配置AP上线时自动升级:
    • 自动升级是指AP在上线过程中自动对比自身版本与AC或SFTP或FTP服务器上配置的AP版本是否一致，如果版本不一致，则进行升级，然后AP自动重启再重新上线
  6. 添加AP设备(配置AP认证模式):
    • 添加AP有三种方式：离线导入AP、自动发现AP以及手工确认未认证列表中的AP

FIT AP需完成上线过程，AC才能实现对AP的集中管理和控制，以及业务下发。AP的上线过程包括如下步骤:

1.1.1 AP获取IP地址

  • 部署专门的DHCP Server为AP分配IP地址
  • 使用AC的DHCP服务分配IP地址
  • 使用网络中的设备, 例如核心交换机为AP分配IP地址
  • 由于WLAN的灵活性, 通常不使用静态方式获取IP

1.1.2 AP发现AC&建立CAPWAP隧道

  1. Discovery阶段(AP发现AC阶段)

    • AP通过发送Discovery Request报文，找到可用的AC

    • AP发现AC有两种方式:

      静态方式 AP上预先配置AC的静态IP地址列表
      动态方式 DHCP方式、DNS方式和广播方式

  2. 建立CAPWAP隧道阶段

    AP与AC关联，完成CAPWAP隧道建立。包括数据隧道和控制隧道

    • 数据隧道：AP接收的业务数据报文经过CAPWAP数据隧道集中到AC上转发
    • 控制隧道：通过CAPWAP控制隧道实现AP与AC之间的管理报文的交互

1.1.3 AP接入控制

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AP发现AC后，会发送Join Request报文。AC收到后会判断是否允许该AP接入，并响应Join Response报文.

AC上支持三种对AP的认证方式：MAC认证、序列号（SN）认证和不认证.

1.1.4 AP版本升级

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  • AP根据收到的Join Response报文中的参数判断当前的系统软件版本是否与AC上指定的一致。如果不一致，则AP通过发送Image Data Request报文请求软件版本，然后进行版本升级，升级方式包括AC模式、FTP模式和SFTP模式.
  • AP在软件版本更新完成后重新启动，重复进行前面三个步骤.

1.1.5 CAPWAP隧道维持

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  • 数据隧道维持: AP与AC之间交互Keepalive报文来检测数据隧道的
  • 控制隧道维持: AP与AC交互Echo报文来检测控制隧道的连通状态

1.2 WLAN业务配置下发

AC将WLAN业务配置下发到AP生效

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AC向AP发送Configuration Update Request请求消息，AP回应Configuration Update Response响应消息，AC再将AP的业务配置信息下发给AP.

配置模板

为了方便用户配置和维护WLAN的各个功能，针对WLAN的不同功能和特性设计了各种类型的模板，这些模板统称为WLAN模板

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  • 域管理模板: 域管理模板提供对AP的国家码、调优信道集合和调优带宽等的配置
  • 射频模板: 射频模板主要用于优化射频的参数，以及配置信道切换业务不中断功能
  • VAP模板: 在VAP模板下配置各项参数，同时还可以引用SSID模板、安全模板、认证模板等
    • SSID模板: SSID用来指定不同的无线网络, SSID模板主要为了配置WLAN网络的SSID名称
    • 安全模板: 配置WLAN安全策略, 可以对无线终端(STA)进行身份验证, 对用户的报文进行加密, 保护WLAN网络和用户的安全
    • 数据转发方式: 配置数据报文的转发模式(直接转发/隧道转发)
    • 业务WLAN: VAP下发给AP的二层业务报文中会携带业务VLAN的VLAN ID, 但是发给AP的二层业务报文的VLAN依然是管理VLAN
  • 其他模板: AP系统模板、定位模板、WIDS模板、Mesh模板等
  • 射频参数配置: 配置基本射频参数：工作频段、信道、发射功率等

1.3 STA接入

STA搜索到AP发射的SSID并连接、上线，接入网络

CAPWAP隧道建立完成后，用户就可以接入无线网络, STA接入过程分为六个阶段：扫描阶段、链路认证阶段、关联阶段、接入认证阶段、STA地址分配、用户认证

1.3.1 扫描阶段

STA可以通过主动扫描，定期搜索周围的无线网络，获取到周围的无线网络信息, 根据Probe Request帧（探测请求帧）是否携带SSID，可以将主动扫描分为两种:

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  • 有SSID

    客户端发送携带有指定SSID的Probe Request: STA依次在每个信道发出Probe Request帧，寻找与STA有相同SSID的AP，只有能够提供指定SSID无线服务的AP接收到该探测请求后才回复探查响应

  • 无SSID

    客户端发送广播Probe Request: 客户端会定期地在其支持的信道列表中，发送Probe Request帧扫描无线网络。当AP收到Probe Request帧后，会回应Probe Response帧通告可以提供的无线网络信息

1.3.2 链路认证

为了保证无线链路的安全，接入过程中AP需要完成对STA的认证, 802.11链路定义了两种认证机制：开放系统认证和共享密钥认证, 均使用Authentication Request/Response报文

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  • 开放系统认证：即不认证，任意STA都可以认证成功
  • 共享密钥认证：一种挑战认证, STA和AP预先配置相同的共享密钥，验证两边的密钥配置是否相同。如果一致, 则认证成功; 否则, 认证失败

1.3.3 关联阶段

完成链路认证后，STA会继续发起链路服务协商，具体的协商通过Association报文实现

终端关联过程实质上就是链路服务协商的过程，协商内容包括支持的速率、信道等

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1.3.4 接入认证阶段

接入认证即对用户进行区分，并在用户访问网络之前限制其访问权限。相对于链路认证，接入认证安全性更高, 主要包含：PSK认证和802.1X认证

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无论是链路认证还是接入认证, 都是依赖无线接入安全协议实现的, 具体表现为安全策略

常用安全策略

安全策略 链路认证方式 接入认证方式 数据加密方式 说明
WEP Open 不涉及 不加密或WEP加密 不安全的安全策略
Shared-key Authentication 不涉及 WEP加密 不安全的安全策略
WPA/WPA2-802.1X Open 802.1X（EAP） TKIP或CCMP 安全性高的安全策略，适用于大型企业
WPA/WPA2-PSK Open PSK TKIP或CCMP 安全性高的安全策略，适用于中小型企业或家庭用户

1.3.5 STA地址分配

STA获取到自身的IP地址，是STA正常上线的前提条件, 如果STA是通过DHCP方式获取IP地址，可以用AC设备或汇聚交换机作为DHCP服务器为STA分配IP地址。一般情况下使用汇聚交换机作为DHCP服务器(我后面的实验用的是AC做DHCP服务器, 这个在实验环境中没差)

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1.3.6 用户认证

用户认证是一种“端到端”的安全结构，包括：802.1X认证、MAC认证和Portal认证

  • 802.1X认证: 802.1x协议是基于Client/Server的访问控制和认证协议。它可以限制未经授权的用户/设备通过接入端口(access port)访问LAN/WLAN。在获得交换机或LAN提供的各种业务之前，802.1x对连接到交换机端口上的用户/设备进行认证。在认证通过之前，802.1x只允许EAPOL（基于局域网的扩展认证协议）数据通过设备连接的交换机端口；认证通过以后，正常的数据可以顺利地通过以太网端口。
  • MAC认证: MAC认证，是指终端网络接入控制设备自动获取终端的MAC地址，作为接入网络的凭证发到RADIUS服务器进行校验
  • Portal认证: 也称Web认证，一般将Portal认证网站称为门户网站, 用户上网时，必须在门户网站进行认证。只有认证通过后才可以使用网络资源. (比如校园网认证)

1.4 WLAN业务数据转发

WLAN网络开始转发业务数据

CAPWAP中的数据包括控制报文（管理报文）和数据报文, 控制报文是通过CAPWAP的控制隧道转发的, 用户的数据报文(forward-mode)分为隧道转发（集中转发）方式和直接转发（本地转发）方式.

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  • 隧道转发方式(tunnel)是指用户的数据报文到达AP后，需要经过CAPWAP数据隧道封装后发送给AC，然后由AC再转发到上层网络
    • 优点: AC集中转发无线用户数据报文，安全性好，方便集中管理。
    • 缺点: 无线用户数据报文必须经过AC转发，报文转发效率低，AC所受压力大。
  • 直接转发方式(direct-forward)是指用户的数据报文到达AP后，不经过CAPWAP的隧道封装而直接转发到上层网络
    • 优点: 无线用户数据报文不需要经过AC转发，报文转发效率高，AC所受压力小。
    • 缺点: 无线用户数据报文安全性较差, 不便于集中管理。

2 WLAN漫游

WLAN漫游是指STA在不同AP覆盖范围之间移动且保持用户业务不中断的行为。根据STA是否在同一个子网内漫游，可以将漫游分为二层漫游和三层漫游

  • 如果两个子网的VLAN ID不同，那么这两个子网是处于不同的网段，STA在这两个子网间漫游是属于三层漫游
  • 网络中有时候会出现以下情况：两个子网的VLAN ID相同，但是这两个子网又属于不同的子网。此时为了避免系统仅仅依据VLAN ID将用户在两个子网间的漫游误判为二层漫游，需要通过漫游域来确定设备是否在同一个子网内，只有当VLAN相同且漫游域也相同的时候才是二层漫游，否则是三层漫游

2.1 二层漫游

二层漫游后STA仍然在原来的子网中，FAP/FAC对二层漫游用户的报文转发同普通新上线用户没有区别，直接在FAP/FAC本地的网络转发，不需要通过AC间隧道转回到HAP/HAC中转

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  • 漫游前:
    1. STA发送业务报文给HAP
    2. HAP接收到STA发送的业务报文并发送给HAC
    3. HAC直接将业务报文发送给上层网络
  • 漫游后:
    1. STA发送业务报文给FAP
    2. FAP接收到STA发送的业务报文并发送给FAC
    3. FAC直接将业务报文发送给上层网络

2.2 三层漫游

三层漫游时，用户漫游前后不在同一个子网中，为了支持用户漫游后仍能正常访问漫游前的网络，需要将用户流量通过隧道转发到原来的子网进行中转。

隧道转发模式

隧道转发模式下，HAP和HAC之间的业务报文通过CAPWAP隧道封装，此时可以将HAP和HAC看作在同一个子网内，报文无需返回到HAP，直接通过HAC进行中转到上层网络

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  • 漫游前:
    1. STA发送业务报文给HAP
    2. HAP接收到STA发送的业务报文并发送给HAC
    3. HAC直接将业务报文发送给上层网络
  • 漫游后:
    1. STA发送业务报文给FAP
    2. FAP接收到STA发送的业务报文并发送给FAC
    3. FAC通过HAC和FAC之间的AC间隧道将业务报文转发给HAC
    4. HAC直接将业务报文发送给上层网络

直接转发模式

直接转发模式下，HAP和HAC之间的业务报文不通过CAPWAP隧道封装，无法判定HAP和HAC是否在同一个子网内，此时设备默认报文需要返回到HAP进行中转。如果HAP和HAC在同一个子网时，可以将家乡代理设置为性能更强的HAC，减少HAP的负荷并提高转发效率

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  • 漫游前:
    1. STA发送业务报文给HAP
    2. HAP接收到STA发送的业务报文后直接将业务报文发送给上层网络
  • 漫游后:
    1. STA发送业务报文给FAP
    2. FAP接收到STA发送的业务报文并通过CAPWAP隧道发送给FAC
    3. FAC通过HAC和FAC之间的AC间隧道将业务报文转发给HAC
    4. HAC通过CAPWAP隧道将业务报文发送给HAP
    5. HAP直接将业务报文发送给上层网络
  • 设置AC为家乡代理:
    1. STA发送业务报文给FAP
    2. FAP接收到STA发送的业务报文并通过CAPWAP隧道发送给FAC
    3. FAC通过HAC和FAC之间的AC间隧道将业务报文转发给HAC
    4. HAC直接将业务报文发送给上层网络

3 WALN配置命令

3.1 配置思路

由于WLAN是一块全新的领域, 所以我觉得需要将配置思路从头理一遍会比较好

  1. 发现AP
    1. 通过在AC配置DHCP来使得AP获取到地址, 确保AC和AP是互通的(与AP连接的交换机接口可以设置为trunk放行管理vlan和业务vlan, 但需要指定pvid为管理wlan确保AP获取的地址池是管理vlan的地址池)
    2. 建立capwap隧道, 前提是AP和AC可以相互ping通
    3. 选择AP的认证模式
      • mac-auth: mac地址认证(默认)
      • sn-auth: SN认证
  2. 配置模板
    1. ssid模板: 配置wifi名字
    2. sec安全模板: 配置wifi认证方式
    3. 业务vlan: 配置业务vlan以选择地址池进行分配
    4. 国家代码: 请确保是中国(cn)的信道
  3. 进入ap或ap组调用模板并指定wlan id和radio(频率)

3.2 配置命令

  1. 配置AC作为DHCP服务器, 配置option 43字段

    ip pool test01
	option code [sub-option sub-code] {ascii ascii-string | hex hex-string | cipher cipher-string | ip-address ip-address}

    配置DHCP服务器分配给DHCP客户端的自定义选项

  2. 配置源接口或源地址, 建立CAPWAP隧道

    capwap source interface {loopback loopback-number|vlanif vlan-id}	#配置AC与AP建立CAPWAP隧道的源接口
capwap source ip-address ip-address		#配置AC的源IP地址

    接口/ip地址二选一即可

  3. 创建域管理模板，并配置国家码

    wlan	#进入wlan视图
	regulatory-domain-profile name Test	#域管理模板名称为Test, 有则创建无则进入
		country-code cn		#配置国家标识码为cn

  4. 创建AP组

    wlan
	ap-group name AP-G1		#创建AP组AP-G1

    在AP组视图中可以同时对多个加入AP组的AP进行配置, 如绑定域管理模板、绑定VAP模板等

  5. AC离线导入AP并绑定

    wlan
	ap auth-mode {mac-auth | sn-auth}	#设置导入AP的认证方式(mac/sn)
	ap-id ap-id [[type-id type-id|ap-type ap-type] {ap-mac ap-mac|ap-sn ap-sn|ap-mac ap-mac ap-sn ap-sn}]	#绑定并进入AP, 创建时必须绑定, 后续可以直接进入
		ap-name AP1		#配置AP名称为AP1
		ap-group AP-G1	#加入AP组AP-G1

  6. 查看AP上线结果

    display ap {all | ap-group ap-group}}

  7. 配置射频(可选)

    ap-id 0	#也可以是ap组
	radio radio-id	#进入射频id
		channel {20mhz | 40mhz-minus | 40mhz-plus | 80mhz | 160mhz} channel	#2.4GHZ的配置
		channel 80+80mhz channel1 channel2	#5GHZ的配置
		antenna-gain antenna-gain	#配置AP组中所有AP或单个AP指定射频的天线增益
		eirp eirp	#配置AP组中所有AP或单个AP指定射频的发射功率
		coverage distance distance	#配置AP组中所有AP或单个AP指定射频的射频覆盖距离参数
		frequency {2.4g | 5g}	#配置射频工作的频段

    配置AP组中所有AP或单个AP指定射频的工作带宽和信道

  8. 创建/引用射频模板

    wlan
	radio-2 g-profile name profile-name #profile-name为频射模板名称
		qu
	ap-group name group-name
		radio-2g-profile profile-name radio {radio-id | all}	#在AP组中，将指定的2G射频模板引用到2G射频

  9. 配置安全模板

    wlan
	security-profile name profile-name
			security wpa-wpa2 psk pass-phrase gok@123 aes	#配置wifi安全策略为wpa-wpa2+aes, 认证方式为密码gok@123

    缺省情况下，系统已经创建名称为default、default-wds和default-mesh的安全模板

  10. 配置SSID模板

    wlan
	ssid-profile name profile-name	#创建SSID模板，并进入模板视图，若模板已存在则直接进入模板视图
		ssid ssid	#配置当前SSID模板中的服务组合识别码SSID

    缺省情况下，系统上存在名为default的SSID模板, 缺省情况下，SSID模板中的SSID为HUAWEI-WLAN

  11. 创建VAP模板

    wlan
	vap-profile name profile-name
		forward-mode {direct-forward | tunnel}	#配置VAP模板下的数据转发方式，可以是直接转发或隧道转发
		service-vlan {vlan-id vlan-id | vlan-pool pool-name}	#配置VAP的业务VLAN
		security-profile profile-name	#在指定VAP模板中引用安全模板
		ssid-profile profile-name	#在指定VAP模板中引用ssid模板

  12. 在ap或ap组中引用VAP模板

    ap-group name group-name
	vap-profile profile-name wlan wlan-id radio {radio-id | all} [service-vlan {vlan-id vlan-id | vlan-pool pool-name}]

    在AP组中，将指定的VAP模板引用到射频

  13. 查看VAP信息

    display vap {ap-group ap-group-name | {ap-name ap-name|ap-id ap-id}[radio radio-id]} [ssid ssid]
display vap {all|ssid ssid}

3.3 配置案例

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  1. S1、S2、AC创建对应VLAN及接口

  2. 配置DHCP服务器为STA和AP分配IP地址

    • 在AC上配置VLANIF100接口为AP提供IP地址

      [AC]dhcp enable
[AC]interface vlanif 100
[AC-Vlanif100]ip address 10.23.100.124
[AC-Vlanif100]dhcp select interface

    • 在S2上配置VLANIF101接口为STA提供IP地址，并指定10.23.101.1作为STA的默认网关地址

      [S2]dhcp enable
[S2]interface vlanif 101
[S2-Vlanif101]ip address 10.23.101.124
[S2-Vlanif101]dhcp select interface

  3. 创建AP组

    [AC]wlan
[AC-wlan-view]ap-group name ap-group1
[AC-wlan-ap-group-ap-group1]quit

  4. 创建域管理模板，并配置AC的国家码

    [AC-wlan-view]regulatory-domain-profile name default
[AC-wlan-regulate-domain-default]country-code cn
[AC-wlan-regulate-domain-default]quit
[AC-wlan-view]ap-groupnameap-group1
[AC-wlan-ap-group-ap-group1]regulatory-domain-profile default
[AC-wlan-ap-group-ap-group1]quit
[AC-wlan-view]quit

  5. 配置AC的源接口

    [AC]capwap source interface vlanif 100

  6. 在AC上离线导入AP

    [AC]wlan
[AC-wlan-view]ap auth-mode mac-auth
[AC-wlan-view]ap-id 0 ap-mac 60de-4476-e360
[AC-wlan-ap-0]ap-name area_1
[AC-wlan-ap-0]ap-group ap-group1
[AC-wlan-ap-0]quit

  7. 创建名为"wlan-net"的安全模板, 并配置安全策略

    [AC-wlan-view]security-profile name wlan-net
[AC-wlan-sec-prof-wlan-net]security wpa-wpa2 pskpass-phrase a1234567 aes
[AC-wlan-sec-prof-wlan-net]quit

  8. 创建名为“wlan-net”的SSID模板，并配置SSID名称为“wlan-net”

    [AC-wlan-view]ssid-profile name wlan-net
[AC-wlan-ssid-prof-wlan-net]ssid wlan-net
[AC-wlan-ssid-prof-wlan-net]quit

  9. 创建名为“wlan-net”的VAP模板，配置业务数据转发模式、业务VLAN，并且引用安全模板和SSID模板

    [AC-wlan-view]vap-profilename wlan-net
[AC-wlan-vap-prof-wlan-net]forward-mode tunnel
[AC-wlan-vap-prof-wlan-net]service-vlan vlan-id 101
[AC-wlan-vap-prof-wlan-net]security-profile wlan-net
[AC-wlan-vap-prof-wlan-net]ssid-profile wlan-net
[AC-wlan-vap-prof-wlan-net]quit

  10. 配置AP组引用VAP模板, AP和射频0和射频1都使用VAP模板

    “wlan-net”的配置。
[AC-wlan-view]ap-group name ap-group1
[AC-wlan-ap-group-ap-group1]vap-profile wlan-net wlan1 radio 0
[AC-wlan-ap-group-ap-group1]vap-profile wlan-net wlan1 radio 1
[AC-wlan-ap-group-ap-group1]quit

  11. 查看VAP模板信息

    display vap ssid wlan-net

    image-20230711110037035

觉得案例不够的话可以直接去看看我的ICT应用解决方案实验04-WLAN专题项目和ICT应用解决方案考核项目