《深入理解Android：Wi-Fi，NFC和GPS》章节连载[节选]--第六章 深入理解wi-Fi Simple Configuration

首先感谢各位兄弟姐妹们的耐心等待。本书预计在4月上市发售。从今天开始，我将在博客中连载此书的一些内容。注意，此处连载的是未经出版社编辑的原始稿件，所以样子会有些非专业。

注意，如下是本章目录，本文节选6.1~6.2.3.1,6.2.3.5~最后节。

为了方便读者深入学习，本系列连载都会将作者研究过程中所学习的

参考文献列出来

                          第6章  深入理解Wi-Fi Simple Configuration

本章主要内容：

• 介绍Wi-Fi Simple Configuration相关知识；
• 介绍Android中WSC的相关代码。

6.1  概述

在Wi-Fi相关技术体系中，除了802.11定义的标准规范外，Wi-Fi Alliance（Wi-Fi联盟）也推出了两项比较重要的技术规范，他们分别是Wi-Fi Simple Configuration和Wi-Fi P2P。其中：

• Wi-Fi Simple Configuration（以后简写为WSC）：该项技术用于简化SOHO环境中无线网络的配置和使用。举一个简单的例子，配置无线网络环境时，网管需要首先为AP设置SSID、安全属性（如身份认证方法、加密方法等）。然后他还得把SSID、密码告诉给该无线网络的使用者。可是这些安全设置信息对普通大众而言还是有些复杂。而有了WSC之后，用户只需输入PIN码（Personal Identification Number，一串数字），或者摁一下专门的按钮（WSC中，该按钮被称为Push Button）甚至用户只要拿着支持NFC的手机到目标AP（它必须也支持NFC）旁刷一下，这些安全设置就能被自动配置好。有了这些信息，手机就能连接上目标无线网络了。显然，相比让用户记住SSID、密码等信息，WSC要简单多了。
• Wi-Fi Peer-to-Peer（以后简写为P2P）：P2P的商品名（brand name）为Wi-Fi Direct。它支持多个Wi-Fi设备在没有AP的情况下相互连接。笔者个人认为P2P是Wi-Fi中最具应用前景的一项技术。例如，在家庭中，用户可直接把手机上的内容通过P2P技术传输到电视机上和家人分享。

注意，P2P和第3章无线网络结构中提到的Independent BSS完全不同。IBSS中，各个STA属于完全对等的关系，而P2P则不然。关于P2P的细节，我们留待下章再来分析。

在wpa_supplicant（以后简称WPAS）中，WSC的功能点分散在第4章介绍的几条分析路线中，为了避免赘述，本章的分析拟采用如下方法：

• 首先将介绍WSC所涉及的基础知识。它是本章的核心。
• 然后再分析WSC相关的代码。这部分代码包括Settings、WifiService相关模块（主要是WifiStateMachine）以及WPAS。

下面，先来介绍WSC的理论知识。

6.2  WSC基础知识介绍

WSC规范早期的名字叫Wi-Fi Protected Setup（简写为WPS）。WFA推出WPA后不久，WPS规范便被推出。随着WPA2的出现，WFA又制订了WPS的升级版，即WSC。WSC的规范（以2.0.2版为例）全文只有150来页。

WSC的目的很简单，就是为了简化无线网络配置（这也是其英文名为Simple Configuration的原因）。本节将以WSC的技术规范为主，向读者介绍相关的理论知识。

6.2.1  WSC应用场景介绍[1]

WSC定义两个应用场景（usage model），分别是Primary UM和Secondary UM，其中：

• Primay UM包括设置一个新的安全的WLAN，并为该WLAN添加无线设备。该场景和前文介绍的WSC应用场景一样。日常生活中，Primary UM对应的情况更为普遍。
• Secondary UM包括从WLAN中移除某个无线设备、通过添加新的AP或路由器来扩充WLAN的覆盖范围、密钥信息更换（Re-keying credentials）等。

Primary UM常见的两种案例包括PIN和PBC。其中，PIN对应的使用案例可用图6-1来表示：

图6-1  WSC PIN案例示意

图6-1所示为WSC定义的PIN码配置方法，其工作流程为：

1）打开AP和STA。用户首先从STA相关的设置选项中获取一个PIN码。

2）然后用户将STA的PIN码通过AP的设置页面传递给AP。

3）AP和STA将基于这个PIN码完成安全设置协商。然后STA将完成扫描、关联、四次握手等工作以加入目标AP。

PIN码是一个长度为8个数字的字符串，图6-2所示为笔者用Galaxy Note2测试WSC PIN方法时获取到的PIN信息。

图6-2  Galaxy Note2 WSC PIN设置

图6-2左图所示的页面位于Settings的无线网络设置选项中，有条件的读者不妨一试。

STA中的PIN码需要输入到AP中，图6-3所示为笔者家中无线路由器WSC PIN设置页面，注意右下角的黑框（里边填写了来自手机的PIN码，笔者测试时从Galaxy Note2中获取的PIN码是33871042）。

图6-3  AP设置页面

提示：图6-2和图6-3中所示的PIN码并不一致。此处为笔者有意为之，表示系统每次生成的PIN码不是固定的。

相比PIN而言，PB配置方法（Push Button Configuration，简称PBC）的使用更加简单。图6-4所示为PBC案例示意图。

图6-4  PBC案例示意图

由图6-4可知，PBC的工作流程如下：

1）用户打开AP和打印机（支持Wi-Fi）。打印机和AP上都有一个小按钮（注意，规范要求该按钮必须标记上WPS以表示它对WSC的支持）。

2）用户只要在AP和打印机上摁一下该按钮，该操作将触发打印机和AP完成安全设置协商。如此，打印机获取AP的安全设置信息后将顺利加入目标AP。

图6-5所示为笔者家中无线路由器上的WSC按钮。

图6-5  PBC实物

对于Android智能手机，它可通过软件中的按钮来模拟真实的Push Button（参考图6-2中左图的“WPS推送按钮”项）。

6.2.2  WSC核心组件及接口介绍[2]

WSC规范定义了三个核心组件，如图6-6所示：

图6-6  WSC核心组件

图6-6所示为WSC定义的三个核心组件，其中：

• Enrollee的角色类似于supplicant，它向Registrar发起注册请求。
• Registrar用于检查Enrollee的合法性。另外，Registrar还能对AP进行配置。
• AP也需要注册到Registar中。所以，从Registrar角度来看，AP也是Enrollee。
• AP和Registrar以及Enrollee三者交互，Enrollee从Registrar那获取AP的安全配置信息，然后Enrollee利用该信息加入AP提供的无线网络。

注意，这三个组件只是逻辑上的概念。在具体实现时，AP和Registrar可以由同一个实体实现，也可分别由不同实体来实现。

1）日常生活中，支持WSC的无线路由器兼具AP和Registrar的功能。这种AP在规范中被称为Standalone AP。Android智能手机扮演Enrollee的角色。

2）如果AP和Registrar分别由不同实体来实现，这种Registrar也被称为External Registrar。

除了三大组件之外，规范还定义了组件之间的交互接口。例如图6-6中的E、M、A代表三个核心组件之间交互的接口，这些接口定义了交互双方需要实现的一些功能。

规范中关于E、M、A的介绍非常复杂，笔者不拟照搬规范的内容，而是试图通过一种普适的case来介绍E、M、A的功能。这个case就是AP和Registrar组件实现于一个无线路由器中，即Standalone AP，而Enrollee由STA实现。STA和Standalone AP通过Wi-Fi传输数据，即它们将采用In-Band交互手段。

在上述情况下，STA中的Interface E包括的功能有：

• STA首先要寻找周围支持WSC功能的Standalone AP。此步骤将通过发送携带WSC IE的Probe Request帧来实现。另外，STA必须能生成动态PIN码。该PIN码将用于检验后续安全配置信息的正确性。
• STA关联到Standalone AP后（注意，仅仅是关联成功。由于缺乏安全配置信息，STA无法和AP开展RSNA流程，即四次握手等工作），双方需要借助Registration Protocol协议（以后简称RP协议）来协商安全配置信息。所以，STA必须实现RP协议的Enrollee的功能。

Standalone AP中Interface E包括的功能有：

• 回复携带WSC IE的Probe Response帧以表明自己支持WSC功能。
• 实现RP协议定义的Registrar的功能。

另外，STA和AP可选择实现某种Out-of-Band交互手段，规范中提到的两种手段包括NFC和USB。

对于Interface A来说：

• STA必须实现802.1X supplicant功能，并支持EAP-WSC算法。
• Standalone AP需发送携带WSC IE的Beacon帧来表示自己支持WSC功能。同时，AP还必须支持802.1X authenticator功能，并实现EAP-WSC算法。

由于Standalone AP已经集成了三大组件中的AP和Registrar，所以Interface M的功能几乎简化为0。由于本书不讨论AP的实现，所以此处不拟介绍和它相关的内容。

由上文所述内容可知，WSC的核心知识集中在WSC IE以及RP协议中，下面将单独用一节来介绍它们。

6.2.3  Registration Protocol介绍[3]

以前面提到的普适case为例，当STA和Standalone AP采用In-Band交互方法时，RP协议的完整交互流程如图6-7所示：

图6-7  完整RP协议交互示意图

图6-3中包括两个部分，由“Enter passworkd of Enrollee”行隔开，其中：

• 上部分所对应的交互部分被称之为Discovery Phase。在此阶段中，STA借助Beacon帧或Probe Request帧搜索周围的AP。对开启了WSC功能的STA来说，这些帧中都必须携带WSC IE。而没有携带WSC IE的帧则表明发送者不支持或者未开启WSC功能。Discovery Phase结束后，STA将确定一个目标AP。
• 此时用户需要将STA显示的PIN码（如图6-2所示）输入到目标AP的设置页面（如图6-3所示）。
• 接着，STA将关联到目标AP。和非WSC流程不一样的是，STA和AP不会开展4次握手协议，而是先开展EAP-WSC流程。
• EAP-WSC流程从EAPOL-Start开始，结束于EAP-Fail帧，一共涉及14次EAPOL/EAP帧交换。在这14次帧交互过程中，STA和AP双方将协商安全配置信息（例如采用何种身份验证方法、何种加密方法，以及PSK等）。另外，这14次帧中，M1到M8属于EAP-WSC算法的内容，它们用于STA和AP双方确认身份以及传输安全配置信息。
• 虽然EAP-WSC最终以EAP-Fail帧结束，但STA已经和AP借助M1到M8成功完成了安全信息协商。所以，STA已经获得了AP的安全配置情况。另外，由于STA收到的是EAP-Fail帧，所以它会断开和AP的连接（AP会发送Deauthentication帧给STA）。
• STA将利用协商好的安全配置信息重新和AP进行关联，后续流程和非WSC的无线网络关联一样，即STA关联到AP后，将开展RSNA工作（如4次握手协议、Group Handshake流程）。

关于图6-7所涉及的流程，笔者特别强调几点，请读者认真体会：

• 如果不使用WSC，用户需要为AP设置安全配置信息，然后STA搜索并关联到目标AP。接着，STA和AP将利用4次握手协议和Group Handshake协议完成RSNA工作。RSNA工作属于WPA和WPA2规范所指定的，STA和AP必须完成RSNA流程。
• 如果使用WSC，STA和AP共享的只有PIN码（或者用户摁了双方的按钮），为了完成RSNA流程，STA需要从AP那获取安全配置信息。而这个安全配置信息的传递则由图6-7所示的EAPOL/EAP帧交互来完成。有了安全配置信息后，STA后续流程和没有使用WSC的情况一样。

根据上面的描述，我们可知：

WSC的核心工作就是帮助STA和AP完成安全配置信息协商。由于在这个流程中，用户只需输入PIN码或摁按钮，所以用户的工作量极小。WSC工作完成后，STA和AP的工作就和第4章介绍的一样了（STA首先关联到AP，然后完成4次握手协议和Group Handshake协议）。

下面我们将分别介绍WSC IE以及EAP-WSC相关知识。首先登场的是WSC IE。

1.  WSC IE和Attribute介绍[4]

WSC IE并不属于802.11规范所定义的IE，而是属于Vendor定义的IE。根据802.11规范，Vendor定义的IE有着如图6-8所示的组成结构：

图6-8  Vendor IE的结构

根据图6-8所示的结构，WSC IE对应的设置如下：

• Element ID取值为221。802.11规范中，该值意为“Vendor Specific”。
• Length为OUI及Data的长度。
• OUI取值为0x00-50-F2-04。其中00-50-F2代表Mircrosoft公司的OUI，04代表WPS。
• WSC IE中，Data域的组织结构为一个或多个Attribute（属性）。Attribute的格式为TLV，即Type（长度为2个字节）、Length（长度为2个字节，代表后面Value的长度），Value（最大长度为0xFFFF字节）。

图6-9所示为笔者截获的WSC IE示意图。

图6-9  WSC IE实例

由上文可知，WSC IE的核心是其携带的Attribute。

WSC规范定义了多个Attribute，而了解这些Attribute的内容及作用是学习WSC的必经之路。下面将介绍WSC中一些重要的Attribute。

6.4  本章总结和参考资料说明

6.4.1  本章总结

本章对Wi-Fi Simple Configuration和其中的PIN方法进行了深入介绍。主要内容包括：

• WSC的理论知识，它是本章的核心。WSC中最重要的是RP协议以及WSC IE及各种Attribute的作用。希望读者能结合本章给的实例图来认真学习它们。
• 掌握理论知识后，本章介绍了Android平台中WSC的代码实现。它包括Settings、WifiService相关模块以及wpa_supplicant相关模块。仅就EAP-WSC算法本身而言，其难度并不大。
• 由于WSC使用了EAP-WSC算法，所以本章还介绍了EAPOL和EAP状态机之间的联动过程。这部分代码的难度比较大，需要结合第4章4.4“EAP和EAPOL模块介绍”一节中的状态机切换图来学习。

注意：WSC规范中还定义了另外一种比较常用的PBC方法。PBC和PIN类似，它也会用到一个PIN码，只不过这个PIN码为“00000000”。读者可阅读参考资料[7]来了解PBC。

6.4.2  参考资料说明

本章参考资料其实只有一个，即WSC规范2.0.2版。读者可在百度文库上搜索到该文档，其地址为http://wenku.baidu.com/view/aa2e8a20cfc789eb172dc83d.html

WSC应用场景介绍

[1]  WSC-2.0.2第1节“Introduction”

WSC核心组件及接口介绍

[2]  WSC-2.0.2第4节“Core Architecture”

Registration Protocol介绍

[3]  WSC-2.0.2第6.1节“In-band Setup Using a Standalone AP/Registrar”

[4]  WSC-2.0.2第8节“Message Encoding”

[5]  WSC-2.0.2第7节“Registration Protocol Definition”

[6]  http://en.wikipedia.org/wiki/Diffie-Hellman_key_exchange

维基百科关于D-H算法的描述，读者可通过它了解D-H的相关知识。

Push Button Configuration

[7]  WSC-2.0.2第11节“Push Button Configuration”。

规范中，PBC的介绍只有7页。建议读者学完本章后再来看它。

《深入理解Android：Wi-Fi，NFC和GPS》章节连载[节选]--第六章 深入理解wi-Fi Simple Configuration,,5-wow.com