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利用空口抓包分析Wi-Fi问题

2018-11-29
coderhuo

随着IoT的兴起,越来越多的嵌入式设备内置了Wi-Fi模块,具备了网络接入能力。
在开发过程中,难免会遇到各种各样的网络问题,而抓包无疑是分析网络问题最直接、最有效的手段。因为通过抓包可以明确问题是处于发送端还是接收端,迅速缩小排查范围。
然而,许多嵌入式设备上运行的可能不是Linux系统,而是一些实时操作系统(RTOS),甚至根本就没有操作系统。而和设备通信的对端也不一定能运行tcpdump或者wireshark等抓包工具。这使得常见的点对点抓包手段失效。

一、空口抓包

1. 原理

我们知道,无线网络信号在传播过程中是以发射点为中心,像波纹一样往外辐射。所以理论上来讲,如果一个接收器处于无线信号经过的地方,它可以收到(“听到”)任何经过它的信号,只是它可能“听不懂”(无法解析报文内容)。
以下图为例,IPAD如果和最左侧的台式机通信,MacBook完全有能力监听他们的通信。

无线网络拓扑

空口抓包就是基于这个原理工作的。如果我们想要抓某个嵌入式设备的无线报文,只需在它附近运行一个具有监听功能的PC。

2. 操作方法

在Windows上可以使用Omnipeek,但是该软件需要特殊无线网卡支持,还需要特殊的驱动。具体安装方法、操作步骤可以参考Omnipeek官网介绍。

在Linux上可以用aircrack。下面简单介绍Ubuntu16.04上的操作方法:

  1. 确认网卡是否支持monitor模式,输入iw list命令,如果输出中有monitor说明支持。否则无法进行空口抓包

     software interface modes (can always be added):
          * AP/VLAN
          * monitor
    
  2. 安装aircrack工具集(aircrack包含一系列工具)
     sudo apt-get install aircrack-ng
    
  3. 环境清理,主要是停止一些影响抓包的服务
     sudo airmon-ng check kill
    
  4. 建立虚拟监听网卡
     sudo airmon-ng start wlp2s0 4
    

    上面命令中的wlp2s0为无线网卡名称,4为信道号。
    上面的命令执行后,将生成一个虚拟网卡wlp2s0mon,该网卡处于monitor模式,并且监听信道4。
    如果上面的命令不加通道号,则监听所有信道。(airodump-ng工具会以一定的频率扫描信道)。

  5. 通过airodump-ng抓包
     sudo airodump-ng -c 4 wlp2s0mon –w huo.pcap
    

    上面命令指明只监听4信道,如果不加-c参数,airodump-ng默认以一定的周期扫描所有信道,这样会出现漏抓报文的情况。所以建议指定信道抓包。

    -w参数可以将抓包文件写入文件,该文件可以用wireshark或者Omnipeek打开分析,建议使用Omnipeek软件,因为该软件分析无线报文功能更强大。

    但是airodump-ng不会把信号强度、信道号、速率等信息写入抓包文件中,在部分场景下会影响问题定位。可以使用tcpdump解决该问题。只需要将步骤5中的命令换成下面的命令即可(tcpdump命令的其他选项仍然适用):

     sudo tcpdump -i wlp2s0mon –w huo.pcap
    

二、实例分析

1. 手机兼容性问题

在项目中发现设备和不同品牌手机对接时,用iperf测试吞吐量差异较大。
比如:OPPO R11的iperf吞吐量在13Mbps左右,而Xiaomi 5X的吞吐量在25Mbps左右。

如下图所示,设备和Xiaomi 5X交互时,TCP数据包载荷都是1460字节: 小米5x抓包

而设备和OPPO R11交互时,则是一个1420字节的大包和一个40字节的小包交替出现。

OPPO R11抓包

从上面报文中的TCP握手阶段可以看出,OPPO R11(192.168.42.2)的MSS是1420。这个字段是最大报文段的意思,如果数据长度超过该字段,需要拆包发送。

这个值一般取自MTU, adb 进入OPPO手机执行ifconfig发现该值是1460,减去20字节的IP头部,再减去20字节的TCP头部,有效数据长度就只有1420了(也就是MSS)。

再看下Xiaomi 5X的MTU, 发现是1500,所以MSS为1460

再反查设备端的iperf代码,发现每次调用send函数固定发送1460字节。这样就造成了:同一个数据包,和Xiaomi 5X交互的时候一次就发送完了,和OPPO R11交互的时候,被设备端拆成了1420和40两个包分开发送。
这就解释通了,为什么Xiaomi 5X的吞吐量将近是OPPO R11的两倍。

注:正常情况下,如果没有开启TCP_NODELAY选项,Nagle算法会在一定程度上将小包聚合成大包的。但是该设备使用的协议栈并无此功能。

2. Wi-Fi省电模式

在Wi-Fi稳定性测试过程中,发现速率每过十分钟左右就会下降到5Mbps左右,3s左右才能恢复。
用Omnipeek打开抓包文件,在流量图中找到一个速率下降的区间:

省电模式抓包

分析波谷附近报文,发现PC的网卡进入了省电模式。
禁用PC网卡省电模式后再测试,Wi-Fi速率一直比较平稳。

省电模式标志

3. 其他适用场景

  • 定位手机无法连接AP的问题
  • 定位手机连接AP慢的问题
  • 定位搜索不到AP的问题
  • 定位业务交互过程中的问题。
    注意:如果要分析报文内容,建议将AP设置为开放模式,这样抓到的内容无需解密。如果AP是有密码的,为了解密报文,必须把连接AP的过程抓到才能还原报文。


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