利用空口抓包分析Wi-Fi问题

一、空口抓包
- 1. 原理
- 2. 操作方法
二、实例分析

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：

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
```
安装aircrack工具集(aircrack包含一系列工具)
```
 sudo apt-get install aircrack-ng
```
环境清理，主要是停止一些影响抓包的服务
```
 sudo airmon-ng check kill
```
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）。
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。