利用空口抓包分析Wi-Fi问题

随着IoT的兴起，愈来愈多的嵌入式设备内置了Wi-Fi模块，具有了网络接入能力。
在开发过程当中，不免会遇到各类各样的网络问题，而抓包无疑是分析网络问题最直接、最有效的手段。由于经过抓包能够明确问题是处于发送端仍是接收端，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，而是一些实时操做系统(RTOS），甚至根本就没有操做系统。而和设备通讯的对端也不必定能运行tcpdump或者wireshark等抓包工具。这使得常见的点对点抓包手段失效。

1、空口抓包

1. 原理

咱们知道，无线网络信号在传播过程当中是以发射点为中心，像波纹同样往外辐射。因此理论上来说，若是一个接收器处于无线信号通过的地方，它能够收到（“听到”）任何通过它的信号，只是它可能“听不懂”（没法解析报文内容）。
如下图为例，IPAD若是和最左侧的台式机通讯，MacBook彻底有能力监听他们的通讯。

空口抓包就是基于这个原理工做的。若是咱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备监听功能的PC。

2. 操做方法

在Windows上可使用Omnipeek，可是该软件须要特殊无线网卡支持，还须要特殊的驱动。具体安装方法、操做步骤能够参考Omnipeek官网介绍。

在Linux上能够用aircrack。下面简单介绍Ubuntu16.04上的操做方法：

1. 确认网卡是否支持monitor模式，输入iw list命令，若是输出中有monitor说明支持。不然没法进行空口抓包

   software interface modes (can always be added):
   	 * AP/VLAN
   	 * monitor
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2. 安装aircrack工具集(aircrack包含一系列工具)

   sudo apt-get install aircrack-ng
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3. 环境清理，主要是中止一些影响抓包的服务

   sudo airmon-ng check kill
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4. 创建虚拟监听网卡

   sudo airmon-ng start wlp2s0 4
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   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，而且监听信道4。
   若是上面的命令不加通道号，则监听全部信道。（airodump-ng工具会以必定的频率扫描信道）。

5. 经过airodump-ng抓包

   sudo airodump-ng -c 4 wlp2s0mon –w huo.pcap
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   上面命令指明只监听4信道，若是不加-c参数，airodump-ng默认以必定的周期扫描全部信道，这样会出现漏抓报文的状况。因此建议指定信道抓包。

   -w参数能够将抓包文件写入文件，该文件能够用wireshark或者Omnipeek打开分析，建议使用Omnipeek软件，由于该软件分析无线报文功能更强大。

   可是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。可使用tcpdump解决该问题。只须要将步骤5中的命令换成下面的命令便可(tcpdump命令的其余选项仍然适用)：

   sudo tcpdump -i wlp2s0mon –w huo.pcap
   复制代码

2、实例分析

1. 手机兼容性问题

在项目中发现设备和不一样品牌手机对接时，用iperf测试吞吐量差别较大。
好比：OPPO R11的iperf吞吐量在13Mbps左右，而Xiaomi 5X的吞吐量在25Mbps左右。

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

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。

从上面报文中的TCP握手阶段能够看出，OPPO R11（192.168.42.2）的MSS是1420。这个字段是最大报文段的意思，若是数据长度超过该字段，须要拆包发送。

这个值通常取自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，因此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。这样就形成了：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，为何Xiaomi 5X的吞吐量将近是OPPO R11的两倍。

注：正常状况下，若是没有开启TCP_NODELAY选项，Nagle算法会在必定程度上将小包聚合成大包的。可是该设备使用的协议栈并没有此功能。

2. Wi-Fi省电模式

在Wi-Fi稳定性测试过程当中，发现速率每过十分钟左右就会降低到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降低的区间：

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。

3. 其余适用场景

• 定位手机没法链接AP的问题
• 定位手机链接AP慢的问题
• 定位搜索不到AP的问题
• 定位业务交互过程当中的问题。
  注意：若是要分析报文内容，建议将AP设置为开放模式，这样抓到的内容无需解密。若是AP是有密码的，为了解密报文，必须把链接AP的过程抓到才能还原报文。

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