学一点Wi-Fi：Roaming

1. Roaming

Roaming指STA从一个AP associate到另一个AP（并不要求在同一ESS）。基本流程如下图。

数据传输是否会中断要看实际的实现（通常而言，同一个ESS中的Roaming应该是支持数据传输的连续性的）。图上的RSNA过程可能包括full 802.1X流程，是多帧的交互。可以看到，Roaming的流程由于包含大量帧的交互，耗时较多。

2. PMK caching & Pre-authentication

Faster roaming只应用于相同ESS下的Roaming，主要包括以下几种方式：PMK caching，OKC caching，pre-authentication，FT等。

802.11i定义了两种减少Roaming过程时间的方式——PMK caching和Pre-authentication。

PMK caching是指：当一个STA和AP完成了完整认证之后会生成对应的PMK和PMKID，这些信息放在一起就叫做PMKSA；该AP将PMKSA缓存；当STA和AP断开后并不直接删除该信息；当STA重新和该AP关联时，在reassociation request 帧中包含PMKID，如果AP验证过该PMKID，那么跳过802.1X认证，直接进入4-way handshake过程。PMK caching有一个很大的局限性，那就是只有当STA是Roaming到之前关联过的AP才起作用，所以可以称PMK caching技术是fast roaming back。

Pre-authentication：指当STA和ESS中的一个AP关联后，可以通过该AP和ESS中的其他AP完成802.1X认证，从而生成和其他AP的PMKSA并缓存。当STA向其他AP发出关联请求时，若PMK仍然有效，则跳过802.1X认证直接进入4-way handshake过程。Pre-authentication的一个问题是进行了太多无效的802.1X认证，缓存了太多无用的PMK：可能每个STA都存着ESS中所有AP的PMKSA，每个AP也存着所有连接过该ESS的STA的PMKSA。

3. OKC & CCKM

由于802.11i定义的上述两种方式实在是不怎么好使，所以各产商根据标准中的PMK caching做了改进，例如OKC就是其一。当STA和ESS中的一个AP关联后，生成的PMK是整个MD共享的。当STA Roaming到另一个AP时，由于各自都已经有了PMK，因此不再需要进行802.1X认证。

此外，CCKM也是vendor的一个改进[1]。它和OKC的主要区别在于，其在reassoc交互时提供了nonce、MIC等信息用于PTK的产生，因此甚至省略了4-way handshake过程。

4. Meru solution[4]

Roaming过程无论多快，总会有个gap，这个gap短则十几毫秒，多则长达几秒。但是Meru这个厂商不走寻常路，选择了一种让Client不Roam的方式。

在传统的Roaming过程中，由于rssi的降低，信号减弱，STA会考虑Roam到在另一个channel上的AP中。换句话说，不同的AP工作在不同的channel，甚至是在不同的频段。这种方式称之为MCA（Multi-Channel Architecture），绝大多数的厂商都采用这种方案。而Meru则采用另一种方案，SCA（Single-Channel Architecture），即所有的AP都工作在同一信道上，当STA在ESS范围内移动时，由WLAN Controller控制哪个AP来处理STA的信息。而STA则发现不了其实是不同的AP在和自己互相通信。

5. FT[3]

FT在802.11r标准被定义。它将密钥分为几个层次：1）PMK-R0 2）PMK-R1 3）PTK。其中，PMK-R0是一个STA和一个MD（mobility domain，可以理解为一个ESS范围内）对应的；PMK-R1是一个STA和MD中的一个AP对应的；PTK则是临时会话密钥。当STA和MD中的一个AP关联之后，生成的PMK-R0由Authentication server保存，随后计算并分发各个AP的PMK-R1。R0KH即WLAN Controller，R1KH即ESS中的AP们。当STA准备Roaming到其他AP时，在authentication/reassociation帧中附带相关信息用于生成PTK，这样就省去了4-way handshake流程了。

AP和STA在RSNIE的AKM中包含FT over 802.1X以表示对FT的支持。并且包含一个MD的tag，其中确定了该MD的ID以及FT的方式（over the air or over DS）[2]。在STA关联到某个MD的AP（original AP）后，AP的association response帧中存在一个FT BSS Transition Tag，其中包含了R0KH和R1KH的ID。当STA准备Roam到另一个AP（target AP）时，发起的authentication request帧中包含R0KH和其他信息（nonce，MIC等）；target AP收到auth request后计算PTK，回复authentication response，其中包含R0KH，R1KH以及其他信息；STA收到回复后，同样计算PTK，并回复reassociation request；AP回复reassociation response，其中还额外包含GTK信息。

FT over DS和FT over the air的区别在于，STA和target AP之间的authentication是通过original AP传送Action frame（FT request，FT response）完成的。

6. 参考资料

[1] 802.11 WLAN Roaming and Fast-Secure Roaming on CUWN - Cisco

[2] CWSP-802.11r FT Association | mrn-cciew

[3] IEEE SA - IEEE 802.11r-2008

[4] The Power of Virtual Cell Wi-Fi

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