基于Wi-Fi嗅探技术的实验室管理系统设计

高 军, 王仲逸, 汪砚铖, 高泽坤

(1. 东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院, 河北 秦皇岛 066004；2. 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山 316021)

在高校开放实验室,会采用指纹签到[1-2]、打卡(门禁)[3-4]等考勤方式记录学生进出和使用实验室的信息。这些传统考勤方式不能实时统计实验室内人数,而且考勤过程烦琐,当同时进入实验室的人数较多时容易造成拥挤。本文提出一种基于Wi-Fi嗅探技术的开放实验室人员统计管理系统。当学生携带的智能手机Wi-Fi处于唤醒状态时,会被该系统的Wi-Fi嗅探器捕获。该学生在实验室的时间、位置将被实时记录。相比于传统考勤方式,不但有效地提高了签到效率,还可以提供各个时段学生名单、人数以及实验室使用率等数据信息,辅助实验室的优化管理。

1 系统结构

1.1 Wi-Fi嗅探原理

在IEEE 802.11协议中,移动设备接入Wi-Fi的过程有扫描(scanning)、认证(authentication)和关联(association)。

在扫描阶段,移动终端发现AP有两种方式：(1)被动扫描,扫描过程中不需要传送任何关联信号；(2)主动扫描,移动终端以主动的方式在每个信道上发出探测请求帧(probe request),请求某个无线网络回应。若某个信道收到帧,则可以进行探测。

在认证阶段,AP进行身份验证,通过验证后,移动终端才能进行访问。

在关联阶段,AP返回认证相应信息,认证通过后可以进行关联,然后成功接入并可以使用无线网[5-8]。

移动终端向外广播的探测请求帧正是嗅探器需要捕获的。捕获探测请求帧数据包后,通过地址解析协议(ARP),将移动终端的IP地址转换为对应的物理地址(即MAC地址)[9]。MAC地址是每台移动设备独有的6字节、十六进制地址,前3个字节由IEEE的注册管理机构分配给厂家。MAC地址被写入网络适配器中,具有全球唯一性[10]。

1.2 系统结构

基于Wi-Fi嗅探技术的实验室管理系统的结构如图1所示。智能终端是智能手机等可连入Wi-Fi的移动设备。

图1 系统结构

嗅探模块包括天线、ESP8266芯片和GPRS模块MGTC-1030。ESP8266芯片完成对移动终端主动发送的IEEE 802.11探测请求帧数据包的捕获,该芯片嵌入超低功耗32位RISC处理器,支持实时操作系统和Wi-Fi协议栈,使本系统能够快速存储和处理数据。芯片内的SRAM提供了数据存储空间,利于程序的稳定和提高处理效率,并且支持I2C、UART、SPI等类型的接口,实现本系统与PC的数据交换。

天线用于无线数据包的获取和信号的发送。

GPRS模块实现模块和服务器之间的数据传输。在学校里,Wi-Fi、以太网会受校园网的安全限制,而GPRS通过允许现有Internet和新的GPRS网络互通,完全实现移动Internet功能[11]。因此，选择GPRS用以传输会更方便。嗅探模块组成如图2所示。

图2 嗅探模块组成图

系统采用B/S架构,客户端计算压力较小,客户端大大简化[12],在浏览器页面即可读取数据信息。Wi-Fi嗅探器将数据以设定的格式通过GPRS传输到服务器,服务器架设在云空间,采用MySQL数据库,其特点是体积小,速度快,开发成本低。MySQL数据库集群架构能够满足云平台下存储扩展的要求,保证在云平台安全稳定地运行[13]。

2 数据格式

嗅探模块每分钟发送一次数据。上行的数据包长4+9n个字节,n为探测到的接入Wi-Fi的移动终端数量。上行的数据格式为：帧头(1字节)+探针ID(1字节)+分隔符(1字节)+MAC地址(6字节)+信号强度(2字节)+分隔符(1字节)+MAC地址(6字节)+信号强度(2字节)+分隔符(1字节)+MAC地址(6字节)+信号强度(2字节)+…+校验(1字节)+帧尾(1字节)。

传输过程数据为16进制,在传输时探针编号转换为16进制。分隔符和信号强度用转义符,校验码在去掉帧头、帧尾和分隔符之后按位与,取最后一个字节,应该等于探针编号。

每个实验室可以有多个探针,因此需要设置探针编号(ID),以分辨数据的来源。在得知来源实验室和具体探针之后,即知道了数据的来源。分隔符的作用是方便上位机(PC端)处理数据。MAC地址和信号强度为实时探测到的移动终端信息。校验码若有错,则丢弃该包。帧的最后以帧尾标识一次传送的结束。数据格式示例如图3所示。

图3 数据格式示例

PC端对数据处理时,通过分隔符将数据分开,然后将每组MAC地址和对应信号强度进行存储、分类和显示。

3 系统功能

系统中预先录入人员移动终端的MAC地址,利用探针获得的信息对MAC地址进行统计和分析,可实现人员分布的实时监测。系统功能主要包括定位分析模块和考勤统计模块。

3.1 定位分析

为了监控多个实验室的人员信息,在每个实验室都安放1个或者多个探针,并且在服务器中把探针的ID和实验室名称进行绑定(见图4)。由于信号强度的不稳定,可能存在某一区域被多个探针覆盖的情况。例如某学生携带的手机除了会被他所在的大数据实验室中的1号探针探测到,也可能被邻近的其他3个探针探测到。但因为距离不同,这4个探针得到的RSSI会不同。通过对比每个探针接收到的某移动终端信号的RSSI值大小,可知该移动设备离1号探针最近,系统对其定位在大数据实验室。

图4 多实验室探针配置情况

3.2 考勤统计

由于系统可以通过探针获取智能终端的首次探测时间、最后探测时间等信息,只需要将捕获的MAC地址和预先录入系统的MAC地址相匹配,即可获得对应人员的出勤时间。首次探测时间可以作为第一次打卡,最后探测时间可作为最后离开实验室时间(见表1)。

表1 探针探测信息

系统可以统计某段时间学生进入实验室的天数及累计时长(见表2)。掌握这些时间数据,可以知道各个实验室的使用时段、时长、人数和频率等信息,可用于实验室资源的合理规划。

表2 一周出勤时长统计

4 结语

基于Wi-Fi嗅探技术的开放实验室管理系统实用性很强。利用Wi-Fi嗅探技术收集到的实验室使用频率和使用人数等信息,可以判断哪些实验室需要优先扩大空间和更新设备等,以满足更多学生的需求。目前,该项目已经获得东北大学秦皇岛重点实验室项目资金的支持。在进行1年的测试中,该系统体现出方便使用、成本较低、可靠性高等优点。该系统的投入使用,提高了实验室的管理效率,给学院领导决策提供了有价值的参考数据,具有很好的推广前景。