基于Wi-Fi協(xié)議的歷史軌跡探測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)（通訊）
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基于Wi-Fi協(xié)議的歷史軌跡探測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)（通訊）
王奕鈞
（公安部第一研究所，北京100044），
摘要：歷史軌跡探測對于商業(yè)用戶行為分析、警務(wù)嫌疑人身份落地及重點人布控都有著重要作用和現(xiàn)實意義。目前的探測方式或采用移動客戶端靜默搜集用戶信息，或采用運營商分流數(shù)據(jù)，或采用攝像頭拍攝結(jié)合人工分析等方式，這些探測方式存在著采集樣本受限、提取有效信息困難、分析效率低下等各種弊端。提出了一種基于Wi-Fi協(xié)議的歷史軌跡探測方式，并給出具體的系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)，為商業(yè)分析、警務(wù)應(yīng)用提供一種新的分析用戶行為的途徑。
關(guān)鍵詞：Wi-Fi：軌跡探測；探針請求 中圖分類號：TP393.4
doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016146
1 引言
歷史軌跡探測，即發(fā)現(xiàn)目標人或設(shè)備的活動區(qū)域及移動軌跡，在商業(yè)應(yīng)用中，可以用于統(tǒng)計交通運營狀況、接入點商圈分布、用戶高頻行為等：在警務(wù)工作中，可以對追蹤嫌疑人位置、布控抓捕嫌疑人提供數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的歷史軌跡探測方式多采用移動客戶端報送數(shù)據(jù)、攝像頭錄像監(jiān)控等方式，但都存在影響實用性的限制。例如：移動客戶端需要不斷地更新版本與功能以吸引用戶：攝像頭錄像監(jiān)控依賴于圖像識別技術(shù)的發(fā)展，對圖像清晰度、拍攝角度、周圍光線都有較高的要求等。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速普及，城市中Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接入點幾乎遍布城市的每一個角落，不論是咖啡館、快餐店，還是商場、酒店都會提供Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)以吸引顧客。如果能利用遍布在城市中的這張無形的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，探測并標記目標人或設(shè)備，將降低歷史軌跡探測的成本，提高歷史軌跡探測的精確度。本文提出了一種基于Wi-Fi協(xié)議的歷史軌跡探測方式，并給出具體的系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)。
2 Wi-Fi協(xié)議利用原理
Wi-Fi連接的過程可以描述成掃描、認證、關(guān)聯(lián)和連接[1]4個步驟，詳細流程如圖1所示。
終端設(shè)備準備連接Wi-Fi接入點時，會首先掃描自身周圍的Wi-Fi接入點，并根據(jù)掃描結(jié)果自動（已認證過）或手工輸入密碼完成身份認證，當雙方認證成功后，終端設(shè)備向Wi-Fi接入點發(fā)起關(guān)聯(lián)以便獲取網(wǎng)絡(luò)的完全訪問權(quán)限，當成功獲得后，終端設(shè)備可以通過Wi-Fi接人點訪問網(wǎng)絡(luò)。
終端設(shè)備在探測Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)時存在被動接收和主動探測兩種方式。
被動接收方式是終端設(shè)備定時將它的廣播頻率調(diào)整到一個固定的掃描頻道，靜默等待接收Wi-Fi接人點發(fā)布的信標(beacon)以完成Wi-Fi接入點的發(fā)現(xiàn)，過程如圖2所示。
主動探測方式由終端設(shè)備主動向Wi-Fi接入點發(fā)送探針請求，Wi-Fi接人點響應(yīng)探針(probe)請求完成Wi-Fi接入點的發(fā)現(xiàn)，其中，探針又分為直接探針和廣播探針。使用廣播探針的狀態(tài)下，終端設(shè)備廣播一個無SSID的探針請求，所有的AP都會收到這個請求，并返回它們支持的SSID，詳細過程如圖3所示。
當終端設(shè)備使用直接探針時，終端設(shè)備直接發(fā)送特定名字的SSID探針請求，只有擁有請求的SSID的AP才能回應(yīng)，過程如圖4所示。
基于Wi-Fi協(xié)議的軌跡探測系統(tǒng)正是利用Wi-Fi協(xié)議中主動掃描的特性，自動捕獲終端設(shè)備發(fā)出的直接探針請求，從中發(fā)現(xiàn)終端設(shè)備訪問過的Wi-Fi SSID，進而描繪出終端設(shè)備的歷史軌跡。
3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
基于Wi-Fi協(xié)議的軌跡探測系統(tǒng)包括Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)、Wi-Fi信息匯總資源庫和Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)3個組成部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
系統(tǒng)功能介紹如下。
(l)Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)
用來搜集Wi-Fi接入點的地理信息以及該接人點下連接的用戶信息，包括ESSID、BSSID、加密方式、信道、最大傳輸速率等。Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)由信號放大模塊、信號采集模塊、信號定位模塊、客戶端信息采集模塊和加密通信模塊構(gòu)成。信號放大模塊用于放大遠端Wi-Fi信號，中繼遠端Wi-Fi接入點的數(shù)據(jù)分組以供Wi-Fi接人點采集系統(tǒng)分析采集使用：信號采集模塊用于采集Wi-Fi接入點通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組，從中過濾并捕獲Wi-Fi接人點采集系統(tǒng)所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：信號定位模塊將捕獲的Wi-Fi接入點信息通過信號增益定位、公開API查詢等方式，確定Wi-Fi接入點的地理信息：客戶端信息采集模塊用來采集每個Wi-Fi接人點下的客戶端信息；加密通信模塊用來傳輸Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)與Wi-Fi信息匯總資源庫之間的數(shù)據(jù)。
(2)Wi-Fi信息匯總資源庫
用來存儲所有Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)在外捕獲的Wi-Fi接入點信息和客戶端信息，同時向Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)提供查詢接口，為繪制客戶端軌跡提供數(shù)據(jù)支撐。Wi-Fi信息匯總資源庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，保證Wi-Fi信息匯總資源庫具有較高的可擴展性，對高并發(fā)的查詢請求具有良好的支撐能力，對于其中的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)高可靠的容災(zāi)備份機制。
(3)Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)
用于發(fā)現(xiàn)終端設(shè)備曾經(jīng)連接過的Wi-Fi接人點，并通過在Wi-Fi信息匯總資源庫中的查詢比對，繪制出該終端設(shè)備曾經(jīng)出現(xiàn)過的歷史軌跡。為了保證繪制軌跡的精準有效，Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)使用客戶端MAC地址發(fā)現(xiàn)模塊搭建蜜罐Wi-Fi，誘捕終端設(shè)備真實MAC地址。加密通信模塊用來傳輸Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)與Wi-Fi信息匯總資源庫之間的數(shù)據(jù)。
由于探針請求中不包含Wi-Fi接入點的BSSID及MAC地址，若僅使用ESSID作為標識，會因為重名而導致檢索結(jié)果不唯一，所以在采集Wi-Fi接入點信息時，要補充采集Wi-Fi接入點下接入的客戶端MAC地址，從而雙向查詢對比出終端設(shè)備接入過的Wi-Fi接入點，從而探測出該終端設(shè)備出現(xiàn)過的地理位置（即歷史軌跡）。
具體實現(xiàn)中，Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)分為固定基站式和隨身攜帶式兩種設(shè)備形態(tài)，固定基站式設(shè)備用于大范圍覆蓋、長期采集Wi-Fi接入點信息，是整個Wi-Fi接入點的移動終端定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐。擬采用多網(wǎng)卡多天線的結(jié)構(gòu)覆蓋全向方位，天線采用多臺高增益定向天線拼接實現(xiàn)全向覆蓋，隨身攜帶式設(shè)備用于對重點地區(qū)的詳細偵測采集，意圖發(fā)現(xiàn)嫌疑接人點信息的精確位置。Wi-Fi接入點采集系統(tǒng)采用C++開發(fā)，運行在Linux平臺上，使用airodump-ng庫抓取無線數(shù)據(jù)，覆蓋2.4 GHz、3.6 CHz、4.9 GHz和5.8 GHz
4個頻段，通信加密采用AES算法結(jié)合對稱加密的方式。
Wi-Fi信息匯總資源庫采用Java開發(fā)，運行在Hadoop集群上，數(shù)據(jù)存儲在HBase分布式數(shù)據(jù)庫中，使用Impala檢索模塊、MapReduce并行編程技術(shù)以及基于Lucene的高性能索引模塊，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)中的高速查詢。
Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)中Wi-Fi探測模塊采用C++開發(fā)，運行在Linux平臺上，使用airodump-ng庫抓取無線數(shù)據(jù)：前臺采用JavaEE+Oracle+Tomcat開發(fā)實現(xiàn)，運行在Windows平臺上；控制層通過Spring MVC框架實現(xiàn)；持久層使用Hibernate實現(xiàn)；業(yè)務(wù)邏輯層采用Spring框架實現(xiàn)；表示層采用JSP+HTML+ CSS+AJAX實現(xiàn)；通信加密采用AES算法結(jié)合對稱加密的方式，
具體部署結(jié)構(gòu)如圖6所示。
Wi-Fi接人點采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)分組包括Wi-Fi接入點的BSSID（無線路由器的硬件地址）、MB（無線路由器支持的最大速率）、ENC（加密協(xié)議）、AUTH（密鑰模式）、ESSID（無線路由器的廣播序列號）和接入終端的stationMAC（接入端的硬件地址）、PWR（信號強度）、Rate（接入端支持的最大速率）以及經(jīng)緯度信息，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。
Wi-Fi信息匯總資源庫表包括3張數(shù)據(jù)表，分別是Wi-Fi接人點信息表、終端設(shè)備信息表和接人點／終端設(shè)備關(guān)系表，表結(jié)構(gòu)分別如圖8、圖9、圖10所示。
Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)捕獲數(shù)據(jù)格式如圖11所示。
Wi-Fi軌跡探測系統(tǒng)將捕獲的探針數(shù)據(jù)中的station和probe字段向Wi-Fi信息匯總資源庫發(fā)起查詢請求得到該終端設(shè)備的經(jīng)緯度，之后通過google map API將終端設(shè)備出現(xiàn)的地理信息描繪到地圖上，探測結(jié)果如圖12所示。
4結(jié)束語
終端設(shè)備歷史軌跡的探測在多個應(yīng)用領(lǐng)域都有著迫切的需求和重要的意義。通過對Wi-Fi協(xié)議連接過程的分析，論證了基于Wi-Fi協(xié)議探測終端設(shè)備歷史軌跡的可行性，同時設(shè)計實現(xiàn)了基于Wi-Fi協(xié)議的軌跡探測系統(tǒng)的功能原型，并給出了系統(tǒng)探測的結(jié)果。
