无线电安全基础-从PDU开始理解通信协议是如何构成的(发送篇/未完)

2025/4/6 无线电安全入门无线电安全入门 GNURADIO

PDU 是什么？

简单理解就是数据块。GNUradio 传统上是流式数据。比如麦克风录音或者天线接收 IQ 数据，这些都是不停的流。但是在现代通信协议当中比如说 WIFI、蓝牙它们都是一包一包数据的进行传输。比如 WIFI 一帧一帧的发。所以每一包数据要整体处理，要知道包头，时间戳，长度等信息

示例

一、在 gnuradio 当中如何生成一个 PDU

通过 RandomPDU Generator 生成 PDU

其四个参数分别影响：PDU 长度范围最少为 15，最大为 150 字节，mask 与 pdu 每一字节做 AND 操作，总长度必须是 Length Modulo 的倍数。

二、PDU +CRC32 校验

在上一个示例的基础上加了 CRC32 校验

先生成一个随机 pdu 包然后在其尾部补充 4 个 CRC32 校验值

三、一个数据帧的完整实现

在示例二的基础之上我们再加上了 protocol formatter。这个模块的作用是可以根据 Header Format Object 的内容将输入的 PDU 格式化后生成一个符合协议要求的 header 并且再和原先的 payload 组合成新的 PDU

再来看Header Format Object 的内容是如何定义的

参数	内容
Access Code	`'101010101111101010101'`
Threshold	`3`
Payload Bits per Symbol	`1`

我们来分别解析这些参数的含义：

Access Code 是一个 “帧同步字”（syncword）。通常发射端会在每个数据包前加上这段固定的比特序列，用来帮助接收端找到包的起始位置。
Threshold：在检测 Access Code 时，允许最多3位bit错误（适应噪声）。
Payload Bits per Symbol：1bit对应1个符号（典型的二进制系统，比如 BPSK调制）

来说总结：**Header Format 定义了如何构造前导同步字、以及头部要携带的内容。 **

那么最终的数据包格式为

[Access Code] + [Header] + [Payload]

但是 Access Code不是在PDU本体里，而是更像一个附加前缀。Access Code并不会直接出现在PDU里面，因为PDU属于逻辑层封装，Access Code是物理层同步信号。

这个过程是这样的

[ Access Code ] + [ PDU（Header + Payload + CRC） ]
    ↓
进入物理层调制
    ↓
发送

在这里出现的 PDU 只有Header + Payload + CRC 部分不含Access Code

四、合并输出

在上面三个例子我们从 GNUradio 是如何输出 PDU 开始到生成一个完整的数据帧。那么现在我们来开始将其合并起来。可能初看这个流程图会觉得很复杂但是其实它只是将我们前面所学的内容增加了流的输出部分。

这里是我们示例三当中的内容，用于生成 PDU。然后分别输出 header 和 payload 到 PDU to Tagged Stream 块当中。该块顾名思义就是将 PDU 转成流

可以来看一下是如何转化为流的，首先会打包比特。将 8 比特输入的信息转化为 1 比特输出。紧接着进行一个 Map 运算。这个操作比较简单仅仅是将输入改为输出的值。其实就是数据类型的转化（ bit 0 -> byte 0; bit 1 -> byte 1 ）

然后就到了比较复杂的地方了 Chunks to Symbols 这个块会将我们传输的 byte 转化成对应的 symbol 以便后续传输

那 symbol 是什么呢？在数字通信中，“符号”是用来表示一个或多个比特的最小传输单位。它不再是简单的 0 或 1，而是一个具有特定数值的信号单元，通常是复数（在这个流程图中是实数，因为是 BPSK）。这些符号就是我们说的“星座图”。

这又涉及到一个概念，什么是星座图？

简单来说星座图就是一个字典，它的定义在 Constellation Object中

可以来解析一下该星座图：

ID 是星座图名称
Constellation Type: Variable Constellation: 表示这是一个可变星座图对象。
Symbol Map: digital.psk_2(1): 这是关键。它不直接写出 0, 1 这个列表，而是调用了一个函数 digital.psk_2(1) 来生成符号映射表。
- digital.psk_2 在 GNU Radio 中特指 BPSK (Binary Phase Shift Keying) 调制。
- 参数 (1) 通常表示 每符号的比特数 (bits per symbol)。所以 digital.psk_2(1) 就是获取 1 比特/符号 BPSK 的符号映射表。
- 对于 BPSK (1 bit/symbol)，标准的符号映射表通常是：输入比特 0 对应第一个星座点，输入比特 1 对应第二个星座点。这个函数调用会生成这个 [0, 1] 的映射列表。
Constellation Points: digital.psk_2(0): 同样，这里调用了函数 digital.psk_2(0) 来生成星座点的列表。
- 参数 (0) 通常表示获取这个调制方案的星座点本身。
- 对于标准的 BPSK，星座点是位于实数轴上的 -1 和 1。这个函数调用会生成这个 [-1, 1] 的星座点列表（这里的截图显示是 [complex_vector]，但对于 BPSK，虚部是 0，所以实际上是 [-1+0j, 1+0j]，也就是实数 -1 和 1）。

剩下的一些参数不影响我们的内容。简单来说这个 Constellation Object 块的作用不仅仅是简单地存贮 -1, 1 和 0, 1 这两个列表，它通过调用 digital.psk_2 这个函数，明确地声明了它定义的是一个 BPSK (1比特/符号) 调制方案的星座图

回到我们的解析当中。那么Chunks to Symbols 具体是如何工作的呢？首先从星座图我们可以知道符号分别被定义为了-1，1. 其对应的比特内容为 0，1.这里可以理解为经过Chunks to Symbols 处理后：

原始信息是 0 的时候，就用符号 -1
原始信息是 1 的时候，就用符号 1

.这里是个符号上的对应关系.不是实际的数学意义上的值。这个过程其实就是 Chunks to Symbol 去星座图当中去查询对应的 Symbols，然后将输入的内容翻译成星座图当中对应的符号再输出。（实际上这是个数学的过程，但是在这里我们也没必要深入研究）

输入原始比特 (0 或 1)
↓
根据“星座图（Constellation Object 定义的规则）查找对应的“symbol”
↓
输出查找到的“symbol” (-1 或 1)

那么经过 Chunks to Symbol 处理后就输出到一个 Vitrual Sink 的块当中。这个块的作用是可以用来传输流。这里可以看到我们将处理好的 payload 流和 header 流混合再一起后进行输出。最后显示再外面时域和邻域图上

这样我们完成了一个 PDU 从十六进制转换为比特的操作

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