初探802.11协议——帧聚合(Frame Aggregation)/BA(Block Ack)

Posted 2022-12-05 Chris_166

帧聚合(Frame Aggregation)机制是一种增益传输效率的机制，从802.11n开始就引入了，11ax做了进一步的增强(Frame Aggregation Enhancements)。

一、帧聚合的方式

先来了解两个概念：MSDU和MPDU。M表示MAC层。

1. MSDU(MAC Service Data Unit)，即MAC服务数据单元，MSDU仅仅是数据帧的Payload部分，没有Header，可以把MSDU理解成Ethernet报文；
2. MPDU(MAC Protocol Data Unit )，即MAC协议数据单元，是Payload+MAC层的数据包头部，也可以大致理解为MDPU = MAC层头部 + MSDU。

802.11n定义了两种帧聚合方法：

1. A-MSDU：将多个MSDU组合成一个数据帧，共享一个MAC头部
   
2. A-MPDU：将多个MPDU组合
   

(上述两张图片摘自：
https://blog.csdn.net/Lu_string/article/details/89027281)

两种帧聚合的差异：

1. A-MPDU聚合的是经过802.11封装过的数据帧，A-MPDU是需要结合Block Acknowledgement机制的。
2. A-MSDU聚合的MSDU可以理解为聚合了一堆Ethernet报文(当然这里准确来说是MSDU)，这些Ethernet报文在踢到空中前是需要一一转换成802.11格式的帧的。

也就是说A-MPDU聚合的帧已经是802.11格式的了，而A-MSDU聚合的是需要进一步转换成802.11格式的帧。

二、帧聚合的增益原理简介

帧聚合是将多个无线帧组合成单个更长的无线帧传输，然后一次进行传输。

1. 减少竞争开销。如果单独一个帧一个帧的发，每次发之前都要进行信道竞争，然后还有等待传输时间等这些都是损耗；
2. 在MAC层的竞争开销不变的情况下，帧聚合可以增加传输的内容。

当然帧聚合也有如下一些局限性：

• 所有的聚合帧都必须有同一个目的地址；
• 所有的聚合帧都必须有相同的QoS等级；
• 可能存在延迟，因为需要等所有相关的帧都“到齐”聚合了才能发；
  当然可传输的最大帧长度受信道相干时间影响，信道相干时间由传输环境的发送端、接收端或者其他物体移动速度决定，物体移动越快，可传输的帧长度越小，毕竟传输时间是要小于信道相干时间的。

三、BA

1. TXOP

TXOP：Transmission Opportunity，竞争传输机会。

transmission opportunity (TXOP): An interval of time during which a particular quality-of-service (QoS) station (STA) has the right to initiate frame exchange sequences onto the wireless medium (WM).
NOTE—A TXOP is defined by a starting time and a maximum duration.

在802.11e之前的协议中，都是“竞争一次，传输一个数据帧”；
在802.11e中引入的TXOP，“竞争一次，获得一段传输时间”，即节点竞争成功后，其获得了一段信道使用时间，在这段时间内，其可以传输多个数据帧。
在TXOP模式中经常以RTS/CTS开启一段TXOP时间，然后再开始发送数据帧。“Burst Transmission(突发式传输)-Block ACK”，就是一种比较常见的TXOP传输方式。在TXOP传输过程中，不一定要在本TXOP时间内获取ACK的反馈，也可以在在第二个传输时间结束后，在通过BAR申请ACK的反馈。

关于TXOP冲突：对于上面所的Burst Transmission，如果有冲突的话，将会冲突整个TXOP时间，所以起始时会用RTS/CTS保护。当然如果不用RTS/CTS，也可以在第一个数据帧时候做DATA_ACK的交换。

2. ADDBA

ADDBA ：add block acknowledgment 参见spec： 第10.24节《10.24 Block
acknowledgment (block ack)》

一个数据帧一个ACK，我们称之为normal ACK；多个数据帧一个ACK，我们称之为Block Ack。

如上图所示分为三步：

1. Setup：传输初始化。
   由ADDBA Request和ADDBA Response帧的握手，发起一个会话。ADDBA Request和Response在协议中都是管理帧(Action帧)，因此需要通过ACK确认的，而且每一个管理帧发送前都需要经过Backoff竞争信道。
2. Data & Block Ack：数据传输。【上图中的multiple times表示多轮，即数据传输的这个过程在Setup后可以是多轮的】
3. Teardown：传输结束，关闭。

接下来分析下这三步中的关键帧。

参见Spec 第9.6.5小结《9.6.5 Block Ack Action frame details》

2.1 Setup

• Dialog token：The Dialog Token field is set to a nonzero value chosen by the STA.表示该会话的ID；

• Block Ack Parameter Set：
  (1) A-MSDU Supported：表示是否支持帧聚合。
  (2) Block Ack Policy：表示ACK反馈是立即反馈，还是延迟反馈。
  (3) TID：标识会话对应流量的TID。
  (4) Buffer Size：帧缓存区的大小，用来做帧重组用的。

• Block Ack Timeout：会话的超时设置，如果该位有设置时间，表示如果多少时间没有数据交换，则该会话失效。该参数Request和Response里面都有，以Response的为准。
  

• Staring Sequence Number：表示会话起始数据帧的序列号或者是重新协商的下一个序列号。

注意：ADDBA的request和response这两个Action帧中间是没有别的帧抢占信道的。可能是按照最高优先级或者在ADDBA Request中设置的Duration参数进行保证的不让其他帧抢占吧。
另外，ADDBA如果要重传就直接重传，中间不会有二进制指数退避的。

2.2 Data & Block Ack

在最后一个QoS Data传输后，会话发起的节点会发送BAR(Block ACK Request)，此时节点会立刻反馈Block ACK(BA)。
当然在11n后还有一种Implicit BAR(隐式的BAR)，即在发送方发送完最后一个QoS Data后，节点直接可以反馈BA，而不需要BAR的请求。不过这种隐式BAR是应用在帧聚合模式下的。

BAR和BA帧都是作为控制帧存在的，所以其可以直接构成一个握手。也就是BAR之后，接收方会在SIFS时间后反馈BA

• BAR Frame

• BA Frame

2.3 Teardown

---

待续