3. 802.11 MAC基础

Posted 2021-03-01 huangdengtao

部分参考于:https://www.cnblogs.com/hunaiquan/p/5566534.html

1.简介

MAC位于各式物理层之上，控制数据的传输。它负责核心成帧操作，以及与有限骨干网络之间的交互。不同的物理层可能提供不同的传输速度，不过物理层之间必须彼此互用。

和Ethernet一样，802.11采用载波监听多路访问(carrier sense multiple access，简称CSMA)机制来控制对传输媒介的访问。不过，冲突(collisions)会浪费宝贵的传输资源，因此802.11转而使用冲突避免(CSMA/CA)机制，而非使用Ethernet所实行的冲突检测(CSMA/CD)机制。和Ethernet一样，802.11采用的是不具中枢控制功能的分布式访问机制，因此每个802.11工作站访问媒介的方式都一样。802.11与Ethernet之间的主要差异在与所使用的底层媒介不同。

2.射频链路品质

802.11采用肯定确定(positive acknowledgment)机制。所有传送出去的帧都必须得到响应。只要有任何一个环节失败，该帧即被视为已经漏失。此步凑为原子操作(不可打断)

3.隐藏节点的问题

无线收发器通常只要半双工工作模式，无法同时收发。

物理媒介线路中包含了信号，而且会传输至个各个网络节点。无线网络的界限比较模糊，有时候并不是每个节点都可以跟其它节点直接通信。

上诉图中节点2可以直接和节点1,3通信。不过某些原因导致节点1和节点3无法直接通信(可能是距离太远)。节点1和节点3互为隐藏节点。如果使用简单的传输祈求协议，节点1和节点3有可能同时传送数据，这会造成节点2无从响应任何数据。此外节点1和节点3无从得知发生错误，因为只要节点2才知道有冲突发生。

为了防止冲突发生802.11允许工作站使用Request to Send(请求发送，简称RTS)，及(Clear to Send，简称CTS)信号来清空传送区域。

过程分析：
    节点1有个帧待传，因此送出一个RTS帧以启动整个过程。RTS帧本身带有两个目的：预约无线链路的使用权与要求接收到这一帧的其他工作站保持沉默。一旦接收到RTS帧，
接收端会一CTS帧应答。和RTS帧一样，CTS帧也会命令附近的工作站保持沉默。等到RTS/CTS完成交换过程，节点1即可传送之前待传的帧无需担心来自其他隐藏节点的干扰。

当然随着802.11逐渐成熟，隐藏节点已经不在是问题。

4.MAC访问模式与时机

无线媒介的访问是由协调功能(coordination function)控制。
?a.分布式协调功能(distributed coordination function，简称DCF)。
?b.如果需要用到无竞争服务(contention-free service)，则可通过构建于DCF之上的点协调功能(point coordination function，简称PCF)来控制。
?c.混合协调功能(hybrid coordination function，简称HCF)

DCF(分布式协调功能)(有竞争)

DCF是标准的CSMA/CA访问机制的基础。在传送数据之前，它会先检查无线链路是否处于清空状态。为了避免冲突的发生，当某个传送这占据信道时，工作站会随机为

每个帧选定一段退避(backoff)时间。在某些情况之下，DCF可利用CTS/RTS清空技术进一步减少发生冲突的可能性。

PCF(点协调功能)(无竞争)

点协调功能提供的是无竞争服务。可以确保不必通过竞争即可使用媒介。点协调者位于接入点，因此只有基础结构网络才会使用PCF。

HCF(混合协调功能)

处于DCF和PCF的中间部分

5.载波监听功能与网络分配矢量

载波监听主要用来判断媒介是否处于可用状态

802.11具备两种载波监听功能：

a.物理载波监听(physical carrier-sensing)
b.虚拟载波监听(virtual carrier-sensing)
只要两者其中一个监听功能忙，MAC就会将此状况汇报给较高层的协议

物理载波监听

物理载波监听功能是有物理层提供，取决于所使用的媒介与调剂方式。

虚拟载波监听

虚拟载波监听是由网络分配矢量(Network Allocation Vector，简称NAV)所提供NAV本事其实就是一个定时器(timer)，用来指定预计要占用媒介多少时间。

分析

此图说明了NAV如何保障整个过程不受干扰。(每个工作站各自有相应的定时器)NAV是由RTS与CTS帧上的标头来载送的，此处之所以特别画出一条NAV先是为了要显示NAV与空中实际传输情况的关
系。只要NAV线上出现NAV条状图，工作站就必须延迟访问媒介，因此虚拟载波监听机制将会支出媒介处于忙碌状态。
为了确保整个过程不被中断，节点1会在其RTS帧中设定NAV，以防止传送RTS时其他工作站对媒介进行访问，所有收到RTS帧的工作站均会延迟访问媒介，直到NAV消失。
接收端会以CTS帧加以响应，其中也包含NAV，不过为时较短，此NAV可防止其他工作站在传输工程中访问媒介，直到传输过程结束。完成整个过程，经过一段分布式帧间间隔(DIFS)之后，任何工
作站均可对媒介进行访问，此时便进入竞争窗口。

6.帧间间隔

SIFS、PIFS、DIFS三者用来决定媒介的访问。此外还有一个帧间间隔EIFS。

SIFS：短帧间间隔

SIFS用于高优先级的传输场合

PIFS：PCF帧间间隔

PIFS主要被PCF使用在无竞争操作中，有时被误称为优先级帧间间隔。

DIFS：DCF帧间间隔

DIFS是竞争式服务中最短的媒介闲置时间。

EIFS：扩展帧间间隔

EIFS并非固定的时间间隔。只有在帧传输出现错误时才会用到EIFS。

7.帧间间隔与优先级

由于SIFS短于其他帧间间隔。所以帧间间隔为SIFS的会比其他帧间间隔的先抢占到媒介，从而实现较高优先级。

8.帧的分段与重组

当上层的分包大小超过网络管理人员所设定的分段阈值时，就会进行帧的分段。每个帧片段都有相同的帧符号以及一个递增的帧片段编号以便重组。

分析：

帧片段与其确认之间以SIFS区隔，因此工作站在片段突发期会一直持有信道的掌控权。NAV可以确保其他工作站在此片段突发期间不能使用该信道。正如任何的RTS/CTS交换，RTS与CTS会将NAV设定成从预定时间到
第一个帧片段结束。其后的帧片段会彼此串联。每个帧片段都会设定NAV，继续掌握媒介的使用权，直到下一个帧的确认结束。如图3-8中，Frament 0设定了NAV并继续掌握媒介直到ACK 1，而Frament 1也设定了
NAV并继续掌握媒介直到ACK 2，以此类推。当最后一个帧片段及其确认送出时，NAV即会被设定为0，代表媒介即将在片段突发期完成之后释放。

9.帧格式

字段的传送顺序由左到右，最高有效位将会最后出现

Frame Control字段

2字节长度

Protocol字段

Protcol(协议版本)字段由两位构成，用以显示该帧所使用的MAC版本

Type与Subtype字段

Type(类型)与Subtype(子类型)字段用来指定使用的帧类型

To DS与From DS位

DS:分布式系统(distribution system)

More fragment位

帧分段处理

Retry位

重传

Power management位

是否进入省电(power-save)模式。1代表工作站即将进入省电模式，0代表工作站不会进入省电模式。

注意：接入点不允许进入省电模式

More data位

服务于省电模式中的工作站。如果接入点设定此位，即代表至少有一个帧待穿给休眠中的工作站。

Protected Frame

如果帧受到链路层安全协议的保护，此位会被设定为1

Order位

帧与帧片段可依次传送。

Duration/ID字段

有三种可能的形式：NAV，CFP，PS-Poll

Duration：设定NAV

当第15个位被设定为0时，Duration/ID字段就会被用来设定NAV。

无竞争周期所传送的帧(CFP)

第14位为0，而第15位为1，其他所有为均为0.此时Duration/ID字段的值为32768.这个数值被解读为NAV，它让没有收到Beacon(信标)帧的任何工作站都得以公告无竞争周期。

PS-Poll帧

在(省电-轮询)帧中，第14位与15位会被同时设定为1.移动式工作炸可以关闭天线以达到省电的目的，休眠中的工作站必须定期醒来，
为确保不遗漏任何帧。从休眠中醒来的工作站必须送出一个PS-Poll帧，以便从接入点取得之前缓存的任何帧

Address字段

一个802.11帧最多可以包含4个地址(address)字段。
Address 1:接收端
Address 2:发送端
Address 3:被接收端拿来过滤地址。在基础结构网络里，第三个地址字段会被接收端用来判断该帧是否属于其所关联的网络。

单播

第一位为0，该地址代表单一工作站

组播

第一位为1，该地址代表一组实体工作站

广播

所有位为1，会传送给所有连接至无线媒介的工作站

目的地地址

代表最后的接收端，即负责将帧交付上层协议处理的工作站

来源地址

为单一工作站

接收端地址

负责处理该帧的无线工作站

发送端地址

将帧传送至无线媒介的无线接口。发送端地址通常只用于无线桥接。

注意

接收端：负责将无线电波解码为802.11帧的工作站
目的端：负责处理帧中网络层封包的工作站

发送端：负责将帧传送至无线链路
来源：产生帧中网络层协议封包的工作站

基本服务集标识符(BSSID)

在基础结构型网络里，BSSID即是接入点无线接口所使用的MAC地址。

Sequence Control：顺序控制字段

此字段的长度为16位，用来重组帧片段及丢弃重复帧。它是由4位的片段编号字段以及12的顺序编号字段组成。

frame body：帧主体

也称为数据字段，负责在工作站之间传递上层有效载荷(playload)

FCS：帧校验序列

FCS通常被视为循环冗余校验(cyclic redundancy  check，简称CRC)码，FCS的计算范围涵盖MAC标头里所有字段以及帧主体。

10. 802.11 对上层协议的封装
    ===
    逻辑链路控制(logica-link control，简称LLC)
    地址解析协议(Address Resolution Protocol，简称ARP)
    封装LLC数据的方式有两种：RFC 1024有时候被称为IETF封装，802.1H有时候被称为隧道封装
    

RFC 1024与802.1H均衍生字802.2的子网访问协议(sub-network access protocol，简称SNAP)。MAC地址会被赋值到封装帧的开头，然后插入SNAP标头。SNAP标头以目的地服务接入点(destionation service access point，简称DSAP)与源服务接入点(source service access point，简称SSAP)开始。在地址之后，SNAP包含一个控制(Control)字段。和高层数据链路协议及其衍生协议一样，此控制字段会被设定为0x03，代表未编号信息(简称UI)。SNAP所置入的最后一个字段是组织唯一标识符(简称OUI)。802.1H与RFC 1024之间的唯一差异在于其所使用的OUI。

11.基于竞争的数据服务

802.11定义了两组截然不同的原子交换过程：DCF，用于基于竞争的服务；PCF用于无竞争服务

12.广播与组播数据或管理帧

广播数据帧会在Address1字段中填入广播地址
组播数据帧会在Address2字段中填入组播地址
广播管理帧会在Address1字段中填入广播地址

组播和广播传播帧，不必等待应答

13.单播帧

单点传播帧必须得到应答以确保可靠性

单一帧及其确认

分析：

此帧会利用NAV为其本身，其确认及发生于其间的SIFS预定媒介使用权。设定较长的NAV是为了替整个交换过程锁定虚拟载波，
以确保接收端可以传送确认。因为交换过程是以ACK结束，所以没有必要在锁定细腻载波，因此ACK中的NAV会被设定为0。

14.帧分段

最后两个帧的交换和之前的过程没有两样，NAV的设定也完全相同。不过，倒数第二个帧之前的所有帧均会使用NAV为下一个帧片段及其确认(ACK2)。为了表示是帧片段，MAC会将帧头的控制字段的More Fragments位设定为1.最后一个确定(ACK3)除外，其余确认都会继续为下一个数据片段及其确认延长锁定媒介时间。后续的数据帧会继续延长NAV以涵盖后续的确认，直到最后一个数据帧才会将More Fragments位设定为0，而最后一个确认（ACK3）则会将NAV设定为0.帧片段的数据并无限制，不过帧的总长度必须短于PHY对交换过程所做的限制。

帧分段是有MAC的分段阈值参数控制

15.RTS/CTS

RTS/CTS交换的做法和帧分段没有什么两样，只是RTS帧并未携带任何数据。RTS中的NAV可以让CTS完成操作，而CTS则可用来为数据保留媒介使用权。

16.省电程序

在休眠期间，接入点会为每个处于休眠的工作站缓存单播帧。若有缓存帧，接入点会有后续的Beacon帧告知工作站。从省电状态苏醒的工作站可以使用PS-Poll帧取得这些缓存帧。

17.立即响应

MAC规范说明书要求所有收到PS-Poll的工作站必须更新NAV，将NAV的值设定为一个SIFS(短帧间间隔)加上一个ACK。虽然此NAV对数据帧而言过短，但接入点会取得媒介使用权，而所有工作站都会为了这个数据帧而延迟访问媒介。当数据帧传送结束时，NAV随即更新以反映该数据帧中的数值。

18.延迟响应

除了立即响应，接入点可以先回复一个简单响应。这种做法称为延迟响应。
使用延迟响应的优点之一在于接入点方面的软件较易实现，因为确认信息可以通过芯片组固件立即传送，至于数据可以先予以缓存，然后依正常流程传送。

分析：

图3-21说明了整个过程。此图中工作站刚从省电模式转变为活跃模式。同时注意到接入点已经为它缓存了帧，

于是工作站会发出PS-Poll给接入点，要求接收这些缓存帧。不过，接入点可能会选择延迟响应，因此只响应一个ACK。
到目前为止，接入点已经确认了工作站的缓存帧的请求，并且承诺即将在某个时间点加以传送。工作站必须在活跃
模式下等待，也许经过几次原子帧交换之后，接入点就会送出工作站所要的数据。

19.多种速率支持

1.每个工站均持有一份操作速率列表，其中记录工作站与其所连接BSS均支持的所有速率。
2.每个BSS必须负责维护一组基本速率，即打算加入BSS的工作站必须支持的速率列表。
3.用来起始帧交换的控制帧，如 RTS 与 CTS，必须以基本速率组合中的一种速率进行传输。这一规则可以确保必须以
CTS 回应 RTS 帧的工作站，能够以相同速率工作。
4.发送给特定工作站的帧会在Address 1字段记载单播目的地址。单播帧(unicast frame)可以使用目的端支持的任一速率传送。
5.ACK或CTS之列的确认帧必须以基本速率集所包含的速率传送。

20.选速和降速

速率选择主要在决定一张网卡该在何时升速以提高链路质量。速率选择如何实现，留给芯片厂商自行决定。改变速率，可以通过信号质量（信噪比），或者间接观察有多少帧需要重传。当信号质量变差，芯片就会以降速来适应。间接测量，则是监测瞬间或平均漏失多少帧，然后予以适度补偿。

21.帧的处理与桥接

无线接入点的核心其实就是桥接器，负责在无线与有线媒介之间转换帧。

22.无线媒介至有线媒介

1. 当接入点收到一个帧时，首先会检测该帧基本的完整性。
2-1. 传送至接入点的帧会将接入点的MAC地址作为802.11 MAC标头的Address 1字段。
2-2.802.11 MAC 接着监测且移出重复的帧。
3. 一旦基站判定需要进一步处理该帧，就必须予以解密，因为该帧会受到链路层安全算法的保护。
4.  成功解密之后，基站即检视该帧是否为帧片段，需要进一步重组。完整性保护（ integrity protection）针对重组后完整帧，而不是个别的帧片段。
5.如果经过步骤 2-1 的 BSSID 检验，判定基站必须桥送该帧，较复杂的 802.11 MAC 标头就会被转换为较简单的以太网 MAC 标头。
5-1.记录在 802.11 MAC 标头之 Address 3 位里的目的地址，会被复制到以太网的目的地址。
5-2. 记录在 802.11 MAC 标头之 Address 2 位里的源地址，会被复制到以太网的源地址。
5-3. 从 802.11 Data 位里的 SNAP 标头，将（Type）类型代码复制到以太网帧里的 Type 位。如果该以太网帧亦使用 SNAP，就复制整个 SNAP 标头。
5-4.顺序信息主要供帧片段重组之用，不过当帧被桥送之后即予以丢弃。
5-5.如果有标准的服务质量处理程序，即在此进行无线与有线的 Qos 对应。不过到目前为止，用来表示服务质量的形式，通常就是在有线帧中使用 802.1p优先性等级 bit，或者其他的控制形式。
6.重新计算帧检验码。以太网与 802.11 使用相同的算法来计算 FCS，不过 802.11 帧多出一些位，同时为 FCS 所保护。
7.所产生的新帧交付以太网界面传送。

23.有线网络至无线媒介

1. 验证以太网 FCS 后，基站首先会检视是否需要进一步处理所接收到的帧，亦即检视该帧的目的地址是否属于目前与基站连接的工作站。
2. 将 SNAP 标头附加于以太网帧的数据之前。上层封包是以 SNAP 标头进行封装，而其Type 位是自以太网帧里的类型代码复制而来。如果该以太网帧亦使用 SNAP，则复制整个 SNAP 标头。
3.对帧的传送进行排程。 802.11 包含复杂的省电过程，将帧置于传送序列之前，基站可能会将帧暂存于缓存区。省电过程将于第 8 章祥述。
4.一旦帧被置于序列待传，就会被赋予一个顺序编号。如有必要，所产生的数据可以用完整性检验值加以保护。如果帧需要分段，则会根据事先设定好的分段门限进行分段。分段帧时，将会在 Sequence Control 位指定片段编号。
5.如果帧需要保护，则对帧（或每个帧片段）的本体加密。
6. 802.11 MAC 标头是根据以太网 MAC 标头产生。
6-1. 将以太网 的目的地址复制到 802.11 MAC 标头的 Address 1 位。
6-2. 将 BSSID 置于 MAC 标头的 Address 2，以做为无线介质上之帧的发送者。
6-3. 将帧的源地址复制到 MAC 标头的 Address 3 位。
6-4. 将其他位填入 802.11 MAC 标头。也就是把预计传送时间填入 Duration 位，并把适当的旗标填入 Frame Control 位。

7. 重新计算帧检验码。以太网与 802.11 使用相同的算法来计算 FCS，不过 802.11 帧多出一些位，同时为 FCS 所保护。
8.所产生的新帧交付 802.11 界面传送。