Wi-Fi技术——OSI模型

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#网络 #信息与通信

于 2025-08-31 23:09:37 首次发布

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以太网与无线网的差异

以太网和无线网在计算机模型上的主要的差异在于第一和第二层，也就是物理层和数据链路层。

物理层：负责在网络设备之间传输原始的比特流（0和1）

以太网：以太网使用有线连接，如双绞线电缆或光纤来传输数据。物理层定义了传输的电信号、电压和脉冲等特性。
无线网(Wi-Fi)：Wi-Fi通过无线电波在空气中传输数据。物理层涉及无线频率的选择、天线的配置，以及信号的调制和解调方式

数据链路层：负责在相邻节点之间建立可靠的通信链路，将数据帧从一个节点发送到下一个节点，并处理帧的传输错误。

以太网：在数据链路层，以太网通常使用**以太网帧(Ethernet Frame)**进行数据封装。MAC 地址用于标识网络设备，并控制对介质的访问(CSMA/CD，载波侦听多路访问/冲突检测机制)。
无线网(Wi-Fi): 无线网在数据链路层也使用帧进行数据封装，但 Wi-Fi 帧格式与以太网帧有所不同。Wi-Fi使用 CSMA/CA (载波侦听多路访问/冲突避免机制) 来管理介质访问，并增加了加密(如 WPA/WPA2 ) 和 认证(如802.1X) 的功能，以增强安全性。

无线网数据帧封装

对无线网的物理层和数据链路层再进一步划分，我们可以看到物理层有：PLCP 和 PMD 层，数据链路层有：MAC 层和 LLC层

数据链路层：负责将数据打包成帧，并管理帧如何共享无线信道
- LLC 子层(Logical Link Control)：逻辑链路控制子层，为上层网络协议提供统一的接口，管理逻辑链路的控制和数据传输。
- MAC 子层(Medium Access Control)：媒体访问控制子层，管理设备对共享通信介质的访问和数据帧的传输。
物理层：负责通过无线电波实际传输和接收数据，定义了调制、编码、发射和接收技术
- PLCP 子层(Physical Layer Convergence Procedure)：物理层收敛过程子层，负责在 MAC 层和 PMD 子层之间转换数据帧格式。
- PMD 子层(Physical Medium Dependent) ：物理介质相关子层，直接处理物理信号的传输和接收。

802.11协议有规定三种类型的帧，分别时管理帧，控制帧和数据帧

管理帧

管理帧负责对无线网络进行监督、管理和维护。它们主要用于加入/离开网络、认证、同步等“管家”类工作。

管理帧的帧头中始终包含源和目标MAC地址

主要管理帧类型：

Beacon信标帧
- 用于宣告网络的存在。接入点（AP）会定期广播信标帧，以便周围的无线工作站（STA）能发现它
- 包含信息：网络名称（SSID）、支持的速率、安全加密设置、时间戳等。
Probe request探测请求帧
- 用于主动寻找网络，或主动申请一个范围内的某个网络
- 由工作站（STA）主动发送，用来搜寻范围内是否有特定的Wi-Fi网络（指定SSID）或所有网络
Probe response探测响应帧
- 用于回应探测请求
- 当AP收到一个探测请求帧（并且SSID匹配或为广播），它会回复一个探测响应帧。其包含的信息与信标帧类似，相当于“应召信标”
Authentication身份认证帧
- 用于进行身份认证，是连接过程的第一步
- 工作站向AP发送认证请求，AP回复认证响应
Association request关联请求帧
- 请求加入网络。在身份认证成功后，工作站发送关联请求帧给AP，正式请求成为网络的一员
Association response关联响应帧
- 回应关联请求。AP收到关联请求后，会回复一个关联响应帧，其中包含一个重要的标识符——关联标识符，表示是否允许该工作站加入，并为它分配一个AID
Reassociation request重关联请求帧
- 在同一个ESS内切换AP时，用于向新的AP发送，与新的AP建立关联
- 一般发生在当工作站从一个AP的覆盖范围移动到另一个AP的覆盖范围时（例如在漫游时）
Reassociation response重关联响应帧
- 回应重关联请求。新的AP回复重关联响应帧，完成漫游切换过程
Deauthentication取消认证帧
- 终止认证关系。是一个通知帧，不可拒绝。
- 发送后，连接即被断开。
- 可以由AP或工作站发出，常用于强制用户下线。
Disassociation取消关联帧
- 终止关联关系。同样是一个通知帧，用于断开连接，但发生在认证之后。
- 通常用于礼貌地通知对方自己要离开网络。
Action行为帧
- 一种通用的管理帧，其具体的内容取决于Subtype子类型代码

控制帧

负责协助数据帧的传递，主要进行媒介访问控制和保证数据传送的可靠性。

通常非常短小，以提高效率。

主要控制帧类型

Request to send (RTS)请求发送帧
- 预约信道。
- 在发送数据之前，工作站先向AP发送一个RTS帧，告知“我想要发送数据，需要占用信道一段时间”。
Clear to send (CTS)允许发送帧
- 授予发送权限。AP收到RTS后，如果信道空闲，会广播一个CTS帧。
- 一是回复RTS的发送者“允许你发送”；二是通知范围内所有其他工作站“信道已被占用，请保持静默”，从而解决隐藏节点问题
Acknowledgment (ACK)确认帧
- 确认成功接收，是保证无线数据传输可靠性的关键机制
- 当接收方成功收到一个需要确认的数据帧或管理帧后，必须立即回复一个ACK帧。如果发送方没收到ACK，它会认为传输失败并进行重传。
- 单播(unicast)帧都需要用ACK来确认，其只有接收地址（receive）而无源地址（src）和序号（sequence）
Block ACK Request (BlockAckReq)
Block ACK (BlockAck)
- 批量确认成功接收
- 对于使用了AMPDU模式的数据传输过程，可以批量对接收到的帧进行确认
Power Save Poll (PS-Poll)节能轮询帧
- 省电机制，处于省电模式的工作站会定期醒来，向AP发送PS-Poll帧，询问AP是否为其缓存了数据。
CF-End / CF-End+CF-Ack
- 宣布无竞争期结束，用于PCF（点协调功能）模式，但这种模式在实际中极少被使用

数据帧

真正承载高层数据（如IP包、ARP请求等）的帧，是传输用户业务的“货车”。

Data普通数据帧
- 在Infrastructure模式（BSS）下，从工作站发往AP或从AP发往工作站的数据
- 具有方向，用DS（分布式系统）字段来标识
- To DS：表示Station->AP，一般也叫Upload；From DS表示AP->Station，一般也叫Download。
Null function空数据帧
- 没有载荷的数据帧。通常用于进行电源管理，工作站可以用它来通知AP自己进入睡眠模式，同时保持连接不断开
QoS data（QoS数据帧）
- 支持 QoS（服务质量）的数据帧，包含优先级标记（TID），用于对语音、视频等实时数据进行优先处理
聚合帧
- 这是802.11n/ac/ax等现代标准中非常重要的特性。它将多个数据帧聚合在一个PHY层传输中一起发送，极大地提高了传输效率和吞吐量，减少了开销。