802.11无线网络学习（三）：802.11 MAC基础

1. 无线媒介控制

  同以太网一样，802.11使用载波监听多路访问（CSMA）机制来控制对传输媒介的访问；但802.11使用冲突避免(CSMA/CA),而以太网使用冲突检测(CSMA/CD)。

2. 隐藏节点

  为了避免隐藏节点引起的冲突，采用RTS/CTS帧来清空传送区域。 具体过程如下：
  如果节点1有帧要传，先发出一个RTS帧（两个目的：预约无线链路；要求接收到这一帧的其它工作站保持沉默），收到RTS后，接收端发出CTS帧（CTS也会让附近工作站沉默）应答。收到CTS后，节点1可开始传输数据帧了。
  由于开启RTS/CTS功能，会消耗一定带宽，所以可以调整RTS阀值，只有帧大于该值时才进行RTS/CTS交换过程，小于则直接传送帧。（hostapd.conf中的 rts_threshold 指定该值，默认2347；也可用 “iwconfig wlan0 rts ” 设置）

3. 协调功能

  协调功能分为3种，如下：
- DCF（分布式协调功能）
传输数据前先检查链路是否空闲，不空闲则STA会随机为每个帧待定一个退避时间。可用RTS/CTS清空技术进一步减少冲突的发生。
- PCF（点协调功能）
提供无竞争服务，点协调都位于AP，故只有基础结构性BSS中才可使用PCF。PCF允许STA经过一段较短时间后即可传送帧。
- HCF（混合协调功能）

4. 载波监听

  两各载波监听方式：
- 物理载波监听：由物理层提供，昂贵；
- 虚拟载波监听：由网络分配矢量(NAV)提供，帧中有一个Duration字段，用来预约一段媒介使用时间（微秒）。其它STA会将NAV的值倒数至0，在不为0前，媒介忙碌。
NAV由RTS和CTS帧载送。

  利用NAV进行虚拟载波监听过程如下：

其中发送端发送的RTS中有Duration字段[NAV(RTS)]，表示要占用链路的时间，在该时间内其它STA只能等待，由于可能有的STA不能收到该RTS，所以接收端发出的CTS中也有个时间值[NAV(CTS)]，当时间到达时（ACK发送完成），进行一段退避时间(DIFS：分布式帧间间隔)后，重新进入竞争窗口。
  注：处于相同信道上的STA（即使在不同网络中）均会收到NAV，因而会适当地延迟对媒介的访问。

5. 帧间间隔

帧间间隔是固定的，与传输率无关，但不同物理层可以指定不同的帧间间隔。802.11有四种帧间间隔，如下：

• 短帧间间隔(SIFS) —— 用于高优先级的传输，如RTS/CTS/ACK。
• PCF帧间间隔(PIFS) —— 用于无竞争操作中，其优先级高于任何竞争式传输。
• DCF帧间间隔(DIFS) —— 竞争服务中最短的媒介闲置时间
• 扩展帧间间隔(EIFS) —— 帧传输出错时使用。

6. 利用DCF进行基于竞争的访问

• DCF不用中心控制节点，所以可用于IBSS网络和基础结构型网络；
• 传送数据前，工作站必须检查媒介状态，如果忙碌则工作站必须延迟并利用指数退避算法来避免冲突；
• DCF传输中的规则：
   1. 如果媒介闲置时间长于DIFS，则可立即传输。如果之前的帧接收无误，则媒介必须至少空出一段DIFS；如果出错，则至少空出EIFS。
   2. 如果忙碌，则必须等待到信道闲置，工作站必须等待媒介闲置一段DIFS，同时准备指数退避过程。
• 工作站有两个重试计数器，短/长帧计数器 （长度小于RTS阀值的帧为短帧），同时每个帧片段有个最长的生存时间，一旦超过该时间，该帧被丢弃，其它帧片段也不会重试。
• DCF退避算法
  DIFS后为竞争窗口（退避窗口），将其进一步分割为时隙。如DSSS中，竞争窗口大小通常为2的指数倍减1（如31，63，127，…），每当重试计数器累计，竞争窗口移到下一个值（DSSS物理层最多为1023），如果到达重试计数器上限，则丢弃该帧。

7. 帧的分段与重组

通过设置分段阀值来确定好长的帧需要分段发送。每个帧片段有相同帧序号和一个递增的帧片段编号。还有帧控制信息用来指示是否还有其它帧片段待发。其过程如下：

8. 帧格式

一般帧格式如下：

• Frame Control （帧控制字段）
  
  

  1. protocol (协议版本)
  目前只有1个版本（0）
  2. Type/Subtype
  指定帧类型，其中b7位（QoS subfield）为1，则该帧中有QoS Control字段，如下：


  3. To DS/From DS 字段
  指定帧的目的地是否为分布式系统(DS)，如下：

aaa	To DS=0	To DS=1
From DS=0	无DS（所有管理、控制帧及IBSS中的数据帧）	基础型网络中STA发出的帧(STA -> AP)
From DS=1	基础型网络中STA收到的帧(AP -> STA)	无线桥接器上的帧(DS之间)

  4. More Fragments
  是否之后还有帧片段，除最后一个帧片段，其它都为1。

  5. Retry位
  重传帧该位为1

  6. Power Management
  为1，表示STA传送完该帧后将进行省电模式（PS）（AP不能进行省电模式，所以都为0）

  7. More Data
  AP发出的帧中该位若为1，表示缓存中有要发到处于PS模式的STA的帧。

  8. Protected Frame
  设为1，表示帧受链路层安全协议保护

  9. Order位
  设为1，对于no-QoS数据帧，表示所有帧片段严格依次传送
  对于QoS数据帧和管理帧设为1，且带有HT_GF或者HT_MF，表示该帧包含HT控制字段。

• Duration/ID 字段

该字段有三种形式，如下：

1. 设置NAV值(微秒)，工作站必须监视任何帧头并据此更新NAV；（0 - 32767）
2. 无竞争周期(CFP)中，该值被解读为NAV，它让没收到beacon的所有工作站都得以公告无竞争周期；（32768）
3. 用于PS-Poll帧，PS中的工作站会定期醒来，此时会发送一个PS-Poss，其中有关联标识符(AID)，以表示其所属的BSS。（1 - 2007）

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• Address字段
    MAC地址格式

  1. 目的地地址（DA）
  2. 来源地址（SA）
  3. 接收端地址（RA）
  4. 发送端地址（TA）

Address1：接收端；Address2：发送端；Address3：被接收端拿过滤地址，如下：

功能	ToDs	FromDS	Addr1	Addr2	Addr3	Addr4
IBSS	0	0	DA(AP)	SA(AP)	BSSID	未使用
To AP(基础型)	1	0	BSSID(AP)	SA(STA)	DA(Server)	未使用
From AP(基础型)	0	1	DA(STA)	BSSID(AP)	SA(Server)	未使用
WDS(桥接器)	1	1	RA	TA	DA	SA

To AP：STA(SA/TA) -> AP(RA) -> DS -> Server(www.xxxx.com)(DA)
From AP：Server(www.xxxx.com)(SA) -> DS -> AP(TA) -> STA(DA/RA)
WDS : STA <-> AP <-> DS <-> Server(www.xxxx.com)(DA)

在基础型网络中，BSSID即为AP的MAC地址；而独立型(ad hoc)网络中则产生一个随机的BSSID，并将Univeral/Local位（Mac中第46位，见：MAC地址格式）设为1，以防止与官方指定的MAC地址冲突。

• 顺序控制字段(Sequence Control)

  其由4位片段编号和12位顺序编号组成，如下：

控制帧未使用顺序编号，所以无顺序控制字段。
所有帧片段有相同的顺序编号，重传帧的顺序编号不改变；片段编号从0开始，依序加1。

• QoS Control字段
  有该字段，则Type/SubType中的b7必为1。QoS控制字段如下：
  

  QoS简介