第三章 802.11MAC基础 ****需要深入理解

1.mac所面临的挑战

射频链路品质     radio link   容易受到干扰    802.11采用肯定确认机制   所有传送出去的帧都必须得到响应        工作站发送请求帧    基站收到后发送确认帧    此操作过程称为原子操作    不可分割的单一事物单元   single transactional unit

       无线链路质量会影响网络操作的速度    

隐藏节点的问题     无线网络界限模糊      距离果园的两个节点  无法收到对方的无线电波     两者互为隐藏节点

由隐藏节点导致的冲突问题相当难以监测       因为无线收发器   wireless transceiver  工作模式是半双工 模式   无法同时接收和发送数据   为防止冲突发生     需要工作站使用rts请求发送和cts清除发送 信号来清空传送区域       rts帧   cts帧   数据帧以及最后的响应帧被视为相同原子操作的一部分

   过程：发送一个rts帧启动过程       rts的目的   1.预约无线链路的使用权    

2.要求收到这一帧的其他sta保持沉默       退避   backoff

     接收端收到rts    会议cts帧应答   目的与rts一样     cts帧会令附近的sta保持沉默     

rts和cts交互完成之后     即可传送待传的帧

802.11驱动支持    用户可以通过调整rts阈值threshold来控制rts/cts交换过程     只要大于次阈值    rts/cts交换过程就会进行     小于此阈值会直接传送帧

 

2.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    

dcf分布式协调功能   控制

pcf点协调功能控制      构建于dcf之上

hcf混合协调功能       介于以上两个之间的模式

 

3.载波监听功能与网络分配矢量

主要用来判断媒介是否处于可用状态   

具备两种载波侦听功能   ：物理载波监听 和虚拟载波侦听    两者同时显示媒介空闲时     才能用媒介

物理载波侦听   取决于媒介和调制方式

虚拟载波侦听   由网络分配矢量 所提供    802.11帧通常会包含一个duration字段    预定一段媒介时间   其实就是一个定时器

可以保证工作站的原子操作不受干扰

interframe spacing 帧间间隔  没有任何操作之处会使用

distributed interframe  space   DIFS   分布式帧间间隔    完成整个过程 之后的一段时间使用

contention  window  竞争窗口

4.帧间间隔

分类  四种   其中三种用来决定媒介的访问

不同的帧间间隔会为不同类型的传输产生不同的优先次序    

逻辑：当媒介闲置下来时   高优先级的数据等待的时间较短      

相同的物理层   帧间隔时间固定  与传输率无关       不同的物理层 则可以指定不同的帧间间隔时间

a      short interframe space  简称  sifs   短帧间间隔

用于高优先级的传输场合   例如rts/cts以及肯定确认帧  

b PCF interframe space  简称PIFS   帧间间隔

主要用于pcf使用在无竞争操作中      有时候被误称为priority interframe space 优先级帧间间隔

c DIFS DCF interframe space   帧间间隔

DIFS 是竞争式服务中最短的媒介闲置时间    媒介时间大于difs    则sta立即对媒介进行访问

d 扩展帧间间隔    Extended  interframe  space   简称EIFS

非固定的时间间隔    帧传送出现错误时才会用到EIFS

时间间隔与优先级

原书中3-5   sifs被硬要在不同单位的原子操作之间    接收端会在sifs之后相应cts       任何试图在rts结束之后访问媒介的sta至少必须等候一段difs       若在difs进行时  sifs已经先行结束   则会开始传送cts

利用dcf进行基于竞争的访问

DCF    分布式协调功能    大部分的传输操作基于此方式      基于竞争     

如果媒介处于忙碌状态的时间过长     sta必须延迟访问  利用指数退避  exponential backoff 算法来避免发生冲突

基本规则：1.媒介闲置时间长于DIFS   可以立即传输    载波侦听可以同时物理与虚拟两种方式进行

a.如果之前的帧接收无误   则媒介鼻血至少空出一段   difs

b.如果之前的帧传输出现错误    则媒介必须至少空出一段   eifs

2.如果媒介处于忙碌状态   则sta必须等候到信道再度闲置   称为访问延迟  access  deferral    一旦访问延迟   sta 会等候媒介闲置一段DIFS    同时 准备指数退避过程   exponential backoff  procedure

 

 特定情况下会用到一些额外的规则   其中有一些规则取决于线上  on the wire        与之前传送的结果有关

1.错误恢复   error recovery   发送端的责任     原子操作   发出去的帧必须得到确认

a    收到确认才算成功       否则认定丢失   需要重发

b    所有单播数据必须确认   广播  则不确认   所以单播质量高

c    发送失败   重试计数器 就会累加    retry  counter   之后重新发送

2.多帧序列可以在传送过程中的每个步骤中更新nav   当收到的媒介预定时间比当前的nav还长时    sta会更新nav    设定anv 以个别的帧为基准

3.SIFS之后传输   优先级较高   确认帧 acknowledgment 、RTS/CTS交换过程中的CTS以及片段序列中的帧片段

a   只要发送出第一个帧    sta就会控制信道    后续帧几确认均可使用SIFS进行传送     锁定信道 不被其他sta使用

b 传输中     后续帧讲nav更新成该媒介预计使用的时间

4.如果较高层的包   higher-level packet的大小超过所设定的阈值   则必须使用扩展帧序列   extended   frame   sequence

a 包的大小超过rts阈值   必须使用rts/cts交换过程

b 长度超过分段阈值  则必须加以分段

 

 

 

DCF与错误恢复

错误检测与更正   error detection and correction由开始原子帧交换过程的sta来担任   一旦检测到错误   该sta必须负责重发送

 

每个帧或帧片段分别对应一个重试计数器     sta本身有两个重试计数器  ：短帧重试计数器   short   retry counter与长帧重试计数器  long retry counter    长度小于RTS阈值的帧被视为短帧      长度大于该阈值的帧则为长帧      重试计数由0开始算起

 

 

重试计数器清零情况

短帧

1.之前传送的rts得到cts响应

2.之前传送的未分段帧得到mac层的响应

3.收到广播broadcast或者组播 multicast的帧

长帧

1.之前传送的帧大于rts阈值并且得到mac层的响应   因为mac会处理此帧  不用重传

2.收到广播或组播的帧

   除了相应的重试计数器    mac会赋予每个帧片段一个最长的生存时间   lifetime

第一个帧片段传送后    此计时器会启动    超时   此片段帧会丢弃  所欲不会重试剩余的片段帧

上层协议可能检测到数据丢失而予以重传    实际上重传的还是新的帧  所有重试计数器会清零

使用重试计数器

802.11通过重传机制提供可靠性  reliability    数据传送通过原子步骤    整个过程完成才算传送成功

该帧或帧片段   如果传送失败    相应的重试计数器便会累加    

根据不同长度额帧来调整网络的稳定性       两种不同的重传限制的主要是放宽长帧的重传限制  以减少所需的缓存空间

DCF的退避算法

idfs之后紧接的一段时间称为竞争窗口  contention window或者backoff window   可以进一步分割为时隙   slot      

slot因媒介而异      速度高的物理层时隙短

sta随机挑选某个时隙 等时隙到来 即可访问媒介 所有时隙的选择机会均等

取得第一个时隙  即最小时隙编号的sta可以优先传送    

传送失败时   竞争窗口（时隙的数量）随着重传次数的增加   呈现指数倍数的增长   值为指数倍数减一

ds物理层限制最多1023个时隙    当帧传送成功  竞争窗口被重设为最小者    重试计数器到达上限   则该帧被丢弃

 

     帧的分段与重组  

上层包必经过分段       分段封包可提高可靠性    提高有效吞吐量

封包大小超过分段阈值   就会进行帧的分段

每个帧片段有相同的帧序号    以及一个递增的帧片段编号 （重组使用）      帧控制信息用来指示是否还有其他帧片段 待收   

下图显示nav与sifs组合来控制媒介的访问     构成整个帧的所有帧片段会在所谓的片段突发期  fragmentation burst传送

    

帧片段与其确认之间以sifs区隔    因此sta一直有信道的掌控权    nav确保其他sta在此片段突发期不使用该信道

每个帧片段都会设定nav    继续掌握媒介的使用权    直到下个帧的确认结束   

当最后一个侦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

 

帧格式*******************************************************

mac   包括使用四个地址字段     不同类型的帧使用不同地址字段      字段的传送顺序由左至右    最高有效位最后出现

 1.frame control 帧控制字段     2个字节

protocol   协议版本   2bit

type 与subtype字段   帧类型   

type  =00       subtype          意义

此为管理帧 0000 关联请求

0001 关联响应

0010 重新关联请求

0011 重新关联响应

等等

 

type=01 控制帧

subtype 意义

1010 省电-轮询

1011 请求发送

1100 清除发送

1101 ack 确认

等等

type=10 数据帧

subtype  意义

0000 数据

0001 data+cf-ack

0010 data+cf-poll

0011 data+cf-ack+cf-poll

0100 null data   无数据：未传送数据

等等

type=11    当前尚未使用

 

 

to DS与from DS位

指示目的地是否为分布式系统     

to  DS=0 To DS=1

from DS=0 所有管理、控制帧 基础型网络里无线sta传送的数据帧

ibss里的数据帧  

（非基础结构型）

from DS=1 基础结构性网络里无线sta收到 无线桥接器上的数据帧

的数据帧

 

more fragments位

除最后一个片段   其他片段都会讲此位设定为1

retry位

重传帧位

power management 位

电源管理

more data位

服务省电模式中的sta     ap将从分布式系统接收来的帧加以缓存    ap设定此位  代表至少有一个帧待传给休眠中的 sta

protected frame位

安全协议保护   设定为1

order位

帧与帧片段依次传送    代价高    会设为1

2.duration/id字段

2个字节    功能较多

三种形式

duration 设定nav

15位为0     此字段用于nav    虚拟监听    即计时器

sta必须监视所收到的任何帧头病更新nav

无竞争周期所传送的帧

contention-free period   简称 CFP

14 位为0   15位为1

ps-poll帧   省电轮询

14和15位同时设置为1

sta关闭天线  省电        休眠中的sta定期醒来处理帧

 

3.Address字段   每个6字节

四个不同的地址段    经过编号    根据帧类型的不同    作用也不同  

address1代表接收端      address2代表发送端 address3被接收端过滤地址

地址本身48位    实际媒介第一位为0   则代表单一sta  单播

第一位为1 则代表一组实体sta  称为组播

所有位为1     属于广播   broadcast

目的地地址    

来源地址   第一位必然为0

接收端地址 代表处理该帧的设备   如果为sta则此地址为目的地地址    如果帧的目的地是与ap相连的 ethernet节点   接收端即为ap的无线接口    目的地地址可能是一台路由器

发送端地址 代表将帧传送至无线媒介的无线接口     通常只用于无线桥接

bssid基本服务集标识   即为ap无线接口所使用的mac地址        在基础型结构型中      infrastructure

使用多少地址字段取决于帧的类型    大部分数据帧 会用到3个字段  来源    目的地以及bssid   大部分用3个

帧的传送路径决定地址字段的编号与排列方式

4.顺序控制字段sequence control   2个字节

目的是重组帧片段以及丢弃重复帧 由4位片段编号字段以及12位的顺序编号字段组成   控制帧不使用顺序编号所以无此字段

上层帧被mac赋予一个顺序编号    作用为已传帧的计数器    从0算起

每处理一个封包就会加1     如果分段处理    则所有帧片段会具有相同的顺序编号     如果是重传帧   怎顺序编号不会有 任何改变

 

帧片段之间的差异在于片段编号   第一个片段为0  以后累加1

总结   fragment number  顺序编号    帧之间有用

sequence number 片段编号 帧片段之间的作用

注意   Qos （服务质量） 的   sta对此字段稍有不同   因为要维护多组传送的队列

帧主体

frame body   也叫数据字段 data field

负责在sta之间传递上层有效载荷payload

   最多2304  个字节

802.2llc 逻辑链路控制      标头8个字节    最多2296个字节的有效载荷

mtu 1500字节

802.11帧中没有任何上层协议的标记可以区别

 

帧校验序列FCS

    结尾   循环冗余校验   crc码

帧送到无线接口先计算fcs    然后再经过射频链路传送出去

802.11对上层协议的封装

RFC1042与802.1h 均衍生自802.2的子网访问协议 SNAP mac地址会被复制到封装帧的开头 然后插入snap标头

snap标头以目的地服务接入点 DSAP与源服务接入点 SSAP 同时包换控制字段 ui和高层数据链路协议字段oui

802.1h与rfc1042之间的唯一差异在于所使用的OUI      一个是0x00-00-00    另一个是0x00-00-f8

基于竞争的数据服务

数据交换过程必须被视为、单一的一个整体       单播数据必须得确认    DCF在帧交换方式在802.11mac中占有决定性的地位  从某个sta在DIFS之后取得闲置媒介的使用权时开始

广播域组播数据或管理帧

此类帧不需要响应    

   广播帧 address1

组播帧 address1

广播管理帧 address1（beacon    probe request以及ibss atim帧）

组播帧不分段   无需得到确认     整个原子交换过程只牵涉到一个帧   基于竞争的访问控制      等待DIFS之后再竞争窗口倒数随机产生的延迟时间  nav设置为0       不用虚拟载波侦听来防止其他sta的访问

 单播帧

sta所传送的帧成为直接数据     称为单播      一般只用于数据帧

基本的肯定确认   最后一个片段

帧分段

上层的网络协议或多或少都会用到帧分段   fragmentation    之后接收端重组   如果某片段遗失     整个封包必须重传

最后的帧与之前类似   nav设置完全相同    不过倒数第二个帧之前的所有帧会使用nav为下一个帧锁定媒介      

数据帧的nav的时间设定足以涵盖ACK1    下一个帧片段及其确认ACK2     3个SIFS  帧间隔

确认帧ack中nav设定  涵盖下一个数据帧   下一个数据帧的确认ack以及2个sifs 帧间隔

data frag3中的more fragments位设定为0     ack3中的nav设定为0    

帧分段有mac的分段阈值参数控制

RTS/CTS

与上面的帧分段无不同    只是rts帧中不携带数据

rts/cts可以用在所有的帧交换   非帧交换或者介于两者之间      由rts/cts中的阈值来控制   超过阈值  就用rts/cts来清空 媒介   否则较小的数据帧被直接传送

RTS/CTS    与帧的分段

两种通常是并行的        rts/cts过程所确保的媒介使用权     通常将两者的阈值设为一样

省电程序

多种速率支持

sta距离改变时   速度也会随之改变

1.每个sta有操作速率列表   记录sta与所连接bss均支持的所有速率       比较新的产品可以让用户根据虚拟接入点自定义 操作速率    虚拟ap   即虚拟ssid

2.每个BSS必须负责维护一组基本的速率   即打算加入此bss的sta必须支持的速率列表      任何传送到组播地址的帧必 须以基本速率传送   确保所有sta都可以正确解读   可以理解为最低的速率   向下兼容

3.用来开始帧交换的控制帧       必须以基本速率集中的一种速率来进行传送     确保cts响应rts的sta能够以相同速率操作

控制帧需要向下兼容  比较旧的sta

4.发送给特定sta的帧会在address1字段记载单播目的地址    可以用目的端支持的人一个速率传送   

5.ack或cts之类的确认帧必须以基本速率集所包含的速率传送    但不能快于这次传送的初始帧  响应帧必须使用与初始帧相同的调制方式    dsss    cck或者ofdm

迭速与降速

802.11未定义   有厂商自行决定     驱动程序控制   信号质量测量    重传计数器  

 

帧的处理与桥接

ap核心就是桥接器     负责在无线与有线媒介之间转换帧     

需要了解ap与ethernet之间的传送方式  相当重要

一    无线媒介到有线媒介   802.11到ethernet   操作过程如下

1.ap接收一个帧    检测该帧的完整性   针对所使用的物理层   查看物理层标头   验证802.11帧上的fcs 

2.验证fcs无误后   继续查看是否应该进一步处理该帧

a     帧中的mac地址    即bssid  作为802.11mac标头的address1字段  不匹配的ap的bssid的帧会丢弃

b 接着检测并移除重复的帧   常见的情况是确认帧在传送过程中遗失或损坏   为简化上层协议操作    由 802.11MAC负责提出重复的帧

3.ap认为该帧需要进一步处理   立即解密（链路层的安全算法保护）

4.解密之后   ap查看该帧是否是帧片段   是否需要重组     完整性保护针对完整帧   而非帧片段

5.2a的bssid校验无误   判断ap要桥接此帧    802.11mac标头会转换为ethernet帧头

a address3字段里的目的地地址会被复制到ethernet的目的地址

b address2里的来源地址会被复制到ethernet的来源地址

c data字段里的snap标头 将type字段中的类型代码复制到ethernet里的type里 如果ethernet帧也是用snap 则复制整个snap标头

d 顺序信息主要供帧片段重组用 当被桥接之后被丢弃

e qos quality of service 处理存在 则在此进行有线接口的qos的映射

6.重算FCS帧校验码 算法与ethernet相同 不过两种协议的帧头长度内容均不同

7.将产生的新帧 交付给ethernet接口传送

二 有线到无线的传送 ethernet到802.11

将帧从有线端桥接到无线媒介的

1.验证ethernet FCS后        ap查看目的地址是否属于当前与接入点关联的sta

2.SNAP标头附加在ethernet帧的数据之前    上层封包以snap标头进行封装    type从ethernet帧的类型代码复 制而来    如果ethernet帧也是用SNAP   则复制整个SNAP标头

3.对帧的传送进行调度    802.11包含复杂的省电操作    将帧置于传送队列   transmit queue之前      ap可能 会将帧缓存于缓冲区    

4.帧位于队列  待传    分配顺序编号   

可以用完整性的校验值保护 

分段   根据阈值进行分段    sequence control字段中的片段编号也会被赋值

5.则对帧主体加密

6.根据ethernet标头产生802.11标头

a.e的dmac复制到802的mac标头的address1字段

b.bssid存放在address2字段以作为无线媒介上帧的发送者

c.将帧的来源地址复制到mac标头的address3字段

d.预计传送时间---》duration字段    将适当的标记填入frame control字段

7.重新计算FCS  

8.产生的新帧交付给802.11接口传送