80211无线网络权威指南(三)之MAC

一、MAC

802.11规范的关键在于MAC（媒介访问控制层），位于物理层之上，控制数据的传输，负责核心成帧操作以及与有线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。

二、监听和传输机制

802.11和以太网在控制对传输媒介的控制时采用不同的机制，按照二者的产生顺序来说，802.11之所以没有沿袭以太网的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）机制，是因为存在检测冲突导致处于无线网络的sta必须要具备同时发送和接收信息的能力，但是这在无线系统中是做不到的，所以802.11后来采用的是CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）这个新的协议机制，二者的作用原理差不多，都是在发送数据之前会检测当前信道的状态再等个随机时间发送，二者主要区别是：

CSMA/CD：带有冲突检测的载波监听多路访问，可以检测冲突，但无法“避免”；CSMA/CA：带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。
.检测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

802.11采用肯定确认机制（positive acknowledge），所有传送出去的帧必须要得到回应，若在传输过程中的任何一个环节失败，都会视为这个帧丢失，这个过程和数据库对于事务定义的原子性一样，要么全成功，要么全失败，对于传输过程来说就是整个过程的每一个环节成功才算成功，一个环节有问题都算失败，流程图如下：

隐藏节点

如上图所示，节点2可以和节点1、节点3直接通信，但是可能由于某种原因（比如距离过远）节点1不能直接与节点3直接通信，因此从节点1的角度来讲，节点3属于隐藏节点，相对隐藏的两个节点在同时传送数据的时候，一旦发生冲突那么两个节点都将无从得知冲突的发生，根据上图来讲就是，一旦1、3节点发生了冲突，那么1、3节点都不知道发生了冲突，只有节点2能知道。因此由隐藏节点而产生的冲突问题难以检测，因为无线收发器通常都是半双工模式，即不支持同时收发功能，为了防止冲突的情况，802.11允许sta使用RTS（request to send请求发送）和CTS（clear to send清除发送）信号来清空传送区域。

载波监听功能

载波监听功能是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：物理载波监听和虚拟载波监听，一旦载波监听功能显示媒介处于忙碌状态，就会将此状况汇报给上层的协议。

物理载波监听：该功能是由物理层所提供，取决于所使用的媒介与调制方式。要为基于射频的媒介打造物理载波监听硬件相当不易（更确切的说法是十分昂贵)，原因是除非采用昂贵的电子零件，否则收发器无法同时进行收发的动作。此外,由于隐藏节点随处可见，物理载波监听并无法提供所有必要的信息。

虚拟载波监听：由网络分配矢量（NAV，network allocation vector）提供。802.11帧包含duration字段，表示将占用媒介的时间，NAV本身相当于一个计时器，sta会用NAV代表着占用媒介的时间，而其他的sta会以NAV来倒数，只要NAV不为0，就表示当前的媒介处于忙碌状态，当NAV为0时，虚拟载波监听功能会显示媒介处于闲置状态。

帧间间隔

802.11会用到四种帧间间隔（interframe space），每种间隔的时长都不同，分别是

短帧间间隔（short interframe space，简称SIFS）：用于高优先级的传输场合，例如RTS/CTS以及肯定确认帧。经过一段SIFS时间之后，开始传输，媒介处于忙碌状态，所以在SIFS之后开始传输的帧一般优先级比较高

PCF帧间间隔(PCF interframe space，简称PIFS)：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（priorityinterframe space)。在无竞争时期，有数据待传的工作站可以等待PIFS后再加以传送，其优先级高于任何竞争式传输。

DCF帧间间隔（DCF interframe space）：DIFS是竞争式服务中最短的媒介闲置时间。如果媒介闲置时间长于DIFS，则sta可以立即对媒介进行访问。

扩展帧间间隔(Extended interframe space，简称EIFS)：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。

各间隔之间的大小关系如下图：

在开始传送之前，原子操作必须要等候一段时间帧间间隔，一般是DIFS，在其后面的步骤开始使用SIFS。由于SIFS时间短于其他间隔，被应用在不同原子操作之间，如图3-5所示，SIFS被应用在不同单位的原子操作之间。当传送端取得媒介访问权时，接收端会在SIFS之后响应CTS。任何试图在RTS结束之后访问媒介的工作站至少必须等候一段DIFS。若在DIFS进行时SIFS已先行结束，则会开始传送CTS。

在发送数据之前，sta必须先查看媒介是否处于闲置状态，若处于忙碌状态，则需要使用指数退避算法，来避免发生冲突。大部分传输操作会使用DCF（分布式协调功能），它提供了类似Ethernet的基于竞争的服务，在所有使用DCF传输中将会运用到两项基本规则：

如果媒介限制时长大于DIFS则立即进行传输，载波监听可以同时物理与虚拟两种方式
如果媒介处于忙碌状态则需要等到媒介再次闲置，802.11称之为访问延迟，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

退避算法

当帧传送完且经过一段DIFS后，sta便会尝试传送刚刚要传送的数据，DIFS之后紧接的一段时间称为竞争窗口或退避窗口，此窗口会进一步分割成时隙，时隙的长度因媒介而异，速度较高的物理层会使用较短的时隙，当多个sta同时发送数据时，拿到第一个时隙的sta可以优先发送数据。

帧的分段与重组：来自较上层的封包以及某些较大型的管理帧可能必须经过分段,无线信道才有办法加以传送。当干扰存在时，分段封包也有助于提升可靠性。利用帧的分段，无线局域网工作站可让干扰只影响较小的帧片段，而非较大的帧。通过降低可能被干扰的数据量，帧分段可以提高整体的有效吞吐量。干扰可能来自不同的来源。虽然并非全部，但还是有些微波炉会对2.4 GHz网络造成干扰，至于户外的网络，可能造成千扰的因素就更多了。

七、802.11对上层协议的封装

802.11同样支持不同网络协议的数据传输，但是和以太网不同的是802.11是以802.2的逻辑链路控制（logical-link control，LLC）封装来携带上层协议，下图显示了如何以802.2LLC封装来携带IP封包

传送时，用来封装LLC数据的方式有两种，一种是RFC 1042所描述的方式，另一种是802.1H所规范的方式，RFC 1042与802.1H均衍生自802.2的子网访问协议（sub-network access protocol，简称SNAP)。MAC地址会被复制到封装帧(encapsulation frame)的开头,然后插入SNAP标头。SNAP标头以目的地服务接入点(destination 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包含了一个控制（Control)字段。和高层数据链路协议(high-level data link control,简称HDLC）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，是映射到IP datagram所谓的尽力传递的范畴。SNAP最后置入的字段是组织唯一标识符。

八、广播与组播数据或管理帧

广播与组播帧的交换过程最为简单，因为这些帧无需响应。这两种帧也可以视为组帧( group frame) ,因为其接收对象不限于单一工作站。成帧(framing)与寻址(addressing )在802.11中较为复杂，适用此规则的帧的类型如下所示:

组播帧无法分段，也无需得到确认。整个原子交换过程只牵涉到一个帧，根据基于竞争的访问控制(contention-based access control)规则加以传送。传送结束后，所有工作站必须等待一段DIFS，然后在竞争窗口(contention window〉倒数随机产生的延迟时间。

因为帧的交换过程只牵涉到个帧，所以将NAV(网络分配矢量)设定为0。既然此后已无其他帧，也就不必使用虚拟载波监听来锁定媒介以防止其他工作站的访问。传送该帧之后，所有工作站均会等候一段DIFS，然后通过竞争窗口(contention window）开始为任何被延迟的帧进行倒数。整个交换过程如下图：

如果组播帧没有得到确认的话会影响整个服务质量，所以会导致一些sta在可能会遗漏广播或组播数据，但是MAC并未内置一些功能来在遗漏情况下重传这些帧。

单播帧

在802.11标准中，针对个别sta所传送的帧称为直接数据，我们可以称之为单播，单播帧必须得到确认以确保其可靠性，也意味着可借助各种机制来改善传达效率。两个sta之间的可靠性通信建立在简单的肯定确认之上，没被确认的帧会被认定为该帧遗失。

十、分段机制

在较上层的网络协议中常常会用到分段传输，进行分段的缺点就是在接收的时候必须再对这些帧进行重组，而分段传输的优点就是可以提升传输速度，即以较小的MTU在hop跳跃点间传送数据，另外在遇到强大无线电波干扰的时候，分段传输也是一种更加稳定的方式，可以保护大多数的帧不会被损坏。传输机制如下图：

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为下一个帧锁定媒介。第--个数据帧会将NAV的时间设定至足以涵盖ACK1、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。最后一个确认(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的时间。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。帧片段的数量并无限制，不过帧的总长度必须短于PHY对交换过程所做的限制。

帧分段是由MAC的分段阈值（fragmentation threshold)参数控制。大部分的网卡驱动程序都允许用户设定此参数。任何超过分段阈值的帧都会被分段，分段方式因具体实现而异。调高分段阈值意味着帧的传送负担较小，不过帧遗失与损坏的成本较高，因为将会有较多的数据必须丢弃与重传。调低分段阈值意味着传送负担较重，不过在面临较恶劣的环境时，这种做法可以提供较好的稳定性。

十一、省电程序（powersaving sequence）

在RF（RadioFrequency射频）系统中，最费电的要数放大器了，它负责将信号放大至可处理的程度，在夜间情况我们的手机可以关闭无线电波收发器进入睡眠状态，这样可以保证手机在夜间不会被其他无线电波“叫醒”，从而避免了手机在夜间高耗电的情况。在休眠期间，AP会为每一个进入睡眠的sta缓存单播帧，如果有缓存帧的话，AP会由后续的beacon帧通知sta，从休眠状态苏醒的sta可以通过PS-Poll帧取得到这些缓存帧，AP可以对PS-Poll帧迅速作出反应，经过一段SIFS，AP即可传输帧。

除了以上的立即响应，AP也可以先回复一个简单响应。这种做法称为延迟响应(deferredresponse)，因为AP虽然响应了访问缓存帧的请求，但并未立即采取实际的发送行动。使用延迟响应的优点在于AP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，至于数据则可以先予以缓存，然后依正常流程传送。

通过PS-Poll请求帧的sta必须保持清醒，直到该帧传送完成。不过，在基于竞争的

服务期间，AP可以在任何时间点传送帧。此时sta不能返回省电模式，除非接收到一个Beacon帧，其中对应至该sta的TIM ( traffic indication map，传输指示映射)位已被清除。

收到数据帧之后，sta还必须停留在清醒状态，直到下一个Beacon帧被传送出来。Beacon帧只是用来提醒是否有为某个sta缓存的帧,没有办法告知实际的帧数量。一旦sta收到的Beacon帧中显示已无缓存帧，便可断定已经完成缓存帧的接收，然后返回省电模式。

帧的处理与桥接

无线AP的核心就是桥接器，也就是数字信号和模拟信号的转换，当数据从无线的形式进入到有线的设备中，AP就扮演了802.11和以太网之间的桥梁，两者间相互转换的过程如下：

①无线至有线（802.11 ~ Ethernet）：

1.当接入点接收到一个帧时，首先会检测该帧基本的完整性。接下来，接入点会针对

所使用的物理层，查看本章之前讨论过的物理层标头，然后验证802.11帧上的帧校验码（FCS)。

2.验证帧接收无误后，接入点就会继续查看是否应该进一步处理该帧。

a.传送至接入点的帧会将接入点的MAC地址（即 BSSID)作为802.11 MAC标

头的Address 1字段。不匹配该接入点的BSSID的帧应予以丢弃（有些产品并未实现此步骤)。

b. 802.11 MAC接着检测且移除重复的帧。产生重复帧的原因很多，不过最常见

的情况是802.11确认在传送过程中遗失或损坏。为了简化上层协议的操作因此由802.11 MAC负责剔除重复的帧。

3.―一旦接入点判断出需要进一-步处理该帧,就必须予以解密,因为该帧受到链路层安

全算法的保护。解密的细节详见后续与安全性有关的章节。

4.成功解密之后,接入点即查看该帧是否为帧片段，是否需要进一步重组。完整性保

护(integrity protection)针对的是重组后的完整帧，而不是个别的帧片段。

5.如果经过步骤2a的BSSID校验﹐判断接入点必须桥接该帧,较复杂的802.11 MAC

标头就会被转换为较简单的Ethernet MAC标头。

a.记录在802.11 MAC标头的Address 3字段里的目的地地址会被复制到Ethernet

的目的地地址。

b. 记录在802.11 MAC标头的Address 2字段里的来源地址会被复制到Ethernet

的来源地址。

c．在802.11 Data字段里的SNAP标头将（Type字段里的）类型代码复制到

Ethernet帧里的Type字段中。如果该Ethernet帧也使用SNAP，就复制整个SNAP标头。

d.顺序信息主要供帧片段重组之用，不过当帧被桥接之后即予以丢弃。

e．如果有标准的服务质量（quality of service）处理过程，即在此进行无线接口

与有线接口的QoS映射。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优先级位或者其他的控制形式。

6.重新计算FCS（帧校验码)。Ethernet 与802.11使用相同的算法来计算FCS，不过

802.11帧多出一些字段,同时受FCS保护。

7.将产生的新帧交付给Ethernet 接口传送。

②有线至无线（Ethernet ~ 802.11）：

将帧从接入点有线端桥接至无线媒介的过程刚好相反:

1．验证 Ethernet FCS后，接入点首先会查看是否需要进一步处理所接收到的帧，即

查看该帧的目的地址是否属于当前与接人点关联的工作站。

2．将SNAP标头附加于Ethernet帧的数据之前。上层封包以SNAP标头进行封装，而

其Type字段从Ethernet帧里的类型代码复制而来。如果该Ethernet帧也使用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，接入点可能会将帧缓存于缓冲区。省电操作将于第八章详述。4.一旦帧被置于队列待传，就会被赋予一个顺序编号。如有必要，所产生的数据可以

用完整性校验值加以保护。如果帧需要分段,则会根据事先设定好的分段阈值进行分段。分段帧时，Sequence Control字段中的片段编号也会被赋值。

5.如果帧需要保护，则对帧（或每个帧片段)的主体加密。

6.802.11 MAC标头根据Ethernet MAC标头产生。

a.将Ethernet的目的地地址复制到802.11 MAC标头的Address 1字段。b.将BSSID置于Address 2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Address 3字段中。

d.将其他字段填入802.11 MAC标头。也就是把预计传送时间填入Duration字段，

并把适当的标记填入Frame Control字段。

7.重新计算FCS（帧校验码)。Ethernet与802.11使用相同的算法来计算FCS，不过

802.11帧多出一些字段，同时受FCS保护。

8.将产生的新帧交付给802.11接口传送。

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