MAC层协议协议.docx

1. MAC层协议，数据包通信过程，加密认证过程，代码理解（80211，wpa_supplicant）

物理层：
参考：
802.11a：最高54Mbit/s，播在5GHz，在52个OFDM副载波中，
802.11b：其载波的频率为2.4GHz，可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重传送速度。11个频段，每个频段为22M, DSSS
802.11g: 共14个频段，原始传送速度为54Mbit/s, OFDM调制方式
802.11i: 填补802.11脆弱的安全加密功能(WEP), 其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP（CTR with CBC-MAC Protocol）
802.11n: 2.4 GHz or 5 GHz bands；速率：300 Mbit/s (20MHz*4 MIMO) 或者 600Mbit/s (40MHz*4 MIMO)；
802.11ac：更宽的RF带宽（提高至 160 MHz），更多的MIMO空间流（spatial streams）（增长到 8），多用户的 MIMO，以及高密度的解调变（modulation，最高可达成256 QAM）。
Wifi的整个信道列表：

下图是2.4

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，事实上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。其重要思想是：将信道提成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
64-QAM：
256-QAM：
FHSS(frequency-hopping spread-spectrum):调频展频
DSSS(direct-sequence spread-spectrum):直接序列展频
OFDM():正交频分复用

MAC层协议
MAC层的功能：扫描，接入，认证，加密，漫游，同步。
MAC层面临的问题：
隐藏节点的问题

如图3-2 所示，节点2 可以之间跟节点1 和节点3 通信，但是某些因素导致节点1 与节点3 无法直接通信。（这与障碍物的关系并不大：节点1 与3 之间也许只是由于距离远，无法收到对方的无线电波。）从节点1 的角度来看，节点3 属于隐藏节点。假如使用简朴的
transmit-and-pray 协议，节点1 与节点3 有也许在同一时间传送数据，这会导致节点2 无法辨识任何信息。此外，节点1 与节点3 将无从得知错误发生，由于只有节点2 才知道有冲突发生。在无线网络中，由隐藏节点所导致的碰撞问题相称难以监听，由于无线收发器通常是半双工工作模式，即无法同时收发数据。
为了防止碰撞发生，802.11 允许工作站使用请求发送（RTS）和允许发送（CTS）帧来清空传送区域。由于RTS 与CTS 帧会延长数据交易过程，因此RTS帧、CTS 帧、数据帧以及最后的应答帧均被视为相同基本连接的一部分。图3-3 说明了整个过程。

如图3-3 所示，节点1 有个数据帧待传送，因此送出一个RTS 帧启动整个过程。RTS 帧自身带有两个目的：预约无线链路的使用权，并规定接受到这一消息的其他的工作站停止发言。一旦收到RTS 帧，接受端会以CTS 帧应答。和RTS 帧同样，CTS 帧也会令附近的工作站保持沉默。等到RTS/CTS 完毕互换过程，节点1 即可传送上面要传送的帧，无须紧张来自其他隐藏节点的干扰。
整个RTS/CTS 传输过程会用到好几个帧，实际开始传输数据之前的延迟也会消耗相称的频
宽。因此，它通常只用在高用量的环境，以及传输竞争比较显著的场合。对低用量的环境而言，通常无此必要。
MAC访问控制与时钟
无线介质的访问，是由协调功能所管控。以太网之类的CSMA/CA 访问，是由分布式协调
功能（distributed coordination function，简称DCF）所管控。假如需要用到免竞争服务，则可通过架构于DCF 之上的点协调功能（point coordination function，简称PCF）来管控。在各取所需的DCF 与精确管控的PCF 之间，也可以选择使用介于两种极端之间,采用中庸之道的混和式协调功能（hybrid coordination function，简称HCF）。免竞争服务只提供于基础网络（infrastructure network），但是只要工作站支持HCF，就可以在网络中提供服务质量（quality of service ，简称QoS）。协调功能的细节，请见图3－4 以及下列说明：

DCF(分散式协调功能)
DCF 是标准CSMA/CA 访问机制的基础。和以太网同样，在传送数据之前，它会先检查无线链路是否处在空闲状态。为了避免冲突发生，当某个传送者占据频道时，工作站会随机为每个帧选定一段延后时间。在某些情况之下，DCF 可运用CTS/RTS 空闲技术，进一步减少碰撞发生的也许性。
PCF(点协调功能)
点协调功能提供的是免竞争服务。称为点协调者的特殊工作站可以保证不必通过竞争即可使用介质。点协调者位于基站，因此只有基础型网络才会使用PCF。为了赋予比标准竞争式还高的优先性，PCF 允许工作站通过一段较短的时间即可传送帧。PCF 在事实上并不常见，第9 章对此有具体说明。
HCF(混和式协调功能)
有些应用需要尽力传达更高一级的服务质量，却又不需要用到PCF 那么严格的管控。HCF允许工作站维护多组服务队列，针对需要更高服务品质的应用，则提拔更多的介质访问机会。HCF 尚未完全标准化，但是最终将成为802.11 标准的一部分将服务质量纳入802.11 MAC 中是项艰巨的任务。由于涉及到帧封装、队列管理以及信号产生种种复杂层面，撰写本书时,标准委员会还在为服务质量规格书争论不休，因此相关议题将留待未来改版时再予以讨论。
载波监听功能与网络分派矢量
运用NAV 可保证工作站的基本操作不被中断。例如，图3-3 所示的RTS/CTS 程序即属一种基本操作。图3-5 说明了NAV 如何保障整个程序不受干扰。（这是本书图解所使用的标准格式，用以说明多部工作站之间的互动，每部工作站各自有相应的计时器。）工作站对介质的访问操作可用加上阴影的条状图来表达，每个条状图均会标上帧类型。没有任何操作之处会标上帧间隔。此图底部，NAV 线上的条状图代表NAV 计时器。NAV 是由RTS 与CTS 帧之标头来载送的；此处之所以特别画出一条NAV 线，是为了显示NAV 与空中实际传输状况的关系。只要在NAV 线上出现NAV 条状图，工作站就必须暂缓访问介质，由于虚拟载波监听机制将会指出，介质正处在忙碌状态。为了保证整个过程不受中断，节点1 会在RTS 帧中设定NAV，防止传送RTS 时其他工作站将对介质进行访问。所有收到RTS 帧的工作站均会暂缓访问介质，直到NAV 消失。

各种帧间隔：

SIFS:(short interframe space),短帧间隔，用于高优先级的任务中，如RTS, CTS, ACK等

PIFS:（PCF interframe space）,点帧间隔，重要被PCF用于免竞争的过程
DIFS:(DCF interframe space), 分布式帧间隔，是竞争式服务中最短的介质闲置时间。假如介质闲置时间长于DIFS，工作站可以立即对介质进行访问。
运用DCF进行竞争式访问

MAC层数据的封装

竞争式数据业务

帧的解决与桥接

帧格式

状态1只有第一类帧存在，状态2有第一类和第二类帧；状态3有1，2,3类帧都存在。
通用帧格式如下：

Protocol:关注的很少，重要用于协议的版本号和兼容性考虑，一般都是0
Type分为管理帧，控制帧，数据帧
Subtype:细分上面三种帧，具体见下图
To DS: 1表达是从STA发送到AP的数据包，其它帧都是0
From DS: 1：位于AP侧的数据包中，例如：AP发起的DHCP分派包
More Frag: 1表达当前的MSDU还没有发送完毕
Retry: 1表达是一个重传的数据帧或者管理帧
Pwr Mgt: 1表达该帧表达STA处在power save模式。
More Data:1表达从AP有至少一个MSDU在AP侧的buffer中，而STA处在power-save模式
WEP:
Order:1表达数据帧（包含一个msdu或者一个fragment必须要按顺序来传输
Duration ID:通常指包传输的时间
BSSID:表达infrastructure结构中AP的地址
Destination Address(DA)：msdu最终传输到的地址
Source Address(SA):MSDU数据源的地址
Receiver Address(RA):
Transmitter Address(TA):RA, TA这两类地址的作用重要用于WDS(wireless distribution system)

Address 1 代表帧接受端的地址。在某些情况下，接受端即为目的地，但不然如此。目的地
是指负责解决帧中网络层封包的工作站；而接受端则是负责将无线电解码为802.11 帧的工作站。Address 2 是发送端的地址，用来发送应答信息。发送端就是源地址。源地址是指产生帧中网络层协议封包的工作站；而发送端则是负责将帧发送至无线链路。Address 3 位则是供基站与传输系统过滤之用，但是该位的用法，取决于所使用的网络类型。

下面是beacon帧的格式：

右边的是射频信息，是在mac头之前。
下面是所有帧格式的结构图：

下面以状态为顺序讨论各种帧的作用：
控制帧
CTS, RTS, ACK, PS-POLL, 与数据帧搭配负责：区域的清空，信道的获取以及载波监听的维护，并对收到的数据帧进行应答等。管理帧重要负责监督作用：扫描，鉴权，发起连接，断开连接等功能。
控制帧的通用格式如下：

CTS/RTS帧：
802.11允许工作站使用Request to Send(RTS)及Clear to Send(CTS)信号来清空传送区域以防止隐藏节点导致的冲突问题。
用来取得介质的使用权，以便传输数据，用于两个station间的协商，有两个目的：预约无线链路的使用权与规定接受到这一帧的其它工作站保持沉默。和RTS帧同样，CTS帧也会令附近的工作站保持沉默。

ACK
Beacon:
AP发起的，用来宣布802.11 网络的存在。时间间隔是100ms，每隔一段时间就会发出的Beacon（信标）信号，用来宣布802.11 网络的存在。Beacon帧中除了包含BSS 参数的信息，也包含基站暂存帧的信息，因此移动工作站必须仔细聆听Beacons 信号。Beacon interval（信标间隔）位的长度有16 个bit，用来设定Beacon 信号之间相隔多少时间单位。
Capability Information 性能信息位，发送Beacon 信号的时候，它被用来告知各方，该网络具有哪种性能。Capability information 位也可以使用在Probe Request 与Probe Response 帧。

PS-POLL:
从休眠唤醒的STA必须向连接的AP发送一个ps-poll帧，以保证数据不会丢失

其中的AID：连接辨认码（ASSOCIATION ID）表达所从属的BSS。

管理帧

数据帧

载波监听功能
802.11具有两种载波监听功能：物理载波监听与虚拟载波监听。物理载波监听功能由物理层提供，由于造价昂贵且对隐藏节点并无法提供必要的信息，因此大多数采用虚拟载波监听的方法。
虚拟载波监听是由网络分派量（NAV）所提供。802.11的帧通常会包含一个Duration字段，用来预定一段媒体使用时间。NAV自身其实就是一个定期器，用来指定预计要占用媒介多少时间。工作站会将NAV设定为预计使用媒介的时间，这涉及完毕整个操作必须用到的所有帧。其他工作站会将NAV的值倒数至零。只要NAV的值不为零，就代表媒介处在忙碌状态。当NAV为零，虚拟载波监听功能会显示媒介处在空闲状态。NAV是由RTS与CTS帧上的表头来载送的。

帧间间隔
不同的帧间间隔会为不同类型的传输产生不同的优先顺序，当媒体闲置下来时，高优先级的数据所等待的时间较短。因此，如有任何高优先级的数据待传，在优先级较低的帧试图访问媒介之前，优先级较高的数据早就将媒介占为己用了。
短帧间间隔（SIFS），SIFS用于高优先级的传输场合，例如RTS/CTS以及肯定确认帧。通过一段SIFS，即可进行高优先级的传输，媒体即处在忙碌状态。
PCF帧间间隔（PIFS），PIFS重要被PCF使用在无竞争操作中，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（DIFS），DIFS是竞争式服务中最短的媒介闲置时间。假如媒介闲置时间长于DIFS，则工作站可以立即对媒体进行访问。
扩展帧间间隔（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。

MAC层的功能：
1. 接入

P2P

Wps

Wifi display

802.11ac

加密与鉴权
加密方式：
AES:ccmp,
RC4:wep,

术语
BSSID
BSS:一种特殊的Ad-hoc LAN的应用，称为Basic Service Set (BSS)，一群计算机设定相同的BSS名称，即可自成一个group，而此BSS名称，即所谓BSSID。
IBSS: independent BSS: 也即AD-HOC网络
ESS:多个BSS串联成的
SSID
SSID（Service Set Identifier）也可以写为ESSID，用来区分不同的网络，最多可以有32个字符，无线网卡设立了不同的SSID就可以进入不同网络，SSID通常由AP广播出来，通过XP自带的扫描功能可以相看当前区域内的SSID。出于安全考虑可以不广播SSID，此时用户就要手工设立SSID才干进入相应的网络。简朴说，SSID就是一个局域网的名称，只有设立为名称相同SSID的值的电脑才干互相通信。
HT capabilities：
BA: BLOCK acknowledgement， 一种控制帧
疑问点：
1. 漫游实现
2. MAC地址格式

参考：
1. 《802.11培训.ppt》