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无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.1引言5.2MAC层主要功能5.3MAC帧结构5.3.1MAC帧主体框架结构5.3.2MAC管理信息帧结构5.3.3MAC控制信息帧结构5.3.4MAC数据信息帧结构5.4分布式访问控制方式(DCF)及原理5.4.1载波监听机制5.4.2访问优先机制5.4.3差错控制机制5.5中心网络控制方式(PCF)及原理5.5.1超帧结构5.5.2PCF访问原理5.6登录与认证服务5.6.1加入网络5.6.2认证与保密服务5.6.3网同步服务无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.1引言按照无线局域网（WLAN）的协议体系结构层次划分，MAC子层是位于物理（PHY）层和逻辑链路控制（LLC）子层中间的一个层次，其主要目的是在LLC子层的支持下为共享物理媒体提供访问控制以及执行寻址方式和帧产生与帧识别。IEEE802.11标准中，以CSMA/CA协议作为无线局域网MAC协议的基础，主要用来支持异步业务，并称其为分布式访问控制（分布协调功能）方式（DCF）。为了使得系统也能够支持具有最大时延要求的一些同步或时限业务，标准中还要求了MAC协议支持用户可选择的中心网控（点协调功能）方式（PCF）。802.11标准采用带有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）媒体访问控制（MAC）协议。为了尽可能避免碰撞的发生，建议标准中采用了多种措施。例如对不同的帧传送服务划分不同的优先级别；在较长的数据帧传送前，通过较短的发送请求/清除发送（RTS/CTS）帧的传递获取后续一定时间的信道使用权；采用了数据帧确认（ACK）机制，确保不会使数据帧在传输中由于碰撞或其它干扰造成丢失等。802.11标准提供可选择的中心控制Polling方式支持同步或时限业务。无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.2MAC层主要功能●媒体访问控制●加入网络连接●数据验证和保密1．无线媒体访问控制在帧发送前，MAC须首先利用以下某方式获得网络连接：●具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）媒体访问控制（MAC）方式，IEEE802.11规范称为分布式访问控制方式（DCF）。●基于不同服务优先级别的集中式轮询（Polling）访问控制，IEEE802.11规范称为中心网络控制方式（PCF）。DCF和PCF都能在同一个BSS中提供并行的可选择的竞争和无竞争访问期。2．加入网络连接工作站的电源打开之后，它在验证和连接到合适的工作站或访问点之前，首先检测有无现成工作站和访问点（AP）可供加入。工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程。加入一个BSS或ESS之后，工作站从访问点（AP）接收服务组标识符（SSID：ServiceSetIdentifier）、时间同步函数（TSF：TimerSynchronizationFunction）、计时器的值和物理安装参数等。3．提供认证和保密服务IEEE802.11标准提供两种认证服务，用于增强802.11网络的安全性能：●开放系统认证（OpenSystemAuthentication），是一种默认的认证服务。仅仅宣布与其他站和AP的连接请求。●共享密匙认证（SharedKeyAuthentication），它包含更加严格的帧交换，以确定响应工作站是可信的。无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.3MAC帧结构IEEE802.11标准中把无线局域网的MAC帧分为三种类型：●管理信息帧●控制信息帧●数据信息帧MAC管理信息帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。当工作站和AP之间建立连接和认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能（请求或确认等）。数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如MSDU媒体服务数据单元），转交给逻辑链路控制（LLC）子层。无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.3MAC帧结构5.3.1MAC帧主体框架结构IEEE802.11定义了MAC帧格式的主体框架结构，无线局域网中发送的各种类型的MAC帧都采用这种帧结构。站一旦形成正确的帧之后，MAC层将帧传给物理层汇聚处理子层（PLCP）。FrameDurationAddrAddrAddrSequenceAddrFrameFCSControl∕ID123Control4Body字节：22666260-23124MAC帧由最长30字节的帧适配头、长度可变（0～2312字节）的帧体信息和4字节的帧校验序列（FCS）组成。图5.1IEEE802.11MAC帧一般框架结构无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.3.1MAC帧主体框架结构FrameDurationAddrAddrAddrSequenceAddrFrameFCSControl∕ID123Control4Body字节：22666260-23124一.MAC帧的主要字段Duration/ID（持续时间/标志）：在这个域内包含发送站请求发送持续时间的数值，值的大小取决于帧的类型。通常每个帧一般都包含表示下一个帧发送的持续时间信息。网络中的各个站都通过监视帧中这一字段，来推测前边的发送站尚需占用的时间，推迟自己的发送。FrameControl（帧控制）：这个字段载有在个工作站之间发送的控制信息。它又可划分为若干子字段，子字段结构说明如下页：Addr1，2，3，4（地址1，2，3，4）：包含不同类型的地址，地址的类型取决于发送帧的类型。这些地址类型可以包含基本服务组标识（BSS-ID）、源地址、目标地址、发送站（AP）地址和接收站（AP）地址。各段地址长度均为48位，且有单独地址、组播地址和广播地址之分。SequenceControl（序列控制）：该字段最左边的4位由分段号子字段组成，这个子字段标明一个特定的媒体服务数据单元（MSDU）的分段号。第一个分段号为0，后面的发送分段的分段号依次加1。该字段的后面12个位是序列号子字段，从0开始，对于每一个发送的MSDU子序列依次加1。一个特定的MSDU的每一个分段都有相同的序列号。站在数据接收时，可通过监视序列号和分段号来判断是否为重复帧。FrameBody（帧体）：这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧的类型。如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个LLC数据单元。MAC管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数。如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为0。接收站可以从物理层适配头（详见第七章）的一个字段判断帧的长度。FCS（帧校验序列）：发送工作站的MAC层利用循环冗余码校验法CRC对帧前边诸字段内容运算，计算一个32位的FCS，并将结果存入这个字段。MAC层利用下面的覆盖MAC头所有字段和帧体的生成多项式来计算FCS：G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1结果的高阶系数放在字段中，形成最左边的位。接收端也利用相同的CRC校验，检查接收帧中是否有数据传输发生的差错。无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日5.3.1MAC帧主体框架结构二.MAC帧的帧控制字段MAC帧中的帧控制字段（2字节）划分为11个子字段，主要用来定义一个MAC帧的类型，是管理信息帧、控制还是数据信息帧。ProtocolVersionTypeSub-typeToDSFromDSMoreFragRetryPwr.Mgmt.MoreDataWEPOrder2bit2bit4bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit1bit图5.2MAC帧中的帧控制（FrameControl）字段的子字段结构划分ProtocolVersion（协议版本）：用两比特（bit1，bit0）表示MAC协议版本。对于当前标准，协议版本为0。因此，除非未来的新协议版本与过去的协议版本不兼容，协议版本字段将一直保持为0。Type（帧类型）：用两比特（bit3，bit2）表示帧的类型。这个字段表明当前的帧是管理帧、控制帧还是数据帧。表示方法如表5.1所示。bit3，bit20，00，11，01，1帧类型管理帧控制帧数据帧保留表5.1MAC帧的类型Subtype(帧子类型)：用四比特（bit7，bit6，bit5，bit4）表示帧的类型的进一步从功能上的划分。这个字段说明帧的具体功能，如表5.2所示。ToDS（到分布式系统）：只有一个位，发往分布式系统的帧，该字段置1，其它的帧则置0。例如某帧若是发往另一个AP的无线电小区里的时候，要对该字段设置为1。FromDS（来自分布式系统）：也是只有一位，发自分布式系统的帧的该字段置1，其他的帧置0。当某帧从一个AP发送到另一个AP时，ToDS和FromDS字段都要置1。MoreFrag（更多分段）：只有一位的字段，如果同一个MSDU还有其他分段存放在后继的帧中，该字段置1。Retry（重发）：只有一个位。对于重发帧，该字段置1；其它帧置0。PowerManagement（电源管理）：该字段指明发送工作站在完成目前的帧交换序列之后的电源管理模式。如果工作站进入睡眠模式，MAC层将该字段置1；置0则表示工作站处于激活模式。MoreData（更多数据）：如果某工作站还有MSDU要发往处于节能模式的工作站，那么发送工作站将该字段置1；其他种类的发送则置0。WEP（加密）：本字段置1表示向接收工作站声明，帧体（FrameBody）已经被WEP算法加工过了（数据已经用密钥加密）；其他情况本字段置0。Order（排序）：所有采用严格顺序服务级别的数据帧，该字段置1。表明这些须按顺序处理。无线局域网技术与协议无线局域网技术与协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议第五章IEEE802.11媒体访问控制(MAC)协议内容简介第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章2020年2月25日帧类型子字段（Bit7,6,5,4）帧功能管理类型帧（bit3，bit2）＝000000连接请求0001连接响应0010连接请求0011连接响应0100探询请求0101探询响应0110-0111保留1000信标1001业务声明指示信息（TAIM）1010分离1011认证1100不认证1101-1111保留控制类型帧（bit3，bit2）＝010001-1001保留1010节能（PS）轮询1011发送请求（RTS）1100清除发送（CTS）1101响应（ACK）111