802.11-MAC--PHY

无线基础知识主要内容􀀹WLAN基础􀀹IEEE802.11MAC帧􀀹IEEE802.11MAC层功能􀀹IEEE802.11物理层功能WLAN基础􀀹WLAN存在的必要性􀀹Wi-Fi与IEEE802.11􀀹802.11网络组件􀀹802.11网络类型􀀹BSS与ESSWLAN存在的必要性•与传统的有线网络相比，WLAN具备以下优点：1.组网简单可快速部署；2.易扩展且维护成本低；3.很大的灵活性和移动性；•WLAN又存在一些不足：1.无线网络的速率较慢；2.无线网络的稳定不够好；3.无线网络的安全性不足；•省去了铺设电缆的时间和成本，WLAN提供了经济、高效、特别适应移动、便捷性要求的网络接入。但是，在对网络质量要求较高的地方，有线网络较为合理。•所以，无线网络对有线网络来说是绝佳的互补，而非取而代之的技术。Wi-Fi与IEEE802.11•说到WLAN，就不得不提到一个著名的组织—WIFI联盟。•WIFI联盟的产生是为了保证不同厂商的产品能够具备良好的兼容性，1999年，3com、Aironet、Lucent、Intersil、Nokia等众多公司成立了一个工业联盟—无线以太网兼容性联盟，后来更名为Wi-Fi（WirelessFidelity）联盟。•Wi-Fi联盟建立了一套用于验证802.11b产品的兼容性测试程序，称为Wi-Fi认证，通过认证的产品可以使用Wi-Fi认证标识。后来，Wi-Fi认证的范围逐步扩展到802.11a、802.11g和802.11n。•IEEE（美国电气和电子工程师协会）是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，自成立以来，IEEE一直致力于推动电气、电子、计算机、网络、通信与电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步，制定了多个行业标准，在太空、计算机、电信、电力及消费电子产品等领域中都是主要的权威。•WLAN标准由IEEE制定，IEEE制定标准时是以项目进行的，负责开发局域网标准的是802项目，WLAN是由第11个工作组负责，因此称为802.11。802.11网络组件•WLAN网络总体上由有线和无线两部分组成：无线作接入，使用802.11协议；有线接骨干网络作上行，一般使用以太网协议；AP完成802.11和802.3两种协议间的转换。•802.11WLAN网络由四个组件组成：•Station（STA，工作站）--支持802.11的终端设备。如安装了无线网卡的PC，支持WLAN的手机等；•AccessPoint（AP，接入点）--为STA提供基于802.11的接入服务，同时将802.11mac帧格式转换为以太网帧，相当于有线和无线的桥接器。•WirelessMedium（无线媒介）--802.11标准定义了2类物理层：射频物理层（2.4GHz和5GHz）和红外物理层。•DistributionSystem（DS，分布式系统）--将各个AP连接起来的骨干网络。802.11网络类型•802.11有两种网络类型：基础结构型网络和独立型网络。•基础结构型网络和独立型网络主要区别在于：•基础结构型网络：需要AP提供接入服务，AP负责基础结构型网络的所有通信。这种网路可以提供丰富的应用，较多的STA接入数量。•独立型网络：一般是少数几个STA为了特定目的而组成的一种暂时性网络，又称特设网络（adhocnetwork）。BSS与ESS•BSS（basicserviceset,基本服务集），是802.11网络提供服务的基本单元。在一个BSS服务区域内，STA能相互通信。•ESS（extendedserviceset，扩展服务集），由多个使用相同SSID的BSS组成。SSID用来标识ESS。ESS是为了解决单个BSS覆盖范围小的问题而定义的。•BSS和ESS的关系如下图：IEEE802.11MAC帧􀀹802.11MAC帧的类型􀀹802.11MAC帧格式802.11MAC帧的类型•802.11MAC有三种类型的帧：数据帧、控制帧、管理帧。•数据帧：主要负责传送数据报文。802.11定义了两种数据帧：Data：货真价实的数据帧，所有802.11的数据报文的承载体；Null：只有802.11MAC头和FCS尾，STA可以使用它通知AP自己省点模式的切换。•控制帧：主要用来协助数据帧的发送，负责无线区域的清空，信道的获取等，还用于收到数据时的确认。RTS/CTS：负责无线信道的清空，取得媒介控制权。PS-Poll：STA从省电模式醒来，可发送PS-Poll帧，从AP获取缓存帧。ACK：接收端收到报文后需要回应ACK帧向发送端确认收到了报文。BlockAckRequest/BlockACK：802.11n中，为提升MAC层效率，使用BlockACK机制对一批数据帧一次性确认。BlockAckRequest/BlockACK用来建立BlockACK通道。802.11MAC帧的类型•管理帧：负责无线网络的管理，包括网络信息通告、加入或退出无线网络、频谱管理等；Beacon：周期性宣告某个802.11网络的存在，以及支持的各类无线参数，如SSID、支持的速率、认证类型、缓存帧的STA列表等；ProbeRequest/Response：探测帧，STA可发送ProbeRequest来主动探测周围有哪些802.11网络；接收到的AP需回应ProbeResponse，其中基本包含了Beacon帧的所有参数；Authentication/Deauthentication：认证/解除认证，用于无线身份验证；AssociationRequest/Response：关联请求/应答，STA尝试关联某个AP时使用；Disassociation：解除关联，AP和STA均可以发送此帧解除和对方的关联；Action：802.11h标准中添加的帧，用来要求802.11设备进行频谱管理，如对空间中的信道、传输功率控制情况进行测量，或进行信道切换通告。Action帧可细分为5中子类型：MeasurementRequest/Report（测量请求/报告）、TPCRequest/Report（传输功率控制请求/报告）、ChannelSwitchAnnouncement（信道切换通告）。802.11MAC帧格式•802.11MAC帧种类虽多，但都遵循着相同的帧格式规范，均由帧头(MACHeader)、帧主体(FrameBody)和帧校验(FCS)字段组成。帧类型的确定主要依据帧头中的属性字段。•Framecontrol字段（2byte）：ProtocolVersion字段：显示该帧使用的MAC版本，目前802.11MAC只有一个版本，编号为0；Type与subtype字段：指示帧类型和子类型；ToDS与FromDS字段：指示帧是否来自和去往分布式系统；Morefragments字段：指示是否有后续分片的帧待传送；Retry字段：指示管理帧或数据帧是否重传；Powermanagement字段：指示STA发送当前帧序列后将要进入的状态，Active或Sleep；MoreData字段：AP若设定此位，即代表至少有一个帧待传给休眠中的STA；ProtectdFrame字段：指示当前帧是否已被加密；Order字段:此位置1，帧与帧片段将严格依次传送；802.11MAC帧格式•Duration/ID字段（2byte）：此字段有三种作用：1.设定NAV：bit15==0，此字段用来设置NAV，Duration值代表当前进行的传送会占用媒介的时间。•2.无竞争周期所传送的帧：bit15==1，bit14==0，其他位全为0，Duration的值为32768；•3.在PS-Poll帧中表示AID(AssociationID)：bit14==bit15==1，从省电模式醒来的STA必须发出一个PS-Poll帧，以便从AP取得之前缓存的帧；STA在PS-Poll帧中加入AID指示其隶属的BSS。AID值介于1~2007。802.11MAC帧格式•Address字段（24bytes）：•不同于802.3Ethernet帧，802.11MAC帧头中，4个Address的填法是不固定的，需要和FrameControl字段的ToDS、FromDS结合来确定。具体如下表：其中，RA—接收端地址，TA—发送端地址，DA—目的地址，SA—源地址，BSSID—BSS的MAC地址；•（1）目的地址：负责处理帧中网络层封包的工作站；•（2）来源地址：产生帧中网络层封包的工作站；•（3）接收端地址：负责将无线电波解码为802.11帧的无线工作站；•（4）发送端地址：将帧传至无线媒介的无线接口；•STA:目的地址=接收地址；AP：目的地址是与AP连接的Ethernet节点，接收地址即AP的无线接口；802.11MAC帧格式•顺序控制（SequenceControl）字段（2byte）：此字段用来重组帧片段以及丢弃重复帧；16位包含顺序编号（12bit）+片段编号（4bit）；被分段的帧的所有帧片段顺序编号相同，包括重传帧，片段编号由0开始递增；•QoSControl字段（2byte）：此字段只会出现在数据帧中，用以实现802.11e无线QoS功能。•FrameBody字段（0-2312byte）：数据字段，负责传递上层有效载荷(Payload)。在802.11中，在进入MAC处理之前，待传输的载荷报文更多的被称为MSDU—MACServiceDataUnit。•FCS字段（4byte）：FCS让工作站能够检查所有收到的帧的完整性；IEEE802.11MAC层功能􀀹802.11MAC层功能简介􀀹载波监听与NAV􀀹帧间间隔与优先级􀀹隐藏节点与RTS/CTS􀀹帧的分段与重组􀀹随机退避时间与竞争窗口􀀹DCF与PCF􀀹帧的处理与桥接􀀹扫描、认证与关联􀀹多速率支持􀀹省电管理802.11MAC层功能简介802.11MAC层功能主要包括：媒介访问控制、扫描、认证与保密、关联、电源管理、定时器同步等功能。IEEE802.11MAC主要有二种不同的媒介访问机制：1.DCF：分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction)；2.PCF：点协调功能(PointCoordinationFunction)；DCF是IEEE802.11MAC的基本接入方法，它主要是利用载波侦听多路访问及冲突避免(CSMA/CA)技术，这种方法可用在AdHoc和Infrastructure的无线局域网络架构中。PCF提供工作站送收具有时限性的资料，属于无竞争方法，因此不会发生帧冲撞的情形，但只能用在某种基础架构的无线局域网络中。载波监听与NAV在详细介绍这两种协调功能之前，先了解一下一些802.11MAC的基本操作：•载波监听主要用来判断媒介是否处于可用状态。工作站想要在无线媒介上发送帧之前，必须监听无线媒介是否空闲，若不空闲，则工作站必须推迟发送；工作站可通过两种方式确定媒介是否被占用：物理载波监听与虚拟载波监听。•由于为基于射频的媒介打造物理载波监听硬件非常昂贵；并且由于隐藏节点随处都是，物理载波监听无法提供所有必要信息；因此802.11主要采用虚拟载波监听。•虚拟载波监听由网络分配矢量（NAV）提供；NAV用来指定预计要占用媒介多少时间（802.11帧的Duration字段）。工作站将NAV设为预计使用媒介的时间，其他工作站倒数NAV的值直到零，NAV不为零，代表媒介处于忙碌状态。•NAV是一个计时器，可以被无线媒介上传输的数据帧更新；如下图为一个基础结构型载波监听与NAV•NAV是一个计时器，可以被无线媒介上传输的数据帧更新；如下图为一个基础结构型BSS。图1-1NAV•A发送一个帧给C，因为无线媒介的特点是广播，B也可接收到这个帧。802.11帧包含一个duration字段，其中记载的时间足够发送完帧并收到确认帧。B、C将会更新它的NAV=duration字段的值，并且在NAV倒数为0前不会尝试发送；•需要注意的是：工作站只会在duration字段的值大于当前NA