MAC层协议协议资料

i.MAC层合同,数据包通信过程，加密认证过程，代码理解(80211,

wpa_supplicant)

物理层：

参照：

802.1la: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"Mbit/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

802.1li：弥补802,11脆弱的安全加密功能(WEP),其中定义了基于

AES的全新加密合同CCMP(CTRwithCBC-MACProtocol)

802.1In:2.4GHzor5GHzbands;速率：300Mbit/s(20MHz*4

MIMO)或者600Mbit/s(40MHz*4MIMO);

802.1loc:更宽的RF带宽(提高至160MHz),更多的MIMO空

间流(spatialstreams)(增长到8),多顾客的MIMO,以及高密

度的解调变(modulation,最高可达到256QAM)。

Wifi的整个信道列表：

下图是2.4

OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分

复用技术，事实上OFDM是MCMMulti-CorrierModulotion,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

播。

64-QAM:

256-QAM:

FHSS(frequency-hoppingspreod-spectrum):调频展频

DSSS(direct-sequencespread-spectrum):直接序列展频

OFDM():TF交频分复用

MAC层合同

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

ArearecchableAreawchablt

bynode1bynode3

□J

J7

1

图3-2:H点1与节点3互为粉国节点

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时角度来看，节点3属于隐藏节点。如果使用简朴

时

tronsmit-and-proy合同，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才懂得有冲突发生。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

一般是半双工工作模式，即无法同步收发数据。

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(distributedcoordinationfunction,简称DCF)所管控。如

果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

(pointcoordinationfunction,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(hybridcoordination

function,简称HCF)。免竞争服务只提供于基础网络(intcstructue

network),但是只要工作站支持HCF,就可以在网络中提供服务质

量(qualityofservice,简称QoS)。协调功能的细节，请见图3

-4以及下列阐明：

图3-1:MAC协调功能

DCF(分散式协调功能)

DCF是原则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与否处在空闲状态。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。在某些状况之下，DCF可运用CTS/RTS空闲技术，进一步

减少碰撞发生时也许性。

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PCFo为了赋予比原则竞争式还高的优先性，PCF

容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章对此有具体阐明。

HCF（混和式协调功能）

有些应用需要竭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容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

全原则化，但是最后将成为802.11原则的一部分。将服务质量纳入

802.11MAC中是项艰巨的任务。由于波及到帧封装、队列管理以

及信号产生种种复杂层面，撰写本书时,原则委员会还在为服务质量

规格书争论不休，因此有关议题将留待将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阐明了NAV如何保

障整个程序不受干扰。（这是本书图解所使用的原则格式，用以阐明

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

对介质日勺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；此处之因此特别画出一条NAV线，是为了显示NAV与空中

实际传播状况的关系。只要在NAV线上浮现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,避免传送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。

sirs

RTS►Frame

SIFSEB

as♦»

DIFS

MAV(RTS)♦♦

NN______________

NAV(CB)

4

A«W5tomediumdeferredContentionwindow

图3-5：利用.进行虚拟我波监听

多种帧间隔:

Figure3-6.Interframespacingrelationships

—PIFSf

Contentionwindow

Frametransmission

WBackoff

Otherstotwnbuffetslots

anddeferframes

图3-6：各种帧间隔的关系

SIFS:(shortinterframespoc㊀)，短帧间隔，用于高优先级的任务中,

如RTS,CTS,ACK等

PIFS:(PCFinterframespace)，点帧间隔，重要被PCF用于免竞

争的过程

DIFS:(DCFinterframespace),分布式帧间隔，是竞争式服务中最

短时介质闲置时间。如果介质闲置时间长于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

TherelationshipsbetweentliesestationstatevanablesandtheservicesaregiveninFigure8.

Figure8-Relationshipbetweenstatevariablesandservices

a)Class1frames(pemuttedfromwithinStates1,2,and3):

1)Contiolframes

i)Requesttosend(RTS)

ii)Cleartosend(CTS)

iii)Acknowledgment(ACK)

iv)Contention-Free(CF)-End*ACK

v)CF-End

2)Managementframes

i)Pioberequestresponse

u)Beacon

ui)Authentication:SuccessfillauthenticationenablesastationtoexchangeClass2frames.

UnsuccessfulanthenticationleavestheSIAmState1.

iv)DeauthenticatiarDeautheiiticationnotificationwhenuiState2orState3changesthe

STAssrareTOState1TlieSTAshallbecomeaurhenricaredagainpriorrosendingClass2

frames

v)Announcementtrafficindicationmessage(ATIM)

3)Dataframes

i)Data:Dataframeswithframecontrol(FC)bits"ToDS'and"FromDS-bothfelse.

b)Class2frames(ifandonlyifau山enticated.allowedfiomwitlunStates2and3only):

1)Managementframes:

i)Associationrequestresponse

—SuccessfulassociationenablesClass3fiames.

—UnsuccessfillassociationleavesSTAinState2.

n)Reassociationrequestresponse

—SuccessfillreassociationenablesClass3frames.

一UnsuccessfulreassociationleavestheSTAinState2(withrespecttotheSTAthat

wassentthereassociationmessage)Reassociationfra:nesshallonlybesentifthe

sendingSTAisalieadyassociatedmthesameESS.

iii)Disassociation

—DisassociationnotificationwheninState3changesaStationsstatetoState2.Tlus

stationshallbecomeassociatedagainifitwishestoutilizetheDS

IfSTAAreceivesaClass2SamewithaumcastaddressmtheAddre>$1fieldfromSIABthatis

notauthenticatedwithSTAA.STAAshallsendadeauthenticanonframetoSTAB

c)Class3frames(jfandonlyifassociated;allowedonlyfromwithinState3):

1)Dataframes

一Datasubtypes:DataframesallowedThatis.eithertheToDS-,or"FromDS"FCbits

maybesettotruetoutilizeDSSs.

2)Mauagemeiitfiames

—DeauthenticatioiiDeauthenticationnotificationwheninStale3impliesdisassociationas

well,changingtil?SlAsstatefrom3to1.Ihestationshallbecomeauthenticatedagain

priortoanotherassociation

3)Controlframes

—PS-Poll

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,

23类帧都存在。

通用帧格式如下：

Octets:22666260-23124

FrameDuration/SequenceFrame

Address1Address2Address3Address4FCS

ControlIDControlBody

MACHeader

Figure12—MACframeformat

BOB1B2B3B4B7B8B9B1OB11B12B13B14B15

ProtocolToFromMoreMore

TypeSubtypeRetryPwrWEPOrder

VersionDSDSFragMgtData

Bits:22411111111

Figure13-FrameControlfield

Protocol:关注的很少，重要用于合同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

ToDS:I表达是从STA发送到AP的数据包，其他帧都是0

FromDS:1:位于AP侧的数据包中，例如：AP发起的DHCP分派

包

MoreFrag:1表达目前的MSDU还没有发送完毕

Retry:1表达是一种重传的数据帧或者管理帧

PwrMgt:1表达该帧表达STA处在powersave模式。

MoreData:l表达从AP有至少一种MSDU在AP侧的buffer中，

而STA处在power-save模式

WEP:

0rd㊀表达数据帧(涉及一种msdu或者一种fragment)必须要

按顺序来传播

DurationID：一般指包传播的时间

BSSID:表达infrastructure构造中AP的;地址

DestinationAddress(DA):msdu最后传播到时地址

SourceAddross(SA):MSDU数据源的地址

ReceiverAddress(RA):

TransmitterAddress(TA):RAzTA这两类地址的)作用重要用于

WDS(wirelessdistributionsystem)

Address1Address2AddressAddress

FunctionToDSFromDS

(receiver)(transmitter)34

Not

IBSS00DASABSSID

used

ToAPNot

10BSSIDSADA

(infra.)used

FromAPNot

01DABSSIDSA

(infra.)used

WDS

11RATADASA

(bridge)

Address1代表帧接受端的地址。在某些状况下,接受端即为目的地,

但否则如此。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。Address2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合同封包

的工作站；而发送端则是负责将帧发送至无线链路。Address3位则

是供基站与传播系统过滤之用，但是该位的用法，取决于所使用的网

络类型。

Table2—To/FromDScombinationsindatatypeframes

ToFromDSvaluesMeaning

ToDS=0AdataframedirectfromoneSTAtoanotherSTAwithinthesame

FromDS=0IBSS.aswellasallmanagemenlandcontroltypefiames.

ToDS=1DatafiamedestinedfortheDS.

FromDS=0

ToDS=0DatafiameexitingtheDS.

FromDS=1

ToDS=1Wirelessdistributionsystem(WDS)framebeingdistributedfrom

FromDS=1oneAPtoanotherAP.

F面是beocon帧的格式:

丁c・r?TG

T802・□MACBeaMr

0PACktt2a3195

0WEon:

8Flags:OxOOOCOOOO

•T/|»2100N«Aa;es«2E

•Subtype:1108Beaus&Sxts;OxOOOC-OOOO

0P«cket>n9U):

-TPra®eControlFlags:100000000111

19:58:14.03325850001/11/2013

Abi>>ftrictorder

93ataRaze;22.0J±p$

Non-ProtectedFTAM

|8Channel:

0So»torcDaea624J7MT2802.11b

Por-rMauaffeo-nt-activexccte&Signal>>vel:100%

0Signal，dBn:・S9

This“not4Re-Tr4nnuffioo

。Signal.IBul:-39

•JMornnfr4^Mot«dFr4at

•Signal.1B»2:-99

..0.WOEAS£xitfra®DisEritaEiocSysees

0SottotieDistributi&aSystea&Signal.1B&3:-99

eHoiM】

•Duration:0MxcrosccodJ101

,D«sUnatlon:FF:FF:FF:FF:FF:FFZehtrMC80-t

◎

,Source:00：M：4A：Bl：«€:SEKoiae(

即BSSID:00：M：4A：Bl：€€：£E&tJoiae<

•3”c

•S«qthnber：im

•FragMuaber:>88.hMKCBodT

◎

7802.hBUM。-・BeaconVenlo©:

•Tl*esta«p:39424389XxcrosecoMs/T/pe:IO0Mam—

•BeaconInterval:100牛**type：11000Beicon

1000(30000

ciyCapabilityXnfo:*00000100000000(1

Us«d“9B】eaAekHotAlloyed...Kca-jcnctorder

DelayedBlockAclKotAllored...Kca-Prctectedfraxc

CSSS-CTWis粕tAllored...KoMore

Aeaerv^d...PevtrMi^4c«s<at-4CI

右边的是射频信息，是在rnoc头之前。

F面是所有帧格式的构造图:

Table1-Validtypeandsubtypecombinations

TypevalueTypeSubtvpevalue

Subtypedescription

'b3b2descriptionb7b6b5b4

00Management0000Associationrequest

00Management0001Associationresponse

00Management0010Reassociationrequest

00Management0011Reassociationresponse

00Management0100Proberequest

00Management0101Proberesponse

00Management0110-0111Reserved

00Management1000Beacon

00Management1001Announcementtrafficindicationmessage(ATIM)

00Management1010Disassociation

00Management1011Authentication

00Management1100Deauthentcation

00Management1101-1111Reserved

01Control0000-1001Reserved

01Control1010PowerSa\e(PS)-Poll

01Control1011RequestToSend(RTS)

01Control1100ClearToSend(CTS)

01Control1101Acknowledgment(ACK)

01Control1110Contention-Free(CF)-End

01ControlnilCF-End+CF-Ack

10Data0000Data

10Data0001Data+CF-Ack

10Data0010Data+CF-Poll

10Data0011Data+CF-Ack+CF-Poll

10Data0100Nullfunction(nodata)

10Data0101CF-Ack(nodata)

10Data0110CF-Poll(nodata)

10Data0111CF-Ack+CF-Poll(nodata)

10Data1000-1111Reserved

11Reserved0000-1111Reserved

F面以状态为顺序讨论多种帧的作用:

控制帧

CTS,RTS,ACK,PS-POLL,与数据帧搭配负责：区域的清空，信道时

获取以及载波监听内维护，并对收到时数据帧进行应答等。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：

ProtocolToFromMorePwrMore

TypeSubtypeRetryWEPOrder

DSDSFragMgtData

B0VisionB15

ProtocolPwr

ControlSubtype0000000

VersionMgt

Bits:22411111111

Figure15—FrameControlfieldsubfieldvalueswithincontrolframes

CTS/RTS帧：

802.11容许工作站使用RequesttoSend(RTS)及Clearto

S㊀nd(CTS)信号来清空传送区域以避免隐藏节点导致的冲突问题，

用来获得介质的使用权，以便传播数据，用于两个stotion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他工作

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发起时，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。Beocon帧中除了涉及BSS参数的信息，也涉及基站暂存帧

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Be。8n信号

之间相隔多少时间单位。

CapabilityInformation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。Capabilityinformation

位也可以使用在ProbeRequest与ProbeResponse帧。

PS-POLL:

从休眠唤醒的STA必须向连接的AP发送一种ps-poll帧，以保证数

据不会丢失

Octets:22664

Frame

AIDBSSIDTAFCS

Control

MACHeader

Figure19—PS-Pollframe

其中的AID:连接辨认码(ASSOCIATIONID)表达所从属日勺BSS。

丁802.11MACHeader

0Version:

r®Type：101Control

:.®Subtype:11010Pover$«ve(PS)-Poll

3丁Fra>eControl%10010111

1................FramesMustSeStrictlyOrdered

9.0..............NOD-ProtectedFrame

・・0............NoMoreDara

9...1・・・・PcverManagesBent-powers^vecode

・・・・0・・・ThisisnotaRe-Transmission

............1..HoretoFollow

9..............1.ExitfretntheDistributionSystex

..........1TotheDistributionSysteo

&AssociationID:9046

■9BSSID:CD:D3:75:35：6S:E0