802.11无线网络权威指南（二）：无线帧结构
- 无线协议桢的三种类型
- 无线网络帧结构
- 完整帧格式
- control frame
- Duration/ID
- Address
- Sequence Control
- QoS Control
- HT Control 字段
- Frame Body 帧体
- FCS 校验域
- 帧细节
- 管理帧
- 控制帧
- RTS 帧
- CTS 帧
- ACK 帧格式
- PS-POLL省电轮询
- 数据帧
无线协议桢的三种类型
类型和字段定义了无线网络的三种类型，分别是：
-
管理帧（Management frames）
维护接入点和无线客户端之间的通信，管理该框架拥有以下子类型：
Authentication 身份认证帧
De-authentication 解除认证帧
Association Request 关联请求帧
Association Response 关联回应帧
Reassociation Request 重新关联请求帧
Reassociation Response 重新关联回应帧
Disassociation 解除关联帧
Beacon 信标帧
Probe Request 探测请求帧
Probe Response 探测响应帧
ATIM帧 -
控制帧（Control frames）
负责客户端和接入点的数据交换，类型为：
RTS帧（Request to Send）
CTS帧（Clear to Send）
ACK帧（Acknowledgement） -
数据帧（Data frames）
这些不同类别的数据包被统称为数据包类型。
解释几个比较难理解的帧：
beacon 帧：由AP以一定的时间间隔周期性发出，以此来告诉外界自己无线网络的存在，相当于广播。
RTS 帧：发送数据之前的请求帧。
CTS 帧：由接收方发出，用于确认可以接收数据包，并通过广播方式通知其他设备不要发送数据包，以确保接收方能够正常接收。
RTS/CTS 的流程：
a. RTS/CTS 是用来解决传送大的数据包前的信道预约功能，由程序中设定的门限值来控制的；超过该门限值的数据帧由 RTS/CTS 先行清空介质，而较小的帧则直接传送，不需要发送。
b. 发送大数据前，先向AP路由发送RTS请求占用信道；
c. AP收到后广播发出CTS，告知所有设备；
d. 设备收到CTS和ACK后即可开始发送大的数据帧。
按照书里的描述：RTS/CTS技术是一种用于解决无线网络中的信号冲突问题的方法。在无线网络中，当多个设备同时发送信号时，会发生信号碰撞，导致数据包损坏和传输延迟增加。RTS/CTS技术通过引入两个新的控制帧，即RTS帧和CTS帧，来协调发送方和接收方之间的通信，有效减少信号冲突，提高网络传输效率。
ATIM帧：（Announcement Traffic Indication Message）是WLAN中用于通知处于休眠状态的接收者有信息待传的一种管理帧。
无线网络帧结构
完整帧格式
| Control frames | Duration/ID | adress1 | adress2 | adress3 | Sequence control | adress4 | QoS control | HT control | Frame Body | FCS |
|---|
完整的帧共分三大部分：
- 802.11 协议MAC头部分
- Frame Body（帧体部分）
- FCS帧校验
control frame
| Protocol | Type | Sub type | To DS | From DS | More Flag | Retry | Pwr Mgmt | More Data | protected frame | Order |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2bit | 2bit | 4bit | 1bit | 1bit | 1bit | 1bit | 1bit | 1bit | 1bit | 1bit |
-
Protocol：表示802.11协议版本，目前802.11数据帧有两个版本：0或1；
-
Type：802.11 帧的类型，3类；
-
Sub type：802.11帧的子类型，后面讲；
-
To DS 和From DS：这两个位用来指示帧的目的地是否为分布式系统。在基础结构型网络里，每个帧都会设定一个DS位(其中DS为Ap或DS系统);
| To DS 和 From DS 取值 | 含义 |
|---|---|
| To DS = 0 From DS = 0 | 1.同一IBSS中，从一个STA到另一个STA；2.同一个BSS中，从一个非 AP 的STA到另一个非AP的STA或者BSS外部 |
| To DS =1 From DS = 0 | 代表发送给DS或AP的MAC帧；发往DS的帧必须通过AP转发 |
| To DS =0 From DS = 1 | 代表来自DS或AP的数据帧 |
| To DS =1 From DS = 1 | 仅 Mesh BSS 支持 |
- More Frag：表示该帧是否有更多的分片；
- Retry：表示该帧是否需要重传；
- Pwr Mgt：
1: 表示STA在发送完本帧后，将关闭天线处于休眠状态;
0:表示处理工作状态
（说明：AP不允许休眠，只有STA可以，因此AP发送的数据帧该字段恒为0） - More Data：
1：至少还有一个数据帧要发送给STA；
0：此帧已经发送完成；(说明：此bit只用于管理数据帧，在控制帧中此bit恒为0) - Protected Frame：
1：表示该帧受到链路层安全协议的保护；否则为0； - Order：
1：长帧分段传送采用严格编号方式；否则为0。
Duration/ID
Duration / ID 是持续时间和ID位，共有16bit，根据第14bit和15bit的取值组合，有以下三种类型的含义：
- 当第15bit被设置为0时，该字段就会被用来设定NAV值，表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间(单位为微秒);工作站必须监视所收到的任何帧头并据此更新NAV（0 - 32767）。
- 当第15bit被设置为1，第14bit为0时，该字段用于无竞争周期(CFP)中，该值被解读为NAV（固定为32768），它让没收到beacon的所有工作站都得以公告无竞争周期；
- 当第15bit被设置为1，第14bit为1时，用于PS-Poll帧，PS中的工作站会定期醒来，此时会发送一个PS-Poll，其中有关联标识符(AID)，以表示其所属的BSS。（值范围为：1 - 2007）
Address
一个802.11帧最多包含4个Address。因随着帧类型的不同，这些字段的作用也有所差异。分别为：
- SA：源地址
- DA：目的地址
- TA：传输工作站地址
- RA：接收工作站地址
SA与DA必不可少，后两个只对跨BSS的通信有用。
目的地址可以为单播地址（Unicast address）、多播地址（Multicast address）、广播地址（Broadcast address）。
- 如果传送给实际媒介的第一个位为0，则该地址为单播（unicast）;
- 如果第一位为1，则该地址为组播（multicast）;
- 如果所有的位均为1，则该地址为广播（broadcast）。
802.11帧中Address字段含义根据帧的不同而不同，具体如下表所示：
| 网络类型 | Address1(接收端) | Address2(发送端) | Address3 | Address4 |
|---|---|---|---|---|
| IBSS | DA | SA | BSSID | 未使用 |
| To AP | BSSID | SA | DA | 未使用 |
| From AP | DA | BSSID | SA | 未使用 |
以下为To DS和From DS字段和Address字段 间的关系的使用场景：
Sequence Control
序列控制域。 共16位，前4位代表片段编号（Fragment Number），后12位为帧顺序编号（Sequence Number），域格式如图下所示。
-
sequence number：当上层帧交付到MAC层传送时，会被赋予一个 sequence number。
a. 相当于已传帧的计数器取 4096 的模；此计数器由 0 起算，MAC每处理一个上层封包就会加1；
b. 如果上层封包被分片处理， 所有帧片段（Fragment Number）都会具有相同的顺序编号；
c. 如果是重传帧，则顺序编号不会累加;
d. 也是从0开始计数，如果满了以后那么循环为0，重新计数。
e. 控制帧没有帧顺序编号，重传帧不使用新的帧顺序编号。 -
Fragment Number：用于控制分片帧。如果数据量太大，则MAC层会将其分片发送。每个分片帧都有对应的分片编号, 其初始为0，每新增一次分片其会增加1;
QoS Control
QoS control是802.11e中新增的一个MAC层的字段。
Qos Control域有2个字节，QoS Control field中比较重要的字段是 TID(Traffic identifier)。
TID 值 0-7 用于具有优先权的默认 QOS 设定值，表示使用者的优先顺序（UP）；
TID 值 8-15 用于自定义的QOS类型，即表示数据流ID（TSID），节点可以通过ADDTS过程和AP（WLC）协商，从而特定设置一些对应的QoS参数。
QoS control字段格式定义如下图所示，主要分几个部分：
- BIT0-BIT3：TID（Traffic identifier）业务流相关的ID号（有8种TC和8种TS数据类型）；
- BIT4：标志，直接决定BIT8-BIT15的内容。有 以下几种情况：
a. EOSP：End Of Service Period。数据下行（即由AP发送），此时又分两种情况：
① AP发Null Data+CF ACK： BIT8-BIT15内容为 AP PS Buffer State；为1代表当前服务周期结束;
② AP发CF Pull包：BIT8-BIT15内容为TXOP Limit值；
b. 0：数据上行（由STA发送），BIT8-BIT15内容为TXOP Duration Request；
c. 1：数据上行（由STA发送），BIT8-BIT15内容为Queue size； - Bit5-Bit6：ACK Policy;
- Bit7：打开和关闭A-MSDU帧聚合的标志；
TID有4个Bit(B0-B3)，一共可以表示16个类型，其中8个对应TC（规定的8种默认优先级类型），另外8个对应TS，TS的参数是通过STA与AP协商的。
也就是说TID不仅仅被设置为AC_BK、AC_BE、AC_VI和AC_VO，还可以使用TS进行协商。
802.11e 提供了4个不同的优先级的流量种类，当流量 MSDU 到达 802.11e 定义的MAC层时，会根据其 802.1D 的 tag 标识被分别存放到4个不同的queue里，分别是AC_VO，AC_VI，AC_BE，AC_BK，如下 图所示：
- 语音服务(Voice，AC_VO)：一般为 VoIP 流量类型，对延迟最为敏感，同时也是优先级最高的流量。
- 视频服务(Video，AC_VI)：视频流量的优先级低于语音服务。视频服务也是延迟敏感类型的服务，所以具有一定的优先级。
- 尽力传输(Best-effort，AC_BE)：默认的无线流量类型就是best-effort类型，比如网页访问的数据流量类型。对于延迟有一定需求，但是没有那么敏感。
- 背景流量(Background，AC_BK)：对于延迟要求最不敏感的流量，比如文件传输，打印作业的流量。
HT Control 字段
该字段在 802.11 的 11n 协议中引入，11ac和11ax还有点不同，先只看11n的，字段如图：
- Link Adaption Control (Bit0-Bit15)
- TRQ：Training Request.探测请求，该位设置为1请求接收者发送探测帧（sounding PPDU), 主要用于波束成形(beaming);
- MAI：MCS Request (MRQ) or ASEL Indicator。用于mcs请求或天线选择；值设置为14表示打开ASELC（天线选择控制）标志; 否则即为MCS请求，用于链路自适应动态选择最佳MCS；
- MFSI：MCS Feedback Sequence Identifier。用于调制解调方案的反馈；
- MFB/ASELC：MCS feedback and Antenna Selection Command。MAI设置为天线选择字段，说明天线选择命令和数据；否则该字段包含推荐的MCS反馈;
- Calibration Position (BIT16-BIT17)：校准位置；
- Calibration Sequence (BIT18-BIT19)：校准序列；
- Reserved；
- CSI/Steering (BIT22-BIT23): Beamforming feedback类型
0：No feedback required
1：CSI
2：Noncompressed beamforming
3：Compressed beamforming - NDP Announcement：设置为1表示有一个后续的NDP;
- AC Constraint：指示RD数据帧的映射AC是否被约束到单个AC
- RDG/More PPDU：Reverse Direction协议相关。当使用反向 (RD) 协议时，获得了 TXOP 的 STA 可以授予其他 STA 在同一 TXOP 内回传数据的机会，而无需响应的 STA 在传输之前竞争介质。
Frame Body 帧体
- 代表数据域, 也称为数据字段，负责传输上层有效载荷（Payload）。在802.11标准中，传输的载荷报文也被称为MSDU（MAC Service Data Unit）;
- 这部分内容的长度可变，其具体存储的内容由帧类型（type）和子类型（sub type）决定;
- 根据帧类型，封装的上层数据单元长度为0~2312个字节；所以802.11帧在没有帧聚合(A-MSDU)的情况下最大长度为：2312 + 34(MAC头和CRC，不包括QoS和HT control) = 2346个字节；
FCS 校验域
包含32位循环冗余码。用于检查接收帧的完整性。类似于Ethernet中的CRC。
帧细节
Frame Control（帧控制域）中的Type（类型域）和Subtype（子类型域）共同指出帧的类型。
当Type的 Bit3 和 Bit2 位为：
00：管理帧
01：控制帧
10：数据帧
管理帧
主要用于STA与AP之间协商和连接的控制，如关联、认证、同步等。 而Subtype进一步判断帧类型，如管理帧里头细分为关联和认证帧;
| Type | SubType | FrameType |
|---|---|---|
| 00 | 0000 | Association request (连接请求) |
| 00 | 0001 | Association response (连接响应) |
| 00 | 0010 | Reassociation request（重连接请求） |
| 00 | 0011 | Reassociation response（重连接联响应） |
| 00 | 0100 | Probe request（探测请求） |
| 00 | 0101 | Probe response（探测响应） |
| 00 | 1000 | Beacon（信标，被动扫描时AP 发出，notify） |
| 00 | 1001 | ATIM（通知传输指示消息） |
| 00 | 1010 | Disassociation（解除连接，notify） |
| 00 | 1011 | Authentication（身份验证） |
| 00 | 1100 | Deauthentication（解除认证，notify） |
| 00 | 1101～1111 | Reserved（保留，未使用） |
控制帧
用于竞争期间的握手通信和正向确认(RTS信道预约、CTS预约成功、ACK等)、结束非竞争期等，为数据帧的发送提供辅助功能。
| Type | Subtype | Frame type |
|---|---|---|
| 01 | 1010 | Power Save（PS）- Poll（省电－轮询） |
| 01 | 1011 | RTS（请求发送，即: Request To Send ，预约信道，帧长20字节） |
| 01 | 1100 | CTS（清除发送，即:Clear To Send ，同意预约，帧长14字节） |
| 01 | 1101 | ACK（确认） |
| 01 | 1110 | CF-End（无竞争周期结束） |
| 01 | 1111 | CF-End（无竞争周期结束）＋CF-ACK（无竞争周期确认） |
RTS 帧
RTS 帧可用来取得媒介的控制权，以便传送大型帧；大型帧是超过网卡驱动程序中 RTS threshold（阈值）的帧。
媒介访问权只能保留给单播（unicast）帧使用，而广播（broadcast）与组播（multicast）帧只是简单地传送。
RTS 帧只有帧头，不携带任何数据，帧头之后就是 FCS 帧校验码，格式如下：
RTS 帧会试图预约媒介使用权，供帧交换过程使用。因此 RTS 帧传送必须计算 RTS 帧结束后还需要多少时间用于帧交换。不过下图也明示了要 3 个 SIFS 周期、一个 CTS 持续时间、最后的 ACK 加上传送第一个帧片段所需要的时间。
RTS 帧的 duration 字段：
CTS 帧
CTS 帧有两种目的，其格式如下：
起初 CTS 帧仅用于回复 RTS 帧，如果之前没有 RTS 帧出现，就不会产生 CTS。
后来 CTS 帧被 802.11g 保护机制用来避免干扰较旧的工作站。
而用来响应 RTS 的 CTS 帧的发送端会以 RTS 帧的 duration 值作为持续时间的计算基准。RTS 帧会为整个 RTS-CTS-frame-ACK 交换过程预留媒介使用时间。
不过当 CTS 帧被传送出去后，只剩下其他未传帧或帧片段及其确认待传。CTS 帧发送端会将 RTS 帧的 duration 值减去传送 CTS 帧及其后的短帧间间隔送需要的时间，然后将计算结果置于 CTS 的 duration 字段中。
CTS 的持续时间：
ACK 帧格式
确认帧。因为无线网络的特点，很难保证数据一定会到达目的地。
为了确保数据一定到达，802.11采用确认、重传机制，即每一个数据都必须确认ACK，如果未收到ACK，发送方重新发送。
这会导致信号差的时候，重传概率加大，造成传输速度下降；
非最终ACK帧的 Duration 字段：
PS-POLL省电轮询
当一个移动工作站从省电模式中苏醒后，便会传送一个 PS-Poll 帧给接入点以取得任何缓存帧。
PS-POLL 帧：
AID：PS-Poll 帧会以 MAC 标头的第三位与第四位来代表关联标识符（association ID）。
关联标识符是接入点指定的一个数值，用来识别关联。将此标识符放入帧中，可让接入点找出为其（移动式工作站）缓存的帧。
PS-Poll 帧没有 duration，因此无法更新 NAV。
但是收到 ACK 的工作站会以短帧间间隔加上传送 ACK 信号需要的时间来更新 NAV。
数据帧
用于在竞争期和非竞争期传输数据。
一般数据帧：
这种数据帧只能在无竞争周期出现。不可能出现在 IBSS（独立基本服务集）。
另一种区分方式是对携带数据与提供管理功能的帧加以区分。
下面是数据帧的分类方式：
| Type | Sub type | Frame type |
|---|---|---|
| 10 | 0000 | Data（数据） |
| 10 | 0001 | Data+CF-ACK |
| 10 | 0010 | Data+CF-Poll |
| 10 | 0011 | Data+CF-ACK+CF-Poll |
| 10 | 0100 | Null data（无数据：未传送数据） |
| 10 | 0101 | CF-ACK（未传送数据） |
| 10 | 0110 | CF-Poll（未传送数据） |
| 10 | 0111 | Data+CF-ACK+CF-Poll |
| 10 | 1000 | Qos Data |
| 10 | 1001 | Qos Data + CF-ACK |
| 10 | 1010 | Qos Data + CF-Poll |
| 10 | 1011 | Qos Data + CF-ACK+ CF-Poll |
| 10 | 1100 | QoS Null（未传送数据） |
| 10 | 1101 | QoS CF-ACK（未传送数据） |
| 10 | 1110 | QoS CF-Poll（未传送数据） |
| 10 | 1111 | QoS CF-ACK+ CF-Poll（未传送数据） |
参考书：《802.11无线网络权威指南》
参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/679499856
