802.11-MAC相关协议

802.11MAC相关协议191x2016.6.24Agenda一、802.11概述二、802.11MAC帧三、802.11MAC介质访问第1页四、802.11QoS五、802.11n802.11六、Q&A第2页1、802.11发展2、802.11与802协议族3、Wi_Fi概念4、网络组成5、网络分类6、802.11体系结构7、无线网卡工作流程一、802.11概述第2页1971年，夏威夷大学的研究人员在NormanAbramson的带领下，创造了第一个基于封包式技术的WLAN。20世纪90年代初，WLAN开始得到较多关注，随后IEEE成立专门的802.11工作组开始了WLAN标准的研究和制定。1997年6月，推出了第一代IEEE802.11-1997，定义了介质访问控制层（MAC）和物理层（PHY）。经过多年的完善，最新的一次更新是在2007年，称为802.11-2007。802.11在原始的802.11标准的基础上有了很多扩展标准：802.11—工作在2.4G(2.4000～2.483GHz)频段，提供1Mbps或2Mbps传输速率；802.11a—工作在5G（5.15～5.825GHz）频段，提供54Mbps传输速率；802.11b—工作在2.4G频段，提供最高11Mbps的传输速率。且速率可以在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps间自动切换；802.11e—支持传输服务质量服务，QoS机制；802.11g—对802.11b的提速，工作在2.4G频段，最高速率达54Mbps，802.11g接入点支持802.11b和802.11g设备；..802.11n—采用了MIMO-OFDM等技术，将802.11a/g的54Mbps速率做了更大的提高到。802.11ac正文1、802.11发展一、802.11概述第3页1、802.11发展802.11发展IEEE802协议族定义了一系列局域网（LAN）技术规范。如以太网标准802.3，无线局域网标准802.11等。802.11与802.3使用相同的LLC以及LLC以上的协议。但因为WLAN的传输介质是无线媒介，所以802.11的MAC比较独特，也比较复杂。802.11PHY层决定了整个WLAN的速率。随着无线射频和调制解调技术的发展，WLAN速率得到了很大提升，同时也出现了一系列关于PYH层的协议。2、802.11与802协议族802.11与802协议族正文1、802.11发展一、802.11概述第4页与WLAN相关的组织较多，其中最著名的组织是WIFI联盟。Wi-Fi联盟建立了一套用于验证802.11b产品兼容性测试的程序，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。WIFI联盟的产生是为了保证不同厂商的产品能具备良好的兼容性。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。由于Wi-Fi取得了巨大的成功，在很多场合，Wi-Fi已经成了WLAN的代名词。3、WI-FI概念WI-FI概念正文1、802.11发展一、802.11概述第5页2、Wi-FiWLAN总体上由有线和无线两部分组成。无线侧作接入，使用802.11协议；有线侧为骨干网络作上行，一般使用802.3协议。AP完成802.11和802.3两种协议间的转换。802.11网络由四个组件组成：Station：802.11的终端设备，比如笔记本电脑、手机、PAD等；AccessPoint：为Station提供了802.11的无线接入服务，同时完成802.11MAC帧和以太网帧的转换，是有线和无线网络之间的桥梁；WirelessMediun：802.11定义了2类物理层，射频物理层（2.4GHz和5GHz）和红外物理层。目前广泛应用的是射频方式；DistributionSystem：将各个接入点连接起来的骨干网络，通常是以太网。4、网络组成网络组成正文1、802.11发展一、802.11概述第6页802.11有两种网络类型：基础型（BSS）、独立型（IBSS）网络。STA：Station；AP：AccessPoint；SSID：ServiceSetID，服务集识别码，简单说就是搜索网络时，显示的网络名；BSS：BasicServiceSet，基本服务集，在一个BSS(其实就是射频信号覆盖范围内)中，STA能相互通信;IBSS：IndependentBSS，一般是几个STA为特定的目的而组建的临时性网络。这种网络里面不包含AP，每个节点及即是信息的发送和接收者，也是充当信息转发的角色。又称为无线自组织网络（wirelessadhocnetwork）。5、网络分类（一）BSS、IBSSBSS1STA1STA2STA3APSSID＝“marketing”STASTASTASTASTA正文1、802.11发展一、802.11概述第7页ESS：ExtendedServiceSet，扩展服务集，采用相同SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS。ESS可以解决单个BSS覆盖范围小的问题。BSS2ESSAP2Servicesetidentify(SSID1)BSS1AP1Servicesetidentify(SSID1)DS5、网络分类（二）ESS正文1、802.11发展一、802.11概述第8页802.11仅覆盖了MAC层和PHY层。LLC层及以上，和其它IEEE802.x局域网标准一样。PLCP：PhysicalLayerConvergenceProcedure物理层汇聚过程子层，规定如何将MAC层协议数据单元(MPDU)映射为合适的物理层帧格式，可以理解为PHY层的编码和封包过程。有了PLCP子层的支持，MAC协议就可以工作在不同的PMD系统之上了。PMD：PhysicalMediumDependent物理媒介相关子层，直接与无线媒介发生关联，主要是负责最底层编码、调制和无线收发。6、802.11体系结构802.11体系结构正文1、802.11发展一、802.11概述第9页一般无线网卡包括了数据从射频，基带到MAC处理的整个逻辑：其中，射频功率放大器是将射频信号进行功率放大；射频中频转换器将射频和中频信号进行相互转换；中频调制解调器将基带信号调制到中频或者将中频信号进行解调以便获得基带信号；基带处理器是根据相关的物理层标准对数字基带信号进行处理，从中提取出MAC层数据或者将MAC层的数据包进行相应的封装以形成相应的物理数据；MAC控制器是实现一系列的MAC管理功能，并采用CSMA/CA的方式对物理信道进行控制，以便将整个无线通信形成无线网络，同时，MAC控制器还对上层的数据包进行分组和合并，并最终将数据发送给主机。7、网卡处理流程无线网卡处理流程正文1、802.11发展一、802.11概述第10页第11页1、MAC帧类型数据帧控制帧管理帧2、MAC帧格式FrameControlDuration/IDAddressOthers二、802.11MAC帧802.112、Wi-Fi802.11MAC有三种类型的帧：数据帧、控制帧、管理帧。控制帧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。常见的几种控制帧：RTS/CTS帧：负责无线信道的清空，取得媒介控制权；PS-Poll帧：STA从省电模式醒来，可发送PS-Poll帧，从AP获取缓存帧；ACK帧：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。数据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帧：货真价实的数据帧，所有802.11的数据报文的承载体；Null帧：只有802.11MAC头+FCS尾两部分，在以太网中这种帧没有用，但是在无线网中，STA可以使用Null帧通知AP自己省点模式的切换。1、MAC帧类型（一）数据帧、控制帧正文1、802.11发展二、802.11MAC帧第12页管理帧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，常用的管理帧：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，也包含为PSMSTA缓存帧的信息；ProbeRequest/Response：探测帧，STA或者AP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。1、MAC帧类型（二）管理帧正文1、802.11发展二、802.11MAC帧第13页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。FramwControl字段ProtocolVersion：使用的MAC版本，目前802.11MAC只有一个版本，编号为0；Type与subtype：帧类型和子类型；ToDS与FromDS：帧是否来自和去往分布式系统（DS），其实就是AP；MoreFrag：是否有后续分片的帧待传送；Retry：表示管理帧或数据帧是否重传，用来排除重复帧；PwrMgmt：指示STA发送当前帧序列后将要进入的状态，Active或Sleep；MoreData：AP若设定此位，即代表至少有一个帧待传给休眠中的STA；ProtectdFrame：指示当前帧是否已被加密；Order：此位置1，帧与帧片段将严格依次传送；MAC帧格式2、MAC帧格式（一）FrameControl正文1、802.11发展二、802.11MAC帧第14页Duration/ID字段，主要实现以下3种功能：实现NAV（Networkallocatevector）机制，Duration值代表当前进行的传送会占用媒介多少微秒；CFP（contention-freeperiod）所传送的帧，Duration的值为32768，这类帧对一直占用无线环境；在PS-Poll帧中表示AID(AssociationID)，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。MAC帧格式2、MAC帧格式（二）Duration/ID、AddressAddress字段：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。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；正文1、802.11发展二、802.11MAC帧第15页MAC帧格式SequenceControl字段：用来丢弃重复帧和重组分片。包含两部分，FragmentNumber用于分片帧；SequenceNumbe