802.11無線網路學習（三）：802.11 MAC基礎
1. 無線媒介控制
同乙太網一樣，802.11使用載波監聽多路訪問（CSMA）機制來控制對傳輸媒介的訪問；但802.11使用衝突避免(CSMA/CA),而乙太網使用衝突檢測(CSMA/CD)。
2. 隱藏節點
為了避免隱藏節點引起的衝突，採用RTS/CTS幀來清空傳送區域。 具體過程如下：
如果節點1有幀要傳，先發出一個RTS幀（兩個目的：預約無線鏈路；要求接收到這一幀的其它工作站保持沉默），收到RTS後，接收端發出CTS幀（CTS也會讓附近工作站沉默）應答。收到CTS後，節點1可開始傳輸資料幀了。
由於開啟RTS/CTS功能，會消耗一定頻寬，所以可以調整RTS閥值，只有幀大於該值時才進行RTS/CTS交換過程，小於則直接傳送幀。（hostapd.conf中的 rts_threshold 指定該值，預設2347；也可用 “iwconfig wlan0 rts ” 設定）
3. 協調功能
協調功能分為3種，如下：
- DCF（分散式協調功能）
傳輸資料前先檢查鏈路是否空閒，不空閒則STA會隨機為每個幀待定一個退避時間。可用RTS/CTS清空技術進一步減少衝突的發生。
- PCF（點協調功能）
提供無競爭服務，點協調都位於AP，故只有基礎結構性BSS中才可使用PCF。PCF允許STA經過一段較短時間後即可傳送幀。
- HCF（混合協調功能）
4. 載波監聽
兩各載波監聽方式：
- 物理載波監聽：由物理層提供，昂貴；
- 虛擬載波監聽：由網路分配向量(NAV)提供，幀中有一個Duration欄位，用來預約一段媒介使用時間（微秒）。其它STA會將NAV的值倒數至0，在不為0前，媒介忙碌。
NAV由RTS和CTS幀載送。
利用NAV進行虛擬載波監聽過程如下：
其中傳送端傳送的RTS中有Duration欄位[NAV(RTS)]，表示要佔用鏈路的時間，在該時間內其它STA只能等待，由於可能有的STA不能收到該RTS，所以接收端發出的CTS中也有個時間值[NAV(CTS)]，當時間到達時（ACK傳送完成），進行一段退避時間(DIFS：分散式幀間間隔)後，重新進入競爭視窗。
注：處於相同通道上的STA（即使在不同網路中）均會收到NAV，因而會適當地延遲對媒介的訪問。
5. 幀間間隔
幀間間隔是固定的，與傳輸率無關，但不同物理層可以指定不同的幀間間隔。802.11有四種幀間間隔，如下：
- 短幀間間隔(SIFS) —— 用於高優先順序的傳輸，如RTS/CTS/ACK。
- PCF幀間間隔(PIFS) —— 用於無競爭操作中，其優先順序高於任何競爭式傳輸。
- DCF幀間間隔(DIFS) —— 競爭服務中最短的媒介閒置時間
- 擴充套件幀間間隔(EIFS) —— 幀傳輸出錯時使用。
6. 利用DCF進行基於競爭的訪問
- DCF不用中心控制節點，所以可用於IBSS網路和基礎結構型網路；
- 傳送資料前，工作站必須檢查媒介狀態，如果忙碌則工作站必須延遲並利用指數退避演算法來避免衝突；
- DCF傳輸中的規則：
1. 如果媒介閒置時間長於DIFS，則可立即傳輸。如果之前的幀接收無誤，則媒介必須至少空出一段DIFS；如果出錯，則至少空出EIFS。
2. 如果忙碌，則必須等待到通道閒置，工作站必須等待媒介閒置一段DIFS，同時準備指數退避過程。 - 工作站有兩個重試計數器，短/長幀計數器 （長度小於RTS閥值的幀為短幀），同時每個幀片段有個最長的生存時間，一旦超過該時間，該幀被丟棄，其它幀片段也不會重試。
- DCF退避演算法
DIFS後為競爭視窗（退避視窗），將其進一步分割為時隙。如DSSS中，競爭視窗大小通常為2的指數倍減1（如31，63，127，…），每當重試計數器累計，競爭視窗移到下一個值（DSSS物理層最多為1023），如果到達重試計數器上限，則丟棄該幀。
7. 幀的分段與重組
通過設定分段閥值來確定好長的幀需要分段傳送。每個幀片段有相同幀序號和一個遞增的幀片段編號。還有幀控制資訊用來指示是否還有其它幀片段待發。其過程如下：
8. 幀格式
一般幀格式如下：
- Frame Control （幀控制欄位）
1. protocol (協議版本)
目前只有1個版本（0）
2. Type/Subtype
指定幀型別，其中b7位（QoS subfield）為1，則該幀中有QoS Control欄位，如下：
3. To DS/From DS 欄位
指定幀的目的地是否為分散式系統(DS)，如下：
| aaa | To DS=0 | To DS=1 |
|---|---|---|
| From DS=0 | 無DS（所有管理、控制幀及IBSS中的資料幀） | 基礎型網路中STA發出的幀(STA -> AP) |
| From DS=1 | 基礎型網路中STA收到的幀(AP -> STA) | 無線橋接器上的幀(DS之間) |
4. More Fragments
是否之後還有幀片段，除最後一個幀片段，其它都為1。
5. Retry位
重傳幀該位為1
6. Power Management
為1，表示STA傳送完該幀後將進行省電模式（PS）（AP不能進行省電模式，所以都為0）
7. More Data
AP發出的幀中該位若為1，表示快取中有要發到處於PS模式的STA的幀。
8. Protected Frame
設為1，表示幀受鏈路層安全協議保護
9. Order位
設為1，對於no-QoS資料幀，表示所有幀片段嚴格依次傳送
對於QoS資料幀和管理幀設為1，且帶有HT_GF或者HT_MF，表示該幀包含HT控制欄位。
- Duration/ID 欄位
該欄位有三種形式，如下：
- 設定NAV值(微秒)，工作站必須監視任何幀頭並據此更新NAV；（0 - 32767）
- 無競爭週期(CFP)中，該值被解讀為NAV，它讓沒收到beacon的所有工作站都得以公告無競爭週期；（32768）
- 用於PS-Poll幀，PS中的工作站會定期醒來，此時會發送一個PS-Poss，其中有關聯識別符號(AID)，以表示其所屬的BSS。（1 - 2007）
-
- 目的地地址（DA）
- 來源地址（SA）
- 接收端地址（RA）
- 傳送端地址（TA）
Address1：接收端；Address2：傳送端；Address3：被接收端拿過濾地址，如下：
| 功能 | ToDs | FromDS | Addr1 | Addr2 | Addr3 | Addr4 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IBSS | 0 | 0 | DA(AP) | SA(AP) | BSSID | 未使用 |
| To AP(基礎型) | 1 | 0 | BSSID(AP) | SA(STA) | DA(Server) | 未使用 |
| From AP(基礎型) | 0 | 1 | DA(STA) | BSSID(AP) | SA(Server) | 未使用 |
| WDS(橋接器) | 1 | 1 | RA | TA | DA | SA |
To AP：STA(SA/TA) -> AP(RA) -> DS -> Server(www.xxxx.com)(DA)
From AP：Server(www.xxxx.com)(SA) -> DS -> AP(TA) -> STA(DA/RA)
WDS : STA <-> AP <-> DS <-> Server(www.xxxx.com)(DA)
在基礎型網路中，BSSID即為AP的MAC地址；而獨立型(ad hoc)網路中則產生一個隨機的BSSID，並將Univeral/Local位（Mac中第46位，見：MAC地址格式）設為1，以防止與官方指定的MAC地址衝突。
- 順序控制欄位(Sequence Control)
其由4位片段編號和12位順序編號組成，如下：
控制幀未使用順序編號，所以無順序控制欄位。
所有幀片段有相同的順序編號，重傳幀的順序編號不改變；片段編號從0開始，依序加1。
- QoS Control欄位
有該欄位，則Type/SubType中的b7必為1。QoS控制欄位如下：
