IEEE 802.11协议基础知识整理

1. IEEE 802.11协议族成员

2. 频谱划分

WiFi总共有14个信道，如下图所示：

• IEEE 802.11b/g标准工作在2.4G频段，频率范围为2.400—2.4835GHz，共83.5M带宽
• 划分为14个子信道
• 每个子信道宽度为22MHz
• 相邻信道的中心频点间隔5MHz
• 相邻的多个信道存在频率重叠(如1信道与2、3、4、5信道有频率重叠)
• 整个频段内只有3个（1、6、11）互不干扰信道

3. 802.11网络的基本元素

3.1 BSS(Basic Service Set)

• Stations (STA)：任何的无线终端设备
• AP （Access Point）：一种特殊的STA

3.2 DS(Distribution System,分布式系统)

3.3 SSID(Service Set ID 服务集识别码)

3.4 ESS(Extended Service Set,采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS)

4. 802.11MAC层工作原理

802.11MAC层负责客户端与AP之间的通讯。主要功能包括：扫描、接入、认证、加密、漫游和同步。

4.1 802.11MAC 报文类型

4.1.1 数据帧

用户的数据报文

4.1.2 控制帧

协助发送数据帧的控制报文，例如：RTS、CTS、ACK等

RTS和CTS用于信道预约，CF-End+CF_ACK和ACK用于确认正确接收到帧。

• ACK帧
  

4.1.3 管理帧

负责STA和AP之间的能力级的交互，认证、关联等管理工作。例如：Beacon、Probe、Association及Authentication等

ATIM：Announcement Traffic Indication Message，ATIM仅在ATIM窗口期间传送，ATIM没有负载。

4.2 用户接入管理过程

STA (工作站）启动初始化、开始正式使用、AP 传送数据幀之前，要经过三个阶段才能接入:

• 扫描(Scaning)
• 认证(Authentication)
• 关联(Association)
  

4.2.1 Scaning

802.11MAC 使用Scanning功能来完成Discovery

• 寻找和加入一个网络
• 当STA漫游时寻找一个新的AP

Scaning功能的两种方式

• Passive Scanning
  通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络。
  
• Active Scanning
  在每个信道上发送Probe request报文，从Probe Response中获取BSS的基本信息。
  

4.2.2 Authentication

4.2.3 Association

5.AP种类

FAT AP和FIT AP比较如下图所示：

6. 802.11帧格式

6.0 OSI模型

6.1 802.11 MAC Header（MAC头）

6.1.1 Frame Control（帧控制域）

• Protocol Version（协议版本）：通常为0；
• Type（类型域）和Subtype（子类型域）：共同指出帧的类型；
• To DS：表明该帧是BSS向DS发送的帧；
• From DS：表明该帧是DS向BSS发送的帧；
• More Frag：用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧；
• Retry（重传域）：用于帧的重传，接收STA利用该域消除重传帧；
• Pwr Mgt（能量管理域）：1：STA处于power_save模式；0：处于active模式；
• More Data（更多数据域）：1：至少还有一个数据帧要发送给STA ；
• Protected Frame： 1：帧体部分包含被密钥套处理过的数据；否则：0；
• Order（序号域）：1：长帧分段传送采用严格编号方式；否则：0。

6.1.2 Duration/ID（持续时间/标识）

表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间；对于帧控制域子类型为：Power Save-Poll的帧，该域表示了STA的连接身份（AID, Association Indentification）。

6.1.3 Address（地址域）

Address（地址域）：源地址（SA）、目的地址（DA）、传输工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），SA与DA必不可少，后两个只对跨BSS的通信有用，而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）。

6.1.4 Sequence Control（序列控制域）

Sequence Control（序列控制域）：由代表MSDU（MAC Server Data Unit）或者MMSDU（MAC Management Server Data Unit）的12位序列号（Sequence Number）和表示MSDU和MMSDU的每一个片段的编号的4位片段号组成（Fragment Number）。

6.2 Frame Body（帧体部分）

包含信息根据帧的类型有所不同，主要封装的是上层的数据单元，长度为0~2312个字节，可以推出，802.11帧最大长度为：2346个字节；

6.3 FCS（校验域）

包含32位循环冗余码。

6.4 地址格式

1. 方案一：
   
   A和B 在同一个IBSS，A->B (Ad hoc无线自组网中的数据帧的地址格式)。

2. 方案二：
   
   从AP发出的无线数据帧中的地址格式。

3. 方案三：
   
   发到AP的无线数据帧中的地址格式。

4. 方案四：
   
   通过无线分布系统传输的无线数据帧中的地址格式。

7. AP种类

FAT AP和FIT AP比较如下图所示：