802.11基本数据传输机制理解
1.80
2.11网络基本概念
1.180
2.11网络元素
Statio n (STA):
具有802.11无线网卡的设备，包括手机、笔记本电脑等。
Access Poi nt (AP):
实现无线网络与固定网络连接功能的设备，通常也称作“热点”，它主要完成 STA与STA之间数据的转发、STA与骨干网之间数据的转发以及必要的管理工作。
本文中将AP和STA通称为Node (节点)。
Wireless Medium (WM):
STA之间以及STA与AP之间传递数据的通道，即无线链路。
无线链路一词相对直观和容易理解，本文中的用无线链路只带WM。
Distribution System (DS):
8023.11中的一个逻辑概念，通常包括两部分：骨干网以及AP的帧分发机制。这里的
骨干网指的是连接各 AP的固网，通常可以理解为以太网； AP的帧分发机制则完成骨干网与STA、以及STA与STA之间的数据帧转发工作。
1.280
2.11组网方式
In depe ndent Basic Service Set (IBSS) —IBSS中只有 STA和 WM，没有 AP和DS
—IBSS内的通信只能发生在 STA直接通信距离内
—IBSS内STA间的通信都是点到点直接通信，没有转发
图1 IBSS网络结构
In frastructure Basic Service Set (BSS)
— BSS内有STA、AP和 WM，但没有 DS
BSS
的范围由AP的覆盖范围决定
BSS内的各STA的通信均由AP中转，不能直接通信
BSS内STA在通信前必须先与 AP进行关联(associate),建立STA-AP的对应绑定关系
STA总是关联的发起方，AP是响应方并决定是否允许STA的加入
一个STA同一时刻最多只能与一个AP进行关联
AP的存在使得各 STA可以以省电(power-saving: PS)模式工作
Exte nded Service Set (ESS)
—多个BSS串在一起组成一个 ESS，同一 ESS内的所有 AP使用同一个 SSID (Service Set Ide ntifier)
—一个ESS内的各BSS由DS连接起来
图3 ESS网络结构
2. 802.11数据传输的基本问题及解决方案
2.1数据传输的可靠性
将数据准确无误地送达目的地是任何通信技术的基本要求。证
数据传输的可靠性。
802.11中引入多种机制来保
图2 BSS网络结构
Internet
2.1.1A CK 机希9
接收方成功接收到一个帧后，向发送方回复一个Ack帧进行确认。这里的成功接收意
味着MAC帧已经收到且FCS校验结果正确。
图4引入ACK后的帧交互机制
一般情况下有两种帧要求 Ack帧的确认：
单播帧：单播帧的接收者必须向发送者回复Ack进行确认
ToDS域为1的多播/广播帧：ToDS为1意味着这个报文需要由 AP转发到DS里去， AP向发
送方确认报文已收到并会被转到DS里去。此时其他 STA不回复。
多播/广播帧不要求、也不能要求收到该帧的每个节点都ACK回复，因为这样既无必要，
AP也无法处理。
发送方收不到Ack帧的可能情况有：
接收方未接收到帧，所以没有回复Ack
接收方收帧过程出错，或是对帧的FCS校验失败，没有回复 Ack
接收方成功收到帧，但发送方没有成功收到Ack帧
不管是那种情况，发送方都会认为发送失败并启动重传。
2.1.2重传机制
802.11中提供一个门限值 RTSThreshold ,长于或等于该门限值的帧被认为是长帧，而短
于该门限值的帧被认为是短帧。
系统为每一个即将传输的帧(impending frame )都相应地配备有一个重发计数器(Retry Counter)，长帧则为LRC(Long RC)，短帧则为SRC( Short RC)。每重传一次，相应的 RC 就加1。系统中对帧的重传次数是有限制的。如果重传次数达到上限但传输依然没有成功，该帧将被丢弃。
此外系统对每一帧的有效时间也是有限制的，也就是说每一帧都应该在一定时间内被成
功发出，否则该帧就失效了，系统会将其丢弃。
综上所述，帧的重传不会无限制的重复下去，当发生下述情况之一时，重传终止：
得到了接收方的 Ack，发送成功；
重传次数达到上限但仍未收到接收方的Ack，发送失败，弃帧；
当前帧已经过了有效时期但仍未收到接收方的Ack，发送失败，弃帧。
重传意味着对帧的缓冲，意味着对系统内存及其他资源的占用。而帧越长，对系统内存
的占用就越多。因此按帧的的长短进行分类，降低长帧的重传上限，有利于提高系统资源的
利用效率。
鉴于发送方没收到 Ack 的可能原因，重传有可能导致接收方收到重复帧，因此接收方需要相应的重复帧过滤机制。
2.1.3 重复帧过滤机制
802.11网络中的每一个节点，包括 STA 和 AP ，都会根据所收到的帧来缓存并更新＜对端地址，帧序号，分片序号＞组合，对于每一个对端地址，只需要保存最近收到的帧的＜地址，帧序号，分片序号＞组合。
收帧过程中，如果接收端发现当前帧是一个重传帧(帧中的 RetryBit 为 1)，则根据当前帧的发送者地址找到缓存中对应的＜对段地址，帧序号，分片序号＞。如果当前帧的帧序
号小于或等于组合中的帧序号，或者帧序号相同但是分片序号小于或等于组合中的帧序号，接收方会将该帧认为是重复帧而将其丢弃。
如果当前帧中的 RetryBit 为 0，接收端将不会启动重复帧过滤机制。
对重复帧，接收方依然回复 ACK 帧，以免发送方不断重传。
2.1.4 分片机制
根据帧格式的定义， 802.11帧中负载的最大长度为 23424 字节。对于更长的数据，则需要将其分片成多个帧组成分片序列来完成传输。
802.11的分片序列中，除了最后一片，所有分片大小都应一样，且应该是偶数个字节。整个分片序列共享一个帧序号，帧序号表示各分片在整个序列中的位置。除了最后一片外，所有分片中的MoreFrag 域都应设为 0 以告知接收者还有后续分片。根据帧格式的定义，分片号由 4 比特的二进制序列表示，说明一帧数据最多只能有 16 个分片。
接收方先将所收到的分片缓存，收齐所有分片后按照分片号的先后顺序重新组装。如果未能收齐所有分片或者重组失败，接收方将直接丢弃整个分片序列。
在正常情况下，接收者应对每一个收到的分片立即回复 ACK ，收到 ACK 后发送方继续发送下一个分片。如果某个分片没有被 ACK ，发送方将对该分片启动重传机制。显然，任何一个分片的发送失败都会导致整个序列的发送失败。
对大的数据包进行分片处理，可以提高传输的可靠性。
2.2隐藏节点( hidden node )问题
考虑下图所示的情况： node1 和 node3 都在 node2 的收发区域内，但 node1 不在 node3 的收发区域，因此对于node3相对于nodel而言是一个"隐藏节点”。同样，node3也是nodel 的"隐藏节点”。如果不加任何约束的话，nodel和node3很有可能同时向node2发送数据，
而 node2 无法区分并成功接收，因而发生冲突。
Aw rtachabfe by node 1
Area zwc/wWe bynodeS ；
』r
2
3
图5隐藏节点问题
802.11中RTS/CTS 机制可以很好的解决这个问题。 2.2.1 R TS/CTS 机制9
弓I 入RTS/CTS 机制后，节点之间的数据发送过程如下图所示:
图6弓I 入RTS/CTS 机制后的帧交互
当Nodel 要向Node2发送数据时，先发送一个 RTS (Request To Send)帧，如果 Node2
可以接收，则回应一个 CTS (CTS)帧。收到CTS 帧后，Node1就可以放心地将数据帧发出
并等候 Node2的ACK 。
RTS 帧一方面发出了一个对 node2信道资源的预留请求，另一方面，收到该 RTS 帧的 其他node 将"沉默”，在RTS 帧Duration 域中所要求的时间内不发送数据，以确保
node1 能成功发送完数据并收到 ACK 帧。同样地，CTS 帧一方面响应了 node1的预留请求，另一
方面，收到该 CTS 帧的其他node (如Node3)也将“沉默”，在CTS 帧Duration 域中要求的 时间内不发数据，确保 Node2能成功接收完数据帧并回复 ACK 。
RTS/CTS 帧大大降低了数据冲突发生地可能性，不过由于
RTS/CTS 交互增加了额外的 数据交互量，对于一些小数据帧的交互来说，这部分额外的数据量明显降低了链路的有效利
用率。因此802.11
系统中提供了一个门限值 RTSThreshold ，大于该门限值的数据帧的交互 才使用RTS/CTS 机制。而且该门限值也是可以改变的，如果该门限值设为
0,那么就意味 着所有的数据帧交互都会采用 RTS/CTS 机制，而如果该门限值大于 802.11 帧的最大值，那 么就意味着
所有的数据帧交互都不采用 RTS/CTS 机制而是直接发送。