导图社区 802.11无线网络权威指南
该思维导图主要描述了802.11协议的网络,概述了802网络协议族上都有哪些网络协议,以及802.11网络协议的运作方式。
编辑于2021-11-13 10:44:34802.11网络概论
概述
该章节主要介绍802.11一些重要概念,并简要描述通信协议背后的设计原理,以及它们如何提供类似Ethernet的使用经验
IEEE 802家族
IEEE 802家族是由一系列局域网技术规范所组成
概述
802家族中个别规范是由点号后的一位数定义进行区分
成员
802.3是载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)
802.5是Token Ring规范
802.2是逻辑链路控制层(LLC)
802.1是功能管理规范
802网络同时具备MAC与PHY两种组件
MAC是一组用以决定如何访问媒介与传送数据的规则
PHY负责传送与接收的细节规则
802.11是利用802.2/LLC封装的链路层
802.11MAC
物理层‘
调频扩频物理层(FHSS)
直接序列扩频物理层(DSSS)
高速直接序列扩频物理层(HR/DSSS)
正交频分复用物理层(OFDM)
802.11 PHY
物理层会聚过程(PLCP)
负责将MAC帧映射到传输媒介
物理媒体相关(PMD)
负责传输数据帧
相关术语
工作站
是指配备无线网络接口的计算设备
接入点
具备无线至有线的桥接功能的设备称为接入点(简称AP)
无线媒介
802.11允许多种物理层同时支持802.11MAC,而RF物理层较受欢迎
骨干网络
以Ethernet网络为骨干网络
分布式系统
概念
1. 分布式系统是属于802.11的逻辑组件,负责将帧(frame)传送至目的地
2. 大部分商品是以桥接引擎和有线骨干网络共同组成分布式系统
框架图
基本服务集(BSS)
由一组相互通信的工作站所构成
扩展服务区域(ESS)
利用骨干网络将几个BSS串联在一起
关联
是指移动式工作站加入某个802.11网络的过程
网络类型
独立型网络(IBSS)
概念
是由少数几个工作站为了特定目的而组成的暂时性网络
特点
在IBSS中,工作站相互之间可以直接通信,但两者间的距离必须在可以直接通信的范围内。
基础结构型网络
概念
是由多个工作站以及接入点共同构成的网络
特点
1. 必须由接入点参与其中
2. 在基础结构型网络中,接入点是负责所有工作站的通信
3. 基础结构型基本服务集被界定在接入点的传输范围内
4. 接入点在基础结构型网络里的作用是协助工作站节省电力
网络通信流程
1. 由初始化对话的工作站将帧传递给接入点
2. 由接入点将此帧传送至目的地
强健安全网络
拥有身份验证与机密性协议的网络
802.11网络的运作方式
网络服务
分布式
传递帧时,可使用此服务来决定目的地位于基础结构网络上的地址
分布式系统
整合
用来将帧传递至无线网络以外的IEEE802 LAN
分布式系统
关联
用来建立AP(作为网关使用)与特定移动式工作站的关联
分布式系统
重新关联
用来建立AP(作为网关使用)与特定移动式工作站的关联
分布式系统
取消关联
用来从网络中移除无线工作站
分布式系统
身份验证
建立关联之前用来进行身份验证(利用MAC地址)
工作站
解除身份验证
用来终结一段身份验证关系,其副作用是终止当前关联
工作站
机密性
用来防止窃听
工作站
MSDU传递
用来传递数据至接收端
工作站
传输功率控制
降低工作站传输功率以减少干扰
工作站/频谱管理
动态频率选择
避免在5GHz频带干扰雷达操作
工作站/频谱管理
工作站服务
提供帧传递服务
身份验证服务
机密性服务
分布式系统服务
负责将接入点连接至分布式系统
管理移动式工作站的关联、重新关联和取消关联等服务
机密性与访问控制
提供传输数据的保密性和帧内容的完整性
频谱管理服务
传输功率控制
用来动态调整工作站的传输功率
动态频率选择
主要是为了在欧洲地区避免干扰5GHz频带的雷达系统
移动性支持
概念
1. 移动性是802.11网络的主要动机所在
2. 移动性存在于链路层的基本服务区域之间
移动性网络设计
采用一组接入点访问一组资源
802.11MAC基础
概述
本章首先描述当初设计MAC时必须克服的难题,以便洞悉MAC设计人员的动机
其次说明这些媒介的访问规则以及基本的帧结构
MAC 所面临的挑战
射频链路品质
问题
1. 噪声、多径衰落等问题均会造成帧无法传送
2. 无线链路的质量也会影响网络操作的速度
解决方法
1. 采用确认机制
框图
描述
该方法称为原子操作,意指不可分割的单一事务单元
2. 采取某种机制,判断何时变更数据传输速率以适应环境的改变
隐藏节点的问题
隐藏节点概念
该节点可能因距离等原因无法与其他某些节点进行直接通信,那么该节点对于其他某些节点而言便是隐藏节点
问题
由于无线收发器通常只有半双工工作模式,即无法同时收发数据。因此,对于隐藏节点造成的冲突问题相当难以检测
解决方法
802.11允许工作站使用RTS和CTS信号来清空传送区域
RTS和CTS信号用来预约无线链路的使用权
RTS和CTS信号同时要求收到这个帧信号的其他工作站保持沉默
随着802.11逐渐成熟,隐藏节点以不在是问题
在小型、静止的网络里,很少会进行同时传输的情况
在比较大型的网络里,可因覆盖范围内有相当密集的接入点解决该问题
MAC 访问模式与时机
无线媒介的访问是由协调功能控制
分布式协调功能(DCF)
点协调功能(PCF)
混合协调功能(HCF)
载波监听功能
功能
载波监听主要用来判断媒介是否处于可用状态
类型
物理载波监听
该功能是由物理层所提供,取决于所使用的媒介与调制方式
虚拟载波监听
该功能是由网络分配矢量所提供
网络分配矢量(NAV)
本身便是一个定时器,用来指定预计要占用媒介多少时间,以微妙为单位
帧间间隔
概述
不同的帧间间隔会为不同类型的传输产生不同的优先次序;即当媒介闲置时,高优先级的数据所等待的时间较短。
类型
短帧间间隔(SIFS)
SIFS用于高优先级的传输场合,例如RTS/CTS以及肯定确认帧
PCF帧间间隔(PIFS)
PIFS主要是用于无竞争操作中,有时被误会称为优先级帧间间隔
DCF帧间间隔(DIFS)
DIFS是竞争式服务中最短的媒介闲置时间
扩展帧间间隔(EIFS)
EIFS并非固件的时间间隔,只有在帧传输出现错误时才会用到EIFS
利用SIFS与NAV,工作站可以时需要掌控媒介一段时间
利用DCF进行基于竞争的访问
802.11 MAC的基本规格
规则1
概述
媒介时间长于DIFS,可立即进行传输。且物理和虚拟两种载波监听可同时进行
示例
1. 如果之前的帧接收无误,则媒介必须至少空出一段DIFS
2. 如果之前的帧传输出现错误,则媒介必须至少空出一段EIFS
规则2
媒介处于忙碌状态时,工作站必须等候信道再度空闲,802.11称之为访问延迟
一旦出现访问延迟,工作站会等候媒介闲置一段DIFS,同时准备指数退避(指数退避算法)过程
802.11 MAC的额外规则
错误恢复是发送端的责任
唯有收到肯定确认才表示发送成功;若是没有收到肯定确认,发送端会认定该帧已丢失,必须重发该帧。
所有单播数据必须被确认,广播数据则不予确认。
只要发送失败,重试计数器就会累加,然后重发数据
多帧序列可以在传送过程的每个步骤中更新NAV
以下帧类型可在SIFS之后传输,优先级较高
确认帧
RTS/CTS交换过程中的CTS
片段序列中的帧片段
较高层的包大小超过所设定的阀值,必须使用扩展帧序列
包的大小超过RT阀值,必须使用RTS/CTS交换过程
长度超过分段阀值,必须加以分段
DCF与错误恢复
概述
错误检测与恢复是由开始原子帧交换过程的工作站来担任,一旦检测到错误,该工作站负责重新发送
错误恢复机制
数据传输是通过原子步骤,整个过程必须完成才算传输成功
当工作站没有收到肯定确认时,就会将该帧数据认为已丢失,并重新发送该帧数据
每个帧或帧片段会分别对应到一个重试计数器,该计数器由零起算,只要帧传输识别即累加。当累加到重传限制时,该帧数据将被丢弃,并将此状况告知上层协议
重试计数器
功能
每个帧或帧片段都带有一个重试计数器,用于该帧数据重传次数 ;当该帧数据的重传次数超过重新限制时会将该帧数据丢弃。
类型
短帧重试计数器
简介
帧长度小于RTS阀值的帧被视为短帧,对应短帧的重试计数器便为短帧重试计数器
清零条件
1. 之前传送的RTS得到CTS响应
2. 之前传送的未分段帧得到MAC层的响应
3. 收到广播或组播的帧
长帧重试计数器
简介
帧长度超过RTS阀值的帧被视为长帧,对应长帧的重试计数器便为长帧重试计数器
清零条件
1. 之前传送的帧大于RTS阀值并且得到MAC层的响应
2. 收到广播或组播的帧
生存时间计数器
MAC层会赋予每个帧片段一个最长的“生存时间”。
传出第一个帧片段之后,生存计数器随机启动。当该帧片段超过了生存时间,该帧便会被丢弃,其余帧片段也不会重传。
而上层协议检测到数据帧丢失后给予重新该帧数据。
当上层协议(如TCP)重传数据帧时,该数据帧对于802.11 MAC而言乃是新的帧数据,对于所有重传计数器都会被清零。
DCF的退避算法
概述
当帧传送完成,且经过一段DIFS后,工作站便开始传送之前拥堵的数据
而在DIFS之后的一段时间称为竞争窗口(contention window);将该窗口进一步描述为时隙(slot)
每当重传次数增加时,竞争窗口将会随即改变。而退避算法便是处理该窗口的大小
直接序列扩频物理层(DSSS)处理竞争窗口
DSSS竞争窗口描述图
竞争窗口描述
不同物理层会使用不同大小的竞争窗口
竞争窗口的大小通常是2的指数倍数减1
DSSS物理层限制竞争窗口大小最多为1023个传送时隙
竞争窗口处理
当重试计数器累增时,竞争窗口即移至下一个2的指数倍数
当竞争窗口到达最大极限时就会维持该数字,直到它被重新设定
帧的分段与重组
帧分段的目的
无线信道无法传送较大的帧数据,网络管理人员会对帧数据限定分段阀值,若是帧数据大于分段阀值时,便会对该帧数据进行分段。
帧分段封包可提升可靠性,减少干扰的影响
帧分段可提升整体的有效吞吐量
帧分段重组
帧片段信息
帧序号
相同的帧序号表示同一个帧数据的帧片段数据
帧片段编号
表示同一个数据的第几个帧片段数据
帧控制信息
表示是否还有其他片段
帧数据完整的接收是依据帧控制信息进行接收完整的数据包
帧数据的重组依靠帧序号和帧片段编号进行重组数据包
片段突发期
表示整个帧的所有片段数据的发送时段
概图
NAV在片段突发期的功能
每个帧片段都会设有NAV,而NAV可确保其他工作站在此片段的突发期间不适用该信道,让该片段继续使用信道
帧格式
MAC帧
帧格式
帧字段说明
Frame Control 字段
字段格式
字段说明
Protocol字段
该字段有两个为组成,描述MAC的版本号
Type与Subtype字段
该字段用来指定使用的帧类型
To DS与 From DS字段
这两个字段用来指示帧的目的地是否为分布式系统
代表意义
To DS=0
From DS=0
所有管理帧与控制帧。IBSS里的数据帧(非基础结构型数据帧)
From DS=1
基础结构型网络里无线工作站所收到的数据帧
To DS=1
From DS=0
基础结构型网络里无线工作站所传递的数据帧
From DS=1
无线桥接器上的数据帧
More Frag字段
该字段用于标记一个帧片段是否为最后一个帧片段。一个完整的帧数据进行分段时,除最后一个帧片段该字段为0,其余帧片段均为1.
Retry字段
该字段用于标记该帧数据是否为重传帧,用于协助接收端剔除重复的帧
Pwr Mgmt字段
该字段用来指出发送端在完成当前的原子帧交换之后是否进入省电模式。1代表工作站即将进入省电模式,0代表工作站会一直保持在清醒状态
More Data字段
该位由接入点进行设置,代表至少有一个帧待传给休眠中的工作站
Protected Frame字段
该位用于表示帧是否受到链路层安全协议的保护。若是此字段置1,则该帧受链路层安全协议的保护。
Order字段
该字段用于表示帧与帧片段是否为严格依次传送。若此字段设定为1时,则进行严格依次传送
Duration/ID字段
该字段的第15位为0时,该字段用来设置NAV。
该字段的第14位为0,第15位为1时,该字段用来让没有收到Beacon(信标)帧的任何工作站都得以公告无竞争周期,以便将NAV更新为适当的数值
该字段的第14位和第15位同时设定为1时,该字段用来表示该帧数据是PS-Poll(省电-轮询)帧。
Address字段
目的地地址(Address1)
代表最后的接收端,负责将帧交付上层协议处理的工作站
来源地址(Address2)
代表帧数据传送的来源,当Individual/Group位为0时,代表来源地址为单一工作站
接收端地址(Address3\BSSID)
代表负责处理该帧的无线工作站
发送端地址(Address4)
代表将帧传送至无线媒介的无线接口
顺序控制字段(Seq-ctl)
字段功能
该字段是用来重组帧片段以及丢弃重复帧
字段组成
框图
组成
片段编号(4位)
该编号用于便是同一个帧数据的不同帧片段。进行帧分段时,第一个帧片段的片段编号为0,之后帧片段的片段编号进行累加。并且,重传数据帧时,该片段编号会保持原始的顺序编号以协助重组。
顺序编号(12位)
该编号表示上层封包的同一个帧数据,MAC每处理一个上层封包数据,该编号编号累加;当上层封包的帧数据进行分段时,所有帧片段都会具有相同的顺序编号。并且,重传该帧数据,顺序编号也不会有任何改变
帧主体(Frame Body)
该字段称为数据字段,负责在工作站之间传递上层有效载荷。802.11帧最多可传送2304个字节的有效载荷。
帧校验序列(FCS)
该字段是帧校验序列,用于检查所收到的帧的完整性
802.11对上层协议的封装
封装框图
封装方式
1. RFC1024,有时候被称为IETF封装
2. 802.1H,有时候被称为隧道封装
这两种方式均衍生自802.2的子网访问协议(SNAP)
封装描述
802.11是以802.2的逻辑链路控制(LLC)封装来携带上层协议
封装流程
1. MAC地址会被复制到封装帧的开头
2. 插入SNAP标头
1. 在SNAP标头上,插入目的地服务接入点(DSAP)和源服务器接入点(SSAP)
2. 在SNAP标头上,插入控制字段(Control)
该字段被设定为0x03,代表未标号信息(UI)
3. 在SNAP标头上,插入组织唯一标识符(OUI)
3. 接着将类型代码(Type)和嵌套封包(IP packet)复制到封装帧上
4. 最后计算帧校验,并将帧校验放入封装帧的最后的字段
基于竞争的数据服务
概述
本节目的
主要是理清802.11局域网中负责运送数据的原子交换过程
原子交换过程的类型
基于竞争服务(DCF)
本节主要描述该类型的原子交换过程
基于无竞争服务(PCF)
由于该类型过于错综复杂,很少用于商业化产品;因此不描述该类型
广播与组播或管理帧
帧交换过程框图
成帧规则
1. 广播数据帧会在Address1字段中填入广播地址
2. 组播数据帧会在Address1字段中填入组播地址
3. 广播管理帧会在Address1字段中填入广播地址(Beacon、Probe Request以及IBSS ATIM帧)
单播帧
基本的肯定确认
框图
描述
1. 单播数据帧必须得到肯定确认,否则该帧即会被认为已丢失
2. 单播数据帧会利用NAV为其本身、其确认以及发生于其间的SIFS预定媒介使用权。
帧分段
帧分段机制框图·
子主题
帧分段机制描述
1. 第一个帧片段(Data frag1)会将NAV的时间设定足以涵盖ACK1、下一个帧片段(Data frag2)及其确认(ACK2)和3个SIFS。除了最后一个帧片段,后续帧片段的NAV的时间设定都会如此进行设定。
2. 第一个确认(ACK1)也会将NAV的时间设定足以涵盖下一个帧片段(Data frag2)及其确认(ACK2)和2个SIFS。除了最后一个确认,后续确认(ACK)都会如此进行设置NAV时间。
3. 最后一个帧片段会将NAV的时间设定为该帧的确认(ACK)和1个SIFS。
4. 最后一个确认(ACK)会将NAV的时间设定为0
RTS/CTS
RTS/CTS锁定媒介框图
RTS/CTS与帧分段并行的框图
描述
RTS/CTS锁定媒介和帧分段锁定媒介的流程是一样的。并且,RTS/CTS交换通常会于帧分段并行。
省电程序
概述
由于802.11工作站可进入休眠状态进而降低功耗,且接入点会为处于休眠状态的工作站缓存单播帧。因此,接入点若有缓存帧时,接入点会有后续的Beancon帧告知工作站,而苏醒的工作站可使用PS-Poll帧来获取接入点的缓存帧。
当接入点接收到PS-Poll帧时,接入点可对工作站立即响应,也可在空闲时进行响应
立即响应
描述
接入点接收到PS-Poll(省电-轮询)帧后,经过一段SIFS(短帧间间隔)后,即可传送缓存帧。
MAC规范说明书要求所有收到PS-Poll的工作站都必须更新NAV,将NAV的值设置为一个SIFS+一个ACK。
设定该NAV可使得接入点取得媒介使用权
所有工作站都会为这个数据帧而延迟访问媒介
当接入点的缓存帧过大时,必须将缓存帧进行分段
小缓存帧的传送框图
大缓存帧的传送框图
延迟响应
描述
当接入点接收到PS-Poll帧后,并未立即工作站发送缓存帧,而是先回复一个简单ACK
当工作站向接入点发送PS-Poll帧后,并确认接收到ACK时,说明接入点已确认工作站的缓存帧的请求,承诺即将在某个时间点加以传送。工作站必须在活跃模式下等候。
Beacon帧由接入点发送给工作站,用来提示是否有该工作站的缓存帧。当工作站收到缓存帧后,必须等待收到接入点的Beacon帧,方可接收完整的缓存帧。
传送框图
多种速率支持
传送速率通则
1. 每个工作站均持有一份操作速率列表,记录工作站与所连BSS(接入点)均支持的所有速率
2. 每个BSS(接入点)必须负责维护一组基本速率,加入此BSS工作站所支持的速率列表。
3. 开始帧交换的控制帧(如RTS与CTS)必须以基本速率集中的一种速率进行传送
4. 单播帧可以使用目的地支持的任一速率进行传送
5. ACK或CTS之类的确认帧必须以基本速率集所包含的速率传送
变速算法
直接测量
采用直接测量信噪比加以测量,可以针对最近一个帧的瞬间信号质量或者就最近一段时间所接收到的一定数量的帧进行去平均数。当测量到信号质量变差时,工作站便通过减速以应变后续活动。
间接测量
通过判断帧是否已遗失或帧重试计数器已经用尽,便速率减速至下一档;然后重试一遍。反复进行以上活动直到帧送出去,或是以最低速率都无法发送成功为止
帧的处理与桥接
无线媒介至有线媒介(802.11至Ethernet)
1. 当接入点接收到一个帧时,首先会检测该帧的基本完成性,检验802.11帧上的帧校验码(FCS)
2. 当验证帧接收无误后,接入点继续查看是否应进一步处理该帧
a. 校验802.11MAC标头的Address1字段是否为接入点的MAC地址(即BSSID)
b. 802.11MAC接着检验且移除重复的帧
3. 解密802.11的数据帧
4. 判断数据帧是否为帧片段,若是则进行重组帧数据
5. 将较复杂的802.11MAC标头转换为较简单的Ethernet MAC标头
a. 将802.11 MAC标头的Address3字段里的目的地地址复制到Ethernet的目的地地址
b. 将802.11 MAC标头的Address2字段里的来源地址复制到Ethernet的来源地址
c. 在802.11 Data字段里的SNAP标头上,将Type字段里的类型代码复制到Ethernet帧里的Type字段中。
d. 顺序信息主要供帧片段重组之用,当帧被桥接之后予以丢弃
e. 如果有标准的服务质量,则进行无线接口与有线接口的Qos映射。
6. 重新计算FCS(帧校验码),并放入Ethernet帧里
7. 将产生的新帧交付给Ethernet接口传送
有线媒介至无线媒介(Ethernet至802.11)
1. 验证帧Ethernet帧的FCS后,进一步会进行查看该帧的目的地地址是否属于当前与接入点关联的工作站。
2. 将SNAP标头附加于Ethernet帧的数据上
3. 对帧的传送进行调度;若传送工作站属于睡眠状态时,接入点可能会将帧缓存于缓冲区。
4. 帧可被传送时,将帧置于队列待传;此时,帧会被赋予顺序编号;若是帧需要分段时,则根据事先设定好的分段阀值进行分段,并对帧片段进行赋予片段编号。
5. 若帧需要保密时,则对帧进行主体进行加密
6. 802.11 MAC标头根据Ethernet MAC标头进而产生
a. 将Ethernet的目的地地址复制到802.11 MAC标头的Address1字段
b. 将BSSID置于Address2字段以作无线媒介上帧的发送者
c. 将帧的来源地址复制到MAC标头的Address3字段中
d. 将其他字段填入802.11 MAC标头中。即将预计传送时间填入Duration字段中,将适当的标记填入Frame Control字段
7. 重新计算FCS(帧校验吗)
8. 将产生的新帧交付给802.11接口传送
帧类型
管理帧(Type=00)
Subtype=0000
Association request(关联请求)
Subtype=0001
Association response(关联响应)
Subtype=0010
Reassociation request(重新关联请求)
Subtype=0011
Reassociation response(重新关联响应)
Subtype=0100
Probe request(探测请求)
Subtype=0101
Probe response(探测响应)
Subtype=1000
Beacon(信标)
Subtype=1001
ATIM(通知传输指示消息)
Subtype=1010
Disassociation(取消关联)
Subtype=1011
Authentiation(身份验证)
Subtype=1100
Deauthentication(解除身份验证)
控制帧(Type=01)
Subtype=1010
Power Save(PS)-Poll (省电-轮询)
Subtype=1011
RTS(请求发送)
Subtype=1100
CTS(解除发送)
Subtype=1101
ACK(确认)
Subtype=1110
CF-End(无竞争周期结束)
Subtype=1111
CF-End(无竞争周期结束)+CF-ACK(无竞争周期确认)
数据帧(Type=10)
Subtype=0000
DATA(数据)
Subtype=0001
DATA+CF-ACK
Subtype=0010
DATA+CF-Poll
Subtype=0011
DATA+CF-ACK+CF-Poll
Subtype=0100
Null data(无数据:未传送数据)
Subtype=0101
CF-ACK(未传送数据)
Subtype=0110
CF-Poll(未传送数据)
Subtype=0111
data+CF-ACK+CF-Poll
Subtype=1000
QoS Data
Subtype=1001
QoS Data+CF-ACK
Subtype=1010
QoS Data + CF-Poll
Subtype=1011
QoS Data+CF-ACK+CF-Poll
Subtype=1100
QoS Null(未传送数据)
Subtype=1101
QoS CF-ACK(未传送数据)
Subtype=1110
QoS CF-Poll(未传送数据)
Subtype=1111
QoS CF-ACK+CF-Poll(未传送数据)
相关术语
MAC
媒介访问控制层
CSMA/CA
冲突避免机制
CSMA/CD
冲突检测机制
CSMA
载波监听多路访问
DCF
分布式协调功能
PCF
点协调功能
HCF
混合协调功能
NAV
网络分配矢量
DIFS
帧间间隔
SIFS
短帧间间隔
AID
关联标识符
CFP
无竞争周期
LLC
逻辑链路控制
SNAP
子网访问协议
DSAP
目的地服务接入点
SSAP
源服务接入点
802.11成帧细节
数据帧
控制帧
管理帧
帧传送、关联与身份验证状态