802.11协议标准详解：从物理层到MAC帧结构
802.11协议标准详解：从物理层到MAC帧结构
802.11协议是无线局域网（WLAN）的核心协议标准，它定义了无线设备之间的通信规则。本文将详细介绍802.11协议的各个版本、物理层技术、数据链路层机制以及MAC帧结构，帮助读者全面了解这一重要协议。
802.11协议简介
802.11协议标准在802家族中的角色位置如图1所示，包含物理层和数据链路层。
图1 802.11协议标准在802家族中的角色位置
物理层方面，802.11各协议标准对应的物理层技术有所不同，包括：跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）技术、直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）技术、正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术和多入多出MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术。不同技术又决定了不同的频段和传输速率，如表1所示。
表1 不同标准对应关系表
协议标准 | 物理层技术 | 支持频段（GHz） | 支持传输速率(Mbit/s) | 是否兼容其他协议标准 | 商用情况 |
|---|---|---|---|---|---|
802.11 | FHSS/DSSS | 2.4 | 1，2 | 不兼容 | 早期标准，目前产品均支持 |
802.11b | DSSS | 2.4 | 1，2，5.5，11 | 不兼容 | 早期标准，目前产品均支持 |
802.11a | OFDM | 5 | 6，9，12，18，24，36，48，54 | 不兼容 | 实际应用较少 |
802.11g | DSSS/OFDM | 2.4 | 1，2，5.5，11，6，9，12，18，24，36，48，54 | 兼容802.11b | 目前大规模商用 |
802.11n | OFDM/MIMO | 2.4，5 | 支持速率由调制编码方案MCS（Modulation and Coding Scheme）决定。理论支持最大速率为600。 | 兼容802.11a、802.11b和802.11g | 目前大规模商用 |
802.11ac | OFDM/MIMO | 5 | 支持速率由调制编码方案MCS、空间流数、信道带宽、GI长度决定。理论支持最大速率为1300。 | 兼容802.11a和802.11n | 目前未大规模商用 |
在数据链路层，802.11标准提出了载波侦听多址访问冲突避免CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制。这是因为无线局域网中的无线信号覆盖范围有限，并非所有的站点都能够听见对方，而有线局域网中使用的CSMA/CD机制则要求所有站点都能听见对方。
802.11 MAC帧结构
802.11 MAC帧由帧头（MAC Header）、帧主体（Frame Body）和帧校验（FCS）字段组成，主要依靠帧头中各属性字段的设置来确定帧的类型。802.11 MAC帧格式如图2所示。
图2 802.11 MAC帧格式
802.11 MAC最大帧长为2348字节。以下依次说明每个字段的含义：
帧控制（Frame Control）字段：
Protocol Version：帧使用的MAC版本，目前仅支持一个版本，编号为0。
Type/Subtype：标识帧类型，包括数据帧、控制帧和管理帧。
数据帧：负责传输数据报文，包括一种帧主体部分为空的特殊报文（Null帧）。STA可以通过Null帧通知AP自身省电状态的改变。
控制帧：协助数据帧的传输，负责无线信道的清空、信道的获取等，还用于接收数据时的确认。常用的控制帧有：
ACK：接收端接收报文后，需要回应ACK帧向发送端确认接收到了此报文。
请求发送RTS（Request To Send）/允许发送CTS（Clear To Send）：提供一种用来减少由隐藏节点问题所造成冲突的机制。发送端向接收端发送数据之前先发送RTS帧，接收端收到后回应CTS帧。通过这种机制来清空无线信道，使发送端获得发送数据的媒介控制权。
管理帧：负责对无线网络的管理，包括网络信息通告、加入或退出无线网络，射频管理等。常用的管理帧有：
Beacon：信标帧，AP周期性地宣告无线网络的存在以及支持的各类无线参数（例如，SSID、支持的速率和认证类型等）。
Association Request/Response：关联请求/应答帧，当STA试图加入到某个无线网络时，STA会向AP发送关联请求帧。AP收到关联请求帧后，会回复应答帧接受或拒绝STA的关联请求。
Disassociation：去关联帧，STA可以发送Disassociation帧解除和AP的关联。
Authentication Request/Response：认证请求/应答帧，STA和AP进行链路认证时使用，用于无线身份验证。
Deauthentication：去认证帧，STA可以发送Deauthentication帧解除和AP的链路认证。
Probe Request/Response：探测请求/应答帧，STA或AP都可以发送探测帧来探测周围存在的无线网络，接收到该报文的AP或STA需回应Probe Response，Probe Response帧中基本包含了Beacon帧的所有参数。
To DS/From DS：标识帧是否来自和去往一个分布式系统（Distribution System，其实就是指AP）。例如都为1，表示AP到AP之间的帧。
More Frag：表示是否有后续分片传送。
Retry：表示帧是否重传，用来协助接收端排除重复帧。
Pwr Mgmt：表示STA发送完成当前帧序列后将要进入的模式，Active或Sleep。
More Data：表示AP向省电状态的STA传送缓存报文。
Protected Frame：表示当前帧是否已经被加密。
Order：表示帧是否按顺序传输。
Duration/ID字段：根据填充值的不同，其作用包括：
实现CSMA/CA的网络分配矢量机制，表示STA占用信道的时间，即信道处于忙状态的持续时间。
标识该MAC帧为无竞争周期CFP（Contention-Free Period）内所传送的帧：此时填充值固定为32768时，表示STA一直占用信道，其他STA不能竞争。
在PS-Poll帧（即省电-轮询帧）中，Duration/ID字段表示关联标识符AID（Association ID），用来标识STA所属的BSS。STA的工作模式包括激活模式（Active）和省电模式（Sleep），STA进入省电模式后，AP会缓存到此STA的数据帧。当STA从省电模式切换到激活模式时，STA可以向AP发送PS-Poll帧来获取缓存的数据帧。AP可根据收到的PS-Poll帧中的AID来下发缓存的数据帧给对应的STA。
Addressn字段：表示MAC地址。4个Address位填法不固定，需要和Frame Control字段中的To DS/From DS位结合来确定。例如，帧从一个STA发往AP，与从AP发往STA，4个Address字段的填法是不一样的。Addressn字段填写规则如表2所示。
表2 Addressn字段填写规则
To DS | From DS | Address 1 | Address 2 | Address 3 | Address 4 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 目的地址 | 源地址 | BSSID | 未使用 | 管理帧与控制帧。例如，AP发送的Beacon帧。 |
0 | 1 | 目的地址 | BSSID | 源地址 | 未使用 | 如图3中的(1)，AP1向STA1发送的帧。 |
1 | 0 | BSSID | 源地址 | 目的地址 | 未使用 | 如图3中的(2)，STA2向AP1发送的帧。 |
1 | 1 | 目的AP的BSSID | 源AP的BSSID | 目的地址 | 源地址 | 如图3中的(3)，AP1向AP2发送的帧。 |
图3 WLAN网络组网图
Sequence Control字段：用来丢弃重复帧和重组分片，包含两个子字段：
Fragment Number：用于分片帧；
Sequence Number：用于检验重复帧，当设备收到一个802.11 MAC帧，其Sequence Number与之前收到的帧重复，则丢弃该帧。
QoS Control字段：该字段只存在数据帧中，用来实现基于802.11e标准的WLAN QoS功能。
Frame Body字段：也称为数据字段，负责传输上层有效载荷（Payload）。在802.11标准中，传输的载荷报文也被称为MSDU（MAC Service Data Unit）。
帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）字段：用于检查接收帧的完整性。类似于Ethernet中的CRC。