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《CWAP-404》,第4章:802.11 MAC 帧(4.1,802.11 帧类型,控制帧和数据帧)

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控制帧

控制帧(Control frames)用于控制其他帧的传输。与管理帧(Management frames)不同,它们没有帧体(frame body),所有控制帧的类型值(Type)为 01,子类型如下图所示。

以下详细说明每个控制帧子类型的具体内容。

0100 - 波束成形报告轮询(Beamforming Report Poll):

这是HT和VHT所使用的波束成形机制的一部分。这种控制帧用于请求客户端返回进行正确波束成形所需的显式信息。波束成形是操控输出信号相位的过程,以确保在客户端所处的合适位置,信号可以重新组合。这是对多径传播的一种建设性(constructive)利用。通常情况下,当信号交叉且相位相反时(例如一个波谷与另一个波峰),信号会互相抵消。但在这里,如果信号同步(例如一个波峰与另一个波峰),它们会相互增强。然而,这些信号仍然会受到自由空间路径损耗(free space path loss)的影响,因此经过增强后的总信号强度会比从AP发出仅一英寸距离处的总信号强度弱。这种方法相对于802.11a/b/g物理层(PHY)中纯粹破坏性的多径效应是一种进步,并在之后被802.11ac进一步完善。

0101 - VHT NDP 通告帧(VHT NDP Announcement):

由支持VHT的波束成形器(beamformer)发送,用于启动信道探测反馈序列[68]。该序列用于分析和建模信道,以便实现波束成形。发送VHT NDP通告帧的站点会指示一个或多个需响应VHT波束成形反馈的站点。VHT NDP通告帧的“STA信息字段”用于标识参与此次交换的站点。

0110 - 控制帧扩展(Control Frame Extension):

此类型通过复用比特8-11来扩展控制帧的子类型空间,以支持更多变种。此类控制帧通常用于DMG(定向多吉比特)类型、资源授权(Grant)或授权确认(Grant Ack)。

0111 - 控制封装帧(Control Wrapper):

此子类型主要用于支持更丰富的HT(高吞吐量)功能。例如,其可辅助传输波束成形(截至本文撰写时,该功能仅部分设备支持)。

1000 - 块确认请求(Block Ack Request):

站点通过此帧请求使用更高效的块确认机制,并在一系列QoS数据提交后通知对方需要块确认。它明确表示一个数据块已传输完毕,并请求接收方发送块确认(Block Ack)以确认完整传输的正确性。如CWNA课程所述,若未收到块确认或确认有误,发送方需重传数据。需注意,重传整个数据块耗时远高于单帧重传,因此只有保持低重传率时,块确认机制才比逐帧确认更高效。某些场景中,块确认可能效率不足或不适用。

1001 - 块确认(Block Ack):

上述序列的第二部分,用于确认已发送的聚合数据载荷。与请求帧类似,块确认可由AP或STA发送。需注意,仅支持后续物理层标准(如802.11n/ac/ax)的设备可利用此帧,802.11a/b/g的商用芯片组无法支持。

1010 - PS-Poll(省电轮询帧):

当STA(站点)从睡眠状态唤醒并接收到信标帧(Beacon)时,会向AP(接入点)发送PS-Poll帧。信标帧的TIM(流量指示图)字段会列出所有AP缓存了数据的STA的AID(关联标识符)。STA发现自己的AID后,通过发送PS-Poll帧通知AP已唤醒并准备接收缓存数据。STA将持续发送PS-Poll帧并接收数据,直至某一数据帧的“更多数据位”(More Data bit)被置为0。此时,STA确认最后一帧数据后即可重新进入睡眠状态。

1011 - RTS(请求发送帧):

RTS是CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)机制的补充。作为RTS/CTS(请求发送/允许发送)序列的首部分,其作用是在高负载区域或传输超长帧时清空信道以保障通信。STA生成RTS帧并发送至AP,若信道空闲,AP将回复CTS帧。RTS帧中会包含本次传输的时长(duration value),供后续CTS帧使用。

1100 - CTS(允许发送帧):

作为RTS/CTS交换的第二部分,AP通过CTS帧确认并为即将到来的传输预留信道。其原理是通过时长字段(duration value)强制所有监听到该帧的STA设置NAV(网络分配向量)计时器,确保在“授权”传输完成前不竞争信道。同时,CTS帧通知发起STA可开始传输。其时长字段值为RTS帧的原始时长减去CTS帧传输时间及SIFS(短帧间间隔)。某些情况下,AP可能直接发送无前置RTS的CTS帧,俗称“CTS-to-Self”(自允许发送)。

1101 - 确认帧(Ack/Acknowledgement):

在多数802.11通信中,除ActionNoAck帧、Ack帧自身及使用块确认(Block Ack)的场景外,每个传输的帧后均需发送确认帧。该帧由接收方STA(可为客户端或AP)发出,表明已成功接收并解码前一帧。若帧通过CRC校验且无错误,接收方会向发送方STA返回ACK;否则将触发重传(此时重试位Retry bit置1,但序列标识符Sequence Identifier不变)。

1110 - CF-End(无竞争结束帧):

该帧用于PCF(点协调功能)系统中标识无竞争周期的结束。由于PCF未在商用系统中应用,此类帧极为罕见,且未纳入Wi-Fi联盟互操作性认证。本文作者尚未实际接触过PCF系统,CF类帧通常为CRC错误的表现。

1111 - CF-End+CF-Ack(无竞争结束+确认帧):

在PCF系统中,此帧用于终止无竞争操作,并确认最后一帧的接收。

数据帧

类型值(Type)为10的帧统称为数据帧,其功能通常为数据传输或结合附加操作。以下列举重要子类型:

0000 - 数据帧(Data):

基础数据帧,核心功能为承载数据载荷。反直觉的是,实际网络中大部分传输的帧并非数据帧,而是管理帧与控制帧。

0100 - 空数据帧(Null Data):

不携带数据的帧,主要用于传递省电位(Power Save bit)。当STA先前处于省电模式时,可通过此帧通知AP已准备好接收数据(后续讨论省电位时将详述)。该帧也可用于表明STA即将切换信道进行漫游或扫描。此外存在QoS空数据帧(QoS Null Data),其可用性取决于STA是否支持QoS(部分传统设备不支持)。QoS空数据帧的子类型为1100。

1000 - QoS数据帧(QoS Data):

基于802.11e访问类别(ACs)及Wi-Fi联盟WMM(Wi-Fi多媒体)认证的QoS标记帧,用于承载优先级数据。802.11n及802.11ac网络中传输的多数数据帧均为此类。

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