802.11WIFI协议-MAC帧类型

802.11WIFI协议-MAC帧类型
MAC帧分2部分：
一、MAC帧结构
二、MAC帧类型。
本文介绍二、MAC帧类型。

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1 MAC帧类型

IEEE 802.11标准的MAC层协议定义了多种类型的帧结构：
1、 数据帧：用于传输用户数据。
2、 控制帧：用于协助数据帧的传输和信道的取得以及载波监听的维护等。常见的控制帧包括RTS/CTS帧、ACK帧等。
3、 管理帧：用于实现网络的管理和控制功能。常见的管理帧包括Beacon帧、Probe帧和Association帧等。
本节所有图示均依循IEEE 802.11的格式。位的传送顺序由左至右，最高位bit将会最后出现。

2 数据帧

1、 帧结构
数据帧会将上层协议的数据置于帧主体加以传递，其帧结构如下图所示。

2、 帧头
数据帧帧头包括7个字段，分别是帧控制、持续时间、接收端地址1和发送端地址2、filtering地址3、顺序控制和地址4（可选）。

数据帧没有细分类型，各字段的值：

1. Frame Control (帧控制)：Frame Control字段位于帧的开头，用于定义帧的协议版本0、类型10、子类型、帧方向、以及一些控制标志。
2. Duration/ID (持续时间/标识符)：包括数据帧传输时间、SIFS (短帧间隙)时间和ACK传输时间,该字段用于指定网络中其他节点的NAV (网络分配向量)计时器，用于控制介质访问。
3. Address1 (地址1)：常表示帧的接收者MAC地址。在To DS为1的情况下，表示目标AP的地址
4. Address2 (地址2)：通常表示帧的发送者MAC地址。
5. Address3 (地址3)：根据帧类型的不同，这个字段可以表示不同的地址
6. Sequence Control (序列控制)：该字段用于帧的序列控制和片段管理
7. Address4 (地址4)：无线分布式系统)或中继的情况下使用。通常用于表示源或目标地址。
8. Frame Body (帧体)：包含实际的数据负载或管理信息。根据帧的类型和子类型，该字段的内容和长度可以不同。
9. FCS (Frame Check Sequence，帧校验序列)：用于帧的错误检测。通常是一个32位的CRC校验码，用于验证帧的完整性。

3 控制帧

控制帧主要在协助数据帧的传递。它们可用来监督无线介质的访问（但非介质本身），以及提供MAC层次的可靠性，类型为：
1、 Request to Send (RTS)

2、 Clear to Send (CTS)

3、 Acknowledgement (ACK）

控制帧均使用相同的Frame Control（帧控制）位为：0001xxxx0000000，如下图12所示：

即：
1、 协议版本位的值为0。
2、 类型识别码位为01。
3、 次类型位有多种，包括RTS帧1011、CTS帧1100和ACK帧1101。
4、 去往DS和来自DS位为00，控制帧负责处理无线介质的访问，因此只能够由无线工作站产生。
5、 更多片段位为0，控制帧不可能被切割。
6、 重传位为0，控制帧不像管理或数据帧那样，必须在序列中等候重送。
7、 电源管理位。
8、 控制帧的更多数据位为0，More Data bit只用于管理数据帧。
9、 保护帧位为0，控制帧不会经过加密。
10、 顺序位为0，控制帧是基本帧交换程序（atomic frame exchange operation）的组成要件，因此必须依序发送。

3.1 RTS帧

1、 帧结构
RTS帧可用来取得介质的控制权，以便传输大型帧（由网卡驱动程式中的RTS threshold（门限）来定义）。

介质访问权只能保留给单点传播帧使用，而广播与组播帧只须发送便是了。
RTS帧的格式如下图所示。就和所有控制帧一样，RTS帧只包含标头。帧主体中并未包含任何数据，标头之后即为FCS。

2、帧头
RTS帧帧头包括4个字段，分别是帧控制、持续时间、接收端地址和发送端地址，各字段的值：

1. RTS帧的帧控制位值为：000110110000000x，其中subtype（次类型）位设定为1011，代表RTS帧。

2. 持续时间位为：3个SIFS + 1个CTS + 1个最后的ACK + 发送第一个帧或帧片段所需要的时间。
   

3. 地址1位：接收端地址，接收大型帧的工作站的地址。

4. 地址2位：发送端地址，RTS帧的发送端的地址。

3.2 CTS帧

1、 帧结构
CTS帧有两种目的，用于应答RTS帧和被802.11g防护机制用来避免干扰较旧的工作站。CTS帧结构如下图所示。

2、 帧头
CTS帧帧头包括3个字段，分别是帧控制、持续时间和接收端地址，各字段的值：

1. CTS帧的帧控制位值为：000111000000000，其中次类型位被设定为1100，代表CTS帧。

2. 持续时间位为：RTS中持续时间 – CTS发送时间 – 1个SIFS时间。

3. 因为RTS中持续时间=3个SIFS + 1个CTS + 1个ACK + 发送第一个帧或帧片段所需要的时间，因此计算知道：
   如下图中红色框所示，实际CTS中持续时间=2个SIFS + 1个ACK + 发送第一个帧或帧片段所需要的时间。
   

4. 地址1位接收端地址为RTS帧的发送端地址，CTS帧的接收端即为之前RTS帧的发送端。

3.3 ACK帧

1、帧结构
ACK帧是MAC以及任何数据传输（包括一般传输RTS/CTS交换之前的帧、帧片段）所需要的正面应答（positive acknowledgment）。ACK帧结构如下图所示。

2、帧头
ACK帧帧头包括3个字段，分别是帧控制、持续时间和接收端地址，各字段的值：

1. ACK帧的帧控制位值为：001011010000000，其中次类型位被设定为1101，代表ACK帧。

2. 持续时间位为：
   依照ACK信号在整个帧交换过程中位居何处，duration的值可以有两种设定方式。
   （1） 在完整的数据帧及一连串帧片段的最后一个片段中，ACK帧中的duration会被设定为0。
   数据发送端会将Frame Control位中的More Fragmentsbit设定为0，表示数据传输已经结束。如果More Fragments bit为0，表示整个传输已经完成，没有必要再延长对无线信道的控制权，因此会将duration设定为0；如果More Fragments bit为1，表示尚有帧片段仍在发送中，则采用第2种设定方式。
   （2） 如果不是最后一个ACK帧，ACK帧中duration位为：前一个数据帧中持续时间 – ACK发送时间 – 1个SIFS时间。
   

3. 地址1位接收端地址为：所要应答的帧的Address 2位。
   接收端地址是由所要应答的发送端帧复制而来。应答主要是针对数据帧、管理帧以及PS-Poll帧。

4 管理帧

管理帧的主要作用是维护接入点和无线客户端之间的通信，管理帧框架拥有以下子类型：

1. Authentication 认证帧
2. De-Authentication 解除认证帧
3. Association Request连接请求帧
4. Association Response 连接应答帧
5. Reassociation Request重新连接请求帧
6. Reassociation Response重新连接应答帧
7. Disassociation 断连帧
8. Beacon 信标帧
9. Probe Request 检测请求帧
10. Probe Response 检测应答帧

802.11管理帧的基本结构如下图所示。所有管理帧的MAC header结构都一样，这与帧的次类型无关，主要包括帧控制、持续时间接收端地址和发送端地址、BSSID和顺序控制。

管理帧会使用信息元素（带有数字标签的数据区块）来与其他系统交换数据。

4.1 Beacon帧

1、 Beacon帧的功能:

1. 网络发现：Beacon帧包含了无线网络的SSID (Service Set Identifier)，帮助客户端设备发现和识别无线网络。
2. 同步：Beacon帧携带时间戳，客户端设备通过接收Beacon帧可以同步其时钟与AP的时钟，这对于协调设备的定时和节能至关重要。
3. 传递网络配置信息：Beacon帧包含网络的配置信息，如支持的速率、加密方法、信道信息等，帮助客户端设备配置和优化其连接。
4. 信号广播：Beacon帧还帮助客户端设备确定信号强度，从而选择合适的AP进行连接。

2、 帧结构
Beacon帧帧结构参考如下图：

3、 信标帧的帧头信息

1. Frame Control (帧控制)：协议版本00，类型字段为管理帧00，子类型字段为Beacon 1000，因此帧控制为：0000100001000000。
2. Duration/ID (持续时间/ID)：Beacon帧一般设为 0。
3. Address 1 (目的地址) ：通常设置为广播地址(FF:FF:FF:FF:FF)。
4. Address 2 (源地址)：AP的MAC地址，标识发送Beacon帧的无线接入点。
5. Address 3 (BSSID): 网络的BSSID，通常与Address 2相同，除非是中继的场景。
6. Sequence Control: 包含序列号和片段号，用于管理帧的顺序和重组。

4、帧主体
信标帧的帧主体包含网络的配置信息和时间同步信息，以下Frame Body中的关键字段：

1. Timestamp (时间戳)：用于同步客户端设备的时钟。
2. Beacon Interval (信标间隔)：AP发送Beacon帧的时间间隔，单位为TU(Time Unit，1TU = 1024微秒)。
3. Capability Information (能力信息)：描述AP支持的功能，如是否启用加密、是否为基础设施模式等。
4. SSID (服务集标识符)：网络的名称，帮助客户端识别网络。

4.2 Association Request帧

1、 关联请求帧的功能：

1. 加入网络：客户端设备使用Association Request帧请求加入一个AP管理的无线网络。
2. 传递客户端能力：帧中包含了客户端设备的能力信息，例如支持的速率、加密方法、QoS功能等。
3. 获取网络资源：通过关联请求，客户端能够获取到网络分配的资源，例如IP地址、网络权限等

2、 帧结构
关联请求帧的帧结构如下图：

3、 帧头
关联请求帧的帧头信息包括：

1. Frame Control (帧控制)：类型字段为管理帧(00)子类型字段为Association Request (0000)。
2. Duration/ID (持续时间/ID)：指定传输此帧所需的时间，或包含关联ID。
3. Address 1 (目的地址) 目标AP的MAC地址(即接收地址)。
4. Address 2 (源地址) 发送Association Request的客户端设备的MAC地址。
5. Address 3 (BSSID，基本服务集标识符) 目标网络的BSSID，通常与Address 1相同。
6. Sequence Control (序列控制) ：包含帧的序列号和片段号，用于管理帧的顺序和重组。

4、 帧主体
关联请求帧的帧帧主体包含客户端设备的能力和配置参数。帧主体包含以下子字段：

1. Capability Information (能力信息) 描述客户端设备的能力，如是否支持加密、短前导码、QoS、功率管理等功能。
2. Listen Interval (侦听间隔) 客户端设备与A P通信时的间隔，表示客户端设备多长时间侦听一次信标帧。值越小，客户端越频繁地检查AP发送的信标，消耗的功率越大。
3. SSID(服务集标识符)客户端设备请求加入的无线网络的SSID (网络名称)。如果客户端设备明确指定要加入哪个网络，就会包含这个字段。
4. Supported Rates (支持的速率) 客户端设备支持的数据传输速率列表。AP会根据这个列表判断是否可以支持客户端的请求，并选择最佳传输速率。
5. Extended Supported Rates (扩展支持速率) 如果客户端设备支持的速率超过了8个，则会使用这个字段来传递更多速率信息。
6. RSN Information (RSN信息) 如果网络启用了WPA/WPA2加密，客户端会在这个字段中发送其支持的安全功能和加密方法。
7. Power Capability (功率能力) 客户端设备的最小和最大传输功率，通常在需要节能或具有特定功率要求的设备中使用。
8. Supported Channels (支持的信道) 客户端设备支持的信道范围，用于AP选择适当的信道进行通信。
9. Vendor Specific (厂商特定) 一些厂商特有的扩展字段，允许客户端和AP传递特定于设备的附加信息。

4.3 Reassociation Request帧

位于相同扩展服务区域，但在不同基本服务区域之间游走的移动工作站，若要再次使用传输系统，必须与网络重新连接。

如果工作站暂时离开基站所涵盖的范围，之后要重新加入的时候，也必须重新连接。如下图所示为重新连接帧结构。

association Request（连接要求）与Reassociation Request（重新连接要求）之间的差别在于，后者包含移动工作站目前所连接之基站的地址。

4.4 （Re）Association Response帧

1、 帧功能
Association Response 由无线接入点(AP)在收到客户端设备(例如笔记本电脑、智能手机等)发送的Association Request帧后，作为响应发出。

这个帧的作用是通知客户端设备其关联请求是否成功，并在成功的情况下分配一个关联ID(AID)，允许其加入网络。

Association Response 帧的功能：

•  确认关联请求：AP通过Association Response帧确认客户端设备的关联请求。
•  提供关联状态：该帧告知客户端设备其关联请求的结果(成功或失败)，如果失败，还会提供失败的原因。
•  分配资源：如果关联成功，AP会为客户端设备分配一个关联ID (AID)，并可能提供其他必要的网络参数。

2、 帧结构
连接和重新连接应答帧结构如下图：

3、 帧头

1. Frame Control (帧控制)类型字段为管理帧(00)子类型字段为Association Response (0001)。
2. Duration/ID (持续时间/ID)指定传输此帧所需的时间，或包含关联ID。
3. Address 1 (目的地址)发送关联请求的客户端设备的MAC地址(即接收地址)。
4. Address 2 (源地址) AP的MAC地址，表示发送该响应帧的设备。
5. Address 3 (BSSID，基本服务集标识符)网络的BSSID，通常与Address 2相同。
6. Sequence Control (序列控制) 包含帧的序列号和片段号，用于管理帧的顺序和重组。

4、 帧主体
Frame Body (帧主体) Association Response帧的核心部分，包含关联结果和配置参数。以下是Frame Body中的关键字：

1. Capability Information (能力信息) 描述AP的能力，如支持的加密方法、短前导码、QoS、功率管理等功能。这个字段的内容与 Association Request 帧中的 Capability Information 字段相似，但由AP决定。
2. Status Code (状态码) 指示关联请求的处理结果。常见的状态码包括：0 (成功) ：关联请求成功。1-65535 (失败原因) ：如资源不足、AP不支持客户端请求的功能、认证失败等。
3. Association ID (AID，关联ID) 如果关联成功，AP为客户端设备分配一个唯一的关联 ID (AID) 。AID是一个用于标识客户端设备的短标识符，在AP和客户端之间进行通信时很常用，尤其是在节能模式下。
4. Supported Rates (支持的速率)AP支持的数据传输速率列表，通常包含在响应帧中以确认客户端设备和AP之间的速率匹配。
5. HT Capabilities (高吞吐量能力，可选) 如果AP支持802.11n 或更高标准 (如802.11ac) ，可能会包含这个字段来描述AP的高吞吐量能力。

4.5 Disassociation/Deauthentication帧

解除连接和解除认证（Disassociation与Deauthentication）。
Disassociation（解除连接）帧用来终结一段连接关系，而 Deauthentication（解除认证） 帧则用来终结一段认证关系。两者均包含一固定位，Reason Code（原因代码），如图4-55所 示。当然，Frame Control位彼此不同，因为不同类型的管理帧拥有不同的次类型。

4.6 Probe Request/Response帧

1、 Probe Request（检测要求）帧
移动工作站将会利用Probe Request（检测要求）帧，扫描所在区域内目前有哪些802.11网络。Probe Request 帧的格式如下图所示。所有位均为必要。

Probe Request 帧包含两个位：SSID以及Supported Rates（移动工作站所支持的速率）。

2、 Probe Response（检测应答）帧
如果Probe Request 帧所探查的网络与之相容，该网络就会以Probe Response帧应答。送出最后一个Beacon帧的工作站，必须负责应答所收到的检测信息。

在基础型网络里，负责应 答的工作站即为基站。在IBSS当中，工作站会彼此轮流发送Beacon信号。

发送Beacon信号 的工作站必须负责发送Probe Response帧，直到下一个Beacon被发送出来。Probe Response 帧的格式如下图所示。

Probe Response 帧中包含了Beacon帧的所有参数，移动工作站可据以调整切入网络所需要的参数Probe Response帧可以剔除TIM元素，因为此时工作站尚未建立连接，因此不必知道哪些连接在基站中有暂存帧。

4.7 IBSS 的ATIM帧

IBSS中没有基站，因此无法仰赖基站暂存帧。IBSS中的工作站如果为处于休眠状态的接收者暂存帧，就会在递送期间送出一个IBSS的数据待传指示通知信息ATIM帧，通知对方有信息待阵，如下图所示。

4.8 Authentication帧

802.11网络发展初期，工作站是使用共享密钥以及下图所示的Authentication帧进行身份认证。
到了802.11i，共享密钥身份认证虽然仍保留在标准当中，但却无法与新的安全机制相容。