80211帧格式--管理帧、数据帧、控制帧

因为无线数据链路所带来的挑战，MAC被迫采用了许多特殊的功能，其中包括使用四个地址位。并非每个帧都会用到所有的地址位，这些地址位的值，也会因为MAC帧种类的不同而有所差异。为了解决标题中所提到的问题，我们先来看一般的80211 MAC帧格式。

我们可以看出802.11 MAC帧并未包含以太网帧的某些典型功能，其中最显著的是type/length位以及 preamble（同步信号） 。Preamble属于物理层， 而封装细节（如type与length） 则出现在802.11 帧所携带的标头（header）中。另外我们可以看到，通常一般的80211 MAC 帧的最大长度为2346字节。下面分别来看一下802.11 MAC 帧的不同部分所代表的不同含义。

Frame Control

所有帧的开头均是长度两个字节的Frame Control（帧控制）位，Frame Control的组成如图所示。

Protocol位

• 协议版本位由两个bit构成，用以显示该帧所使用的MAC版本。目前，802.11 MAC只有 一个版本；它的协议编号为0。未来IEEE如果推出不同于原始规格的MAC版本，才会出现其 他版本的编号。到目前为止，802.11改版尚不需用到新的协议编号，所以一般该位默认都是0。

Type 与 Subtype位

• 类型与子类型位用来指定所使用的帧类型。为了抵抗噪声与提升可靠性，802.11 MAC内 建了一些管理功能，如RTS/CTS与ACK。 下表显示了type与subtype位跟帧类型的对应关系。

• Type位含有两个bit，不同的值代表了不同的帧类型，即当前帧是属于数据帧、管理帧还是控制帧。

Type 值	帧类型
00	管理帧
01	控制帧
10	数据帧
11	保留

TO DS 与 From DSbit

这两个bit用来指示帧的目的地是否为传输系统。在基础网络里，每个帧都会设定其中一个 DS bit。下表为不同的设定值的含义。

More fragments bit

此bit的功能类似IP的More fragmentsbit。若较上层的封包经过MAC分段处理，除最后一个片段外，其他片段均会将此bit设定为1。以此来判定帧是否传输完成，然后再将这些帧片段重新组合成原来的帧。大型的数据帧以及某些管理帧可能需要加以分段；除此之外的其他帧则会将此bit设定为0。实际上，大多数数据帧均会以最大的以太网长度进行传送，不过帧分段并不常用。

Retry bit

有时候可能需要重传帧。任何重传的帧会将此bit设定为1，以协助接收端剔除重复的帧。

Power management bit

802.11网卡通常以PC Card的型式出现，主要用于以电池供电的膝上型或手持式电脑。为了提高电池的使用时间，通常可以关闭网卡以节省电力。此bit用来指出传送端在完成目前的基本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，而0则代表工作站会一直保持在清醒状态。基站必须行使一系列重要的管理功能，所以不允许进入省电模式，因此基站所传送的帧中，此bit必然为0。

More data bit

为了服务处于省电模式的工作站，基站会将这些由“传输系统”接收而来的帧加以暂存。 基站如果设定此bit，即代表至少有一个帧待传给休眠中的工作站。

Protected Frame bit

相对于有线网络，无线传输本质上就比较容易遭受拦截。如果帧受到链路层安全协议的保护，此bit会被设定为1，而且该帧会略有不同。之前，Protected Frame bit被称为WEP bit。

Orderbit

帧与帧片段可依序传送，不过发送端与接收端的MAC必须付出额外的代价。一旦进行“严格依序”传送，此bit被设定为1。

Duration/ID 位

Duration/ID位紧跟在frame control位之后。此位有许多功能，一般有一下三种可能的形式。

1. Duration：设定NAV

当第15个bit被设定为0时，Duration/ID位就会被用来设定NAV。此数值代表目前所进行的传输预计使用介质多少微秒。工作站必须监视所收到的任何帧头，并据以更新NAV。任何超出预计使用介质时间的数值均会更新NAV，同时阻止其他工作站访问介质。

1. 免竞争期间所传送的帧

在免竞争期间（contention-free period，简称CFP），第14个bit为0而第15个bit为1。 其他所有bit均为0，因此duration/ID位的值为32768。这个数值被解读为NAV。它让没有收到Beacon（信标）帧的任何工作站，得以公告免竞争期间，以便将NAV更新为适当的数值，避免干扰到免竞争传输。

1. PS-Poll帧

在PS-Poll（省电模式－轮询）帧中，第14与第15个bit会被同时设定为1。移动式工作站可以关闭天线以达到省电目的。休眠中的工作站必须定期醒来。为确保不致丢失任何帧，从休眠状态醒来的工作站必须送出一个PS-Poll帧，以便从基站取得之前暂存的任何帧。此外，醒来的工作站会在PS-Poll帧中加入连接识别码（association ID，简称AID），以显示其所隶属的 BSS。AID包含在PS-Poll帧中，其值介于1-2,007。而介于2,008-16,383的值目前保留并未使用。

Address 位

一个802.11帧最多可以包含四个地址位。这些位地址位均经过编号，因为随着帧类型不同，这些位的作用也有所差异。一般来讲，Address 1代表接收端，Address 2代表传送端，Address 3位被接收端拿来过虑地址。举例而言，在基础网络里，第三个地址位会被接收端用来判定该帧是否属于其所连接网络。具体来讲，address有一下四个用途：

• 目的地址：和以太网一样，目的地址（Destination address）是长度48个bit的IEEE MAC识别码，代表最后的接收端，亦即负责将帧交付上层协议处理的工作站。

• 源地址 ：此为长度48个bit的IEEE MAC识别码，代表传输的来源。每个帧只能来自单一工作站，因此Individual/Group bit必然为0，代表来源地址（Source address）为单一工作站。

• 接收端地址 ：此为长度48个bit的IEEE MAC识别码，代表负责处理该帧的无线工作站。如果是无线工作站，接收端地址即为目的地址。如果帧的目的地址是与基站相连的以太网结点，接收端即为基站的无线界面，而目的地址可能是连接到以太网的一部路由器。

• 传送端地址：此为长度48个bit的IEEE MAC识别码，代表将帧传送至无线介质的无线界面。传送端地址通常只用于无线桥接。

Seq-ctl

此位的长度为16个bit，用来重组帧片段以及丢弃重复帧。它由4个bit的fragment number（片段编号）位以及12个bit的sequence number（顺序编号）位所组成。控制帧未使用顺序编号，因此并无sequence control位 。

当上层帧交付MAC传送时，会被赋予一个sequence number（顺序编号）。此位的作用，相当于已传帧的计数器取4096的模（modulo）。此计数器由0起算，MAC每处理一个上层封包就会累加1。如果上层封包被切割处理，所有帧片段都会具有相同的顺序编号。 如果时重传帧，则顺序编号不会有任何改变。帧片段之间的差异在于fragment number（片段编号）。第一个片段的编号为0。其后每个片段依序累加1。重传的片段会保有原来的sequence number协助重组。具备QoS延伸功能的工作站对sequence control位的解读稍有不同，因为这类工作站必须同时维护多组传送队列。

Frame Body

帧主体（Frame Boby）亦称为数据位，负责在工作站间传送上层数据（payload）。在最初制定的规格中，802.11帧最多可以传送2304个bit组的上层数据。（实际上必须能够容纳更多的数据，以便将安全性与QoS相关标头纳入）802.2 LLC标头具有8个bit组，最多可以传送 2296个bit组的网络协议数据。防止分段必须在协议层加以处理。在IP网络中，Path MTU Discovery（路径最大传输单位查询；RFC1191）将可避免大于1500个bit组的帧传递。 802.11与其他链路层技术不同之处，表现在两个比较显著的方面。首先，在802.11帧中并 无任何上层协议的标记可供区别。上层协议是以额外标头type位加以标记，同时将其作为802.11所承载数据的开始。其次，802.11通常不会将帧填补至最小长度。802.11所使用的帧并不大，随着芯片与电子技术的进展，目前已经没有填补的必要。

FCS（帧校验序列）

和以太网一样，802.11帧也是以帧检验序列（frame check sequence，简称FCS）作为结束。FCS通常被视为循环冗余码（cyclic redundancy check,简称CRC），因为底层的数学运算 相同。FCS让工作站得以检查所收到的帧的完整性。FCS的计算范围涵盖MAC标头里所有位以及帧主体。虽然802.3与802.11计算FCS的方法相同，不过802.11所使用的MAC标头与 802.3的不同，因此基站必须重新计算FCS。当帧送至无线界面时，会先计算FCS，然后再由RF或IR链路传送出去。接收端随后会为所收到的帧计算FCS，然后与记录在帧中的FCS做比较。如果两者相符，该帧极有可能在传输过程中并未受损。在以太网上，如果帧的FCS有误，则随即予以丢弃，否则就会传送给上层协议处理。在802.11网络上，通过完整性检验的帧还需接收端送出应答。例如，接收无误的数据帧必须得到正面应答，否则就必须重传。对于未能通过FCS检验的帧，802.11并未提供负面应答机制；在重传之前，工作站就必须等候应答超时。

802.11对上层协议的封装

和所有其他的802链路层一样，802.11可以传输各种不同的网络层协议。和以太网不同的是，802.11是以802.2的逻辑链路控制封装来携带上层协议。图3-13显示了如何以802.2LLC 封装来携带IP封包。如该图所示，802.1H与RFC 1042所使用的『MAC标头』长度为12个 bit组，其内容为以太网上的『源MAC地址』与『目的MAC地址』，或者前面所提到的长标头 （long 802.11MAC header）。

传输时，用来封装LLC数据的方式有两种。其中一种是RFC 1042所描述的方式，另外一种则是802.1H所规范的方式。两种标准各自有其别名。RFC 1042有时候被称为IETF封装，而802.1H有时候则被称为隧道式封装（tunnel encapsulation）。这两种方式极为相似。

RFC 1042与802.1H均衍生自802.2的子网络访问协议（sub-network access protocol，简称SNAP）。MAC地址会被复制到封装帧（encapsulation frame）的开头，然后插入SNAP 标头。SNAP标头一开始是目的服务访问点（destination service access point,简称DSAP）与源服务访问点（source service access point,简称SSAP）。然后是一个控制位。和高阶数据链路控制（high-level data link control,简称HDLC）及其衍生协议一样，此控制位会被设定为0x03，代表未编号信息（unnumbered information，简称UI）,对应到IP datagram所谓的尽力传送（best-effert delivery）范畴。SNAP所置入的最后一个位是组织代码（organizationally unique identifier，简称OUI）。起初，IEEE希望用一个bit组的服务访问点（service access point）来 涵盖网络协议编号，不过后来证明这种看法过于乐观。因此，SNAP只得从原来的以太网帧复制一份类型代码（type code）。802.11H与RFC 1042之间的唯一差异，在于其使用的OUI。

有些产品可以让使用者在两种封装标准间进行切换，虽然这种功能并不常见。以Microsoft 操作系统而言，AppleTalk与IPX协议组预设使用802.1H，其他协议则使用RFC 1042。目前大部分基站均依循Microsoft的做法，不再提供封装方式的切换选项。事实上，由于Microsoft 所采用的封装方式得到广泛的支持，因此Wi-Fi联盟的认证测试计划亦将它包含在内。

参考：《802.11 无线权威指南》