WIFI基本大数据的传输机制理解

802.11基本数据传输机制理解

1. 80

2.11网络基本概念

1.1 80

2.11网络元素

Station (STA):

具有802.11无线网卡的设备，包括手机、笔记本电脑等。

Access Point (AP):

实现无线网络与固定网络连接功能的设备，通常也称作“热点”，它主要完成STA与STA之间数据的转发、STA与骨干网之间数据的转发以及必要的管理工作。

本文中将AP和STA通称为Node（节点）。

Wireless Medium (WM):

STA之间以及STA与AP之间传递数据的通道，即无线链路。

无线链路一词相对直观和容易理解，本文中的用无线链路只带WM。

Distribution System (DS):

8023.11中的一个逻辑概念，通常包括两部分：骨干网以及AP的帧分发机制。这里的骨干网指的是连接各AP的固网，通常可以理解为以太网；AP的帧分发机制则完成骨干网与STA、以及STA与STA之间的数据帧转发工作。

1.2 80

2.11组网方式

Independent Basic Service Set (IBSS)

—IBSS中只有STA和WM，没有AP和DS

—IBSS内的通信只能发生在STA直接通信距离内

—IBSS内STA间的通信都是点到点直接通信，没有转发

图1 IBSS网络结构

Infrastructure Basic Service Set (BSS)

—BSS内有STA、AP和WM，但没有DS

—BSS的范围由AP的覆盖范围决定

—BSS内的各STA的通信均由AP中转，不能直接通信

—BSS内STA在通信前必须先与AP进行关联(associate)，建立STA-AP的对应绑定关系—STA总是关联的发起方，AP是响应方并决定是否允许STA的加入

—一个STA同一时刻最多只能与一个AP进行关联

—AP的存在使得各STA可以以省电(power-saving: PS) 模式工作

图2 BSS网络结构

Extended Service Set (ESS)

—多个BSS串在一起组成一个ESS，同一ESS内的所有AP使用同一个SSID (Service Set Identifier)

—一个ESS内的各BSS由DS连接起来

图3 ESS网络结构

2. 802.11数据传输的基本问题及解决方案

2.1 数据传输的可靠性

将数据准确无误地送达目的地是任何通信技术的基本要求。802.11中引入多种机制来保证数据传输的可靠性。

2.1.1 ACK机制

接收方成功接收到一个帧后，向发送方回复一个Ack帧进行确认。这里的成功接收意味着MAC帧已经收到且FCS校验结果正确。

图4 引入ACK后的帧交互机制

一般情况下有两种帧要求Ack帧的确认：

⏹单播帧：单播帧的接收者必须向发送者回复Ack进行确认

⏹ToDS域为1的多播/广播帧：ToDS为1意味着这个报文需要由AP转发到DS里去，

AP向发送方确认报文已收到并会被转到DS里去。此时其他STA不回复。

多播/广播帧不要求、也不能要求收到该帧的每个节点都ACK回复，因为这样既无必要，AP也无法处理。

发送方收不到Ack帧的可能情况有：

⏹接收方未接收到帧，所以没有回复Ack

⏹接收方收帧过程出错，或是对帧的FCS校验失败，没有回复Ack

⏹接收方成功收到帧，但发送方没有成功收到Ack帧

不管是那种情况，发送方都会认为发送失败并启动重传。

2.1.2 重传机制

802.11中提供一个门限值RTSThreshold，长于或等于该门限值的帧被认为是长帧，而短于该门限值的帧被认为是短帧。

系统为每一个即将传输的帧（impending frame）都相应地配备有一个重发计数器（Retry Counter），长帧则为LRC（Long RC），短帧则为SRC（Short RC）。每重传一次，相应的RC 就加1。系统中对帧的重传次数是有限制的。如果重传次数达到上限但传输依然没有成功，该帧将被丢弃。

此外系统对每一帧的有效时间也是有限制的，也就是说每一帧都应该在一定时间内被成功发出，否则该帧就失效了，系统会将其丢弃。

综上所述，帧的重传不会无限制的重复下去，当发生下述情况之一时，重传终止：

⏹得到了接收方的Ack，发送成功；

⏹重传次数达到上限但仍未收到接收方的Ack，发送失败，弃帧；

⏹当前帧已经过了有效时期但仍未收到接收方的Ack，发送失败，弃帧。

重传意味着对帧的缓冲，意味着对系统内存及其他资源的占用。而帧越长，对系统内存的占用就越多。因此按帧的的长短进行分类，降低长帧的重传上限，有利于提高系统资源的

利用效率。

鉴于发送方没收到Ack的可能原因，重传有可能导致接收方收到重复帧，因此接收方需要相应的重复帧过滤机制。

2.1.3 重复帧过滤机制

802.11网络中的每一个节点，包括STA和AP，都会根据所收到的帧来缓存并更新<对端地址，帧序号，分片序号>组合，对于每一个对端地址，只需要保存最近收到的帧的<地址，帧序号，分片序号>组合。

收帧过程中，如果接收端发现当前帧是一个重传帧（帧中的RetryBit为1），则根据当前帧的发送者地址找到缓存中对应的<对段地址，帧序号，分片序号>。如果当前帧的帧序号小于或等于组合中的帧序号，或者帧序号相同但是分片序号小于或等于组合中的帧序号，接收方会将该帧认为是重复帧而将其丢弃。

如果当前帧中的RetryBit为0，接收端将不会启动重复帧过滤机制。

对重复帧，接收方依然回复ACK帧，以免发送方不断重传。

2.1.4 分片机制

根据帧格式的定义，802.11帧中负载的最大长度为23424字节。对于更长的数据，则需要将其分片成多个帧组成分片序列来完成传输。

802.11的分片序列中，除了最后一片，所有分片大小都应一样，且应该是偶数个字节。整个分片序列共享一个帧序号，帧序号表示各分片在整个序列中的位置。除了最后一片外，所有分片中的MoreFrag域都应设为0以告知接收者还有后续分片。根据帧格式的定义，分片号由4比特的二进制序列表示，说明一帧数据最多只能有16个分片。

接收方先将所收到的分片缓存，收齐所有分片后按照分片号的先后顺序重新组装。如果未能收齐所有分片或者重组失败，接收方将直接丢弃整个分片序列。

在正常情况下，接收者应对每一个收到的分片立即回复ACK，收到ACK后发送方继续发送下一个分片。如果某个分片没有被ACK，发送方将对该分片启动重传机制。显然，任何一个分片的发送失败都会导致整个序列的发送失败。

对大的数据包进行分片处理，可以提高传输的可靠性。

2.2 隐藏节点（hidden node）问题

考虑下图所示的情况：node1和node3都在node2的收发区域内，但node1不在node3的收发区域，因此对于node3相对于node1而言是一个“隐藏节点”。同样，node3也是node1的“隐藏节点”。如果不加任何约束的话，node1和node3很有可能同时向node2发送数据，而node2无法区分并成功接收，因而发生冲突。