802.11概述及帧结构分析

802.11概述及帧结构分析

AUTHOR: Jeffrey.zhu

目录：

1 802.11概述

2 拓扑结构及服务类型

3 帧格式

3.1 帧格式概述

3.2 MAC Header

3.3 帧类型

1 802.11概述

IEEE 802.11是一个协议簇，主要包含以下规范：

1）物理层规范：802.11b，802.11a，802.11g；

2）增强型MAC层规范：802.11i，802.11r，802.11h等；

3）高层协议规范：802.11f，802.11n，802.11p，802.11s等。

802.11中定义了三种物理层规范，分别是：频率跳变扩展频谱(FHSS)PHY规范、直接序列扩展频谱(DSSS)PHY规范和红外线(IR)PHY规范，由于物理层的规范与无线信息安全体系关系不大，故本文不对物理层做过多阐述。

802.11同802.3一样，主要定义了OSI模型中物理层和数据链路层的相关规范，其中数据链路层又可分为MAC子层和LLC子层，802.11与802.3的LLC子层统一由802.2描述。

2 拓扑结构及服务类型

WLAN有以下三种网络拓扑结构：

1）独立基本服务集(Independent BSS, IBSS)网络(也叫ad-hoc网络)；

2）基本服务集(Basic Service Set, BSS)网络；

3）扩展服务集(Extent Service Set, ESS)网络。

ad-hoc mode

infrastructure mode

其中，ESS中的DS（分布式系统）是一个抽象系统，用来连接不同BSS的通信信道(通过路由服务)，这样就可以消除BSS中STA与STA之间直接传输距离受到物理设备的限制。

根据拓扑结构可以得出802.11的两类服务：

站点服务SS（每个STA都要有的服务）：认证（Authentication）、解除认证(Deauthentication)、加密(Privacy)、MSDU传递(MSDU delivery)；

分布式系统服务DSS（DS特有服务）：关联(Association)、解除关联(Deassociation)、分布(Distribution)、集成（Integration）、重关联(Ressociation)。

3 帧格式

3.1 帧格式概述

无线中的数据传播有如下相似的格式：

其中preamble是一个前导标识，用于接收设备识别802.11，而PLCP域中包含一些物理层的协议参数，显然Preamble及PLCP是物理层的一些细节。MAC层处理的是帧数据，截取上图中MAC头开始的部分构成MAC帧格式如下所示：

MAC Header（MAC头）：Frame Control（帧控制域），Duration/ID（持续时间/标识），Address （地址域），Sequence Control（序列控制域）、QoS Control（服务质量控制）；

Frame Body（帧体部分）：包含信息根据帧的类型有所不同，主要封装的是上层的数据单元，长度为0~2312个字节，可以推出，802.11帧最大长度为：2346个字节；

FCS（校验域）：包含32位循环冗余码。

3.2 MAC Header

1）Frame Control（帧控制域）格式如下所示：

l Protocol Version（协议版本）：通常为0；

l Type（类型域）和Subtype（子类型域）：共同指出帧的类型；

l To DS：表明该帧是BSS向DS发送的帧；

l From DS：表明该帧是DS向BSS发送的帧；

l More Frag：用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧；

l Retry（重传域）：用于帧的重传，接收STA利用该域消除重传帧；

l Pwr Mgt（能量管理域）：为1：STA处于power_save模式，0：处于active模式；

l More Data（更多数据域）：为1：至少还有一个数据帧要发送给STA ；

l Protected Frame：为1：帧体部分包含被密钥套处理过的数据；否则：0；

l Order（序号域）：为1：长帧分段传送采用严格编号方式；否则：0。

2）Duration/ID（持续时间/标识）：表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间；对于帧控制域子类型为：Power Save-Poll的帧，该域表示了STA的连接身份（AID, Association Indentification）；

3）Address（地址域）：源地址（SA）、目的地址（DA）、传输工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），SA与DA必不可少，后两个只对跨BSS的通信有用，而目的地址可以为单播地址（Unicast address）、多播地址（Multicast address）、广播地址（Broadcast address）；

4）Sequence Control（序列控制域）：由代表MSDU（MAC Server Data Unit）或者MMSDU （MAC Management Server Data Unit）的12位序列号（Sequence Number）和表示MSDU和MMSDU的每一个片段的编号的4位片段号组成（Fragment Number）。

3.3 帧类型

针对帧的不同功能，可将802.11中的MAC帧细分为以下3类：

1）控制帧：用于竞争期间的握手通信和正向确认、结束非竞争期等；

2）管理帧：主要用于STA与AP之间协商、关系的控制，如关联、认证、同步等；

3）数据帧：用于在竞争期和非竞争期传输数据。

Frame Control（帧控制域）中的Type（类型域）和Subtype（子类型域）共同指出帧的类型，当Type的B3B2位为00时，该帧为管理帧；为01时，该帧为控制帧；为10时，该帧为数据帧。而Subtype进一步判断帧类型，如管理帧里头细分为关联和认证帧，管理帧的帧格式如下图所示：