IEEE 802.11 MAC 帧

Ehternet 的成帧很简单，只需在前加上前导码、寻址信息并在结尾加上校验和，相比而言，802.11 的成帧复杂，因为无线网络需要加入较多控制和管理的功能。

一、帧格式¹

下图为一般的 802.11 MAC 帧格式，单位为字节，会用到哪些字段取决于帧的类型。

Frame Control

帧控制字段，包含协议、帧类型以及标志位等信息。其中 Type 字段标记当前帧的类型，包括管理帧、控制帧、数据帧三类；Sub-type 字段标记每种帧类型中的子类型，不同类型的帧有不同的处理方式。

Duration / ID

这个字段有三种形式，如下图。设定 NAV 时，第 15 位为 0，其他位标识 NAV 的值，单位为微秒；在无竞争周期传送的帧中，第 14、15 位为 01，其余位均为 0，用来公告所有 STA 网络无竞争周期，避免它们干扰传送；在 PS-Poll（省电轮询）帧中，第 14、15 位为 11，其他位则表示 AID（Association ID），AP 用来查找相应的缓冲帧。

Address

802.11 帧最多包含 4 个地址字段，不同类型的帧包含的地址字段数量有所不同，它们可能表示目的地址（最终的接收端）、来源地址（帧的来源）、接收端地址（负责接收处理该帧的无线设备，可以是 STA 或 AP）、发送端地址（将帧传至无线媒介的无线接口）或者 BSSID（在基础结构型网络里是 AP 的 MAC 地址，在独立型网络则为随机的值）。

Sequence Control

分为片段编号和顺序编号，用于重组片段和丢弃重复帧。

Frame Body

帧主体，负责传递上层有效载荷（Payload）。

FCS（Frame Check Sequence）

帧校验序列，是一种 32 bit 长的循环冗余校验码（CRC），FCS 和 CRC 的底层算法相同，用于检查所收到的帧的完整性。

二、对上层协议的封装

和以太网不同，802.11 封装依靠 802.2 的逻辑链路层封装来携带上层数据包。封装三层数据包时，先由衍生自 802.2 子网访问协议（SNAP，Sub-network Access Protocol）的 RFC 1042 或 802.1h 封装，SNAP 标头以目的服务接入点（DSAP，Destination Service Access Point）和源服务接入点（SSAP，Source Service Access Point）开始，之后依次为控制、OUI（组织唯一标识）、数据包类型字段，最后是数据包主体。LLC 层封装后，802.11 会再添加 MAC 标头，填入目的地址、源地址等信息，最后计算数据帧的帧校验序列，加到帧的末尾。

三、帧类型¹

前面有提到，802.11 MAC 帧分为三类，分别为数据帧、控制帧和管理帧，本节介绍各种帧的特点及作用。

1. 数据帧

数据帧主要负责承载数据的传输，将上层协议的数据置于帧主体中加以传递，此外它还标记数据的传输方式，例如 QoS、CF-Poll 等等。控制帧和管理帧不承载上层数据包。数据帧子类型包括下面这些：

• Data
• Data + CF-ACK
• Data + CF-Poll
• Data + CF-ACK + CF-Poll
• Null（无承载数据）
• CF-ACK（无承载数据）
• CF-Poll（无承载数据）
• CF-ACK + CF-Poll（无承载数据）

另外，802.11e 提议引入 QoS，但尚未标准化，Sub-type 字段首位为 1 则表示启用了 QoS 支持，因此，有人称第一位为 QoS 位。

2. 控制帧

控制帧负责管理媒介的访问权，避免物理链路发生冲突，并且确保帧被成功传输，提供 MAC 层的可靠性，此外还包括省电程序；

RTS 帧

用来预约无线链路的使用权，为了确保传输数据时不会有冲突，会先发送一个 RTS 帧，其他设备收到 RTS 帧后，会在一段时间内保持静默。

CTS 帧

用于应答 RTS 帧，接收端收到 RTS 帧后，如果没有冲突，便应答一个 CTS 帧，标识当前无线链路可用，CTS 帧同样会使其他设备保持静默，如果发送端发送 RTS 后没有收到 CTS，便判定物理链路忙碌，将在一段时间内保持静默。

ACK 帧

确认数据已正确传输，接收端正确接数据后，应答一个 ACK 帧，若发送端未收到 ACK，则认为传输失败，将重传数据，以此实现传输的可靠性。

这里提一下，802.11 网络中的物理链路访问控制和传输可靠性主要依靠的就是 RTS、CTS、ACK。

在传输大型帧时干扰较多，需要用 RTS 来取得媒介的访问权。网卡驱动会设置一个 RTS 阈值，传送大于 RTS 阈值的帧之前，先进行 RTS / CTS 交换，先向接收端发送 RTS 帧，接收端收到 RTS 后应答 CTS 帧，以此清空物理链路，然后发送端再发送数据帧，接收端正确接收后，应答ACK；至于长度小于 RTS 阈值的帧，则不进行 RTS / CTS 交换，直接发送数据帧，然后接收端应答 ACK。上述流程中，每个帧之间都间隔 SIFS，流程结束后进入 DIFS，DIFS 结束后网络中的设备再次开始竞争物理链路使用权。

PS-Poll 帧

控制帧的子类型中还包括 PS-Poll 帧，参与 802.11 的省电程序机制，用于从 AP 获取缓存帧。PS-Poll 帧中包含一个 AID 字段，AID（Association ID）即关联 ID，用于识别关联，便于 AP 为该关联找出缓存的帧。

CF-End 帧

表示无竞争周期结束。

CF-End + CF-ACK 帧

表示无竞争周期结束，同时进行无竞争周期确认。

3. 管理帧

管理帧主要负责网络的访问控制，参与 WLAN 的连接、断开、身份验证等操作，以及进行 WLAN 的识别，使无线网络能实现类似传统有线网络的寻找插座、连接网线等操作。与控制帧相比，控制帧管理的是数据传输的过程，而管理帧管理的是无线网络本身。管理帧包含帧主体，可以携带一些固定字段或是信息元素，以传递详细的网络管理消息，例如 SSID、WPA 密钥等等。

Beacon 帧

一种比较重要的类型，用于声明网络的存在，是网络的信标，其中包含 SSID、BSSID 等字段，以及加入网络所需的参数，周期性传送信标可以让 STA 得知网络的存在。

Probe Request 帧

探查请求，用来扫描区域内的 802.11 网络，它包含要探查的 SSID 和 STA 支持的频率信息，收到 Probe Request 帧的 AP 会判断 STA 是否能加入网络。

Probe Response 帧

即探查响应，收到 Probe Request 帧后，若 STA 与网络兼容，AP 就会应答一个 Probe Response 帧。Probe Response 包含 Beacon 中的所有参数，STA 根据它调整加入网络所需的参数。

ATIM 帧

Announcement Traffic Indication Message 即通知传输指示消息，用于 IBSS 的省电机制，某台设备休眠时，会发出一个 ATIM 帧，此后发往该设备的帧会被发送方缓存。

Authentication 帧

用于建立连接前的身份验证，帧中包含算法代号，由于使用的算法不同，认证过程可能包含多个步骤，因此要为每个 Authentication 帧标记序号，状态码和质询文本因算法而异。

Association Request 帧

用来请求加入网络，STA 判断与网络兼容并通过身份验证后，便会发送 Association Request 帧 请求关联。

Association Response 帧与Reassociation Response 帧

分别用于关联请求和重新关联请求的响应，在响应过程中，会为当前关联指定 AID，(Re)Association Response 帧传输完成后关联关系建立。

Reassociation Request 帧

主要用于同一 ESS 内的 BSS 切换过程，允许 STA 短暂离开网络后重新加入，相较于 Association Request 帧，Reassociation Request 帧包含 STA 此前关联的 AP 的 MAC 地址，这样新旧 AP 可以彼此联系和转移缓存的数据。

Disassociation 帧与 Deauthentication 帧

分别用于解除关联关系和认证关系，两者均包含一个 Reason 字段，用于描述解除关系的原因。在解除认证关系时会自动解除关联关系。

Action 帧

由 802.11h 引入，用于其他功能，例如 DFS。

四、帧的内容

到这里，我们已经了解到，802.11 MAC 设计了多种类型的帧来保证 WLAN 正常工作，为了理解成帧细节，下面就以 Beacon 帧为例，抓包看看 802.11 MAC 帧的内容。

首先 Beacon 帧的 MAC 标头长度为 24 字节。

Frame Control（2 字节）

其中协议版本（2 bit）为 0，帧类型（2 bit）为 00（管理帧），子类型（4 bit）为 000（Beacon 帧），标志位（8 bit）全部置 0。

Duration 字段（2 字节）

值为 0，表示 NAV 为 0，不进行计时。

目的地址（6 字节）

值为 ff:ff:ff:ff:ff:ff，广播地址，Beacon 帧的定义中没有接收端地址。

源地址（6 字节）

值为 96:63:72:0e:9f:e1，同样地，Beacon 帧的定义中没有发送端地址。

BSSID（6 字节）

值为 96:63:72:0e:9f:e1，与源地址相同，以 AP 的 MAC 地址作为 BSSID。

帧分片序号（4 bit）

值为 0，表示不分片；帧序列号（12 bit）为 694。

帧校验序列（4 bit）

在帧主体后面，帧的结尾处，值为 0xEA820968，显示校验结果正确，数据完整。

Beacon 帧主体

分为固定长度的固定字段（Fixed Parameters）和长度不定的标签字段（Tagged Parameters）。

信息元素：SSID

最后看看 Beacon 帧主体中的标签字段 SSID，每个标签字段也称为信息元素（Information Element，EI），是长度不定的字符串，SSID 长度介于 0 至 32 字节之间，元素编号（1 字节）为 0，长度（1 字节）为 10，无线网络的 SSID 为 vivo NEX S。

五、总结

分析完 802.11 MAC 帧的部分细节，对 802.11 工作原理有了一个系统化的、动态的认识，了解了一些典型机制的基本原理，比如可靠性传输、竞争周期、建立连接、扫描的过程等等，将日常使用 Wi-Fi 的操作和这些帧对应起来，就明白我们通过 Wi-Fi 上网时，设备之间究竟发生了什么。当然，这里也不可能了解 802.11 MAC 帧的全部内容，更多原理有待后续学习。