这里简单过一过 IEEE 802.11 MAC 层的常见概念1,了解这些名词基本的的用途和目的,具体原理就不做深入讨论了。
- MAC(Media Access Control)
- OSI 模型数据链路层子层,直接管理传输媒介,将传输媒介抽象为物理链路,负责物理链路冲突的避免、进行帧的封装与解封、错误检测和主机定位。
- 主动确认(Positive ACK)
- 由于无线链路的特殊性,传输会受到噪声和干扰的影响,802.11 采用主动确认的机制,所有传出去的帧必须得到回应,否则认为传输漏失,会进行重传。
- 隐藏节点问题
- 假设下图中节点 2 可以直接和节点 1、3 直接通信,但由于某些原因节点 1 无法直接接收到节点 3 的信号,对于节点 1 而言,节点 3 就是隐藏节点。节点 1、3 可能同时向节点 2 发送数据,节点 2 同时收到来自两边的数据便会出现异常,而且节点 1、3 也无从得知发生了错误。
- RTS(Request to Send)
- 为了解决隐藏节点问题,防止冲突发生,802.11 引入 RTS / CTS 机制,发送端在发送数据前,会先发送一个 RTS 帧,预约无线链路的使用权,其他 STA 收到 RTS 帧后,会在一段时间内保持静默。
- CTS(Clear to Send)
- 接收端收到 RTS 帧后,便应答一个 CTS 帧,标识当前无线链路可用,同时 CTS 帧会使其他 STA 保持静默。
- RTS 阈值
- RTS / CTS 交换过程会消耗一定的带宽,在规模不大、接入 STA 较少的无线网络中,很少出现同时传输的情况,且有不少闲置带宽可供重传。RTS 阈值提供了一个折中的冲突控制方案,若帧长度大于阈值,则需要进行 RTS / CTS 交换,否则直接传送帧。
- DCF(Distributed Coordination Function)
- 分布式协调功能,是 CSMA/CA 访问机制的基础。传送数据前,先检测无线链路是否处于清空状态,如果有冲突,STA 会随机为每个帧设定一段退避(Backoff)时间,在这段时间内保持静默。
- PCF(Point Coordination Function)
- 点协调功能,提供无竞争服务,由 AP 扮演协调者的角色,统一协调安排各终端对无线链路的访问,使其不必通过竞争即可以使用媒介。
- HCF(Hybrid Coordination Function)
- 混合协调功能,介于 DCF 和 PCF 之间,尚未完全标准化。
- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
- 带冲突监测的载波监听多路访问技术,发送数据时,先听后发,边发边听,遇到冲突停发,随机延迟后重发。
- CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance)
- 带冲突避免的载波监听多路访问技术,基于 CSMA/CD 改进,监听到空闲并维持一段时间后,才发送数据,接收端正确接收后,延迟应答 ACK,发送端收到 ACK,确定数据正确传输,然后进入空闲状态。
- NAV(Network Access Vector)
- 网络访问矢量,用于虚拟载波监听,本质上是一个计时器,RTS 和 CTS 携带有 NAV 时间信息,其他 STA 收到这些帧后会依据 NAV 开始计时,NAV 非零时物理链路被视为忙碌,期间保持静默,直到 NAV 归零后,才会继续传输。
- IFS(Interframe Space)
- 帧间间隔,是在传输完一个帧后,物理链路从忙碌状态推出后的一段等待时间,用于协调媒介访问。IFS 有几种,如下图:
- SIFS(Short IFS)
- 短帧间间隔,用于优先级较高的传输,例如 RTS、CTS、ACK 等,这些帧在 SIFS 结束后即可进行传输。
- PIFS(PCF IFS)
- 用于 PCF,在无竞争时期,有数据待传的 STA 可以等待 PIFS 结束后再传,其优先级高于任何竞争式传输。
- DIFS(DCF IFS)
- 用于 DCF,是竞争式服务中最短的媒介闲置时间,若媒介限制时间长于 DIFS,则 STA 可以立即访问媒介。
- EIFS(Extended IFS)
- 长度不固定,只在帧传输出现错误时用到。
- DCF 退避算法
- 当帧传输完成并经过 DIFS 后,STA 尝试重新传送堵塞的数据。紧接着 DIFS 的是竞争窗口,也被称为退避窗口,当帧传输失败时,该窗口会扩大,以减缓网络拥塞程度。
- 单播确认、广播不确认
- 尽管无线电是一种广播介质,但因为加入了单播的 QoS 机制,实际上单播传输质量高于广播。
- 帧分段和重组
- 由于物理属性的限制,来自上层的大型数据包可能需要分段封装后,才能由无线电媒介传输,并有助于抗干扰,提升通信可靠性。接收端收到分段的帧后,再重新组合为原始帧。
- 片段突发期
- 这段时期,帧分段会连续传输,每个帧片段以 SIFS 分隔,STA 会一直占有媒介访问权。
- 省电程序(Powersaving Sequence)
- 为了省电,STA 会定期休眠,期间 AP 为其缓存单播帧,STA 苏醒后使用 PS-Poll 帧从 AP 取得这些缓存帧。
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Gast, M. S. 802.11® 无线网络权威指南[M]. 第 2 版. O’Reilly Taiwan 公司. 南京 - 东南大学出版社, 2007.12: 43-73 ↩
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