IEEE 802.11 MAC 基础盘点

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。