802.11n PHY-MAC層幀結構解析
- 資料轉換過程
- MPDU（MAC幀）結構
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- 1. 幀控制結構（Frame Control）：
- 2. 持續時間/辨別（Duration/ID）
- 3. 位址域
- 4. 序列控制（Sequence Control）
- 5. 幀主體（Frame Body）
- 6. 幀檢驗序列（FCS）
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- PPDU（PHY幀）結構
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- 1. Non-HT
- 2. HT-Mixed
- 3. HT-Grennfield
- 4. L-STF
- 5. L-LTF
- 6. L-SIG
- 7. HT-SIG
- 8. HT-GF-STF
- 9. HT-LTF1
- 10. HT-LTFs
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最近因為業務問題學習了一下802.11n幀結構的有關知識，盡管随着802.11ac、ax時代的到來，802.11n已經走向了終結，但作為史上使用時間最長的WiFi協定，其仍然具有重大的意義。
資料轉換過程
- 802.11協定對資料鍊路層和實體層進行定義。
- 資料鍊路層分為：邏輯鍊路控制層（Logical Link Control，LLC）和媒介通路控制層（Media Access Control，MAC）
- 當來自Layer3（網絡層）的資料進入資料鍊路層時，首先會經過LLC，添加一些資訊形成MSDU（MAC Service Data Unit），這是一種802.3格式的幀。（注意：所有來自上層的資料包都會被封裝為802.11資料幀，是以由MSDU轉化的都是資料幀類型）
- MSDU進入MAC層，會被添加上MAC頭部資訊和尾部FCS校驗資訊，并被無限網卡驅動轉化成MAC協定資料單元MPDU（MAC Protocol Data Unit），這就是平常我們抓包抓到得MAC幀。
- 而除了資料幀之外的控制幀和管理幀，是直接在MAC子層生産為MSDU的？
- 實體層也分為兩層：實體層彙聚過程層（Physical Layer Convergence Procedure，PLCP）和實體媒體依賴層（Physical Medium Dependent，PMD）
- 當MPDU進入到實體層後，名字會變成PSDU（PLCP Service Data Unit），和MPDU是同一個東西。
- PLCP收到PSDU後，會在PSDU前加一個前導同步碼和PHY頭部形成PHY層協定資料單元（PPDU）。
- 然後，PPDU會被移交給PMD層，根據不同的算法調制成一串比特流進行發送。
- 所有過程如下圖所示。
MPDU（MAC幀）結構
如圖，一個完整的MPDU包括以下字段：幀控制、持續時間、位址域（Address1、2、3、4）、序列控制、幀主體（MSDU）、循環備援校驗。以上機關為位元組（8bit）。
1. 幀控制結構（Frame Control）：
1)協定版本（Protocol Version）:通常為0，沒有新版本。
2)幀類型（Type）：管理幀00（用于STA、AP協商）、控制幀01（用于信道控制）、資料幀10（資料的載體）
3)幀子類型（SubType）：用于表示子類型。
| Type | Subtype | Info |
|---|---|---|
| 00 | 0000 | Association Request（關聯請求） |
| 00 | 0001 | Association Response（關聯應答） |
| 00 | 0010 | Reassociation Request（重新關聯請求） |
| 00 | 0011 | Reassociation Response（重新關聯應答） |
| 00 | 0100 | Probe Requset（探測請求） |
| 00 | 0101 | Probe Response（探測應答） |
| 00 | 1000 | Beacon（信标，被動掃描AP發出） |
| 00 | 0110 | Timing Advertisement |
| 00 | 1001 | ATIM（通知傳輸訓示） |
| 00 | 1010 | Disassociation（解除關聯） |
| 00 | 1011 | Authentication（鍊路驗證） |
| 00 | 1100 | Deauthentication（解除鍊路身份驗證） |
| 00 | 1101 | Action（功能幀，802.11h加入） |
| 00 | 1110 | Action-No-Ack（無需确認的功能幀） |
| 01 | 0100 | Beamforming Report Poll（波束成形輪詢報告,802.11ac新增） |
| 01 | 0101 | VHT NDP Announcement（空資料包通告，802.11ac新增） |
| 01 | 0111 | Control Wrapper（控制封裝） |
| 01 | 1000 | Block Ack Request（塊确認請求） |
| 01 | 1001 | Block Ack（塊确認） |
| 01 | 1010 | PS-Poll（省電輪詢） |
| 01 | 1011 | RTS（請求發送） |
| 01 | 1100 | CTS（允許發送） |
| 01 | 1101 | ACK（确認） |
| 01 | 1110 | CF-End（無競争周期結束） |
| 01 | 1111 | CF-End+CF-Ack（無競争周期确認，确認正确接收到幀） |
| 10 | 0000 | Data（标準資料幀，無需确認） |
| 10 | 0001 | Data+CF-Ack（無競争周期确認，确認之前收到的所有幀） |
| 10 | 0010 | Data+CF-Poll（無競争周期輪詢，STA賦予AP緩存幀權利） |
| 10 | 0011 | Data+CF-Ack+CF-Poll |
| 10 | 0100 | Null Data（no data） |
| 10 | 0101 | CF-Ack（no data） |
| 10 | 0110 | CF-Poll（no data） |
| 10 | 0111 | Data+CF-Ack+CF-Poll（no data） |
| 10 | 1000 | QoS Data |
| 10 | 1001 | QoS Data+CF-Ack |
| 10 | 1010 | QoS Data+CF-Poll |
| 10 | 1011 | QoS Data+CF-ACK+CF-Poll |
| 10 | 1100 | Qos Null（no dataa） |
| 10 | 1101 | QoS CF-Ack |
| 10 | 1110 | QoS CF-Poll |
| 10 | 1111 | QoS CF-Ack+CF-Poll |
4）To DS：表明是否是BSS（基本服務集）向DS（分布式系統）發送的幀，也就是Station->AP。
5）From DS：表明是否是DS向BSS發送的幀，也就是AP->Station。
6）More Fragment：用于被分段的幀，是否還有剩餘的片段。
7） 重傳域（Retry）：是否是重傳幀。
8） 電源管理（Power Management）：此幀過後是否進入省電模式，AP發出的幀必為0。
9）More Data：AP是否有緩存的幀需要發送給休眠中的Station。
10）幀保護（Protected Frame）：是否開啟了鍊路認證，隻有WEP啟用。
11） Order：被分段的幀是否嚴格按序傳送。
2. 持續時間/辨別（Duration/ID）
用來表明該幀及其确認幀需要占用信道的時間。
3. 位址域
總體來說有四類位址：SA（源位址）、DA（目的位址）、TA（發送位址）、RA（接收位址），不同的網絡類型，占用的Address1、2、3、4有所不同。通常來說1是接收機、2是發射機、3用于接收過濾。（這裡待查證）
4. 序列控制（Sequence Control）
用于重組幀片段以及丢棄重複幀。
5. 幀主體（Frame Body）
包含上層資料。
6. 幀檢驗序列（FCS）
對幀進行完整性檢驗，通過則傳送給上層協定；失敗丢棄。
PPDU（PHY幀）結構
802.11n中定義了三種PHY幀格式：Non-HT格式（傳統模式）、HT-Mixed格式（混合模式）、HT-Greenfield（綠地模式）。
1. Non-HT
該模式下的幀完全符合802.11a和802.11g格式，所有802.11n産品都必須支援這種格式，但此模式下的802.11n性能最差、速度最慢且無法使用40MHz的信道，。
2. HT-Mixed
該模式下的幀同時包含有Non-HT域和HT域，Non-HT域能夠被802.11a和802.11g識别，是以能夠相容a/g協定，所有産品都必須支援這種格式，其速率明顯高于傳統模式，但相比綠地模式還是付出了明顯的吞吐量的代價。
3. HT-Grennfield
該模式下的幀隻含有HT域，是以不能相容802.11a和802.11g，隻能被802.11n裝置識别，對此格式的支援是可選的，是速度最快、性能最高的模式。
4. L-STF
遺留的短訓練字段（Legacy-Short Training Field），BPSK調制，無信道編碼，不加擾，時長為8μs，20MHz下使用子載波[-24,-20,…,20,24]共24個OFDM符号訓練，40MHz下使用[-58,2]和[2,58]。主要功能是幀同步和粗頻率同步
5. L-LTF
遺留的長訓練字段（Leagacy-Long Training Field），BPSK調制，無信道編碼，不加擾，時長為8μs，20MHz下使用[-26,1]和[1,26],40MHz下使用[-58,2]和[2,58]。主要功能是細頻率同步和信道估計。
6. L-SIG
信号位，其結構包含Rate（編碼與調制方式）、Reserved、Length（資料位的長度）、Parity（用于奇偶校驗）、Tail（用于FEC解碼）
7. HT-SIG
高吞吐量信号序列（High-Throughput-Greenfiled），和L-SIG類似，包含了關鍵的編碼和調制參數（傳輸速率、幀長等等），用于解釋HT資料區。該域包含SIG1和SIG2兩個部分。
8. HT-GF-STF
高吞吐量綠地模式的短訓練序列（HT-Short-Training-Field）。
9. HT-LTF1
第一個高吞吐綠地模式的長訓練序列（HT-Long TF），時長為8μs，是其他HT-LTFs的兩倍，由時長為1.6μs的長CP（cyclic prefix）和兩個完全重複的3.2μs的長訓練符号組成，和HT-GF-STF一起用于頻率、時間同步。
10. HT-LTFs
高吞吐量綠地模式的長訓練序列,包含資料HT-LTF（DATA HT-LTF）和擴充HT-LTF（Extension HT-LTF）兩類。其中DLTF用于接收端進行信道評估，以準确地對資料區進行解調；ELTF用于探測幀，對信道更多分量進行評估。