802.11n PHY-MAC层帧结构解析
- 数据转换过程
- MPDU（MAC帧）结构
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- 1. 帧控制结构（Frame Control）：
- 2. 持续时间/标识（Duration/ID）
- 3. 地址域
- 4. 序列控制（Sequence Control）
- 5. 帧主体（Frame Body）
- 6. 帧检验序列（FCS）
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- PPDU（PHY帧）结构
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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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最近因为业务问题学习了一下802.11n帧结构的有关知识，尽管随着802.11ac、ax时代的到来，802.11n已经走向了终结，但作为史上使用时间最长的WiFi协议，其仍然具有重大的意义。
数据转换过程
- 802.11协议对数据链路层和物理层进行定义。
- 数据链路层分为：逻辑链路控制层（Logical Link Control，LLC）和媒介访问控制层（Media Access Control，MAC）
- 当来自Layer3（网络层）的数据进入数据链路层时，首先会经过LLC，添加一些信息形成MSDU（MAC Service Data Unit），这是一种802.3格式的帧。（注意：所有来自上层的数据包都会被封装为802.11数据帧，因此由MSDU转化的都是数据帧类型）
- MSDU进入MAC层，会被添加上MAC头部信息和尾部FCS校验信息，并被无限网卡驱动转化成MAC协议数据单元MPDU（MAC Protocol Data Unit），这就是平常我们抓包抓到得MAC帧。
- 而除了数据帧之外的控制帧和管理帧，是直接在MAC子层生产为MSDU的？
- 物理层也分为两层：物理层汇聚过程层（Physical Layer Convergence Procedure，PLCP）和物理介质依赖层（Physical Medium Dependent，PMD）
- 当MPDU进入到物理层后，名字会变成PSDU（PLCP Service Data Unit），和MPDU是同一个东西。
- PLCP收到PSDU后，会在PSDU前加一个前导同步码和PHY头部形成PHY层协议数据单元（PPDU）。
- 然后，PPDU会被移交给PMD层，根据不同的算法调制成一串比特流进行发送。
- 所有过程如下图所示。
MPDU（MAC帧）结构
如图，一个完整的MPDU包括以下字段：帧控制、持续时间、地址域（Address1、2、3、4）、序列控制、帧主体（MSDU）、循环冗余校验。以上单位为字节（8bit）。
1. 帧控制结构（Frame Control）：
1)协议版本（Protocol Version）:通常为0，没有新版本。
2)帧类型（Type）：管理帧00（用于STA、AP协商）、控制帧01（用于信道控制）、数据帧10（数据的载体）
3)帧子类型（SubType）：用于表示子类型。
| Type | Subtype | Info |
|---|---|---|
| 00 | 0000 | Association Request（关联请求） |
| 00 | 0001 | Association Response（关联应答） |
| 00 | 0010 | Reassociation Request（重新关联请求） |
| 00 | 0011 | Reassociation Response（重新关联应答） |
| 00 | 0100 | Probe Requset（探测请求） |
| 00 | 0101 | Probe Response（探测应答） |
| 00 | 1000 | Beacon（信标，被动扫描AP发出） |
| 00 | 0110 | Timing Advertisement |
| 00 | 1001 | ATIM（通知传输指示） |
| 00 | 1010 | Disassociation（解除关联） |
| 00 | 1011 | Authentication（链路验证） |
| 00 | 1100 | Deauthentication（解除链路身份验证） |
| 00 | 1101 | Action（功能帧，802.11h加入） |
| 00 | 1110 | Action-No-Ack（无需确认的功能帧） |
| 01 | 0100 | Beamforming Report Poll（波束成形轮询报告,802.11ac新增） |
| 01 | 0101 | VHT NDP Announcement（空数据包通告，802.11ac新增） |
| 01 | 0111 | Control Wrapper（控制封装） |
| 01 | 1000 | Block Ack Request（块确认请求） |
| 01 | 1001 | Block Ack（块确认） |
| 01 | 1010 | PS-Poll（省电轮询） |
| 01 | 1011 | RTS（请求发送） |
| 01 | 1100 | CTS（允许发送） |
| 01 | 1101 | ACK（确认） |
| 01 | 1110 | CF-End（无竞争周期结束） |
| 01 | 1111 | CF-End+CF-Ack（无竞争周期确认，确认正确接收到帧） |
| 10 | 0000 | Data（标准数据帧，无需确认） |
| 10 | 0001 | Data+CF-Ack（无竞争周期确认，确认之前收到的所有帧） |
| 10 | 0010 | Data+CF-Poll（无竞争周期轮询，STA赋予AP缓存帧权利） |
| 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（基本服务集）向DS（分布式系统）发送的帧，也就是Station->AP。
5）From DS：表明是否是DS向BSS发送的帧，也就是AP->Station。
6）More Fragment：用于被分段的帧，是否还有剩余的片段。
7） 重传域（Retry）：是否是重传帧。
8） 电源管理（Power Management）：此帧过后是否进入省电模式，AP发出的帧必为0。
9）More Data：AP是否有缓存的帧需要发送给休眠中的Station。
10）帧保护（Protected Frame）：是否开启了链路认证，只有WEP启用。
11） Order：被分段的帧是否严格按序传送。
2. 持续时间/标识（Duration/ID）
用来表明该帧及其确认帧需要占用信道的时间。
3. 地址域
总体来说有四类地址：SA（源地址）、DA（目的地址）、TA（发送地址）、RA（接收地址），不同的网络类型，占用的Address1、2、3、4有所不同。通常来说1是接收机、2是发射机、3用于接收过滤。（这里待查证）
4. 序列控制（Sequence Control）
用于重组帧片段以及丢弃重复帧。
5. 帧主体（Frame Body）
包含上层数据。
6. 帧检验序列（FCS）
对帧进行完整性检验，通过则传送给上层协议；失败丢弃。
PPDU（PHY帧）结构
802.11n中定义了三种PHY帧格式：Non-HT格式（传统模式）、HT-Mixed格式（混合模式）、HT-Greenfield（绿地模式）。
1. Non-HT
该模式下的帧完全符合802.11a和802.11g格式，所有802.11n产品都必须支持这种格式，但此模式下的802.11n性能最差、速度最慢且无法使用40MHz的信道，。
2. HT-Mixed
该模式下的帧同时包含有Non-HT域和HT域，Non-HT域能够被802.11a和802.11g识别，因此能够兼容a/g协议，所有产品都必须支持这种格式，其速率明显高于传统模式，但相比绿地模式还是付出了明显的吞吐量的代价。
3. HT-Grennfield
该模式下的帧只含有HT域，因此不能兼容802.11a和802.11g，只能被802.11n设备识别，对此格式的支持是可选的，是速度最快、性能最高的模式。
4. L-STF
遗留的短训练字段（Legacy-Short Training Field），BPSK调制，无信道编码，不加扰，时长为8μs，20MHz下使用子载波[-24,-20,…,20,24]共24个OFDM符号训练，40MHz下使用[-58,2]和[2,58]。主要功能是帧同步和粗频率同步
5. L-LTF
遗留的长训练字段（Leagacy-Long Training Field），BPSK调制，无信道编码，不加扰，时长为8μs，20MHz下使用[-26,1]和[1,26],40MHz下使用[-58,2]和[2,58]。主要功能是细频率同步和信道估计。
6. L-SIG
信号位，其结构包含Rate（编码与调制方式）、Reserved、Length（数据位的长度）、Parity（用于奇偶校验）、Tail（用于FEC解码）
7. HT-SIG
高吞吐量信号序列（High-Throughput-Greenfiled），和L-SIG类似，包含了关键的编码和调制参数（传输速率、帧长等等），用于解释HT数据区。该域包含SIG1和SIG2两个部分。
8. HT-GF-STF
高吞吐量绿地模式的短训练序列（HT-Short-Training-Field）。
9. HT-LTF1
第一个高吞吐绿地模式的长训练序列（HT-Long TF），时长为8μs，是其他HT-LTFs的两倍，由时长为1.6μs的长CP（cyclic prefix）和两个完全重复的3.2μs的长训练符号组成，和HT-GF-STF一起用于频率、时间同步。
10. HT-LTFs
高吞吐量绿地模式的长训练序列,包含数据HT-LTF（DATA HT-LTF）和扩展HT-LTF（Extension HT-LTF）两类。其中DLTF用于接收端进行信道评估，以准确地对数据区进行解调；ELTF用于探测帧，对信道更多分量进行评估。