802.11 幀封裝細節

802.11幀主要有三類：

數據幀——好比 802.11 的馱馬，負責在工作站之間傳輸數據。

控制幀——控制幀通常與數據幀搭配使用， 負責區域的清空、信道的取得以及載波監聽的維護，並於收到數據時予以正面的應答，借此促進工作站間數據傳輸的可靠性。

管理幀——管理幀負責監督， 主要用來加入或退出無線網絡， 以及處理基站之間連接的轉移事宜。

 

4.1 數據幀

數據幀會將上層協議的數據置於幀主體加以傳遞。會用到哪些位，取決於該數據幀所屬的類型。

一種區分方式：競爭式服務和免競爭服務兩種數據幀

 

另一種區分方式： 對攜帶數據與提供管理功能的幀加以區別

 

表4-1： 數據幀的各種分類方式

幀類型	基於競爭的服務	無競爭服務	攜帶數據	未攜帶數據
Data	√		√
Data+CF-ACK		√	√
Data+CF-Poll		AP only	√
Data+CF-ACK+CF-Poll		AP only	√
Null	√	√		√
CF-ACK		√		√
CF-Poll		AP only		√
CF-ACK+CF-Poll		AP only		√

 

4.1.1 Frame Control（幀控制）
最值得注意的是那些地址位，它們的意義將因 ToDS 及FromDSbit 的值而異。

4.1.2 Duration（持續時間）

Duration（持續時間）位用來記載網絡分配矢量（ NAV）的值。
數據幀之 Duration 位的設定，必須依循四項規范：
1.免競爭期間所傳遞的任何幀，必須將 Duration 位設定為 32768。此規范適用於免競爭期間所傳遞的任何數據幀。

2.目的地為廣播或組播地址的幀（ Address 1 位設定了群組 bit），其持續時間為 0。此類幀並非基本交換過程的一部分，接收端也不會加以應答，因此競爭式介質訪問可以在廣播或組播數據幀結束后立即開始。 NAV 在幀交換過程中是用來保護傳輸介質。既然廣播或組播幀之后不會有來自鏈路層的應答，因此沒有必要為后續幀鎖住介質使用權。

3.如果 Frame Control 位中的 More Fragments bit 為 0，表示該幀已無其余片段。最后的幀片段只須為本身的應答預訂介質使用權，之后就可以恢復競爭式訪問了。 Duration位會被設定為發送一個短幀間隔及片段應答所需要的時間。整個過程如圖 4-2 所示。倒數第二個片段的 Duration 位，會為最后一個片段鎖住介質使用權。

4.如果 Frame Control 位的 More Fragmentsbit 被設定為 1 ，表示其后還有幀片段。因此，Duration 位便會被設定為發送兩個應答、加上三個短幀間隔及下一個幀片段所需要的時間。為非最終片段設定 NAN 的方式本質上與 RTS 相同，所以亦稱為虛擬 RTS。

 

4.1.3 地址與 DS Bit

地址位的編號與功能取決於設定了哪個 DS（傳輸系統） bit，因此所使用的網絡類型會間接影響到地址位的用法。表 4-2 列出了地址位在數據幀中的各種用法。只有無線橋接器才會使用第四個地址位，因此比較少見。

表 4-2：地址位在數據幀中的用法

功能	ToDS	FromDS	Address 1(receiver)	Address 2(transmitter)	Address 3	Address 4
IBSS	0	0	DA	SA	BSSID	not used
To AP	1	0	BSSID	SA	DA	not used
From AP	0	1	DA	BSSID	SA	not used
WDS（橋接器）	1	1	RA	TA	DA	SA

注意 接收端和 目的地並不是完全相同的。

目的地是指負責處理幀中網絡層封包的工作站； 

接收端則是負責將無線電解碼為 802.11 幀的工作站。

源地址是指產生幀中網絡層協議封包的工作站

發送端則是負責將幀發送至無線鏈路。

Address 3 位則是供基站與傳輸系統過濾之用，不過該位的用法，取決於所使用的網絡類型。

 

4.1.4 數據幀的次類型

• Data（數據）

次類型為 Data 的幀，只有在競爭訪問期間才會傳輸。

• Null（空）

它是由 MAC 標頭與 FCS 標尾所組成。在傳統的以太網中， Null幀無非就是額外的負擔；在 802.11 網絡中，移動工作站會利用 Null 幀來通知基站省電狀態的改
變。

 

4.1.5 數據幀的封裝
4.1.5.1 IBSS 幀

IBSS 數據幀的次類型不是 data 就是 Null；后者只是用來告知目前的電源管理狀態。

4.1.5.2 發送自基站（ From AP）的幀
區分源與發送端所以必要，是因為 802.11 MAC 會將應答送給幀的 Transmitter(發送端 AP)，而較上層的協議會將應答送給幀的 source（來源地）。

4.1.5.3 發送至基站（ To AP）的幀

發送至傳輸系統（ Ds）的幀其 ToDS bit 會被設定為 1 ，而 FromOS bit 會被設定為 0。

4.1.5.4 WDS 中的幀

4.1.5.5 經加密的幀

Frames Control（幀控制）位的 Protected Frame bit 會被設定為 1

 

4.2 控制幀

控制幀主要在協助數據幀的傳遞。

4.2.1 一般的幀控制位

ToDS 與 FromDS bit

控制幀負責處理無線介質的訪問，因此只能夠由無線工作站產生。傳輸系統並不會收送控制幀，因此這兩個 bit 必然為 0。

 

4.2.2 RTS（請求發送）
RTS 幀可用來取得介質的控制權，以便傳輸「大型」幀。至於多大稱之大型：是由網卡驅動程式中的 RTS threshold（門限）來定義。介質訪問權只能保留給單點傳播（ unicast）幀使用，而廣播（broadcast）與組播（ multicast）幀只須發送便是了。

Duration （持續時間）
RTS 幀會試圖預定介質使用權，供幀交換程序使用，因此 RTS 幀發送者必須計算 RTS 幀結束后還需要多少時間。

 

4.2.3 CTS （允許發送）

CTS 幀有兩種目的：1. 用於應答 RTS 幀；2.被 802． 11g 防護機制用來避免干擾較舊的工作站

 

4.2.4 ACK （應答）

ACK 幀就是 MAC 以及任何數據傳輸（包括一般傳輸 RTS/CTS 交換之前的幀、幀片段）所需要的正面應答（ positive acknowledgment）。

4.2.5 PS-Poll （省電模式一輪詢）
當一部移動工作站從省電模式中蘇醒， 便會發送一個 PS-Poll 幀給基站， 以取得任何暫存幀。

AID（連接識別碼）：PS-Poll 幀將會以 MAC 標頭的第三與第四 bit 來代表連接識別碼（association ID）。連接識別碼是基站所指定的一個數值， 用以區別各個連接。 將此識別碼置入幀， 可讓基站找出為其（移動工作站）所暫存的幀。

 

4.3 管理幀
4.3.1 管理幀的結構

4.3.2 長度固定的管理幀元件
Authentication Algorithm Number 位

Authentication Transaction Sequence Number 位

身份認證程序分為好幾個步驟，其中包含由基站所發出的盤問口令（ challenge），以及試圖連接的移動工作站所做出的應答。

 

Beacon interval 位
每隔一段時間就會發出的 Beacon（信標）信號，用來宣布 802.11 網絡的存在。 Beacon幀中除了包含 BSS 參數的信息，也包含基站暫存幀的信息，因此移動工作站必須仔細聆聽Beacons 信號。 Beacon interval（信標間隔）位的長度有 16 個 bit，用來設定 Beacon 信號之間相隔多少時間單位。

 

Capability information 位
長度 16 個 bit 的 Capability Information 性能信息位， 發送 Beacon 信號的時候，它被用來通知各方，該網絡具備哪種性能。

•  ESS/IBSS（擴展服務組合/獨立型塞本服務組合）

這兩個 bit 旗標彼此互斥（ mutually exclusive ）。基站會將 ESS 位設定為 1 ，而將 IBSS 布位設定為 0 ，表示基站屬於基礎網絡的一部分。 IBSS 中的工作站則會將 ESS 位設定為 0 ，而將 IBSS 位設定為 1 。

• Privacy（私響性）

將 Privacy bit 設定認 1 ， 代表需要使用 WEP 以維持機密性。 在基礎網絡中， 發送端為基站。在 IBSS 里， Beacon 信號必須由 IBSS 當中某部工作站負責。

• short Preamble（短同步信號）

802.11b 規格新增此位的目的，是為了支持高速直接序列擴頻物理層( high-rate DSSS PHY）。將之設定為 1 ，代表此網絡目前使用短同步信號（ short preamble），對此第十章會有進一步的說明。 0 代表不使用此選項，並且在該 BSS 中禁止使用短同步信號。 802.11g 規定使用短同步信號，因此在依循 802.11g 標准所建置的網絡中，此位必然設定為 1 。

• PBCC（分組二進制卷積編碼）

802.11b 規格新增此位的目的，是為了支持高速直接序列擴頻物理層(high-rate DSSS PHY）。

• Channel Agility（機動信道轉換）

這一位加入 802.11b 規格的目的，是為了支持高速直接序列擴頻物理層(high-rate DSSS PHY）。

• Short Slot Time（ 802.llg）

此 bit 若設定為 1 ，代表使用 802.11 所支持的較短的時槽，這將於第十四章討論。

• DSSS-OFDM（ 802.lIg）

bit 若設定為 1 ，代表使用 802.11g 的 DSSS-OFDM 幀構建（ frame construction）選項。

• Contention-free polling（免競爭輪詢） bit

工作站與基站使用這兩個 bit(CF-Ppllable 與 CF-Poll Request)當作標簽。

Current AP Address 位
移動工作站可以使用圖 4-25 所示的 Current AP Address（目前基站的地址）位來表明目前所連接的基站的 MAC 地址。 這個位的用途是便於連接（ association） 與重新連接（ reassociation）的進行。 工作站會借此發送上一次所連接的基站的地址。 當工作站打算與不同的基站建立連接時，此位可用來轉換連接，以及取回所有暫存的幀。

Listen interval 位

所謂 Listen Interval，其實就是以 Beacon interval（信標間隔）為單位所計算出的休眠時間。

 

Association ID 位
長度 16bit

Timestamp 位
用來同步 BSS 中的工作站 BSS 的主計時器會定期發送目前已作用的微秒數。 當計數器到達最大值時， 便會從頭開始計數。

Reason Code 位
當對方不適合加入網絡時，工作站會送出 Disassociation（解除連接）或 Deauthentication（解除身份認證）幀作為應答。這些幀當中包含一個長度 16bit 的 Reason Code（原因代碼）位，表示對方的做法有誤，

代碼	含義
0	保留，未使用（ Reserved; unused）
1	未指定（ Unspecified）
2	之前的身份認證無效（ Prior authentication is not valid）
3	工作站已經離開基本服務區或擴展服務區，目前已經解除身份認證
4	閑置計時器超時，且工作站已經解除連接
5	基站資源不足，因此解除連接
6	從尚未認證的工作站所收到的幀類型或次類型不正確
7	從尚未連接的工作站所收到的幀類型或者次類型不正確
8	工作站已經離開基本服務區或擴展服務區，目前已經解除連接
9	在身份認證完成之前要求連接或者重新連接
10( 802.11h)	無法接受 Power Capability 信息元素的設定值，因此解除連接
11( 802.11h)	無法接受 Supported Channels 信息元素的設定值，因此解除連接
12	保留
13( 802.11i)	信息元素不正確（ 802.11i 所加入的原因代碼， 因此應指 802.11i 的信息元素）
14( 802.11i)	數據完整性檢驗失敗
15( 802.11i)	四道密鑰磋商超時
16( 802.11i)	群組密鑰磋商超時
17( 802.11i)	四道磋商信息元素的安全參數與原始參數組合不符
18( 802.11i)	群組密碼鎖不正確
19( 802.11i)	成對密碼鎖不正確
20( 802.11i)	身份認證與密鑰管理協議不正確
21( 802.11i)	未支持的固安網絡信息元素版本
22( 802.11i)	RSN IE 的性能項不正確
23( 802.11i)	802.1X 身份認證失敗
24( 802.11i)	所設定的使用政策拒絕所提議的密鑰鎖組
25-65535	保留

 

Status Code 位
狀態代碼用來表示某項過程成功或失敗。

 

4.3.3 管理幀的信息元素
信息元素（ information element）是管理幀的組成元件，其長度不定。信息元素通常包含一個 Element ID（元素識別碼）位、一個 Length（長度）位以及一個長度不定的位，如圖 4-31所示。 Element ID 編號的標准值如表 4-7 所示。

 

表 4-7：信息元素

Element ID	Name
0	服務集標識（ Service Set Identity (SSID)）
1	所支持的速率（ Supported Rates）
2	跳頻參數集合（ FH Parameter Set）
3	直接序列參數集合（ DS Parameter Set）
4	免競爭參數集合（ CF Parameter Set）
5	數據待傳信息（ Traffic Indication Map (TIM)）
6	IBSS 參數集合（ IBSS Parameter Set）
7 (802.11d)	國家（ Country）
8 (802.11d)	跳頻模式參數（ Hopping Pattern Parameters）
9 (802.11d)	跳頻模式表（ Hopping Pattern Table）
10(802.11d)	請求（ Request）
11-15	保留；未使用（ Reserved; unused）
16	盤查口令（ Challenge text）
17-31	保留【注 a】（在 802.11 共享密鑰身份認證停用之前，保留給盤查口令未來擴充用）
32(802.11h)	功率限制（ Power Constraint）
33(802.11h)	功率性能（ Power Capability）
34(802.11h)	發射功率控制請求（ Transmit Power Control (TPC) Request）
35(802.11h)	發射功率控制報告（ TPC Report）
36(802.11h)	所支持的信道（ Supported Channels）
37(802.11h)	信道切換宣告（ Channel Switch Announcement）
38(802.11h)	測量請求（ Measurement Request）
39(802.11h)	測量報告（ Measurement Report）
40(802.11h)	禁聲（ Quiet）
41(802.11h)	IBSS 動態選頻（ IBSS DFS）
42(802.11g)	ERP 信息（ ERP information）
43-49	保留（ Reserved）
48 (802.11i)	固安網絡（ Robust Security Network）
50(802.11g)	擴展支持速率（Extended Supported Rates）
32-255	保留；未使用（Reserved; unused）
221	Wi-Fi 訪問保護（Wi-Fi Protected Access）

 

4.3.3.1 服務集標識（ Service Set Identity （ SSID ））

有些文件將 SSID 視為網絡名稱，因為網管人員通常以字串來指定 SSID。其實， SSID 不過是由字節所形成的字串，用來標示所屬網絡的 BSSID。有些產品要求此字串必須是以 null（即0）結尾的 ASCII 字串，雖然標准對此並無特別規范。

SSID 的長度介於 0 至 32 字節之間。如果完全不加指定，此種特例稱為 broadcast SSID；broadcast SSID 只用於 Probe Request 幀，工作站可以藉此找出該區域中所有的 802.11 網絡。

 

4.3.3.2 支持速率（ Supported Rates ）
無線局域網絡支持數種標准速率。 802.11 網絡可以使用 Supported Rates（所支持的凍率）信息元素指定其所支持的速率。 當移動工作站試圖加入網絡， 會先檢視該網絡所使用的數據速率。有些速率是強制性的，每部工作站都必須支持，有些則是選擇性的。

它是由一串字節所構成。每個字節會使用七個低效 bit 來代表數據速率；最高效 bit 則是用來表示該數據速率是否為強制性。如果是強制性速率，最高效 bit 為 1 ；非強制性速率則為 0。 此信息元素最多可涵括八種速率。

 

二進制數值	十六進制	響應的速率（ Corresponding rate (Mbps)）
2	82	1Mbps
4	84	2 Mbps
11 (802.11b)	8B	5.5 Mbps
12 (802.11g)	0C	6 Mbps
18 (802.11g)	12	9 Mbps
22 (802.11b)	96	11 Mbps
24 (802.11g)	18	12 Mbps
36 (802.11g)	24	18 Mbps
44 (802.11g)	2C	22 Mbps (802.11g PBCC 選項 optional 802.11g PBCC)
48 (802.11g)	30	24 Mbps
66 (802.11g)	42	33 Mbps (802.11g PBCC 選項 optional 802.11g PBCC)
72 (802.11g)	48	36 Mbps
96 (802.11g)	60	48 Mbps
108 (802.11g)	6C	54 Mbps

圖 4-33 顯示了如何 同時編碼兩種數據速率。除了支持強制性的 2Mbps 服務，也支持選擇性的 11Mbps 服務。

 

4.3.3.4 直接序列參數集合（ DS Parameter Set ）
802.11 直接序列（ Direct-sequence）網絡只有一個參數：網絡所使用的信道數。