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    80211帧格式--管理帧、数据帧、控制帧

    因为无线数据链路所带来的挑战,MAC被迫采用了许多特殊的功能,其中包括使用四个地址位。并非每个帧都会用到所有的地址位,这些地址位的值,也会因为MAC帧种类的不同而有所差异。未解决标题中所提到的问题,我们先来看一般的80211 MAC帧格式。

    我们可以看出802.11 MAC帧并未包含以太网帧的某些典型功能,其中最显著的是type/length位以及 preamble(同步信号) 。Preamble属于物理层, 而封装细节(如type与length) 则出现在802.11 帧所携带的标头(header)中。另外我们可以看到,通常一般的80211 MAC 帧的最大长度为2346字节。下面分别来看一下802.11 MAC 帧的不同部分所代表的不同含义。

    Frame Control

    所有帧的开头均是长度两个字节的Frame Control(帧控制)位,Frame Control的组成如图所示。

    Protocol位

    • 协议版本位由两个bit构成,用以显示该帧所使用的MAC版本。目前,802.11 MAC只有 一个版本;它的协议编号为0。未来IEEE如果推出不同于原始规格的MAC版本,才会出现其 他版本的编号。到目前为止,802.11改版尚不需用到新的协议编号,所以一般该位默认都是0。

    Type 与 Subtype位

    • 类型与子类型位用来指定所使用的帧类型。为了抵抗噪声与提升可靠性,802.11 MAC内 建了一些管理功能,如RTS/CTS与ACK。 下表显示了type与subtype位跟帧类型的对应关系。

    • Type位含有两个bit,不同的值代表了不同的帧类型,即当前帧是属于数据帧、管理帧还是控制帧。

    Type 值

    帧类型

    00

    管理帧

    01

    控制帧

    10

    数据帧

    11

    保留

    TO DS 与 From DSbit

    这两个bit用来指示帧的目的地是否为传输系统。在基础网络里,每个帧都会设定其中一个 DS bit。下表为不同的设定值的含义。

     

    More fragments bit

    此bit的功能类似IP的More fragmentsbit。若较上层的封包经过MAC分段处理,除最后一个片段外,其他片段均会将此bit设定为1。以此来判定帧是否传输完成,然后再将这些帧片段重新组合成原来的帧。大型的数据帧以及某些管理帧可能需要加以分段;除此之外的其他帧则会将此bit设定为0。实际上,大多数数据帧均会以最大的以太网长度进行传送,不过帧分段并不常用。

    Retry bit

    有时候可能需要重传帧。任何重传的帧会将此bit设定为1,以协助接收端剔除重复的帧。

    Power management bit

    802.11网卡通常以PC Card的型式出现,主要用于以电池供电的膝上型或手持式电脑。为了提高电池的使用时间,通常可以关闭网卡以节省电力。此bit用来指出传送端在完成目前的基本帧交换之后是否进入省电模式。1代表工作站即将进入省电模式,而0则代表工作站会一直保持在清醒状态。基站必须行使一系列重要的管理功能,所以不允许进入省电模式,因此基站所传送的帧中,此bit必然为0。

    More data bit

    为了服务处于省电模式的工作站,基站会将这些由“传输系统”接收而来的帧加以暂存。 基站如果设定此bit,即代表至少有一个帧待传给休眠中的工作站。

    Protected Frame bit

    相对于有线网络,无线传输本质上就比较容易遭受拦截。如果帧受到链路层安全协议的保护,此bit会被设定为1,而且该帧会略有不同。之前,Protected Frame bit被称为WEP bit。

    Orderbit

    帧与帧片段可依序传送,不过发送端与接收端的MAC必须付出额外的代价。一旦进行“严格依序”传送,此bit被设定为1。

    Duration/ID 位

    Duration/ID位紧跟在frame control位之后。此位有许多功能,一般有一下三种可能的形式。

    1. Duration:设定NAV

    当第15个bit被设定为0时,Duration/ID位就会被用来设定NAV。此数值代表目前所进行的传输预计使用介质多少微秒。工作站必须监视所收到的任何帧头,并据以更新NAV。任何超出预计使用介质时间的数值均会更新NAV,同时阻止其他工作站访问介质。

    1. 免竞争期间所传送的帧

    在免竞争期间(contention-free period,简称CFP),第14个bit为0而第15个bit为1。 其他所有bit均为0,因此duration/ID位的值为32768。这个数值被解读为NAV。它让没有收到Beacon(信标)帧的任何工作站,得以公告免竞争期间,以便将NAV更新为适当的数值,避免干扰到免竞争传输。

    1. PS-Poll帧

    在PS-Poll(省电模式-轮询)帧中,第14与第15个bit会被同时设定为1。移动式工作站可以关闭天线以达到省电目的。休眠中的工作站必须定期醒来。为确保不致丢失任何帧,从休眠状态醒来的工作站必须送出一个PS-Poll帧,以便从基站取得之前暂存的任何帧。此外,醒来的工作站会在PS-Poll帧中加入连接识别码(association ID,简称AID),以显示其所隶属的 BSS。AID包含在PS-Poll帧中,其值介于1-2,007。而介于2,008-16,383的值目前保留并未使用。

    Address 位

    一个802.11帧最多可以包含四个地址位。这些位地址位均经过编号,因为随着帧类型不同,这些位的作用也有所差异。一般来讲,Address 1代表接收端,Address 2代表传送端,Address 3位被接收端拿来过虑地址。举例而言,在基础网络里,第三个地址位会被接收端用来判定该帧是否属于其所连接网络。具体来讲,address有一下四个用途:

    • 目的地址:和以太网一样,目的地址(Destination address)是长度48个bit的IEEE MAC识别码,代表最后的接收端,亦即负责将帧交付上层协议处理的工作站。

    • 源地址 :此为长度48个bit的IEEE MAC识别码,代表传输的来源。每个帧只能来自单一工作站,因此Individual/Group bit必然为0,代表来源地址(Source address)为单一工作站。

    • 接收端地址 :此为长度48个bit的IEEE MAC识别码,代表负责处理该帧的无线工作站。如果是无线工作站,接收端地址即为目的地址。如果帧的目的地址是与基站相连的以太网结点,接收端即为基站的无线界面,而目的地址可能是连接到以太网的一部路由器。

    • 传送端地址:此为长度48个bit的IEEE MAC识别码,代表将帧传送至无线介质的无线界面。传送端地址通常只用于无线桥接。

    Seq-ctl

    此位的长度为16个bit,用来重组帧片段以及丢弃重复帧。它由4个bit的fragment number(片段编号)位以及12个bit的sequence number(顺序编号)位所组成。控制帧未使用顺序编号,因此并无sequence control位 。

    当上层帧交付MAC传送时,会被赋予一个sequence number(顺序编号)。此位的作用,相当于已传帧的计数器取4096的模(modulo)。此计数器由0起算,MAC每处理一个上层封包就会累加1。如果上层封包被切割处理,所有帧片段都会具有相同的顺序编号。 如果时重传帧,则顺序编号不会有任何改变。帧片段之间的差异在于fragment number(片段编号)。第一个片段的编号为0。其后每个片段依序累加1。重传的片段会保有原来的sequence number协助重组。具备QoS延伸功能的工作站对sequence control位的解读稍有不同,因为这类工作站必须同时维护多组传送队列。

    Frame Body

    帧主体(Frame Boby)亦称为数据位,负责在工作站间传送上层数据(payload)。在最初制定的规格中,802.11帧最多可以传送2304个bit组的上层数据。(实际上必须能够容纳更多的数据,以便将安全性与QoS相关标头纳入)802.2 LLC标头具有8个bit组,最多可以传送 2296个bit组的网络协议数据。防止分段必须在协议层加以处理。在IP网络中,Path MTU Discovery(路径最大传输单位查询;RFC1191)将可避免大于1500个bit组的帧传递。 802.11与其他链路层技术不同之处,表现在两个比较显著的方面。首先,在802.11帧中并 无任何上层协议的标记可供区别。上层协议是以额外标头type位加以标记,同时将其作为802.11所承载数据的开始。其次,802.11通常不会将帧填补至最小长度。802.11所使用的帧并不大,随着芯片与电子技术的进展,目前已经没有填补的必要。

    FCS(帧校验序列)

    和以太网一样,802.11帧也是以帧检验序列(frame check sequence,简称FCS)作为结束。FCS通常被视为循环冗余码(cyclic redundancy check,简称CRC),因为底层的数学运算 相同。FCS让工作站得以检查所收到的帧的完整性。FCS的计算范围涵盖MAC标头里所有位以及帧主体。虽然802.3与802.11计算FCS的方法相同,不过802.11所使用的MAC标头与 802.3的不同,因此基站必须重新计算FCS。当帧送至无线界面时,会先计算FCS,然后再由RF或IR链路传送出去。接收端随后会为所收到的帧计算FCS,然后与记录在帧中的FCS做比较。如果两者相符,该帧极有可能在传输过程中并未受损。在以太网上,如果帧的FCS有误,则随即予以丢弃,否则就会传送给上层协议处理。在802.11网络上,通过完整性检验的帧还需接收端送出应答。例如,接收无误的数据帧必须得到正面应答,否则就必须重传。对于未能通过FCS检验的帧,802.11并未提供负面应答机制;在重传之前,工作站就必须等候应答超时。

    802.11对上层协议的封装

    和所有其他的802链路层一样,802.11可以传输各种不同的网络层协议。和以太网不同的是,802.11是以802.2的逻辑链路控制封装来携带上层协议。图3-13显示了如何以802.2LLC 封装来携带IP封包。如该图所示,802.1H与RFC 1042所使用的『MAC标头』长度为12个 bit组,其内容为以太网上的『源MAC地址』与『目的MAC地址』,或者前面所提到的长标头 (long 802.11MAC header)。

    传输时,用来封装LLC数据的方式有两种。其中一种是RFC 1042所描述的方式,另外一种则是802.1H所规范的方式。两种标准各自有其别名。RFC 1042有时候被称为IETF封装,而802.1H有时候则被称为隧道式封装(tunnel encapsulation)。这两种方式极为相似。

    RFC 1042与802.1H均衍生自802.2的子网络访问协议(sub-network access protocol,简称SNAP)。MAC地址会被复制到封装帧(encapsulation frame)的开头,然后插入SNAP 标头。SNAP标头一开始是目的服务访问点(destination service access point,简称DSAP)与源服务访问点(source service access point,简称SSAP)。然后是一个控制位。和高阶数据链路控制(high-level data link control,简称HDLC)及其衍生协议一样,此控制位会被设定为0x03,代表未编号信息(unnumbered information,简称UI),对应到IP datagram所谓的尽力传送(best-effert delivery)范畴。SNAP所置入的最后一个位是组织代码(organizationally unique identifier,简称OUI)。起初,IEEE希望用一个bit组的服务访问点(service access point)来 涵盖网络协议编号,不过后来证明这种看法过于乐观。因此,SNAP只得从原来的以太网帧复制一份类型代码(type code)。802.11H与RFC 1042之间的唯一差异,在于其使用的OUI。

    有些产品可以让使用者在两种封装标准间进行切换,虽然这种功能并不常见。以Microsoft 操作系统而言,AppleTalk与IPX协议组预设使用802.1H,其他协议则使用RFC 1042。目前大部分基站均依循Microsoft的做法,不再提供封装方式的切换选项。事实上,由于Microsoft 所采用的封装方式得到广泛的支持,因此Wi-Fi联盟的认证测试计划亦将它包含在内。

    参考:《802.11 无线权威指南》

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  • 以太网数据帧内容详解

    千次阅读 2019-09-13 18:52:26
    在学习计算机网络的时候,好像更偏重于了解ip头部的格式,经常忽略了数据链路层下数据帧的格式,今天在书上看到一个不错的关于数据帧格式的介绍,翻译并分享给大家。 Preamble 前导码,序言:7byte或56bits的...

    在学习计算机网络的时候,好像更偏重于了解ip头部的格式,经常忽略了数据链路层下数据帧的格式,今天在书上看到一个不错的关于数据帧格式的介绍,翻译并分享给大家。

     

    Preamble 前导码,序言:7byte或56bits的长度,为交替的0和1,来进行时钟同步。

    Start frame delimiter (SFD)帧开始符号. 该符号 (1 byte: 10101011)表示了下面就是数据了,不能继续用来时钟同步了。10101011与preamble的1结尾相连接,形成2个1作为标志。

    Destination address 和source address不必多说,就是源mac和目的mac地址。

    Type类型. 此字段定义包封装在其中的上层协议的框架。该协议可以是IP、ARP、OSPF等。

    Data:数据来源于上一层,大小应在46到1500byte之间,如果小于46,则会自动补0,反之需要分割

    CRC.错误检测:检测源和目的mac地址与数据的和,如果发现错误,则该帧丢弃。

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  • 数据帧、数据包、数据报三者区分

    千次阅读 2019-04-21 14:42:52
    首先我们有清楚,信息交换是发生在OSI模型中的相同层面,即:等层信息交换,源机中每一层都把信控制信息附加在数据中,而目的机器的每一层都会都接收到的信息进行分析,并从数据中移除控制信息在开始之前,需要先...
    首先我们有清楚, 信息交换是发生在OSI模型中的相同层面,即:等层信息交换 ,源机中每一层都把信控制信息附加在数据中,而目的机器的每一层都会都接收到的信息进行分析,并从数据中移除控制信息
    在开始之前,需要先了解一下什么是数据单元?

    数据单元(data unit) 是网络信息传输的基本单位。一般网络连接不允许传送任意大小数据包,而是采用分组技术将一个数据分成若干个很小的数据包,并给每个小数据包加上一些关于此数据包的属性信息。, 常用的数据单元有服务数据单元(SDU)—— 是在同一台机器上的两层之间传送信息 ,协议数据单元(PDU)—— 是发送机器上每层的信息到接收机器上的相应层

    协议数据单元(PDU): 在分层网络结构,例如在 开放式系统互联 (OSI)模型中,在传输系统的每一层都将建立协议数据单元(PDU)。PDU包含来自上层的信息和当前层的实体附加的信息,这个PDU会被传送到下一较低的层。而在不同层中PDU所代表的都是不同的,如:在网络层中的PDU为数据包,在数据链路层就为数据帧, 传输层 (第四层)PDU指 数据段Segment )。

    SDU(service Data Unit):服务数据单元,又叫业务数据单元,是指定层的用户服务的数据集,传送到接收方的时候同一协议层时数据没有发生变化 ,即业务部分,然后发给下层之后,下层将其封装在PDU中发送出去。服务数据单元是从高层协议来的信息单元传送到低层协议。第N层服务数据单元SDU,和上一层的协议数据单元(PDU)是一一对应的。根据协议数据单元的数据的不同,送到接收端的指定层。

    N层用户与N层协议之间传递的数据 称为服务数据单元(SDU)
    N层协议实体之间传递的数据 称为协议数据单元(PDU),通过数据发送/接收管理把 用户提交的SDU以PDU的形式,通过下层通道发送到对端协议实体。 在 接收端再将PDU还原成SDU送给收端用户。

    数据帧(Frame): 数据链路层,传递的单位是frame 帧, 就是 数据链路层 的协议数据单元,它包括三部分:帧头, 里面有mac地址,通过这个地址可以在底层的交换机这个层面里顺着网线找到你的计算机。 数据部分, ip数据包,意思是使用ip地址定位的一个数据包。 帧尾。其中,帧头和帧尾包含一些必要的控制信息,比如同步信息、地址信息、差错控制信息等;数据部分则包含网络层传下来的数据,比如ip数据包。     
         
    数据包(Packet): TCP/IP协议 通信传输中的数据单位,处于网络层,在 局域网 中,“包”是包含在“帧”里的。 packet是整个tcpip通信协议里网络层的传输单位,也是最小的单位。一个ip包里有什么呢?跟帧一样,有着目的地的ip地址及其来源的ip地址和其他的校验信息。它也被称为头。那么还有什么呢?来自传输层托付给自己待传送的信息。这个信息会被分成多个ip数据包发送出去。
    所以网络层传递的是ip包,ip包里是待传输消息的一部分。
         
    数据报( Datagram ): 现在来到传输层了,传输层直接接受来自你的消息,小到你给朋友发个晚安,大到你给别人传递个文件,只要提供对方的ip地址(还有端口号),其它的都交给传输层帮助你实现。就很像你与快递公司的关系。一种发送前会先探路,保证送货到家的,这是tcp协议,另一种只管寄,不管是否查收的就是udp。这两种协议都会在发送前把你的消息拆分成多个ip数据包来传输。udp英文就叫 user datagram protocol。所以数据报是啥,就是带地址的消息。
     有人说,局域网中传输的不是 “ 帧 ”(Frame) 吗?没错,但是 TCP/IP 协议是工作在 OSI 模型第三层 ( 网络层 ) 、第四层 ( 传输层 ) 上的,而帧是工作在第二层 ( 数据链路层 ) 。上一层的内容由下一层的内容来传输,所以在局域网中, “ 包 ” 是包含在 “ 帧 ” 里的。  
    也就是数据链路层的传输单位叫frame,传送的数据其实是ip数据包。
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  • 数据链路层的成方法

    万次阅读 多人点赞 2018-01-09 13:15:54
    之前说过,数据链路层一个很重要的功能就是成和拆,因为数据链路层的一个单元,数据链路层是对于进行处理的。那么这里就具体讲一讲数据链路层是怎么成的。  首先我们应该想想成所涉及的问题。第一...

           之前说过,数据链路层一个很重要的功能就是成帧和拆帧,因为帧是数据链路层的一个单元,数据链路层是对于帧进行处理的。那么这里就具体讲一讲数据链路层是怎么成帧的。

           首先我们应该想想成帧所涉及的问题。第一就是网络层的数据包交给链路层之后,按照怎样的格式封装成帧?第二就是,用什么来区分帧头和帧尾?也就是什么时候帧开始,什么时候结束的问题。以及,怎么看传送的帧是对的?能不能看出来帧的某个比特错了?这些都是成帧机制应该考虑的,所以帧的格式设计成如下这样:


            能看出来,帧的组成主要是标志和字段两个部分,标志主要是标识了帧的开始和结束,字段部分主要有地址字段,控制字段,正文字段和校验字段四个部分。地址字段表明了帧的去向和来源,这是硬件的网卡地址,控制字段就是各种协议,正文字段是真正的信息,校验字段是用来检验帧是不是有错误,通常有CRC校验等等。这样来看,上面的几个问题就都解决了。标志是成帧的一个重要标志,链路层读到标志,就知道帧开始了,这也就界定了一个帧的范围。对于正文字段,链路层读不懂,他也不会在意正文字段是什么,他眼中的正文也就是一串0101而已。

    数据链路层成帧的方法主要有三个:字符计数法,字符填充的首尾界定法和比特填充的首尾界定法。

    1.字符计数法  用一个帧的第一字节来说明帧的总长度(总长度包含这个帧头)


            看这张图,白色为帧头,指明了长度,比如第一帧长度为5,后面就跟了4个字节,第二帧的长度为5,后面也跟了4字节,之后是两个8字节长度的,所以各自跟了7字节的正文部分。但是很显然,如果头这一个字节出了问题,影响的就不仅仅是这一帧了,其他的都会出问题。比如:


            第二个帧头出了问题,那么就会出现大问题:后面的全部帧都会出错,连锁反应。所以这种方法不太常用。

            2.字符填充的首尾界定法

            在帧的头之前和尾之后加一个特殊的字符,只要读到这个字符帧就开始了,再次读到就认为这个帧结束了,如下图所示:



            这种方法能够避免上面字符计数法的头出错问题,但是他也有问题:如果正文里面出现了flag特殊字符怎么办?解决办法是在正文里面flag字符前面加上转义字符esc,这样读到flag之前如果没有转义字符esc,那么认为帧结束,如果有esc那么认为他就是普通的数据就行。问题又来了,那么正文里面如果有esc字符呢?那么就在esc前面再加一个esc就行了,这两个的处理是一样的。如下图:


          3.比特填充的字符界定法

           这种方法和第二种比较类似,区别是他把flag具体化了,为6个1。这样当正文读取的时候一旦出现了5个连续的1,那么在后面填充一个0,避免出现6个1造成帧提前结束。如下图所示:


           收端接收到之后,每读到5个连续的1之后,就把后面的0去掉一个,这样就得到了原文的数据了。

           上面三种方法就是最常见的链路层成帧的方法。


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  • 数据包 数据帧

    千次阅读 2015-10-28 21:46:37
    “包”(Packet)是TCP/...没错,但是TCP/IP协议是工作在OSI模型第三层(网络层)、第四层(传输层)上的,而是工作在第二层(数据链路层)。上一层的内容由下一层的内容来传输,所以在局域网中,“包”是包含在“”里的。
  •       在学习计算机网络时,我们经常会遇到、数据包、数据报等名词?有人会问,他们不是都一样的吗,不是都是在网络传输的...数据帧(Frame):就是数据链路层的协议数据单元,它包括...
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    千次阅读 2017-05-09 20:23:09
    终于得到了梦寐的《802.11无线网络权威指南》,虽然是复印版本,看起来也一样舒服,光看书是不行的,关键还是自己练习,这就需要搭建一个舒服的实验环境,抓包是必不可少的了,因为只有详细分析802.11数据帧,才能...
  • [802.11]IEEE 802.11的格式介绍

    万次阅读 多人点赞 2017-12-12 17:16:23
    一、IEEE 802.11的格式 1.1 IEEE 802.11是什么? 802.11是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准。目前在802.11的基础上开发出了802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac。并且为了保证...

空空如也

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