80211n帧聚合.docx
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80211n帧聚合
802.11n帧聚合
802.11n无线帧聚合介绍
1、引言·······························································2
2、802.11nMAC帧格式·················································2
3、802.11n帧聚合概述·················································2
4、A-MSDU聚合简介····················································4
5、A-MPDU聚合简介····················································5
6、BlockAck块确认···················································8
7、802.11n帧聚合的意义···············································9
1、引言
1997年6月，美国电气电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE）制定了全球第一个无线局域网标准IEEE802.11。
其后IEEE又相继推出了IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g等标准。
随着Internet业务的高速增长，实时业务和多媒体应用的不断增加，对网络的带宽、QoS可扩展性也提出了更高要求。
为了解决上述问题，下一代无线局域网IEEE802.11n应运而生。
2003年，IEEE启动802.11n标准的制订工作,此后很多厂家都参与到其中,逐渐形成了全球信道效率联盟（WWiSE）和TGnSynch两大阵营,它们各自向IEEE提出了自己的标准。
在2005年10月,两大阵营基于共同的利益达成和解,并于2007年2月发布了802.11n的2.0草案。
IEEE802.11n使无线通信的可靠性、速度与范围都得到了显著改进。
802.11n任务组的速率指标是大于或等于100Mb/s，目前已经达到的速率是150Mb/s,甚至可以高达300Mb/s和600Mb/s。
为了提高WLAN的吞吐能力，IEEE802.11n标准在物理层和MAC层都采用了多种措施。
MAC层采用的帧聚合技术就是提高吞吐量的有效方法。
2、802.11nMAC帧格式
为了提升整个网络的吞吐量，IEEE802.11系列标准使用了复杂的MAC协议，也使用了相当复杂的MAC帧。
802.11n标准是对802.11标准的改进，其MAC帧通用格式如图所示：
如图2.1所示，在802.11n的协议当中,MACHeader包含如下字段：
FrameControl（帧控制字段）、Duration/ID（持续时间字段）、Address1-Address4（地址字段）以及可选的SequenceControl（序列控制字段）、QoSControl（Qos控制字段）和HTcontrol（高吞吐量控制字段）。
其中QoS控制字段为802.11e新增控制字段，仅用于支持QoS数据的传输。
高吞吐量控制（HTControl）是802.11n新增控制字段，仅用于支持11n模式下大吞吐量工作站之间的数据传输。
在802.11n的基本MAC协议中，为了确保各个站都能公平地取得媒质使用机会并尽量避免冲突，使用了一系列控制机制。
这些机制在提高系统性能的同时也带来了固定开销，而这些开销则限制了系统吞吐量的提高。
一般来说，对于MAC层，这些固定开销包括:
MAC头、各种类型IFS、RTS/CTS、ACK、Backoff等。
3、帧聚合概述
为了减少开销，802.11n提出帧汇聚技术。
帧汇聚即把两个以上帧组合成一个帧进行传输。
从而可以达到简化了帧的结构,去除了以往协议帧之间的帧间间隔和竞争时间，从而提高了MAC层的吞吐量。
802.11n提供两种帧汇聚方法：
MAC服务数据单元（MSDU－MacServiceDataUnits）汇聚及信息协议数据单元（MPDU－MessageProtocolDataUnit）汇聚。
因为多个帧以单个进行传输，潜在冲突时间及回退时间大大减少。
为了容纳这些大的汇聚帧，802.11n最大帧长度也从4KB提高到64KB。
在传输双方在协商是否使用到帧聚合的格式，在管理帧中Beacon（信标）、Proberequest（探测请求）、Proberesponse（探测响应）、Associationrequest（关联请求）、Associationresponse（关联响应）中HT信息里的A-MPDU参数字段，用于告知对方本端设备可支持802.11n帧聚合传输。
MaximumRxA-MPDUSize：
指出站点可接收的最大长度的A-mpdu数据包，值可取0~3，可接收最大A-mpdu的长度为
MinimumMPDUStartspacing：
指出站点可接收的在一个A-mpdu中相邻两个mpdu子帧发送的最小时间间隔，值可取0~7，含义如下所示。
在具体对帧聚合的两种聚合方式介绍之前，通过下面的图示，大家可大致了解帧聚合实现的过程。
在进入MAC处理过程之前，所有的报文都以MSDU形式存在，经过MAC层处理之后，MSDU转换成MPDU。
A-MSDU在进入MAC层之前完成聚合，而A-MPDU在MAC层之后完成聚合。
4、A-MSDU:
MAC服务数据单元（MSDU）汇聚
802.11协议栈收集一定数量的上层MSDU报文，先将其聚合，再转化为802.11MAC帧，即为MSDU聚合。
A-MSDU帧格式如下：
一个A-MSDU由多个A-MSDU子帧所构成，每个A-MSDU子帧包括A-MSDU子帧头、可变长度的MSDU字段和0-3个字节的填充字段Padding。
每个A-MSDU子帧（除了最后一个）都被填充为4个字节的整数倍。
最后一个A-MSDU子帧没有填充字段。
A-MSDU子帧头仅仅包含了三部分：
目的站点地址（DestinationAddress，DA），源站点地址（SourceAddress，SA）和长度（Length）。
A-MSDU子帧头的目的站点地址和源站点地址部分字段的值分别对应的mac地址。
长度字段包含了MSDU的长度（以字节为单位）。
由于聚合后的MSDU子帧没有独立的802.11MAC帧头，这就要求所聚合的子帧的SA和DA所映射的TA和RA是相同的，即所聚合的帧由同一个无线端发送，由同一个无线端接收。
聚合后，所有的子帧都会采用统一的加密方式，而且经聚合的帧将只能具备一种QoS属性，不允许将不同QoS属性的帧聚合。
A-MSDU的传送也存在许多限制。
STA不能传送A-MSDU到不接收高速率传送的STA，即不接收包含HTControl字段的MAC帧的STA。
如果一个STA的A-MSDU的长度超过了其对等实体所能接收的最大A-MSDU长度，则这个STA不能向此对等实体发送此A-MSDU聚合帧。
MaximumA-MSDULength：
定义了最大可支持的A-MSDU的长度。
当值为0，可支持最大长度为3839字节；当值为1，可支持长度为7935字节。
局限性：
A一MSDU只适合用于较小的MSDU的聚合，由于当聚合帧较长，只有一个FCS，所以A一MSDU的传输可靠性较差。
聚合A-MSDU的缺点在高误码率的信道中表现明显。
所有的MSDU被聚合为一个MPDU,只被分配一个MAC的序列号,若有一个MSDU子帧在传输过程中出现错误,整个A-MSDU将会被重传。
5、A-MPDU:
MAC协议数据单位（MPDU）汇聚
MPDU帧聚合是更低层次的聚合，802.11协议栈首先收集一定数量的802.11MAC帧，再将其进行聚合后打上PHY标头进行传输。
MPDU聚合帧中的每个子帧均具有完整的802.11MAC帧头。
与MSDU类似，MPDU要求所有的成分帧具有一样的QoS等级。
MPDU的每一个成分帧有一个额外的802.11帧头，在这一点上MPDU不如MSDU高效。
这种对比在MPDU使用加密的时候变得更加明显，因为MPDU在每一个成分帧上都加上了开销，而MSDU仅仅对一个汇聚帧加密，仅有单个开销。
如上图所示，一个A-MPDU由一个或多个A-MPDU子帧所构成。
每个A-MPDU子帧由MPDUDelimiter（MPDU分界符）和MPDU实体组成。
对于一个A-MPDU，除了最后一个A-MPDU子帧以外，其它A-MPDU子帧都会添加0-3个字节的填充字段，使子帧长度成为4字节的整数倍。
对于一个A-MPDU中的所有MPDU，其MAC帧的Duration/ID字段都是相同的值。
如果组成A-MPDU的MPDU子帧的最大长度为4095个字节，一个STA能传送长度为7935个字节的A-MSDU，那么此STA传送的组成一个A-MPDU的A-MSDU将被限制，从而使A-MSDU中的MPDU的长度小于4095个字节。
MPDU分界符的长度为4个字节。
其格式与说明如表所示：
MPDU分界符字段
长度（bits）
内容描述
保留
4
无
MPDU长度
12
MPDU的长度（以字节为单位）
CRC
8
用于循环冗余机冲校检
特定模式字段
8
当扫描分界符时,用于监测一个MPDU分界符
表3.2.1MPDU分界符字段
MPDU分界符的目的是强制性的将聚合帧里的每个MPDU分开。
强制的原因是因为当一个或多个MPDU分界符接收错误时，聚合帧的结构通常会被重新覆盖。
每一个分界符与周围的MPDU具有相同的误码率，所以也会丢失。
对于一个聚合帧里的所有MPDU，MAC帧头里的持续时间域取值相同。
注意，一个MPDU长度为零，它的分界符依然有效。
这样可以填充到MPDU之间满足MPDU密度的限制要求或加在A一MPDU的最后。
6、BlockAck块确认
为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定
对于BlockAck的确认分即时确认与延时确认两种。
对于即时确认一般由硬件完成，对硬件收到的包映射到确认位图中，然后进行响应。
而延时响应可以由协议栈完成，可以完成进一步的数据检查。
对于流行的路由器一般只实现即时确认这种方式。
通过BlockAck的确认机制配合帧聚合的使用，大大提高在802.11n的无线传输中的吞吐量。
7、帧聚合的意义
802.11n作为下一代无线技术，在物理层和MAC层做了许多改进，极大地提高了物理层的传输速率。
聚合机制的提出，减少了协议开销，有效地提高了帧效率，改善WLAN链路带宽利用率低的特点，也为未来视频等高带宽业务的开展提供了可能。
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