有線數據包的分層處理：

應用層

傳輸層

網絡層

鏈路層

無線數據包的分層處理：

Ethernet 有線數據包

LLC層

MAC層

PHY層

有線幀到無線幀的過程：

以下講解一下Ethernet至802.11的傳輸過程：

1. 驗證以太網 FCS 后，接入點首先會檢查是否需要進一步處理所接收到的幀，亦即檢視該幀的目的地址是否屬于目前與接入點連接的工作站。

2. 將 SNAP 標頭附加于以太網幀的數據之前。上層封包是以 SNAP 標頭進行封裝，而其Type 位是自以太網幀里的類型代碼復制而來。如果該以太網幀亦使用 SNAP，則復制整個 SNAP 標頭。

3. 對幀的傳送進行調度。802.11 包含復雜的省電過程，將幀置于傳送序列之前，接入點可能會將幀暫存于緩存區。

4. 一旦幀被置于隊列待傳，就會被賦予一個順序編號。如有必要，所產生的數據可以用完整性檢驗值加以保護。如果幀需要分段，則會根據事先設定好的分段門限進行分段。分段幀時，將會在 Sequence Control 位指定片段編號。

5. 如果幀需要保護，則對幀（或每個幀片段）的主體加密。

6. 802.11 MAC 標頭是根據以太網 MAC 標頭產生。

a. 將以太網 的目的地址復制到 802.11 MAC 標頭的 Address 1 位。

b. 將 BSSID 置于 MAC 標頭的 Address 2，以做為無線媒介上幀的發送者。

c. 將幀的源地址復制到 MAC 標頭的 Address 3 位。

d. 將其他位填入 802.11 MAC 標頭。也就是把預計傳送時間填入 Duration 位，并把適當的標記填入 Frame Control 位。

7. 重新計算幀檢驗碼。以太網與 802.11 使用相同的算法來計算 FCS，不過 802.11 幀多出一些位，同時受FCS 保護。

8. 所產生的新幀交付 802.11 接口傳送。

依照無線的分層，下面我們分別介紹在LLC、MAC、物理層分別對數據包的處理

LLC層對數據幀的處理：

和所有其他的 802 鏈路層一樣，802.11 可以傳輸各種不同的網絡層協議。和以太網不同的是，802.11 是以 802.2 的邏輯鏈路控制封裝來攜帶上層協議。圖 1 顯示了如何以 802.2LLC封裝來攜帶 IP 封包。

傳輸時，用來封裝 LLC 數據的方式有兩種。其中一種是 RFC 1042 所描述的方式，另外一種則是 802.1H 所規范的方式。兩種標準各自有其別名。RFC 1042 有時候被稱為 IETF 封裝，而 802.1H 有時候則被稱為隧道式封裝（tunnel encapsulation）.這兩種方式極為相似，如圖 1所示。此圖最上方為以太網幀。在 IP 領域里，Type code 不是代表 IP 的本身的 OX0800（十進制的 2048），就是代表地址解析協議（簡稱 ARP）的 OX0806（十進制的 2054）。RFC 1042 與 802.1H 均衍生自 802.2 的子網訪問協議（sub-network access protocol，簡稱 SNAP）。MAC 地址會被復制到封裝幀（encapsulation frame）的開頭，然后插入 SNAP標頭。SNAP 標頭一開始是目的服務訪問點（destination service access point,簡稱 DSAP）與源服務訪問點（source service access point,簡稱 SSAP）。然后是一個控制位。和高階數據鏈路控制 （high-level data link control,簡稱 HDLC） 及其衍生協議一樣， 此控制位會被設定為 0x03，代表未編號信息（unnumbered information，簡稱 UI）,對應到IP datagram 所謂的盡力傳送best-effert delivery）范疇。SNAP 所置入的最后一個位是唯一標識符（organizationally uniqueidentifier，簡稱 OUI）。起初，IEEE 希望用一個 bit 組的服訪問（service access point）來涵蓋網絡協議編號，不過后來證明這種看法過于樂觀。因此，SNAP 只得從原來的以太網幀復制一份類型代碼（type code）。

802.11H 與 RFC 1042 之間的唯一差異，在于其使用的 OUI。有些產品可以讓使用者在兩種封裝標準間進行切換，雖然這種功能并不常見。以 Microsoft操作系統而AppleTalk 與 IPX 協議組預設使用 802.1H，其他協議則使用 RFC 1042。目前大部分基站均依循 Microsoft 的做法，不再提供封裝方式的切換選項。事實上，由于 Microsoft所采用的封裝方式得到廣泛的支持，因此 Wi-Fi 聯盟的認證測試計劃亦將它包含在內。

圖 1：802.11 里的 IP 封裝

問題1：MAC headers為什么是24 or 30？

看上面的數據包，可以看到LLC子層的SNAP，這個包也體現了無線的層級構。那么問題來了：

問題2：我們的路由器LLC中的SNAP采用的哪種封裝？

MAC層對數據幀的處理：

MAC層對數據幀的處理過程

提高吞吐量的幾種方法：

1.更高的碼率

2.更短的防護間隔（SGI）

3.更寬的帶寬與更多的子載波（信道綁定）

4.更密集的調制方式

5.更多的空間流（MIMO）

6.幀聚合

上面的前5種方式，都是針對物理層速率的提升。

那么們來介紹一下幀聚合（涉及到MAC層），通過聚合幀減小額外開銷來提升吞吐量的方式。

下面我們介紹一下兩種幀聚合方式：

802.11n 包括 2 種方式的幀聚合：MSDU 聚合和 MPDU 聚合，這 2 種方式都是將多個幀聚合到一個幀中傳輸，從而減少了幀頭和幀間隙的數量。由于幀數量的減少，也在總體上降低了沖突的幾率。 為了引入幀聚合機制， 802.11n 將最大幀長從 4KB 增加到 64KB。

MSDU 聚合（A-MSDU）

802.11 協議棧收集一定數量的上層報文，先將其聚合，再轉化為 802.11 MAC 幀，即為MSDU 聚合。MSDU 聚合幀中的每個子幀不具有完整802.11MAC 幀頭，只具有 14 字節的子幀幀頭和數據區。

一個MSDU是怎么形成的呢，MSDU就是來自上層的數據包IP packets+SNAP（經過LLC封裝），涉及多個MSDU的話要把14 字節的子幀幀頭考慮進來，以下是經過 MSDU 聚合后的完整的 802.11 物理層幀。

每個 MSDU 子幀包括子幀幀頭、數據區、0～3 字節的填充區。幀頭格式包括 DA、SA、Length，SA、DA 即為子幀的源端地址和目的端地址，length 為子幀的長度；數據區域為完整的 MSDU 數據；子幀要求要求 4 字節對齊，不足部分由填充域完成。

由于 MSDU 聚合后無獨立的 802.11 MAC 幀頭， 要求所聚合幀的 SA 和 DA 所映射的TA 和 RA 是相同的，也即所聚合的幀由同一個無線端和由同一個無線端接收。聚合后，所有的子幀都會采用統一的加密方式，而且經聚合的幀將只能具備一種 QoS 屬性，不允許將不同 QoS 屬性的幀聚合。

MPDU 聚合（A-MPDU）

由上面的MSDU聚合我們可以看到，MPDU=MSDU+MAC header+FCS＝ＩＰｐａｃｋｅｔ＋８＋２８MPDU 幀聚合是更低層次的聚合，802.11 協議棧首先收集一定數量的 802.11 MAC 幀，再將其進行聚合后打上 PHY 標頭進行傳輸。MPDU 聚合幀中的每個子幀均具有完整的802.11 MAC 幀頭。參考MSDU，AMPDU聚合之后共用的是物理頭，而AMSDU聚合之后共用的是MAC頭Deilmiter字段的作用是便于接收端檢測到聚合幀中各個子幀的邊緣并將子幀提取出來。在解聚合算法中，接收端依據Delimiter中的Signature子域檢測Delimiter的位置，然后根據CRC子域檢驗Delimiter的正確性。如果正確，則將MPDU提取出來，再進行下一個的檢測，直到解聚合完成，這里的MPDU就是MAC頭部+FCS+MSDU。

幀聚合的限制

1） 進行聚合的幀必須具備相同的接收端地址，即只有在同一個 AP 和 STA 之間傳輸的幀才能進行聚合。

2） 在發送端，必須準備一定數量的待發送幀進行聚合，因此會對某些幀帶來延遲。

3） 不能將不同 QoS 等級的幀進行聚合。

4） 幀聚合增大了幀的長度，在信道惡劣的情況下，更容易發生錯誤。

通過幀聚合我們看一下的MSDU、MPDU的關系

名詞介紹：

MSDU： MAC Service Data Unit。可以理解為傳輸的有效數據，MAC幀的data部分。

MPDU： MAC Protocol Data Unit。可以理解為經過MAC協議封裝的幀，包括MAC幀頭。

PLCP： Physical Layer Convergence Procedure。可以理解為PHY層的編碼和封包過程。

PPDU： PLCP Protocol Data Unit。可以理解為PHY層封裝的幀，包括PHY幀頭和MAC幀。

A-MSDU： Aggregate MSDU。MSDU幀聚合。

A-MPDU： Aggregate MPDU。MPDU 幀聚合。

針對我們博通路由器，講解一下MPDU所帶來的吞吐量的提升

先介紹一下MPDU聚合所帶來的MAC幀的改變

傳統的幀格式：

MPDU 幀格式變更

802.11n的mac層給802.11的mac層加入了高吞吐量單元。所有新加的802.11n功能都是通過管理幀中的HT單元才得以實現，總體如下：

抓包中顯示，可見對HT的解析，omnipeek還是可行的

（一）HT Capability Info

不同的軟件解析出來順序可能不同，wireshark更貼近現實，而omnipeek則是順序相反，不過解析的內容都是一樣的

1．L-SIG TXOP保護： Legacy Signal Transmission Opportunity（傳統信號域傳輸機會）。在L-SIG TXOP保護方式下，HT幀的L-SIG域包含一個時間值（此時間值應等于MAC幀頭中的MAC持續時間值），要求傳統設備直到這個時間結束后再進行正常收發。傳統設備因無法接收在L-SIG持續時間范圍內開始的PPDU，故在L-SIG TXOP內，傳統接收機不會收到任何幀。若11n下支持L-SIG TXOP保護，HT Capability Info中的L-SIG TXOP Protection位應該置1，0代表不支持。

2.設置40MHz的非容忍位：如果BSS中有設備不支持40MHz，我們可以將此位設置為1，表示將阻止任何40MHz信道操作在該BSS，也就是不能使用40MHz

3.對PSMP的支持：多路輪詢節能模式（power save multiple poll）,置為1表示支持這個模式

4. Maximum A-MSDU Length：最大A-MSDU長度0=3839 bytes, 1 =7935 bytes

5. HT Delayed BlockAck：延時塊確認，如果接收機能容納多個數據塊，則意味著接收機可以支持延遲back此時可以設置為1為支持延時塊確認

6. RX STBC：STA能夠使用STBC（時空分組編碼）接收PPDU（表示協議數據單元），STBC在802.11n中是個可選的技術，用以在接收端提高信號強度，要使用STBC需要發射機和接受機同時支持STBC。STBC的出現是為不能用MIMO技術的接受機提供一種提高信號強度的方法

7. TX STBC：STA能夠使用STBC傳輸PPDU

8.40MHz支持SGI(短保護間隔)：設置為1表示40MHz帶寬下支持SGI（Short Guide Interval）用于在11n系統下縮短物理層頭部開銷，將原有的GI從800ns縮短為400ns，提高吞吐量。

9.40MHz支持SGI：設置為1表示20MHz帶寬下支持SGI

10. HT Greenfield（綠地模式）：當設置為1時，STA能夠接收HT Greenfield PPDU。在該模式中傳統設備無法解讀HT傳輸，也就導致無法與傳統設備關聯。

11. SM Power Save（spatial multiplexing power save）空間復用節能模式，SMPS為支持多個發射機的設備提供了這樣一種功能，即在保留一臺發射機工作的情況下，暫時關閉其他發射機，從而達到節能的目的，下面提供了設置值與意義

12. Supported Channel Width：支持的信道帶寬，0 為 only 20MHz, 1 為both 20MHz & 40MHz support.

13. LDPC Coding Capability,低密度就校驗是802.11nMCS速率的可選編碼,LDPC是BCC（二進制卷積編碼）的一種替代方法，用以將信噪比提高到6dB。發射機和接受機都必須同時支持LDPC，否則至只能用BCC。在噪聲較為嚴重的信道條件下，LDPC可改進通信的性能和可靠性。1為支持LDPC

（二）A-MPDU Parameters 參數字段

1. Minimum MPDU Start Spacing最小MPDU開始間隔：指定在開始傳輸一個MPDU并開始傳輸下一個MPDU之間經過的最小時間量。 以下值顯示此子字段的編碼（在上述捕獲中，顯示值為6表示8微秒）

0 = no restriction（無限制）

1 = 1/4 μs

2 = 1/2 μs

3 = 1 μs

4 = 2 μs

5 = 4 μs

6 = 8 μs

7 = 16 μs

2. Maximum A-MPDU Length：在關聯期間由STA用于定義STA可以接收的最大A-MPDU長度。 該子字段的值是0-3之間的間隔，從以下公式計算的字節長度。

2^(13 + Maximum A-MPDU Length Exponent) – 1，

當Maximum A-MPDU Length Exponent 分別為0.1.2.3時0=8191 (8K), 1=16383 (16K), 2=32767 (32K) & 3=65535 (64K)

（三）Supported MCS set支持速率集設置

MCS（Modulation and Coding Set，調制編碼率） Index規定每種MCS下的物理層速率，11n中由于允許不同的空間流采用不同的調制方式，導致11n中共有77組MCS Index。通常廠商實現都采取了每路空間流相同調制編碼的形式，因此77組MCS中只有前32組生效（即MCS0~MCS31）。MCS速率集可以從HT Capability Info中的Supported MCS Set field來讀取，每一位代表一個MCS速率的支持情況。如下圖所示則表示4路空間流均支持MCS0~31

所以對應的空間流數與MCS關系為下表

Spatial Streams MCS list

1 MCS0~MCS7

2 MCS8~MCS15

3 MCS16~MCS23

4 MCS24~MCS31

（四）HT Extended Capabilities擴展功能

RD Responder：反向協議（reverse direction protocol）:反向協議是可選功能，用來為這樣一種網絡流量模式減少傳輸時間并增加效率：發射自信號源的傳輸后面通常跟著一個返回傳輸；比如，一個TCP SEND后面會跟著一個TCP ACK。RDP允許為原始傳輸和隨后的響應保留介質。這樣，響應設備就可以通過使用原始發射機分配的資源來傳輸響應，而不需要進行仲裁。

PCO（Phased Coexistence）相位共存，是為了在BSS中支持20MHz和40MHz需要的額外的信號和保護機制。

（五）Tx Beamforming Capabilities-TxBF發送波束成形

波束形成是802.11n中的一個可選功能，以改善無線客戶端設備的性能。TxBF許需要客戶端和AP都支持所用的指定類型的波束形成，有三種類型的波束形成：

1.傳統波束形成（Universal）：傳統波束形成是為傳統客戶端提供的。傳統波束形成是這樣一種技術：調整發射信號，使相同信號的多個副本同相到達接收機，從而在接收端產生相長干涉并生成一個合并信號，該信號的強度要幾倍與任何信號。但是802.11n標準不對傳統波束形成提供協議支持，所以協議中并沒有標志是否支持傳統波束形成的字段。

2.隱式波束形成（Implicit）：該類型只在支持隱式波束形成的設備之間才有作用。它依賴于發射機和接收機之間信道特征的相互作用。他從接受機發出的探測數據包中手機到了信道狀態信息。隱式波束形成并不具備提供信道狀態信息反饋功能。設備所支持的波束形成類型在這個字段做出了宣告

3.顯式波束形成（Explicit）：利用顯式波束形成，802.11n協議為客戶端提供了一種與發射機就信道狀態信息（channel state information，CSI）進行通信的方法，該發是的發射機可以根據接收機的信道條件優化波束形成的信號的性能。TxBF用來表示對顯性波束形成的支持

（六）ASEL Capabilities (Antenna Selection Capability天線選擇功能)

天線選擇能力用于具有更多天線電路的系統，比無線射頻鏈。 這不是設備的常見配置，因此，這些字段沒有廣泛使用。具體可以看cisco802.11無線網絡部署指南P49有講到。

通過以上的介紹，這里就有一個問題來了？

問題3：我們通過抓包怎么看路由器是進行MPDU的呢？

通過問題3我們知道了抓包看是否進行MPDU了，按照我們MPDU聚合的方式，我們傳送數據的時候，比如說：TCP數據，這時發生了MPDU。

問題4：數據幀發生聚合，數據幀中是否有HT control字段呢？

數據傳輸會采用：

DATA+ACK(基本機制)

談到MPDU，我們就要介紹一下Block ACK

Block Acknowledgement通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下ACK幀的數量。

如聚合N包，那么久節省了（N-1）SIFS的時間和（N-1）個ACK的時間，同時

多個幀聚合也節省了DIFS時間和退避時間，就會帶來吞吐量的提升。

關于BA的知識大家可以參考一下文檔

下面是Block的抓包：

這里我們知道BA是多少字節就好了

物理層對數據幀的處理：

物理層物理層被分兩個附屬層（ sublayer）：物理層收斂程序（ Physical Layer ConvergenceProcedure）簡稱 PLCP。（ Physical Medium Dependent）簡稱PMD附屬層。PLCP的功能在于結合來自 MAC 的幀與空中所傳輸的無線電波。PLCP同時會為幀加上自己的標頭。通常，幀中會包含同步信號〈 preamble）。以協助接收數據的同步作業。不過，每種調制方式所

采用的同步信號均不相同，因此 PLCP會為準備傳送的所有幀加上自己的標頭。接著由 PMD負責將 PLCP所傳來的每個位元，利用天線傳送至空中。物理層還包含了頻道凈空評估（ clear channel assessment，簡稱 CCA）功能。

數據幀主要是在PLCP被處理，在PLCP層有兩種對數據幀的封裝：

上面是兩種封裝形式；里面具體字段的含義等請參考無線權威指南第15章或者劉工關于物理層的介紹。

我們前面介紹了MPDU聚合，也介紹了PPDU（可以理解為PHY層封裝的幀，包括PHY幀頭和MAC幀。）

那么我們介紹一下發生MPDU后，PPDU的幀802.11n 定義了 3 種 PHY 層幀格式——Non HT 格式，HT mixed 格式，HT Greenfield 格式。

Non HT格式：根據工作頻段，該格式整個幀均符合802.11a格式或802.11g格式。對該格式的支持是強制的。

HT mixed格式：該格式的幀頭包括Non HT域和HT域，Non HT域能夠被802.11a或802.11g的STA識別，HT域和數據域則無法被其所識別。對該格式的支持是強制的。（采用與a/b/g/n前導碼兼容的數據包傳輸）

HT Greenfield 格式：該格式的幀不包含 Non HT 域，只能被支持 HT 的 PHY 識別，不能兼容 11a 和 11g。對該格式的支持是可選的。（不包含a/b/g/n兼容部分的高吞吐量數據格式）

我們的路由器支持的是HT mixed這種格式，在這種模式下，HT增強功能可以與HT保護機制同時使用，HT保護機制允許與傳統電臺通信。HT混合模式提供了向下兼容能力，數據幀采用的封裝。

就是此種形式：

— L-STF: Non-HT Short Training Field（Non-HT 短訓練序列）

— L-LTF: Non-HT Long Training Field（Non-HT 長訓練序列）

— L-SIG: Non-HT SIGNAL Field（Non-HT 信號域）

— HT-SIG: HT SIGNAL Field（整個信號）

— HT-STF: HT Short Training Field （短訓練序列）

— HT-GF-STF: HT greenfield Short Training Field

— HT-LTF1: First HT Long Training Field (Data HT-LTF)

— HT-LTFs: Additional HT Long Training Fields (Data HT-LTFs and Extension （延長）HT-LTFs)

— Data: The data field includes the PSDU

訓練序列

PPDU 的幀頭中包含 HT-STF 域和 HT-LTF 域。 HT-STF 域用于接收端進行自動增益控制（AGC）和時鐘鎖定，HT-LTF 域用于接收端評估信道，該信道包括從發送端 spatial mapper的輸入 到接收端 spatial mapper 的輸出。

有兩類 HT-LTF：Data HT-LTF 和 Extension HT-LTF。DLTF 是 HT 幀中必有的域，用于接收端進行信道評估，以準確地對數據區進行解調，DLTF 的數量可能為 1，2 或 4，取決于發送端的空時流數目； ELTF 適用于發送鏈路數目大于空時流數目的場合， 以對信道更多分量進行評估，ELTF 的數量可能為 1，2 或 4，取決于額外的發送鏈路數目。如果 = ，則 HT-LTF 的數目等于 （當 =3 時例外，此時有 4 個 LTF ）；如果 > ，則 HT-LTF 數目大于 ，則需要 ELTF 進行額外的評估 。

對于HT mixed格式和HT greenfield格式幀，有兩類HT-LTF：Data HT-LTF和Extension HT-LTF。

DLTF是HT幀中必有的域，用于接收端進行信道評估，以準確地對數據區進行解調，DLTF的數量可能為1，2或4，取決于發送端的空時流數目，如下表；ELTF用于探測幀，適用于發送鏈路數目大于空時流數目的場合，以對信道更多分量進行評估，ELTF的數量可能為1，2或4，取決于額外的發送鏈路數目，如下表。

Nsts	Ndltf		Ness	Neltfs
1	1		0	0
2	2		1	1
3	4		2	2
4	4		3	4

DLTF 數目與空時流數目關系 ELTF 數目與額外發送鏈路數目關系

介紹一下HT Mixed格式：

保護機制

對 802.11a/b/g 設備的兼容是 802.11n 草案的強制要求。與 802.11g 標準對 802.11b 標準的兼容一樣，802.11n 也提供了一系列保護機制，以保證舊有標準的設備在 802.11n 網絡中可以正常運行。802.11n 保護機制采用 HT-mixed 格式的物理層幀， 具備 HT-mixed 幀頭和 802.11n 格式的數據域，HT-mixed 幀頭包括 non-HT 域和 HT 域，前者可以被舊有標準的設備識別，得知信道上有幀在傳輸以及傳輸將持續的時間；而 HT 域則是用于 11n 數據域接收的幀頭。除mixed幀頭以外， 11n也采用 CTS-to-self 的方式實現保護， 該方式是沿用了11g標準中的規定，詳細參見11g相關白皮書。新加入的STA從AP的Beacon幀或probe response幀中的HT信息域中得知該網絡中是否存在非HT的STA，以此決定是否采用保護機制。當 11n 的網絡中加入了舊有標準的設備， 一方面 PHY 保護機制 （mixed 幀頭和反身 CTS）會增加傳輸開銷，另一方面傳輸相同的幀，舊有標準設備所耗時間大于 11n 設備，因此大大降低了 11n 網絡的性能； 鑒于目前舊有標準設備主要是 11b 和 11g 客戶端， 因此可以將 2.4G的 11n 網絡和 5G 的 11n 網絡重疊覆蓋，5G 頻段的網絡可以充分發揮 11n 的帶寬優勢。

HT幀頭的Signal域包含了關鍵的編碼和調制參數，用于解讀后面的HT數據區。該Signal域包括2個部分，HT-SIG1和HT-SIG2，格式如下圖所示：

各 bit 的意義如下表所示

綜合以上過程的詳解：我們得出了數據包經過各層是怎么被處理的

下面我總結一下：

有線的數據幀來自應用層的用戶數據經過傳輸層的數據封裝，在經過IP層的數據封裝，再到以太網的數據封裝，到達無線客戶端的LLC層，LLC層負責包來自以太網的數據包封裝成無線包（注意，我們的MSDU就是在里形成的，MSDU等于IP數據包（不包括MAC包頭FCS校驗碼）加上SNAP包頭 ，所以MSDU發生在MAC層），轉換成MAC層數據包，MPDU形成在MAC層（MPDU等于MSDU+28，之所以加28而不是加34的原因是只有WDS才用Address4）再到物理層，PPDU發生在物理層，在通過射頻芯片通過不同形式的調制和編碼發射出去。

需注意：

PPDU長度是有限制的不能大于65535這一點我們后來要用到A-MSDU Pad/A-MPDU Pad 是填充字節，聚合的幀的MSDU和MPDU是4的整數倍，只有聚合才使用填充位，否則不使用。