wi-fi 基础知识

Wi-Fi 基础知识，Wi-Fi Mesh, Wi-Fi 6

这篇我们学习一下Wi-Fi的基础知识，顺便再了解一下Wi-Fi Mesh, 以及Wi-Fi 6.
上面的话如果换成"黑话"再来一遍，这篇我们学习一下802.11协议的基础知识，顺便再了解一下8023.11s, 以及802.11ax.

我们先来梳理一下802.11协议一族。

简介

802.11协议主要是对Layer1（物理层）和Layer2（数据链路层）两层进行定义，从无线网卡进来的包携带的是无线报文头部，从有线网卡进来的包携带是有线报文头部，两种包只要将他们的头部和尾部校验都去掉就剩下需要传输的有效数据域playload。所以当数据帧去除头部进入到Layer3以后，是分不出该包是有线报文还是无线报文的，因为这些报文都统一看作是IP报文。
数据链路层又分为逻辑链路控制层和媒介访问控制层。物理层也分两层Physical Layer Convergence Procedure (PLCP)和Physical Medium Dependent (PMD)。

1. 数据链路层

MAC Service Data Unit (MSDU)：当一个数据包从Layer3传到Layer2数据链路层的时候，在LLC会添加一些内容（比如前面提到过的一些加密信息）形成MSDU，需要注意的时候，802.11协议有规定三种类型的帧，控制帧、管理帧和数据帧，只有数据帧才会在LLC中形成MSDU，一般MSDU的最大size是2304（不含加密信息部分）

MAC Protocol Data Unit (MPDU) ：当MSDU移交到MAC层的时候，就会给他添加上MAC头部信息和尾部FCS校验信息，这时就形成了一个802.11无线帧，也就是我们平常无线抓包所看到的帧。

2. 物理层

物理层也分两层：Physical Layer Convergence Procedure (PLCP)和Physical Medium Dependent (PMD)
当MAC层的MPDU移交到PLCP层的时候，它就有一个新的身份，叫PSDU（PLCP Service Data Unit），其实MPDU和PSDU是同一个东西，只是在门的两边叫法不一样而已。

所以当PLCP层接收到PSDU的时候，它将给这个帧添加一个前导同步码和PHY头部形成PPDU（PLCP Protocol Data Unit ）。

然后PPDU会移交到PMD层，根据不同的算法调制成一串0/1比特流进行发送。

下图就是无线报文发送和接收的基本过程：

术语

• AP(Access Point, 接入点)
  是一个无线网络中的特殊节点，通过这个节点，无线网络中的其它类型节点可以和无线网络外部以及内部进行通信
• STA(Station, 工作站)
  表示连接到无线网络中的设备，STA通过AP，可以和内部其它设备或者无线网络外部通信
• BSS(Basic Service Set)
  基本服务集，是802.11网络的基本组件，通信方式是 STA<->AP<->STA
• IBSS(Independent Basic Service Set)
  也称Ad-Hoc，是一种临时网络，通信方式为 STA<->STA
• DS(Distributed System)
  分布式系统，属于802.11逻辑组件，负责将帧转发至目的地址
• WDS(Wireless Distribution System)
  无线分布式系统，在不同无线网络间传递数据，通信方式为AP<->AP
• ESS(Extend Server Set)
  扩展服务集，所有通过DS连接的BSS
• SSID(Service Set Identifier):
  用来标识一个无线网络
• BSSID
  用来标识一个BSS，通常就是所处BSS AP的MAC地址(48位的地址格式)

IBSS vs BSS vs ESS

• IBSS: 没有AP
  
• BSS: 有AP，station之间通信需要经过AP　
  
• ESS: station可以在多个BSS之间漫游
  

Wi-Fi 6

802.11协议每次技术升级都会涉及到PHY层和MAC的改变，但802.11n到802.11ax MAC层的改变相对较少。
总体来讲，802.11ax从两个大方面实现了自己的既定目标，其中MU-MIMO和OFDMA是802.11ax成功的关键。

1. 物理层的增强与高效，主要包括：

• 上行和下行方向正交频分多址(OFDMA)
  OFDMA机制可以同时为多个使用者提供较小（但专属）的子信道，进而改善每位用户的平均传输率。
• 上行和下行方向多用户-多输入多输出(MU-MIMO)
  上行链路最多可同时为8个用户提供服务，容量是802.11ac的8倍；下行链路最多可同时为8个用户提供服务，容量是802.11ac的2倍。
• 上行链路资源调度
  在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用；OFDMA增加了空口效率；而MU-MIMO提升的是系统容量。最多8个发送天线、8个接收天线和8个空间流
• 更高的调制方式，1024-QAM
  每符号可携带10bit，与256-QAM相比，容量提升了25%。

2. MAC层的增强与高效，主要包括：

• 基本服务集着色(BSS Coloring)
  BSS着色机制使设备能够区分自己网络中的传输与邻近网络中的传输，在尽可能的情况下最大限度去减少同频干扰。
• 双NAV机制
  同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV可以帮助STA预测自身BSS内的流量，并且当它们在得知重叠流量状态时可以进行自由传输
• 目标唤醒时间(Target Wake up Time - TWT)
  减少用户之间的争用和重叠，显著增加STA的休眠时间以降低功耗

wi-fi mesh

802.11s是802.11 MAC层协议的补充，规定如何在802.11a/b/g/n协议的基础上构建Mesh网络。802.11ac/ax 也向后兼容802.11s无线网状架构。

IEEE 802.11 mesh设施提供了MAC增强，以支持无线LAN mesh拓扑。网格设施可用于属于mesh BSS (MBSS)的网格STAs。对于还没有成为MBSS成员的mesh STA，只有mesh discovery服务可用。区分网格STAs和非网格STAs的增强被统称为“网格设施”。特定于网格的机制在不同的实现中有所不同。

mesh BSS是一个IEEE 802.11局域网，由自主的STAs组成。在mesh BSS内部，所有STAs建立点对点无线链路，相互传输消息。此外，使用多跳功能，可以在不通过无线媒体的单个实例彼此直接通信的STA之间传输消息。从数据传输的角度来看，似乎一个mesh BSS中的所有STAs都在MAC层上直接连接，即使这些STAs彼此不在范围之内。多跳能力提高了STAs的范围，并有利于无线局域网的部署。网状BSS中的STAs可以是流量的源、汇或传播器;一些网格STAs可能只传播其他STAs的通信量。mesh BSS可能具有与外部网络的接口，并且可以被用作基础设施BSSs的回程。在mesh BSS中，STA利用mesh协调函数(MCF)来访问信道.

MBSS包含mesh STAs, mesh gates, APs, and portals。只有mesh STA参与mesh功能，如mesh BSS的形成、路径选择和转发。因此，mesh STA不是IBSS或基础设施BSS的成员。因此，mesh STAs不能与非mesh STAs通信。
MBSS也可以访问分配系统(DS)，MBSS通过DS与其他BSS互连。然后，mesh STAs可以与非mesh STAs进行通信。因此，为了将DS MBSS与mesh gate集成，引入了一个逻辑架构组件。

ESS vs mesh BSS

MBSS使用多跳功能，似乎所有mesh STAs都直接连接到MAC层，即使这些STAs彼此不在范围内。这与IBSS网络不同，在IBSS网络中，如果STAs不在彼此的范围内，则无法通信。与IBSS不同，MBSS可以访问DS。MBSS通过一个或多个mesh gate连接到DS。由于在MBSS中，似乎所有的网格STAs都直接连接到MAC层，因此MBSS可以用作DSM。APs、portal和mesh gate可以使用MBSS作为DSM来提供决策支持系统。例如，不同的基础设施BSSs可以在MBSS上联合起来形成一个ESS。AP标识它所形成的基础设施BSS。这与不存在中央实体的MBSS不同。基础设施BSSs需要ESS和DS来统一，而MBSS网络对LLC层来说是一样的，而不需要访问DS。然而，如果一个MBSS有一个或多个mesh gate提供对DS的访问，MBSS可能存在于不连接的区域，但形成一个单一的网络。

TI WiLink

TI Wilink 支持802.11s mesh. 其框图如下。
hostap 负责连接，安全管理. Linux kernel MAC80211 负责 mesh 路径选择算法，mesh beacon等