初探802.11协议(3)——RTS/CTS控制帧
目录
一. Frame Format
1.1 RTS Duration
1.2 CTS Duration
二. 隐藏节点问题与RTS/CTS
2.1 RTS/CTS流程
三. 暴露节点问题
3.1 载波监听
3.2 物理载波监听引起的“暴露节点”问题
3.3 虚拟载波引起的“暴露节点”问题
一. Frame Format
- RTS：Request To Send，即请求发送，是一个单播帧，没有加密。
- CTS：Clear To Send，即信道清除，也是一个单播帧。节点在收到CTS后，确认信道是空闲的，可以发送，没有加密。
RTS和CTS这两个控制帧的格式很简单，主要就是Duration字段，后面会介绍，然后就是RTS比CTS多了一个TA字段。
1.1 RTS Duration
1.2 CTS Duration
用来应答 RTS 时，CTS 帧的发送端会以 RTS 帧的 duration 值作为持续时间的计算基准。CTS帧发送端会将 RTS 帧的 duration 值减去发送CTS帧及其后短帧间隔所需的时间，然后将计算结果置于 CTS 的 Duration 位。
二. 隐藏节点问题与RTS/CTS
节点2可以跟节点1和节点3通信，不过某些因素(例如距离远)导致节点1与节点3无法直接通信，节点1和3就互为隐藏节点。如果使用简单的transmit-and-pray协议，节点1与节点3有可能在同一时间传送数据，这会造成节点2无法正确接收数据，但是节点1与节点3也无从得知错误发生，只有节点2知道有冲突发生，节点2不会反馈ACK，最终这一轮传输失败。这一轮失败之后，节点1与节点3采用BEB算法重新选择随机数进行回退，但是由于两者没有办法互相监听，所以很容易再次出现同时传输的现象。所以在隐藏终端的情况下，网络性能最差时是无法传递数据包的，换言之，节点1与节点3的吞吐量都趋近于0。
在DCF中，引入了RTS/CTS机制来解决“隐藏节点”的问题。
2.1 RTS/CTS流程
1. 节点1已经breakoff至0，其首先发送RTS数据帧给节点2；
2. 若在节点2处没有冲突，即节点2成功解调出节点1的RTS，节点2会在等待SIFS之后发送CTS帧给节点1。由于无线信道是一个广播信道，要是帧没有加密的话，那么所有节点都是可以解析其信息的，所以这里节点2虽然是发送CTS给节点1，但其他节点也是也可以解析CTS信息：
(1) 当节点1接收到CTS后，其发现该CTS是之前自己发送RTS的反馈，即节点1知道信道空闲。再等待SIFS后，节点1发送数据frame，当数据传输完成之后，节点2向节点1反馈ACK，从而最终完成一次传输。
(2) 当其他节点接收到CTS之后，会发现该CTS不是我请求获得。它们会将CTS数据帧的duration给提出，并设置在自己本地的NAV（Network Allocation Vector）上。若NAV没有倒数到0，那么其会主动暂停其随机回退计数值。
两个节点发RTS也是会出现冲突的，所以RTS/CTS的思维就是 "采用小的数据包碰撞，来避免大的数据包碰撞" 。因此如果数据包太小，则不需要采用RTS/CTS机制了。
RTS Threadshold
如果802.11 网卡的驱动程序支持，用户可通过调整 RTS阈值 (RTS threshold) 来控制RTS/CTS 交换过程。只要大于此阈值，RTS/CTS 交换过程就会进行，小于此阈值则会直接传送帧。此阈值一般应该设定为2347 byte ，如果网络吞吐相当低或重传比例偏高，可以降低 RTS 阈值值以启动 RTS 清空机制。
Fragmentation Threshold
相匹配的还有个分片阈值(fragmentation threshold)，用来进行MAC 层级的帧分片，该阈值默认值是2346，或物理层所容许的 MAC最大长度，如果帧超过这个阈值则会进行分片。RF物理层所使用的MAC长度通常是4096个字节，因此这个参数通常默认为2346 byte。这个分片阈值通常与RTS/CTS经常一并运行。这个参数设得太低，有效吞吐量反而会下降，因为确认每个片段必须用掉额外的时间，同样地，设得太高也会降低有效吞吐量，因为较大帧一旦损毁，便会增加无线信道重传的负担。
Retry Limit
1. 长帧重传限制 (long retry limit) ：适合大于RTS阈值的帧，默认值为4。需要用到RTS/CTS 清空机制的有4 次重传机会，如果该遭丢弃，就会通知较上层的协议。2. 短帧重传限制(short retry limit)：适合小于RTS阈值的帧，默认值为7。
RTS Threadshold、Fragmentation Threshold、Retry Limit的默认值说明均来自《OReilly-802.11_Definitive Guide》，可以调整。
三. 暴露节点问题
3.1 载波监听
如上图(《CWNA》)所示，物理载波监听和虚拟载波监听是同时执行判断的，其中只要有一个是出于Busy状态，那么就不会触发随机回退计数值减1的过程。虚拟载波监听就是对应的NAV机制，而物理载波监听则是对应到了CCA（Clear Channel Assessment）机制。
在CSMA/CA中，CCA由能量检测和载波检测一起完成：
- 能量检测（Energy Detection）：是直接用物理层接收的能量来判断是否有信号进行接入，若信号强度大于ED_threshold，则认为信道是忙，若小于ED_threshold，则认为信道是闲。同时该ED_threshold的设置与发送功率有关，比如发送功率大于100mW，那么ED_threhold约为-80dBm，发送功率在50mW至100mW之间，那么ED_threshold应该为-76dBm。不过至于具体的数值，需要查看其具体所对应版本的802.11协议。
- 载波侦听（Carrier Sense）：载波监听的方法指的是用来识别802.11数据帧的物理层头部（PLCP header）中的preamble部分。简单的说，802.11中的preamble部分采用特定的序列所构造，该序列对于发送方和接收方都是已知的，其用来做帧同步以及符号同步。在实际监听过程中，节点会不断采样信道信号，用其做自相关或者互相关运算，其中自相关在基于OFDM的802.11技术中常用，比如802.11a，而互相关在基于DSSS技术中常用，比如802.11b。与能量检测类似，相关计算值需要与一个阈值进行判断，若大于，则认为检测到了一个信号，若小于则没有检测到。
3.2 物理载波监听引起的“暴露节点”问题
如上图，STA 1和STA 2互相覆盖，即两者可以互相监听到对方的传输。但AP1仅仅能接收到STA1的信号，其不会受到其他传输的干扰；AP2也仅仅能收到STA 2的信号，不会受到其他传输的干扰扰。
如果基于LBT（Listen Before Transmission）机制，比如典型的CSMA协议。如果STA 1向AP 1进行传输的同时，STA 2因为监听到信道忙就不能向AP 2进行传输。反之亦然。
这个拓扑看起来是可以执行一个并行传输的（即STA 1→AP 1和STA 2→ AP2并行传输，互hub），但是由于LBT机制的影响，其不能够同时进行传输。这种由于LBT，也就是监听信道忙造成无法传输的示例，就是我们一般意义上的“暴露节点”问题。也属于物理载波监听引发的。
3.3 虚拟载波引起的“暴露节点”问题
而对于虚拟载波监听，即NAV机制，实际上也会引起暴露终端问题。
NAV是一个计时器，按照us进行倒数。在Wi-Fi中，节点和AP可以设置发送帧中的duration字段，来对NAV进行设置。当NAV大于0的时候，节点或者AP的虚拟载波监听都会显示忙的状态，进而让节点认为信道就一直是忙，无法进行传输。只有当NAV等于0的时候，虚拟载波监听的结果才是空闲，此时才可以根据物理载波监听的结果判断信道是忙还是闲。因此，在很多时候，我们也会看到一些由NAV的设置，导致本身能传的场景被禁止传输（NAV>0导致），这种情况其实我们也可以认为是一种暴露终端。只不过以前把这点叫做暴露终端的比较少，更多的可能是把这种NAV的错误设置当做一种DDOS攻击。
其实Wi-Fi 6里面的BSS Color，SRP，Adaptive-CCA，Dueling NAVs都是为了解决暴露终端这一件事情
REF
1.《IEEE 802.11-2016
IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks–Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications》
2. 《 CWNA®Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide Third Edition》
3. 《OReilly-802.11_Definitive Guide》802.11无线权威指南
4. https://www.zhihu.com/people/edward_xu