802.11 帧格式和分类详解

一、帧类型

802.11帧主要有三种类型：

管理帧

它的主要作用是维护接入点和无线客户端之间的通信，管理帧框架拥有以下子类型：

• Authentication

• De-authentication

• Association Request

• Association Response

• Reassociation Request

• Reassociation Response

• Disassociation

• Beacon

• Probe Request

• Probe Response

控制帧

控制帧是负责客户端和接入点的数据交换，类型为：

• Request to Send (RTS)
• Clear to Send (CTS)
• Acknowledgement (ACK）

数据帧

携带传输的数据的帧，类型主要有：

• DHCP
• TCP
• HTTP
• EAPOL-Key
• 802.11 Flag
• 等等

二、802.11 帧格式

802.11帧的最大长度2346个字节，结果如下：

2.1 802.11帧—Frame Control

在802.11帧的开头，占2个字节共8bit位。
所有帧的开头均是长度两个元组的Frame Control位，如下图所示：Frame Control位包含以下bit位。

• Protocol（协议版本）
  上图中，协议版本的值为0，因为这是目前唯一的版本，未来可能会出其他新的版本。

• Type:
  管理帧的Type值为00。
  控制帧的Type值为01。
  数据帧的Type值为10。

• Subtype（子类型）：
  此位代表发送帧的子类型。
  
  

• To DS 与From DS
  分别表示无线链路向无线工作站（如AP）发送的帧和无线工作站向无线链路发送的帧。

• More Fragments（更多片段）
  用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧。若较上层的封包经过MAC 分段处理，最后一个片段除外，其他片段均会将此bit 设定为1。

• Retry（重试）
  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（电源管理）
  此bit 用来指示、完成当前的帧交换过程后，发送端的电源管理状态。
  为1表示STA处于Power_save模式，为0表示STA处于active模式。

• More Data（尚有数据）
  More Data bit 只用于管理数据帧，在控制帧中此bit 必然为0。

• Protected Frame（受保护帧）
  为1表示帧体部分包含加密处理过的数据，为0则表示没有进行加密处理。
  

• Order（次序）
  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，对帧片段进行严格编号。一旦进行“严格依序”传送，此bit被设定为1。
   

2.2 Duration/ID 位

在802.11帧第2位，占2个字节，共8bit位。
Duration（持续时间）位用来记载网络分配矢量NAV得值。
访问介质时间限制是由NAV所指定。

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

2.3 802.11帧—Address

地址字段包含不同类型的MAC地址，地址的类型取决于帧类型。

举例：

• Address 1
  代表帧接收端的地址。
  在某些情况下，接收端即为目的地，但不然如此。
  目的地是负责处理帧中网络层封包的工作站。 而接收端是负责将无线电解码为802.11 帧的工作站。
  如果Address 1 被设为广播或组播地址，则必须同时检查BSSID（基本服务组合识别码）。工作站只会应答来自同一个基本服务组合（basic service set，简称BSS）的广播或组播信息；至于来自其他不同BSS 者则加以忽略。
• Address 2
  发送端的地址，用来发送应答信息。
  在某些情况下，发送端即为源地址，但不然如此。
  源地址是指产生帧中网络层协议封包的工作站；而发送端则是负责将帧发送至无线链路。
• Address 3
  Address 3 位则是供基站与传输系统过滤之用，不过该位的用法，取决于所使用的网络类型。
• Address 4
  Address 4 一般不使用，只有在WDS（无线分布系统）中才会使用。
   

2.4 802.11帧—Seq-Ctl（顺序控制位）

此位占16bit位，用来重组帧片段以及丢弃重复帧。它由4个bit的fragment number（片段编码）位以及12个bit的sequence number（顺序编号）位所组成。

• fragment number（片段编号）在上层封包被切割处理时使用，第一个片段的编号为0。其后每个片段依序累加1，方便帧进行重组。所有帧片段都会具有相同的顺序编号，如果是重传帧，则顺序编号不会有任何改变。

• sequence number（顺序编号）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。
  如果发生重传，则顺序编号不变，便于进行帧处理，丢弃重复帧。
  主要是将我们发送的帧进行编号，对重新传输的帧进行刷选，保证帧的正确性。

2.5 802.11帧—Frame Body（帧主体）

Frame Body 称为数据位，负责在工作站之间传输上层数据（payload）。
802.11帧最多可以传输2312个bit组的上层数据

Frame Body包含了SSID、Channel、TX、RX等信息

2.6 802.11帧—FCS（帧检验序列）

802.11帧以FCS作为结束，FCS让工作站得以检查所收到的帧的完整性。
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。

三、帧类型细分

1.管理帧

管理帧的主体所包含的固定位与信息元素是用来运送信息。管理帧有好几种分别负责链路
层各种维护功能。

Beacon（信标）帧

• Beacon 帧是相当重要的维护机制，主要用来宣告某个网络的存在。
• 定期发送的信标，可让移动工作站得知该网络的存在，从而调整加入该网络所必要的参数。
• 在基础型网络里，基站必须负责发送 Beacon 帧。 Beacon 帧所及范围即为基本服务区域。在基础型网络里，所有沟通都必须通过基站，因此工作站不能距离太远，占则便无法接收到信标。

检测要求（probe request）帧

• 移动工作站将会利用 Probe Request（检测要求）帧，扫描所在区域内目前有哪些 802.11
  网络
• Probe Request 帧包含两个位： SSID 以及 Supported Rates（移动工作站所支持的速率）。
  收到 Probe Request 帧的工作站会据此判定对方能否加入网络。为了相处愉快，移动工作站必
  须支持网络所要求的所有数据速率，并以 SSID 表明所欲加入的网络。 SSID 可设定为特定网络
  的 SSID，或设定为任何相容网络的 SSID。允许网卡加入任何网络的驱动程式，将会在 Probe
  Requests 中使用 broadcast SSID（广播形式的服务集合识别码）。

检测应答（probe response）帧

• 如果 Probe Request 帧所探查的网络与之相容，该网络就会以 Probe Response 帧应答。
  送出最后一个 Beacon 帧的工作站，必须负责应答所收到的检测信息。在基础型网络里，负责应
  答的工作站即为基站。在 IBSS 当中，工作站会彼此轮流发送 Beacon 信号。发送 Beacon 信号
  的工作站必须负责发送 Probe Response 帧， 直到下一个 Beacon 被发送出来。 Probe Response
  帧的格式如图 4-53 所示。 其中某些位彼此互斥； 此规则同样适用于 Probe Response 以及 Beacon帧
• Probe Response 帧中包含了 Beacon 帧的所有参数，移动工作站可据以调整切入网络所需
  要的参数· Probe Response 帧可以剔除 TIM 元素，因为此时工作站尚未建立连接，因此不必知
  道哪些连接在基站中有暂存帧

IBSS的数据待传指示通知信息（ATIM）帧

HISS 中没有基站，因此无法仰赖基站暂存帧。 IBSS 中的工作站如果为处于休眠状态的接
收者暂存帧，就会在递送期间送出一个 ATIM 帧，通知对方有信息待阵，如图 4-54 所示。

解除连接和解除认证（Disassociation 与 Deauthentication）

• Disassociation（解除连接）帧用来终结一段连接关系。
• 而 Deauthentication（解除认证）帧则用来终结一段认证关系。
• 两者均包含一固定位， Reason Code（原因代码），如图 4-55 所示。当然， Frame Control 位彼此不同，因为不同类型的管理帧拥有不同的次类型。 802.11 改版并不需要改变这一格式，但几次修订均加入了新的原因代码。
  

连接要求（ Association Request）

一旦移动工作站找到相容网络并且通过身份认证，便会发送 Association Request（连接要
求）帧，试图加入网络。 Association Request 帧的格式如图 4 一 56 所示。

• Capability Information（性能信息）位用来指出移动工作站所欲加入的网络类型。在接受连
  接要求之前，基站会验证 Capability Information、 SSID 以及（ Extended） Supported Rated
  等位是否符合网络参数。此外，基站也会记录工作站所使用的 Listen Interval（聆听间隔；即移
  动工作站每隔多久聆听一次 Beacon 帧，以监视 TIM 信息）。支持频谱管理的工作站具备 power
  （功率）与 channel（信道）性能信息元素，支持安全防护的工作站则具备 RSN 信息元素。

重新连接（ Reassociation Request）

• 位于相同扩展服务区域，但在不同基本服务区域之间游走的移动工作站，若要再次使用传
  输系统， 必须与网络重新连接。 如果工作站暂时离开基站所涵盖的范围， 之后要重新加入的时候，也必须重新连接。如图 4-57 所示。
• association Request（连接要求）与 Reassociation Request（重新连接要求）之间的差别
  在于，后者包含移动工作站目前所连接之基站的地址。拥有这项信息可让新旧基站彼此联系，以
  及交接连接数据。交接项目包括先前连接之基站所暂存的帧。

连接应答与重新连接应答（ Association Response 与 Reassociation Response）

• 当移动工作站试图连接基站时，基站会回覆一个 Association Response（连接应答）或
  Reassociation Response（重新连接应答）帧，如图小 58 所示。两者之间的差别，在于 Frame
  Control 位所记载的 subtype 位。 所有位均属必要。 在应答的过程中， 基站会指定一个 Association ID（连接识别码），至于指定的方式则因实作而异。

认证（ Authentication）

• 802.11 网络发展初期，工作站是使用共享密钥以及图 4-59 所示的 Authentication 帧进行身
  份认证。到了 802.11i，共享密钥身份认证虽然仍保留在标准当中，但却无法与新的安全机制相
  容。如果工作站使用共享密钥身份认证，将不允许使用较为牢靠的安全性协议
• 不同的身份认证算法可以同时存在。 Authentication Algorithm Number（身份认证演算法编
  号）位用于选择演算法。整个认证程序可能包含好几个步骤（与所使用的算法有关），因此认证
  的过程中每个帧都有其序号。 Status Code 与 Challenge Text 的用法因算法而异

Action

• 802.11h 加入了 Action 帧的支持，用来触发测量动作。这些帧将于 8.8 节＜频谱管理>详加
  描述

2.控制帧

控制帧主要在协助数据帧的传递。它们可用来监督无线介质的访问（但非介质本身），以
及提供 MAC 层次的可靠性。

RTS（请求发送）

RTS 帧可用来取得介质的控制权，以便传输「大型」帧。至于多大称之大型：是由网卡驱
动程式中的 RTS threshold（门限）来定义。介质访问权只能保留给单点传播（ unicast）帧使用，而广播（ broadcast）与组播（ multicast）帧只须发送便是了。 RTS 帧的格式如图 4-13 所示。就和所有控制帧一样， RTS 帧只包含标头。帧主体中并未包含任何数据，标头之后即为 FCS（帧检查码）。

RTS 的 MAC 标头由四个位构成：

• Frame Control（帧控制）
  Frame Control 位并没有任何特殊之处。帧的 subtype（次类型）位设定为 1011，代表 RTS
  帧。除此之外，它与其他的控制帧具备相同位。（在 802.11 规格书中，最高效 bit 乃是最后一
  个 bit，因此在 subtype 位中，第 7 个 bit 代表最高效 bit。）
• Duration（持续时间）
  RTS 帧会试图预定介质使用权，供帧交换程序使用，因此 RTS 帧发送者必须计算 RTS 帧结束后还需要多少时间。图 4-14 说明了整个交换过程，总共需要三个 SIFS、一个 CTS、最后的 ACK，加上发送第一个帧或帧片段所需要的时间。（ fragmentation burst〔片段宣泄期〕会使用后续的帧片段来更新 Duration 位。）传输所需要的微秒数经过计算后会置于 Duration 位。假使计算的结果不是整数，就会被修正为下一个整数微秒。
  
  Address 1 位； Receiver Address（接收端地址）
  接收大型帧的工作站的地址。
  Address -2 位： Transmitter Address（发送端地址）
  RTS 帧的发送端的地址。

CTS（允许发送）

CTS 帧有两种目的，其格式如图 4-15 所示。起初， CTS 帧仅用于应答 RTS 帧，如果之前
没有 RTS 出现，就不会产生 CTS。后来， CTS 帧被 802． 11g 防护机制用来避免干扰较旧的工作站。此防护机制和 802.11g 的其他数据

CTS 帧的 MAC 标头由三个位构成：

• Frame Control(帧控制)
  帧的 subtype（次类型）位被设定为 1100，代表 CTS 帧。
• Duration（持续时间）
  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。
  RTS 会为整个 RTS-CTS-frame-ACK 交换过程预留介质使用时间。不过当 CTS 帧被发送出后，
  只剩下其他未帧或帧片段及其回应待传。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。图 4-16 显示了 CTS
  duration 与 RTS diratopm 的关系。
  
• Address 1 位： Receiver Address（接收端地址）
  CTS 帧的接收端即为之前 RTS 帧的发送端，因此 MAC 会将 RTS 帧的发送端地址复制到
  CTS 帧的接收端地址。 802.118 防护作业所使用的 CTS 帧会被发送给发出 RTS 的工作站，而
  且只用来设定 NAV。

ACK（应答）

ACK 帧（图 4-17）就是 MAC 以及任何数据传输（包括一般传输 RTS/CTS 交换之前的帧、
帧片段）所需要的正面应答（ positive acknowledgment）。服务质量扩展功能放宽了个别数据帧必须各自得到应答的要求。

ACK 帧的 MAC 标头由三个位构成：

• Frame Control（帧控制）
  帧的 subtype（次类型）位被设定为 1101，代表 ACK 帧。
• Duration（持续时间）
        依照 ACK 信号在整个帧交换过程中位居何处， duration 的值可以有两种设定方式。在完整
  的数据帧及一连串帧片段的最后一个片段中， duration 会被设定为 0。数据发送端会将 Frame
  Control（帧控制）位中的 More Fragments（尚有片段） bit 设定为 0，表示数据传输已经结束。
  如果 More Fragments bit 为 0，表示整个传输已经完成，没有必要再延长对无线信道的控制权，
  因此会将 duration 设定为 0。
         如果 More Fragments bit 为 1， 表示尚有帧片段仍在发送中。 此时 Duration 位的用法和 CTS
  帧中的 Duration 位相同。发送 ACK 以及短帧间隔所需要的时间，将由最近帧片段所记载的
  duration 中减去。如果不是最后一个 ACK 帧， duration 的计算方式类似 CTS duration 的计算方
  式。事实上， 802.11 的规格书将 ACK 帧中的 duration 设定称为虚拟 CTS。
• Address 1 位： Receiver Address（接收端地址）
  接收端地址是由所要应答的发送端帧复制而来。技术上而言，它是由所要应答 帧的
  Address 2 位复制而来。应答主要是针对数据帧、管理帧以及 PS-Poll 帧。
  

PS-Poll（省电模式一轮询）

当一部移动工作站从省电模式中苏醒， 便会发送一个 PS-Poll 帧给基站， 以取得任何暂存帧。PS-Poll 帧的格式如图 4-19 所示。

PS-Poll 帧的 MAC 标头由四个位构成：

• Frame Control（帧控制）
  帧的 subtype（次类型）位被设定为 1010，代表 PS-Poll 帧。
• AID（连接识别码）
  PS-Poll 帧将会以 MAC 标头的第三与第四 bit 来代表连接识别码（association ID）。连接
  识别码是基站所指定的一个数值， 用以区别各个连接。 将此识别码置入帧， 可让基站找出为其（移动工作站）所暂存的帧。
• Address 1 位： BSSID
  此位包含发送端目前所在 BSS 的 BSSID，此 BSS 建立自目前所连接的 AP。
• Address 2 位： Transmitter Address（发送端地址）
  此为 PS-Poll 帧之发送端的 MAC 地址
  在 PS-Poll 帧中并未包含 duration 信息，因此无法更新 NAV。不过，所有收到 Ps-Poll 帧
  的工作站，都会以短帧间隔加上发送 ACK 信号所需要的时间来更新 NAV。此一自动调整机制使
  得基站在发送 ACK 信号时，比较不会与移动基站发生碰撞。

【 连接识别码（AID）在 PS-Poll 帧中，Duration/ID 位是连接识别码，而非虚拟载波侦测
功能所使用的数值。当移动工作站与基站连接时，基站会从 1-2,007 范围内指派一个值来做为连接识别码（AID）】

四、帧的状态和等级

所能发送的帧类型，依连接状态与身份认证状态而有所不同。工作站可能已经认证或未经认证，也可能己经连接或尚未连接。这两个变数的组合有三种可能状态，结果构成了 802.11 的网络发展层级：

1. 初始状态；未经认证且尚未连接
2. 已经认证但尚未连接
3. 已经认证且已经连接

每种状态分别对应到 802.11 连接的发展阶段。一开始，移动工作站处于状态 1，只有进入状态 3 才可以通过传输系统发送数据。（IBSS 不包含基站，也无须进行连接，因此只会停留在状态 2。） 802.11 帧传输的整体状态图，如图 4-60 所示。

帧可以被划分为三种等级。在状态 1 可以传递第 1 级帧；在状态 2 可以发送第 1 与 2 级帧；
在状态 3 则可以传递第 1、 2 与多级帧。

第 1 级帧

第 1 级帧可以在任何状态中传递，它让 802.11 的工作站得以进行基本作业。 在 IBSS 当中，控制帧主要用来依循 CSMA/CA 规则，以及发送帧。工作站也会使用第 1 级帧来找寻基础型网络，并与之进行身份认证。表 4-11 列出了属于第 1 级的各种帧。

第 2 级帧

工作站只有在经过身份认证之后，方能够发送第 2 级帧，而且第 2 级帧只能使用于状态 2与状态 3。 2 级帧主要用来管理连接。线或重新连接成功后，工作站就会进入状态 3；如果连接失败，则工作站依然处于状态 2。工作站收到未经认证的作站所传来的第 2 级帧时，就会应答一 个 Deauthentication（解除认证）帧，将对方推回状态 1。表 4-12 列出了所有的第 2 级帧。

第 3 级帧
第 3 级帧的使用时机，是在工作站认证成功并与基站连接之后“一旦工作站进入状态 3，就
可以使用传输系统服务，也可以和基站范围以外的对象进行通讯。在状态 3，工作站还可以利用PS-Poll 帧享受基站所提供的省电服务。表列出了不同类型的第 3 级帧。

如 果 所 收 到 的 帧 ， 来 自 一 部 已 经 验 证 但 尚 未 连 接 的 工 作 站 ， 基 站 就 会 应 答 一 个Disassociation（解除连接）帧，迫使工作站回到状态 2。如果发出帧的工作站尚未经过验证，则基站会应答一个 Deauthentication（解除认证）帧，迫使工作站回到状态 1。