802.11--802.11协议
一、概述&背景
随着无线协议的发展，无线功能变得更加强大，内容越来越多，学习的成本越来越高，为了更好的理解802.11协议，选择从最初更加简单的协议开始学习，循序渐进的方式进行了解、学习，最初协议定义的内容或者技术可能有些已经过时，有些技术可能已经废弃，本系列的文章仅仅是做一个学习记录，以便更好地理解802.11。
二、专业术语
本小节对一些专业术语进行一个简要的说明，如下：
1. DCF：Distributed Coordination Function；
2. PCF：Point Coordination Function；
3. CSMA/CA：Carrier sense multiple access with collision avoidance；
4. PC：point coordinator；
5. PCF：Contention-Free Period；
6. CF：Contention Period；
7. FHSS：Frequency-Hopping spread spectrum；
8. DSSS：Direct sequence spread spectrum；
9. GFSK：Gaussian frequency shift keying；
10. SFD：The Start Frame Delimiter；
11. PLW：The PSDU length word；
12. PSF：PLCP Signaling field；
13. HEC：Header Error Check；
三、MAC层
802.11的mac曾定义了两种信道接入方式，分别称为DCF和PCF，他们的关系如下图所示：
1. DCF
DCF模式以CSMA/CA机制被我们熟知，作为一个基本的接入机制，802.11规定所有的节点均需要实现、支持DCF，包括独立式基本服务组合（independent BSS，简称 IBSS）和基础型基本服务组合（infrastructure BSS）。
DCF模式下，如果一个节点需要发送数据，首先需要检测当前信道是否有其他的节点正在发送数据，即需要判断信道是否忙碌，信道空闲的情况下，就可以进行数据发送，否则，这个节点需要等到信道空闲才能发送。
多用户接入的情况下，为了减少冲突的可能行，DCF通过CSMA/CA机制来规定如何进行信道竞争，比如：
1) 载波监听：物理载波监听和虚拟载波监听;
2) 为了防止在信道空闲时所有的节点同时发送数据，增加了随机数退避机制；
3) 规定单播的数据报文，接收节点需要立即回复ack表明自己已经正确收到数据，如果发送节点未收到ack，需要触发重传机制；
更加详细的内容请参考《802.11–CSMA/CA机制简述》。
2. PCF
PCF在DCF之上，他们可以同时使用（实际微观上是交替使用），是一个可选的信道接入方式。PCF的核心思想：
1) 采用协调的方式（无竞争）接入信道，该模式下的各节点使用信道是协调控制器（PC）分配的；
2) 协调控制器可以是一个专用电脑，也可以是AP自己，协调控制器依次轮询与之连接的节点，询问是否有数据需要传输，节点自己无法主动发送数据；
3) PC通过虚拟载波监听（NAV）的机制进行信道接入分配，NAV在Beacon帧中进行设置，并用CF-END帧来终止；
这里特别提一下PCF模式下的NAV，和DCF中的不一样：
1) DCF中的RTS/CTS中，NAV是通过倒数到0结束的；
2) PCF中的duration（NAV）仅表示最大时间，可以重复设置，实际释放是CF-END帧，只有CF-END帧的duration才会被设置为0；
如果多个使用PCF模式的AP在相同环境下使用，需要更加复杂的额外控制，来实现重叠信道接入控制，这使得在复杂的环境下，控制信道接入将非常复杂。
四、物理层(PHY)
802.11定义两种类型的物理层，分别是FHSS和DSSS，他们在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备是不能相互兼容的。
1. FHSS
工作频道和基本原理：FHSS工作在2.4G频段，以某种随机样式在频率问不断跳换，每个子频道只作瞬间的传输。为了避免两个发送端同时采用同一个子频段而造成相互干扰，每个在802.11网络上进行的会话都可能采用了不同的跳频模式。
信道划分：FHSS将频道划分成75个1MHz的子频道，接受方和发送方协商同一个调频的模式，即相同的跳频序列，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送。协议规定不同的区域使用的信道也不相同，如下所示：
编码调制：FHSS采用高斯频移键控(GFSK)编码，将数据编码成载波中一系列的频率变动，即用不同的频率来表示不同的符号，比如2KHz表示0，3KHz表示1。FHSS共支持两种GFSK：2级GFSK和4级GFSK，2GFSK只用两个频率来表示0和1，而4GFSK则用4个频率来表示00、01、10、11，如下所示：
数据速率：2GFSK能够带来1Mbps的速率，而4GFSK则能实现2Mbps的速率。（Note：协议文档上说明FHSS可以支持1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5共8个速率，但网络上的文章普遍认为只有1，2两个速率）
PPDU帧结构：由3部分组成，包括PLCP Preamble、PLCP Header、PSDU，如下图示：
1) PLCP Preamble：包括两部分，主要是为了让phy电路稳定调解的状态–时钟同步与帧同步：
a) SYNC field：长80 bit，0-1交替模型，以0开始，以1结束，phy子层可以通过这个序列来判断是否有潜在信号需要接收，同时也进行频偏校正和时钟同步；
b) SFD：长16 bit，用于进行帧同步，以便phy可以找到帧开始的地方，序列是固定的：0000 1100 1011 1101
2) PLCP Header：
a) PLW：长12 bit，用于表示PSDU的长度，以便接收方可以找到帧的尾部，该字段的范围为1~4095；
b) PSF：长4 bit，实际只使用bit1~bit3，用于表示PSDU使用的发送速率，如下图所示：
c) HEC：长16 bit，用于校验PLCP Header，如果PLCP Header出现错误，后边接收的PSDU可能就完全是错误的；
PHY特性参数：包括SlotTime、SIFSTime等参数，如下所示：
2. DSSS
工作频道和基本原理：DSSS工作在2.4G频段，通过精确地控制将RF能量分散至某个宽频带，然后利用这个较宽的频段信号传输；
信道划分：DSSS在2.4GHz上划分14个22MHz的信道（channel），相邻的信道互相重叠，在这14个信道中，只有3个频段是相互不重叠的（1，6，11），每个地区使用的信道也是不同的，如下所示：
Note：FCC：US，IC：Canada，ETSI：Europe，MKK：Japan；
编码调制：DSSS使用两种调试方式：差分二进制相移键控（DBPSK）、差分正交相移键控（DQPSK），这两种都是通过DPSK（差分相移键控）：利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息，而不看绝对相位，所以不需要传送参考相位.
1) DBPSK：只要相位发生180°变化，就表示1，如果相位无变化则表示0，如下所示：
2) DQPSK：可以看作是GBPSK的加强版，能区分识别的相位更小，所以可以编码更多的信息，如下所示：
数据速率：使用DBPSK编码调制可以得到1Mbps的速率，而DQPSK则可以实现2Mbps的速率；
Note：就算使用2Mbps的速率，PLCP Preamble和PLCP Header也是使用1Mbps的速率编码发送的。
PPDU帧结构：由3部分组成，包括PLCP Preamble、PLCP Header、MPDU，如下图示：
1) PLCP Preamble：长144 bit，包括两部分，主要是为了让phy电路稳定调解的状态–时钟同步与帧同步：
a) SYNC：长128 bit，每个bit值均为1，与FHSS不同的是，sync发送前会经过扰频处理；
b) SFD：长16 bit，用于进行帧同步，以便phy可以找到帧开始的地方，16进制值：F3A0，序列为：1111 0011 1010 0000；
2) PLCP Header：长48 bit，由4部分组成：
a) SIGNAL：长8 bit，用于表示MPDU使用的发送速率，只使用了两个：0x0A表示1 Mbit/s DBPSK，0x14表示2 Mbit/s DQPSK；
b) SERVICE：长8 bit，这个字段并为在当前协议使用，处于保留状态，0x00表示符合IEEE 802.11标准；
c) LENGTH：长16 bit，无符号整型，用于表示MPDU发送所需要的时间us，使用时间单位来表示MPDU有多长；（虽然在TXVECTOR中长度是以byte为单位，但会根据发送速率转换为时间填充到PLCP LENGTH field）
d) CRC：长16 bit，用于校验PLCP Header；
信道评估CS/CCA：DSSS的信道评估支持3种模式：
1) CCA Mode 1：仅能量检测，检测到的能量超过阈值，就认为信道忙；
2) CCA Mode 2：仅载波监听，检测到DSSS信号就认为信道忙，而不管信号强度高低；
3) CCA Mode 3：能量检测和载波监听相结合，两者需要同时满足才认为信道忙；
PHY特性参数：SlotTime、SIFSTime等参数如下所示：
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