一. 概述
1. 本文主要对802.11n协议的MAC层做一个简单记录，主要是描述其在吞吐量提升方面的措施，包括如下内容：
1) 聚合；
2) 块确认；
3) 与传统设备的保护机制；
4) 20/40MHz共存模式；
2. 随着PHY的速率不断提高，11n最高已经达到600Mbps了，但实际吞吐量（MAC层）的增加确越来越低，《下一代无线局域网–802.11n的吞吐量、强健性和可靠性》书中提到两组数据：
1) 40MHz 2×2 PHY速率为270Mbps情况下，MAC层只能得到约92Mbps的吞吐量，MAC层的效率大约为1/3；
2) 40MHz 4×4 PHY速率为540Mbps情况下，MAC层的吞吐量和上者是一样的；
3. 造成MAC层效率非常低的原因：随着PHY速率增加，前导码和帧间距的固定开销越来越大：
1) 有效载荷相对较短的情况下，前导码和帧间距占用了更大比例的传输时间；
2) 更多的空间流，需要的前导码也更长，使得系统开销比例也升高了；
下图是一个1500B大小的帧，在不同PHY速率下，前导码的系统开销占比：
Note：1500字节的帧尚且如此，如果有效载荷更短，比如只有50B，那系统开销的占比将更加惊人；
4. 为了提升效率，802.11e（前面两点）和802.11n（后面两点）均在以下几个方面进行改进：
1) TXOP内进行数据突发：即一次空口竞争，发送多个报文，减少了空口竞争过程的开销；
2) 理解块确认：发送方每次发送完数据，接收方不再马上进行ACK确认，而是发送方先连续发送多个数据帧，然后再与接收方进行沟通确认（BAR、BA）；
3) 缩小帧间间距：使用比SIFS更短的间距RIFS；
4) 数据聚合：将进行聚合到一起，共用一些系统开销（如前导码、802.11 MAC头）；
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. LLC：Logic Link Control，逻辑链路控制子层；
2. MAC：介质访问控制子层；
3. PLCP：Physical Layer Convergence Procedure，物理层会聚协议；
4. PMD：Physical Medium Dependent；
5. MSDU：MAC Service Data Unit，当网络层数据传到LLC子层，会在网络层数据前添加LLC头，其中包括加密信息等，此时数据包被称作MSDU，但需要注意的是：控制帧、管理帧和数据帧中，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）；
6. MPDU：MAC Protocol Data Unit），MSDU移交到MAC层的时候，会加上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，此时数据包就称作MPDU；
7. PSDU：PLCP Service Data Unit，当MPDU传到PLCP子层，数据包就换名字了，虽然是同一个东西，但此时就叫PSDU了；
8. PPDU：PLCP Protocol Data Unit，当PSDU到达PLCP子层后，会加上前导同步码（PLCP Preamble Code）和PHY头部（PLCP Header），此时数据包就称作PPDU；
三. 聚合
1. 为什么要聚合
从上文概述章节不难发现，提升效率的4种方式中，前3种虽然也能提升一定的效率，但是相对于占百分之73%的前导码开销而言，效果还是非常微小的。因此，802.11n迫切需要一种功能，它能够将占比最大的前导码等系统开销比例将低，一般也就两种方式：
1) 减小前导码的长度：这个显然不行，要么就有兼容性问题，要么数据部分无法解码；
2) 增加数据部分的长度：多个不同的数据帧共用一些系统开销，间接稀释前导码的占比；
共用哪些系统开销，对于无线来说，主要是两种，分别对应了两种聚合的方式：
1) 前导码：A-MPDU；
2) 前导码+802.11 MAC头：A-MSDU；
聚合的优点：
1) 共用一些系统开销（如前导码、802.11 MAC头），降低系统开销比例；
2) 类似于TXOP内进行数据突发，减少了空口竞争过程的开销；
3) 类似于缩小帧间间距，帧之间的间隙直接缩短为0；
4) 减少了大量的ACK报文；
2. A-MPDU
A-MPDU
1) 共用的系统开销：PLCP Preamble + PLCP Header；
2) 聚合的这些报文必须属于同一个接收端，并且具有相同的通信标识符TID；
3) A-MPSDU结构
4) MPDU分隔符
a) 总长度未32bit（4B）；
b) MPDU长度字段：12bit，用于描述接下来的MPDU有多长；
c) CRC：8bit，用于校验4bit长的保留字段和12bit长的MPDU长度字段；
d) 特征签名字段：8bit，为了有助于软件实现定界，被设置为ASCII字符“N”；
e) 填充：每个MPDU要求32字节对齐（不足通过padding进行填充）；
5) A-MPDU接收方通过解析MPDU分隔符来依次取出MPDU；
6) 当MPDU分隔符损坏（长度不合法、无效的签名字段、CRC错误）时，接收方可以在32bit边界上扫描寻找下一个合法的MPDU分隔符，从而跳过损坏的MPDU；
7) 能接收的A-MPDU最大长度：在HT cap里面进行声明，如下所示：
最大A-MPDU长度编码主要有4个值：
a) 0：8191B（8KB）；
b) 1：16383B（16KB）；
c) 2：32767B（32KB）;
d) 3：65535B（64KB）;
最小MPDU起始间距（为了适应接收机中处理每个MPDU的定长时间），有8个值：
a) 0：无限制；
b) 1：0.25us；
c) 2：0.5us；
d) 3：1us；
e) 4：2us；
f) 5：4us；
g) 6：8us；
h) 7：16us；
如果发送方在组装一个A-MPDU时，发现不满足最小MPDU起始间距，一般有两种处理方式：
a) 使用A-MSDU来创建更大的MPDU；
b) 插入空的MPDU分隔符（MPDU长度字段为0）；
3. A-MSDU
A-MSDU在A-MPDU基础之上，聚合度更高了，802.11 MAC Header都共用了，它的特点包括：
1) 共用的系统开销：PLCP Preamble + PLCP Header + 802.11 MAC Header；
2) 聚合的这些报文必须属于同一个接收端，并且具有相同的通信标识符TID；
3) A-MSDU结构
4) 能接收的A-MSDU最大长度：在HT cap里面进行声明，如下所示：
主要有俩个值：
a) 3839：每个A-MSDU分配4KB的缓冲区，其中257B预留给特定实现；
b) 7935：每个A-MSDU分配8KB的缓冲区，其中257B预留给特定实现；
5) Qos优先级：与同样TID的MSDU的MPDU相同；
6) A-MSDU的每个子帧要求32字节对齐（不足通过padding进行填充）；
相比A-MPDU，A-MSDU多共用了802.11 MAC Header，这虽然进一步提高了效率，但因为FCS校验信息在802.11 MAC Header中，一旦A-MSDU发发生了CRC错误，接收方无法判断具体是哪个子帧有问题，所以发送方必须重新发送整个A-MSDU，这种情况在干扰相对严重的情况是非常常见的，此时，A-MSDU将无法实现预想的效率提升。
因此，各个芯片厂商实际使用A-MSDU的条件非常苛刻，我们很少在有干扰的开放环境下抓到这种类型的聚合报文。
4. A-MPDU与A-MSDU
A-MPDU与A-MSDU可以同时使用，需要双方协商好，同时使用的效果可能在某些场景不明显，与单独使用A-MPDU的效果相当；
在一些特殊的场景，比如大量的小MSDU，单独使用A-MPDU很容易达到聚合的上限（64个MPDU），因为都是很短的报文，即使聚合了64个也无法将TXOP全部使用完，这种情况下同时使用可以充分利用TXOP，从而提高传输效率；
Note：另外，在PHY速率非常高的场景下，即使MSDU很大，也可能出现即使聚合了64个也无法将TXOP全部使用完的情况；
四. 块确认（Block Ack）
1. 块确认最初是在802.11e协议中引入的，该特性允许用一个BA帧来确认以正确数据帧的传送（替代ACK），从而提升了效率；
2. 802.11e协议最初定义了两种类型：立即块确认、延迟块确认，如下所示：
1) 块确认是基于特定的通信标识符TID的，不同的TID需要建立不同的块确认会话；
2) 块确认是有方向的，只被用于从发起方向接收方单向数据传输；
3) 块确认会话建立：发起方发送一个ADDBA req，接收方收到后回复一个ADDBA rsp；
4) 块确认会话删除：发起端或接受端发送一个DELBA req，对方收到后回复一个ACK即可删除会话；
5) 立即块确认&延迟块确认的区别：BAR和BA帧的处理不一样：
a) 立即块确认：发送方发送BAR，接收方立即回复一个BA；
b) 延迟块确认：发送方发送BAR，接收方先回复一个ACK确认，然后再重新竞争空口发送BA，发送方对BA也回复一个ACK确认；
3. 802.11n协议中对以上两种块确认均进行了加强，配合聚合功能，以及使用更高的速率等，加强后的块确认称为：HT立即块确认、HT延迟块确认；
1) 对聚合的支持：类似用ACK机制，通过BA代替ACK进行帧确认（隐式BA），如下图所示：
Note：这种方式不需要BAR，但并不意味这BAR完全不使用，如果发起端一直没有收到某一个MPDU的BA，发起端这边会将这个超时的MPDU丢弃，此时发起端就需要发送一个BAR，以便接收端将后面收到的MPDU送到上层（如果不发送BAR，接收端可能一直不会把数据送给上层），如下所示：
2) 压缩块确认
a) 802.11e协议定义的BA帧中使用一个128B（64 x 16 x 8 bit）计分板，来支持64个MSDU的接收，每个MSDU可被分成最多16个分片；
b) 802.11n协议的BA只为每个MPDU保留1个bit，计分板的大小变成了8B（64 bit），这样既减轻了传输负担，也减少了接收端的内存要求；
3) 802.11n引入了部分状态块确认，之前802.11e定义的则被称为全状态块确认，他们的区别：
a) 全状态块确认：接收端为每个会话都维护一个状态计分板，需要的内存比较多（128B），可以通过ADDBA rsp中的“缓冲区大小”参数来减小内存使用；
b) 部分状态块确认：状态内存作为缓存，用于存储最近活跃会话的状态，相当于不同的块确认会话共同使用一个状态内存，在这个共享的状态内存上创建最近活跃的会话所需的状态计分板；
4) HT延迟块确认在802.11n协议是可选的一个特性，在HT cap里面进行声明
五. 保护机制
1. 存在802.11b用户时
这种情况的保护机制和802.11g ERP协议保持一致：
1) 使用实际：beacon或者probe rsp中的ERP信息元素总use protection设置为1时，如下所示：
2) 保护方式
a) RTS/CTS交互；
b) CTS-to-self；
3) RTS/CTS、CTS-to-self的编码格式：DSSS/CCK；
4) 40MHz频宽时，RTS/CTS、CTS-to-self在主信道上发送；
2. 存在802.11g或802.11a用户时，保护机制包括：
1) RTS/CTS交互；
2) CTS-to-self；
3) 要求使用HT-MF模式；
4) L-SIG TXOP保护：利用L-SIG中的并不使用的length、datarate字段，将L-SIG时长值的设置至少可以覆盖HT PPDU的时长，其它站点可以通过这个L-SIG时长更新其NAV；
3. HT-GF模式保护
1) 终端可以通过设置HT cap元素中的配置来标识其不能接受HT-GF模式，如下图示所示：
2) AP关联了不支持HT-GF的终端后，会在beacon的HT info元素中进行标注，如下所示：
3) 如果有non-HT的终端关联了AP，则AP会在beacon的HT info元素中将HT protection标注为3，如下所示：
4) 如果AP对以上两个字段进行了标注，其关联的终端必须对HT-GF模式的PPDU进行保护；
六. 20/40MHz共存与信道切换管理
1. HT的信道与频宽
这个信息在beacon帧里面的HT info中，如下所示：
1) primary channel：主信道号；
2) STA channelwidth：可以用来向STA发送的频宽（AP所支持的频宽）：
a) 0：使用20MHz；
b) 1：使用所支持的频宽中任意一种；
3) 2ed channel offset：相对于主信道，辅信道的偏移：
a) 0：无辅信道；
b) 1：辅信道高于主信道；
c) 2：保留；
d) 3：辅信道低于主信道；
2. 禁止使用20/40MHz共存的情况
1) 使用前先扫描相邻信道的BSS，如果在辅信道检测到完全、部分重叠的BSS，则不能使用20/40MHz共存；
2) 终端可以设置“40MHz不容许”配置，从而阻止AP使用40MHz；
Note：“40MHz不容许”配置：
a) 该配置只使用在2.4G频段，5G频段这个参数固定设置为0；
b) 该配置并没有详细规定何时使用，终端可以以任何理由进行设置；
c) 当设置“40MHz不容许”配置的终端与AP断开关联后，在经过一定时间后，需要从20MHz恢复到20/40MHz共存模式；
3) 终端可以设置“20MHz BSS宽度请求”配置，从而阻止AP使用40MHz；
3. 20/40MHz BSS NAV
只根据主信道上的PPDU更新NAV，对于辅信道上20MHz的帧，不更新其NAV；
4. 信道切换管理
802.11n加强了802.11h协议的信道切换，AP为了通知sta即将变换信道，在管理帧中（如beacon）加入对应的CSA IE字段，告知sta以下信息：
1) 切换模式：标识信道切换前的传输限制，设置为1时表明sta在信道切换前应该停止参数数据，设置为0则不限制sta的数据传输；
2) 频宽：新信道使用的是20MHz还是40MHz；
3) 新信道号：即将切换的目标信道号；
4) 切换计数：发送当前帧到切换，所需要发送的beacon数量（通过beacon数目来计数）；
七. 参考资料
1. 《IEEE 802.11n-2009》;
2. 《IEEE 802.11-2016》;
3. 《下一代无线局域网–802.11n的吞吐量、强健性和可靠性》;