MAC簡(jiǎn)介

　　MAC即媒體介入控制層，屬于OSI模型中數據鏈路層下層子層。它定義了數據幀怎樣在介質(zhì)上進(jìn)行傳輸。在共享同一個(gè)帶寬的鏈路中，對連接介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)是“先來(lái)先服務(wù)”的。物理尋址在此處被定義，邏輯拓撲（信號通過(guò)物理拓撲的路徑）也在此處被定義。線(xiàn)路控制、出錯通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實(shí)現。

　　MAC協(xié)議的種類(lèi)

　　多個(gè)用戶(hù)，多址接入的核心問(wèn)題就是：對于一個(gè)信道，多個(gè)用戶(hù)產(chǎn)生競爭的時(shí)候，如何采用一些協(xié)調機制，也就是采用何種MAC協(xié)議。例如兩種極端的MAC協(xié)議，一種是完全自由的方式，用戶(hù)自由發(fā)送，但是要解決一個(gè)問(wèn)題是碰撞后如何辦，一種是完全排序，每個(gè)用戶(hù)都被規定了詳細的規則來(lái)發(fā)送，接收包。但是，實(shí)際上不可能這樣的，因為MAC協(xié)議，主要決定了通信的吞吐量、延遲等性能，所以，這塊是非常重要的，是多種方式的結合。MAC協(xié)議主要分為以下三類(lèi)

　　1、固定分配信道。信道基本上可以分為頻分、時(shí)分、碼分、空分，每個(gè)用戶(hù)都被固定的分配了一個(gè)信道，這種方式實(shí)時(shí)性很高，但是有浪費。主要是面向語(yǔ)音。例如FDMA（電話(huà)）、TDMA（GSM）、CDMA.

　　2、隨機分配信道。。主要是面向數據。例如ALOHA，CSMA就是隨機分配的典型例子。

　　3、按需分配信道。根據用戶(hù)的要求，按照需求分配信道，例如802.16就是按照需求分配信道。主要是面型多媒體。

　　MAC幀格式

　　MAC幀基本格式如下圖所示：

　　1、FrameControl字段

　　-ProtocolVersion：目前為0

　　-Type：幀類(lèi)別，有下面三種，每個(gè)類(lèi)別又有一些子類(lèi)別（見(jiàn)Subtype）

　　00：管理幀（ManagementFrame）

　　01：控制幀（ControlFrame）

　　10：數據幀（DataFrame）

　　11：保留未使用

　　-Subtype：幀子類(lèi)別，與Type共同來(lái)決定一個(gè)幀的類(lèi)型，詳細如下表所示

　　-ToDS/FromDS：指示幀目的地是否為DS（分布式系統），可以簡(jiǎn)單地理解為是否【發(fā)往/來(lái)自】AP

　　-Morefragments：指示是否還有分片（除去最后一個(gè)分片）

　　-Retry：指示當前幀是否為重傳幀，接收方收到后會(huì )刪掉重復幀

　　-Powermanagement：指示STA的電源管理模式，1表示STA在數據交換完成后進(jìn)入省電（Power-Save）模式，對于A(yíng)P恒為0

　　-Moredata：指示AP為進(jìn)入省電模式的STA進(jìn)行幀緩存（來(lái)自DS）

　　-WEP：指示framebody是否使用WEP加密

　　-Order：指示將進(jìn)行嚴格次序（StrictlyOrdered）傳送

　　2、其他字段

　　-Duration/ID：可以用在下面三個(gè)場(chǎng)景中

　　@1Duration，第15位置0，用于設定NAV，數值代表預計使用介質(zhì)的微秒數

　　@2在CFP幀中，第14位置0，第15位置1，其他值為0，字段值為32768，讓其他沒(méi)有收到Beacon幀的STA公告無(wú)競爭周期

　　@3在PS-Poll（省電-輪詢(xún)）幀中，第14、15位同時(shí)置1，用于從省電模式醒來(lái)的STA發(fā)送AID（關(guān)聯(lián)標識符）以取得在A(yíng)P中的緩存幀

　　-Address：有以下幾種類(lèi)型，由幀類(lèi)型決定使用哪幾個(gè)地址字段，通常有三個(gè)，SA、DA和BSSID

　　BSSID，基本服務(wù)集標識符

　　DA，目的地址

　　SA，源地址

　　RA，接收端地址

　　TA，發(fā)送端地址

　　-SequenceControl：包含兩個(gè)子字段，4位的分片編號（FragmentNumber）和12位的順序編號（SequenceNumber）

　　順序編號4096的模數，從0開(kāi)始，每處理一個(gè)上層封包就加1

　　若上層封包分片處理，所有幀分片采用相同順序編號

　　對于重傳幀，順序編號不變

　　-FrameBody：幀主體也稱(chēng)數據字段（Datafield），用于傳遞上層有效載荷（Payload），可為0

　　-FCS：幀校驗序列，采用循環(huán)冗余校驗（CRC）碼，計算范圍包括MAC頭中所有字段及幀主體

　　3、幀主體數據

　　不同于以太網(wǎng)，802.11的FrameBody以802.2的邏輯鏈路控制（LLC）來(lái)封裝不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

　　有兩種封裝方式：RFC1042、802.1H

　　下圖是802.11里的IP封裝

　　MAC的修改地址

　　通用修改

　　需要根據MAC芯片型號聯(lián)系廠(chǎng)家拿到對應的固件刷寫(xiě)工具，以及MAC地址文件，其中MAC地址是需要向IEEE聯(lián)盟購買(mǎi)有效段的，并是唯一的，如果出現重復的則會(huì )報IP地址重復的錯誤而導致相同MAC地址的計算機網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)異常。

　　Unix/Linux系統下修改MAC地址

　　進(jìn)入保存MAC信息文件

　　圖形界面下Alt+Ctrl+Space→打開(kāi)命令行終端→

　　方法1、輸入：ifconfig

　　方法2、輸入：ifconfig|grep“inet”|cut-c0-36|sed-e‘s/［a-zA-Z：］//g’

　　方法3、輸入：hostname-i

　　方法4、輸入：netstat-r

　　方法5、輸入：cat/etc/resolv.conf

　　→顯示相關(guān)網(wǎng)絡(luò )數據

　　其中inetaddr為ip地址，HWaddr是主機的HardwareAddress即MAC。

　　修改MAC

　　方法1、修改MAC的方法：在/etc/rc.d/init.d/中的network中加入ifconfigeth0hwetherxx:xx:xx:xx:xx:xx（MAC）然后重新啟動(dòng)就會(huì )發(fā)現網(wǎng)卡地址已經(jīng)是xxxxxxx了。

　　方法2、也可以將/sbin/ipconfigeth0hwetherMACaddr加入到/etc/rc.local中去。

　　以太網(wǎng)的MAC層

　　以太網(wǎng)的MAC地址：

　　MAC地址又稱(chēng)為硬件地址或者是物理地址，其實(shí)是指局域網(wǎng)上的每一臺計算機中固化在適配器的ROM中的地址。由于計算機的發(fā)展，世界上的計算機太多，為了能夠標識每一臺計算機，目前所采用的MAC地址一般是6字節的48位的長(cháng)度。這里我們可以這樣簡(jiǎn)單的理解，所謂的MAC地址，實(shí)際上就是適配器地址。

　　簡(jiǎn)述一下適配的作用：

　　適配器實(shí)際上就是每臺計算機接入到互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)接口，路由器因為要將數據在不同的局域網(wǎng)上面路由，所以路由器一般不止一個(gè)接口，就是說(shuō)路由器一般不止一個(gè)硬件地址。

　　適配器有過(guò)濾的功能，它在局域網(wǎng)上每次收到一個(gè)MAC幀時(shí)（局域網(wǎng)上面傳輸的數據），就檢查MAC幀中的目的地址，發(fā)現如果和自己的地址一樣，則拿到該MAC幀，然后做其他處理，如果發(fā)現和自己的MAC地址不一樣，則把剛剛拿到的MAC幀再次丟到局域網(wǎng)中，以供其他的計算機使用。局域網(wǎng)上面的每一臺計算機都是通過(guò)這種方式拿到自己需要的數據（MAC幀）。

　　MAC幀的格式：

　　首先看一下以太網(wǎng)V2的MAC幀格式（MAC格式標準有兩個(gè)，一個(gè)是DIXEthernetV2標準，一個(gè)是IEEE的802.3標準）上圖中的第一個(gè)地段的6個(gè)字節放置的是目的地址，第二個(gè)字段的6個(gè)字節放置的內容是源地址，第三個(gè)字段的2個(gè)字節放置的內容是類(lèi)型，用來(lái)標識上一層使用的是什么協(xié)議，比如0800是IP協(xié)議，0806是ARP協(xié)議，8035是RARP協(xié)議，MAC層根據這些字段的內容來(lái)把數據傳遞給特定的層去使用。第四個(gè)字段是數據字段，它的長(cháng)度是46–1500字節，如果數據的長(cháng)度不滿(mǎn)46字節，MAC幀就會(huì )加入一些數據進(jìn)行填充，那么上層是如何知道數據的長(cháng)度呢，因為MAC幀并沒(méi)有一個(gè)字段用來(lái)標識數據的長(cháng)度，解決這個(gè)問(wèn)題使用了一種曼徹斯特編碼，大家可以上網(wǎng)查閱。最后一個(gè)字段是4個(gè)字節是幀檢驗序列，使用了CRC校驗。

　　這里還需要注意的一個(gè)問(wèn)題是，當我們數據字段的數據長(cháng)度沒(méi)有46字節時(shí)，上層是如何把多余的由MAC幀填充的數據丟掉呢，這里我們的上層協(xié)議中有字段長(cháng)度，會(huì )自動(dòng)的識別，然后把多余的數據丟掉。

　　MAC子層主要功能

　　MAC子層包括DCF和PCF。DCF：DistributedCoordinationFunction。PCF：PointCoordinationFunction

　　1、載波監聽(tīng)（CarrierSense）

　　STA有兩種方法來(lái)判斷當前介質(zhì)是否空閑

　　-檢查PHY層，是否有carrier存在

　　-使用虛擬carrier-sense功能，NAV（NetworkAllocationVector）

　　NAV是MAC層提供的一種定時(shí)器，保存了其他STA使用介質(zhì)的持續時(shí)間

　　其他STA發(fā)送的數據中帶有的Duration大于所保存的時(shí)間時(shí)，STA就更新自己的NAV

　　當NAV為0并且PHY層指示當前介質(zhì)可用時(shí)，STA才能發(fā)送數據

　　2、DCF

　　DCF是基于CSMA/CA的接入方法，盡可能避免沖突，可以自動(dòng)高效地共享介質(zhì)

　　DCF提供基本模式和RTS/CTS模式兩種介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式

　　利用競爭窗口的二進(jìn)制指數回退機制協(xié)調多個(gè)STA對共享鏈路的訪(fǎng)問(wèn)，避免出現因爭搶介質(zhì)而無(wú)法通信的情況

　　其核心思想是利用二進(jìn)制指數回退機制減輕數據分組的碰撞以及實(shí)現發(fā)生碰撞后對分組的有限重傳控制

　　STA發(fā)送數據幀時(shí)，首先檢測介質(zhì)的狀態(tài)

　　如果介質(zhì)空閑且持續一個(gè)DIFS時(shí)間（DCFInterFrameSpace）后

　　-在基本模式下立即發(fā)送數據幀

　　-在RTS/CTS模式下，發(fā)送RTS幀

　　并同時(shí)檢測有沒(méi)有發(fā)生分組碰撞

　　如果發(fā)生碰撞，STA隨機在［0，Wi］之間均勻選取一個(gè)值Random（）

　　ØWi被稱(chēng)作競爭窗口，其大小依賴(lài)于數據分組重新傳輸次數

　　CWmin≤CW≤CWmax

　　并計算出backofftimer（=Random（）*slottime）

　　隨后，當STA探測到介質(zhì)空閑時(shí)間等于一個(gè)slottime時(shí)，計數器減1

　　而當檢測到介質(zhì)忙時(shí)，計數器值保持不變

　　并在介質(zhì)空閑時(shí)間等于DIFS時(shí)，重新激活延時(shí)計數器且STA繼續監測介質(zhì)

　　直到計數器值減到0時(shí)STA才發(fā)送MAC幀

　　另外，為了避免某STA長(cháng)時(shí)間占用信道，STA在兩次連續的數據幀發(fā)送之間也必須進(jìn)行隨機延遲。

　　3、應答幀

　　某些幀需要接收STA回應一個(gè)應答幀，稱(chēng)為ACK幀

　　ACK幀的傳輸不需要等待backofftimer

　　而是等待SIFS（ShortInterframeSpace）時(shí)間

　　SIFS通常比DIFS少2個(gè)slottime

　　4、隱藏節點(diǎn)問(wèn)題和RTS/CTS

　　RTS：Requesttosend

　　CTS：Cleartosend

　　由于信號的緣故（距離太遠），某些STA之間無(wú)法直接通信，無(wú)法感知彼此的存在，

　　若此時(shí)同時(shí)給處于兩者之間的STA發(fā)送幀，導致中間STA佷尷尬

　　因為只有中間STA知道發(fā)生了沖突

　　此時(shí)，需要使用RTS/CTS來(lái)解決該問(wèn)題

　　STA發(fā)送RTS幀，預約介質(zhì)的使用權和要求接收STA保持沉默

　　接收STA以CTS應答，CTS幀要求附近的STA保持沉默直到過(guò)程結束

　　然后開(kāi)始幀的傳輸過(guò)程

　　RTS/CTS通常用在高用量的環(huán)境下以及傳輸競爭比較顯著(zhù)的場(chǎng)合

　　5、幀分片（FrameFragmentation）

　　幀分片的作用在于提高無(wú)線(xiàn)介質(zhì)中傳輸的可靠性

　　將一個(gè)完整幀分為幾個(gè)更小的幀來(lái)分別傳輸，每個(gè)分片幀都需要ACK

　　這樣當某個(gè)分片幀出現錯誤時(shí)，只需要重新傳輸該幀即可

　　然而這也可能增加MAC層過(guò)載問(wèn)題（Overhead）

　　注意：

　　-幀分片只發(fā)生在單播幀中

　　-每個(gè)分片幀具有相同的幀序列號和遞增的幀編號

　　6、PCF

　　PCF作為DCF的補充，是一種可選的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)機制

　　提供了不必通過(guò)競爭即可使用介質(zhì)的服務(wù)，為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求

　　用于Infrastructure模式網(wǎng)絡(luò )架構中，由AP進(jìn)行協(xié)調

　　PCF以周期的形式進(jìn)行幀的傳輸

　　每個(gè)周期包括一個(gè)無(wú)競爭階段和一個(gè)競爭階段

　　-無(wú)競爭階段（CFP：Contention-FreePeriod）

　　-競爭階段（CP：ContentionPeriod）

　　CFP階段傳輸實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，PCF起作用

　　CP階段傳輸非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，DCF起作用