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# Wi-Fi roles

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  • Station (STA)：用 802.11 協議連接到無線網路的設備，如筆記本電腦、智能手機或平板電腦。
  • Access Point (AP)：作為無線網路的中心節點，負責與各個站點通信並提供網路接入服務。
    • roaming：當 STA 在不同 AP 之間移動時，AP 協助 STA 無縫切換，保持連接穩定。e.g. handoff
    • time synchronization：AP 提供時間同步服務，確保 STA 之間的通信協調一致。e.g. beacon frames
    • power management
  • Basic Service Set (BSS)：由一個或多個 Access Point 和其覆蓋範圍內的 Station 組成的無線網路基本單位。IEEE 802.11 定義了兩種類型的 BSS：
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    • Independent BSS (IBSS)：無需 AP 的臨時網路，STA 直接相互通信
    • Infrastructure BSS：由一個 AP 和多個 STA 組成的無線網路

    BSSID：48 位元的 BSS 的唯一識別碼

    • IBSS：10 + 46 位元的隨機生成地址作為 BSSID
    • Infrastructure BSS：由 AP 的 MAC 地址作為 BSSID
    • broadcast BSSID：全部 1 的地址，表示所有 BSS 的廣播地址
  • Distribution System (DS)：用於連接多個 BSS 的框架。類型：
    • Integrated DS：同時支持有線和無線連接的分布式系統
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    • Wired DS：使用有線網路連接多個 BSS 的分布式系統
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    • Wireless DS：使用無線連接多個 BSS 的分布式系統
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  • Extended Service Set (ESS)：由多個 BSS 通過 DS 連接而成的大型無線網路
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# MAC frames

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每個 MAC frame 都包含一個 MAC header 和一個 payload。MAC header 包含以下字段：

  • Frame Control：指示幀的類型和子類型，以及其他控制信息。
  • Duration/ID：指示幀的持續時間或識別碼。
  • Address 1：目的地址。
  • Address 2：源地址。
  • Address 3：BSSID 或其他地址。
  • Sequence Control：指示幀的序列號和分段信息。
  • Address 4：僅在某些幀類型中使用的第四個地址字段。

# Frame control field

Frame Control 字段由兩個字節組成，包含以下子字段：

  • Protocol Version (2 bits)：指示使用的 802.11 協議版本。
  • Type (2 bits)：指示幀的類型，如管理幀、控制幀或數據幀。
  • Subtype (4 bits)：指示幀的子類型，具體取決於幀的類型。
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  • To DS (1 bit)：指示幀是否從 STA 發送到 AP。
  • From DS (1 bit)：指示幀是否從 AP 發送到 STA。
  • More Fragments (1 bit)：指示幀是否有更多分段。
  • Retry (1 bit)：指示幀是否為重試幀。
  • Power Management (1 bit)：指示 STA 是否處於省電模式。0 表示 STA 處於活動模式，1 表示 STA 處於省電模式。

# Duration (2 bytes, in microseconds)

  • 在 contention-free period (CFP) 中，此區被 connection ID 所替換
  • 在 contention-based data 用途中，此區表示幀的持續時間

# Address fields

  • Address 1：目的地址，指示幀的接收者。
  • Address 2：源地址，指示幀的發送者。
  • Address 3：BSSID 或其他地址，具體用途取決於幀的類型和子類型。
  • Address 4：僅在某些幀類型中使用，如無線分布式系統

# Control frames

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控制幀用於管理無線網路的運作，包括以下類型：

  • Request to Send (RTS)：STA 向 AP 發送 RTS 幀，請求發送數據幀的權限
    • RA：目的地址，指示 RTS 幀的接收者
    • TA：源地址，指示 RTS 幀的發送者
    • Duration：TimeCTS+TimeACK+3×SIFSTime_{CTS} + Time_{ACK} + 3 \times SIFS
  • Clear to Send (CTS)：AP 回應 RTS 幀，授予 STA 發送數據幀的權限。
    • RA：來自 RTS 幀的 TA field 地址
    • Duration：Timedatapacket+TimeACK+2×SIFSTime_{data packet} + Time_{ACK} + 2 \times SIFS
  • Acknowledgment (ACK)：
    • RA：來自地址 2 的 data/management/PS-Poll 幀的源地址
  • PS-Poll frame：STA 向 AP 發送 PS-Poll 幀，請求 AP 發送緩存的數據幀。
    • TA：源地址，指示 PS-Poll 幀的發送者
    • AID：STA 的 Association ID，AP 用於識別 STA 的唯一標識符
    • BSSID：AP 的地址

# MAC operations

# MAC architecture

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# Coexistence of DCF and PCF

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DCF 和 PCF 可以在同個 superframe 中共存

# Priority scheme in MAC

優先度由 interframe spacing (IFS) 決定，IFS 是兩個幀之間的時間間隔
不同類型的幀有不同的 IFS（優先級由最高到低，由短到長）：

  • Short Interframe Space (SIFS)：用於高優先級，如 ACK、CTS 和 PS-Poll 幀。也是最短的 IFS，確保這些幀能夠快速傳輸
  • Point Interframe Space (PIFS)：用於 PCF 模式下的控制幀，傳送在 contention-free period (CFP) 的幀
  • Distributed Interframe Space (DIFS)：用於 DCF 模式下的數據幀，傳送延遲的資料

# DCF (Distributed Coordination Function)

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DCF 是 802.11 協議中最基本的媒體訪問控制機制，基於 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）原理。所有的 STA 和 AP 都使用 DCF 來協調對無線媒體的訪問。DCF 的主要特點包括：

  • Carrier Sensing：STA 在發送數據前會先檢測無線媒體是否空閒。
    • 若媒體空閒，STA 會延遲 DIFS 後發送數據幀。
    • 若媒體忙碌，STA 不只會等待媒體空閒，還會啟動一個隨機退避計時器 (random backoff timer)，等待一個隨機的退避時間後再次嘗試發送。

# Backoff procedure

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  • 當媒體忙碌時，會凍結退避計時器。當媒體再次空閒時，退避計時器會倒數。
  • 如果退避計時器倒數到零，STA 會嘗試發送數據幀。
  • 確保公平和穩定：剛傳完數據的 STA 會有較長的退避時間，減少連續占用媒體的機會。
  • 退避時間的計算：Backoff Time = CW × Random () × Slot Time
    • CW：從 CWmin 開始，隨著每次失敗重試翻倍，直到到達 CWmax。
    • Random() = (0, 1)
    • Slot Time：20 微秒

# PCF (Point Coordination Function)

PCF 是一種基於集中控制的媒體訪問機制，主要用於提供有保障的服務質量 (QoS)。在 PCF 模式下，AP 作為點協調器 (Point Coordinator) 負責管理媒體訪問，確保特定的 STA 能夠在指定的時間內獲得媒體訪問權限。PCF 的主要特點包括：

  • Contention-Free Period (CFP)：在 CFP 期間，AP 控制媒體訪問，STA 只能在 AP 的授權下發送數據幀。
  • Contention Period (CP)：在 CP 期間，STA 可以使用 DCF 進行媒體訪問，與 DCF 模式相同。

# Superframe architecture

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  • 每個 superframe 由 beacon 開始，包含 CFP 和 CP 兩個部分
  • 長度：superframe 的長度是參數。CFP 的長度由可能在不同的 superframe 中變化
  • 不是所有的 STA 都能夠傳送 PCF 數據幀，所以是選擇性的

# PCF protocol

在 PC 控制的 polling scheme 中：PC 等待 PIFS 和傳送 beacon 後得到控制權
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  • Polling STAs
    • PC 等待 PIFS 後一個個地輪詢 STAs
    • 要結束 CFP，PC 等待 PIFS 後傳送 CF-End 幀
  • 如果 STA 沒有數據要傳送，PC 會等待 PIFS 後傳送下一個 poll 幀
  • Set NAV：
    • 每個 STA 在接收到 poll 幀後會設置 NAV 為最大的 CFP 長度，確保在 CFP 期間不會嘗試使用 DCF 傳送數據幀
    • 當 PC 收到 CF-End 幀後，所有 STA 會重置 NAV，允許使用 DCF 傳送數據幀
  • Power management：
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    • 每個 STA 可進入省電模式
    • 在 PS 模式下，STA 會在每個 aListen_Interval 期間醒來，等待 beacon 幀以獲取 AP 的通知
  • TIM & DTIM：
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    • Traffic Indication Map (TIM)：表示 STA 的 unicast 訊息
    • Delivery TIM (DTIM)：表示 broadcast 訊息

# Association operation

和 AP 建立連接的過程稱為 association

  • STA 需要先掃描可用的 AP，選擇一個最合適的 AP 進行連接
    • Active scan：STA 主動發送 probe request 幀，詢問周圍的 AP 是否存在，AP 回應 probe response 幀，提供其信息
    • Passive scan：STA 被動地等待 AP 發送 beacon 幀 ，從中獲取 AP 的信息

# Authentication operation

STAs 辨識自己或其他 STAs 的過程稱為 authentication

  • Wi-Fi 認證
    • Old solution：wired equivalent privacy (WEP) 因為存在多種安全漏洞，已被淘汰
    • Wi-Fi Protected Access (WPA / WPA2)：基於 802.11i 標準，提供更強的安全性