802.11的数据帧：情报、管理、控制！三位女仆的日常工作！メイドさん💖

一、管理帧 (Management Frames)

核心作用：负责建立和维护STA（工作站，如你的手机、笔记本）与AP（无线接入点）之间的业务关系。所有关于网络发现、身份认证、关联、漫游等“文职”工作，都由管理帧来完成。

管理帧就像是STA和AP之间的“信使”和“外交官”，通过它们交换信息来协商如何建立连接和维护连接。

常见的管理帧类型及其功能：

1. 信标帧 (Beacon Frame)

   • 作用：宣告网络的存在。这是AP的“广播通知”。

   • 工作机制：AP会以固定的时间间隔（通常是100ms）周期性地广播信标帧。这个帧就像一个灯塔，向周围所有的STA宣告：“我在这里，我的网络名叫XXX(SSID)，我使用的信道是Y，我的加密方式是Z...”

   • STA的行为：你的手机打开Wi-Fi后，就是在被动地监听各个信道上的信标帧。你看到的Wi-Fi列表，就是手机收集并整理了这些信标帧信息后呈现给你的。

2. 探测请求/响应帧 (Probe Request/Response Frame)

   • 作用：主动发现网络。这是STA的“主动询问”。

   • 工作机制：

     • 探测请求：当STA想要连接一个已知的（比如保存过的）但当前未听到其信标的Wi-Fi，或者想快速扫描周围所有Wi-Fi时，它会发送一个探测请求帧。这个请求可以是广播（“谁在附近？”），也可以是指定SSID（“名叫‘CMCC’的Wi-Fi在吗？”）。

     • 探测响应：听到了这个请求的AP（如果SSID匹配的话）会回复一个探测响应帧，其内容与信标帧类似，告诉STA自己的详细信息。

   • 与信标帧的区别：信标帧是AP的“定期广播”，STA被动接收；探测帧是STA的“主动寻呼”，AP按需回应。主动探测通常比被动扫描更快。

3. 认证帧 (Authentication Frame)

   • 作用：验证身份合法性。这是建立连接的第一步，类似“对暗号”。

   • 工作机制：在STA尝试加入一个网络之前，它必须先通过认证。最基本的认证方式是“开放系统认证”，这其实是一种“假认证”，AP默认相信所有STA，直接通过。在更安全的网络（如WPA2/3）中，认证过程会涉及到更复杂的加密密钥交换，但这仍然是通过交换认证管理帧来完成的。

4. 关联请求/响应帧 (Association Request/Response Frame)

   • 作用：建立数据传输链路。这是建立连接的第二步，也是最关键的一步，类似“正式注册”。

   • 工作机制：

     • 关联请求：通过认证后，STA会向AP发送一个关联请求帧，请求正式加入该BSS（基本服务集），并希望AP为其分配资源。

     • 关联响应：AP如果同意，会回复一个成功的关联响应帧，并分配一个关联ID (AID) 给该STA。至此，STA才算真正地连接上了这个Wi-Fi网络，可以开始准备收发数据帧了。如果AP拒绝（比如连接数已满），则会回复一个失败的关联响应。

5. 去认证/解除关联帧 (Deauthentication/Disassociation Frame)

   • 作用：终止连接。这是“断开连接”的正式通知。

   • 工作机制：当STA或AP希望断开连接时（比如你手动关闭Wi-Fi，或者AP将一个长时间不活动的设备踢下线），会发送这两种帧来通知对方连接已终止。这是一种单向通知，不需要对方回应。

二、控制帧 (Control Frames)

核心作用：负责协助数据帧的可靠传输，主要任务是维护信道秩序和确保数据送达。控制帧非常短小，优先级高，用于快速地抢占信道和进行确认，是保障无线通信效率和稳定性的“交警”和“裁判”。

常见的控制帧类型及其功能：

1. ACK帧 (Acknowledgement Frame)

   • 作用：确认收到。这是802.11协议可靠性机制的核心。

   • 工作机制：无线信道比有线信道更容易出错。为了保证可靠性，802.11规定，所有单播的数据帧、管理帧在被成功接收后，接收方必须立即回复一个ACK帧。发送方如果在规定时间内没有收到ACK，就会认为该帧已丢失，并会进行重传。

   • 注意：广播和多播帧因为没有唯一的接收方，所以不会有ACK确认，是“尽力而为”的传输。

2. RTS/CTS帧 (Request to Send/Clear to Send)

   • 作用：预约信道，解决“隐藏节点”问题。这是虚拟载波侦听机制的核心。

   • 隐藏节点问题：假设STA_A和STA_C都与AP通信，但A和C之间互相听不到。如果A和C同时向AP发送数据，AP处就会发生冲突，但A和C自己却不知道，因为它们在发送前侦听不到对方的信号。

   • 工作机制 (CSMA/CA)：

     1. RTS：发送方（如STA_A）在发送一个较长的数据帧之前，会先发送一个短的RTS帧给接收方（AP），意为：“我想给你发一个大数据包，需要占用信道X毫秒，可以吗？”

     2. CTS：接收方（AP）收到RTS后，会广播一个短的CTS帧，意为：“大家都安静，我要接收一个来自STA_A的数据，信道将在X毫秒内保持繁忙。”

     3. 效果：所有能听到AP信号的STA（包括隐藏节点STA_C），在收到CTS帧后，会解析出其中包含的信道占用时间，并在自己的**网络分配向量(NAV)**中记下这段时间。在此期间，它们会抑制自己的发送，即使物理信道听起来是空闲的。这就避免了冲突。

3. PS-Poll帧 (Power Save-Poll)

   • 作用：省电模式下的数据唤醒。

   • 工作机制：一个处于省电模式的STA会定期“睡醒”一小段时间，去听AP的信标帧。如果信标帧里指示有为它缓存的数据，该STA就会发送一个PS-Poll帧给AP，意为：“我醒了，请把我的数据发过来。” AP收到后就会将被缓存的数据帧发送给它。

**总结