802.11协议精读18：协议族框架简介

序言

本节我们简单梳理一下当前整个IEEE 802.11协议族的整体框架。之所以将这个内容放在中途，主要是为了初始理解802.11的核心设计的时候，回避一些额外内容的引入。初始802.11的核心内容主要是PHY层发送传输过程，和MAC层的竞争机制这两个部分（即我们之前所讨论的内容都是局限于传统的802.11协议，802.11a/b/g部分）。由于应用场景增多，以及协议本身设计存在的一些缺陷，所以802.11协议不断进行的扩充。
那么在讨论当前802.11更新技术之前，我们有必要梳理下当前802.11的整体框架，以求对协议整体脉络有一个简单掌握。

IEEE 802.11中的2类协议文件

在初读协议的时候，我们一般可以看到两类协议文件：
单独专题（比如IEEE 802.11a/b/g/e等等）

多个协议的总章（比如IEEE 802.11-2007，,802.11-2012）
这两类实际上是在协议制定的过程中出现的产物。我们所知IEEE 802.11是IEEE 802下的一个Task Group，这个组主要专门设置无线局域网的网络协议。在IEEE 802.11下还分了很多个子协议，每一个子协议实际上都是由一个独立的任务组（Task Group）进行制定，比如802.11a的Task Group。



在这些众多的任务组中，我们需要提及下“802.11m”这个协议组。802.11m（简称TGm）是一个维护802.11协议文档的任务组。该任务组负责将已经批准的修正案发布成文档，比IEEE 802.11-2007，IEEE 802.11-2012协议版本。
以802.11-2007协议版本为例，其在开头介绍部分，也说明了其包含的具体协议内容（参考07版协议第iv页）。
故07版，12版协议实际上是整理当前802.11各个子协议内容之后的标准发行版，该内容较为全面，而且也是经过整理的。其实在各个子协议里面，经常会出现一些小疏漏，比如章节跳跃之类的，之所以没做修改，笔者估计也是这个原因。
那么在07版本以前发行的协议，按照IEEE 802.11的网站上而言，是属于失效协议的范畴。具体我们可以参考网站（IEEE 802.11, The Working Group Setting the Standards for Wireless LANs）。如果读过CWNA教材第5章的可能会有点奇怪，书中的失效协议只有802.11F和802.11T。这里原因是在于该网站上是把SUPERSEDED和WITHDRAWN都划在了一类上，而802.11F和802.11T是WITHDRAWN类型的，其他的是SUPERSEDED类型的。（PS：其实SUPERSEDED也有原型协议的意思，之所以笔者还是把其理解为失效，原因1为很多子协议存在一些小疏漏，比如格式问题，一直没有做修正很奇怪，原因2为其和WITHDRAWN平等放在一起，故存在这样理解）。
以上我们梳理了下协议版本中两类不同的协议文件，故很多情况下，我们关注最新的总章的发行版，比如07,12中，已经包含了各个子协议相应的内容了。

IEEE 802.11协议族框架

讨论完了协议文件的内容以后，我们具体关注下协议具体的设计内容。我们可以参考《A Survey on High Efficiency Wireless Local Area Networks: Next Generation WiFi》中总结：



上图从时间顺序上，为我们总结了协议发展时期的一个个版本。最初始的是IEEE 802.11-1997的初版（即初始的PHY/MAC的协议设定），然后是a/b/g的具体物理层的修订案等等。
每一个协议具体的功能可以参考CWNA第5章的表述，笔者觉得还是挺全面的。为了更深入理解协议框架，我们还可以对协议内容做一个归类（参考PPT：Designing Wireless for BYOD devices in Stadiums by Cisco）：



Connectivity：主要是标准无线局域网的协议，包含一个无线局域网的PHY和MAC层具体设计，一般路由器演进都是以这些协议作为主要标志，比如802.11a/b/g/n/ac/ad/ax。演进的内容也主要集中在PHY和MAC层上。
Spectrum：有点偏向认知无线电的方向，主要是和同频其他设备共存的问题。比如802.11h主要是回避雷达，802.11af是回避TV，因为这些频段都已有别的协议工作，只是在空闲的时候，那么可以用作802.11协议接入。其主要内容演进集中于CSMA/CA过程以及其中的CCA部分（Clear Channel Assessment）。
Management：这个主要是管理层面上的内容了，实际上主要是AP+AC或者多AP环境下，如何完成网络中的一些任务，比如TPC（Transmission Power Control）。其主要演进是在上层的交互内容上。
Security：这个比较名确就是安全问题了。802.11i，即WPA2主要是接入层面的安全，802.11w主要是管理帧安全（避免一些无线攻击的方法，以及管理帧加密）。
Seamless：其含义为无缝接入，主要是漫游和热点接入的问题。这一块也属于上层的交互内容的改进了。
Applications：与应用有关的内容，更直接一些的话就是针对应用层的优化，比如802.11e是初始的优化版本，其主要针对数据帧进行分类，并修改802.11的MAC层接入机制，即在MAC层（即CSMA/CA机制上）提供了QOS机制。802.11aa是针对组播流量进行优化（即组播视频流）。实际上802.11ae也可以划入这一类，不过其主要优化的是管理帧（即为管理帧提供802.11e中的QOS功能）。
Others：其实还有一些802.11版本，不过与无线局域网的应用场景有些区别，所以这页PPT就没有强调了，比如802.11ah（Sub-1G的低功耗网络），802.11p（车载网），802.11z（D2D的连接），802.11az（定位）等。
以上我们介绍了802.11当前的协议框架，以及其中一些主流协议的简单内容和关系。当前的最新的协议总章应该是（IEEE Std P802.11-2016），如果有兴趣可以自行阅读下（笔者还没有接触到这个最新的版本）。