802.11协议精读26：802.11e（TXOP，Block_ACK）

序言

802.11e是802.11协议中，一个阶段性的改良版本。我们目前绝大部分802.11协议用到的MAC层接入机制，都是基于802.11e时期开始定义的。在802.11初期，仅有的PCF和DCF两种机制，不能够满足网络不同业务的增长，所以才有了802.11e诞生。在此之后，关于QoS问题也俨然成为802.11中的一个典型问题被进一步讨论，在实现上有ATF，在协议上还有802.11aa和802.11ae等相关版本，都是针对QoS而言的。

本文针对802.11e的相关功能做一份阐述。之前我们有一篇关于《802.11协议精读21：802.11e的优先级》阐述了802.11协议中的QoS映射关系，本文着重讨论的就是802.11中的协议规则，也就是当给数据包标记后，如何为其在无线端口提供QoS保障的功能。

Remark：以下几篇有关802.11e的文章，参考《802.11 QoS Overview》 by Philippe Klein，该资料笔者也备份如下，802.11e slide (Philippe Klein)。

802.11e和WMM

802.11e于2004年正式通过，是802.11协议中关于QoS的一份重要补充。802.11协议最初是为了数据的无线通信，而针对于语音等相关有QoS需求的业务没有考虑。所以随着802.11发展的越来越快，比如基于Wi-Fi的语音设备也就诞生了。不过由于初始的802.11协议没有QoS功能，所以都是厂家自己实现一些QoS机制，我们可以看《802.11权威指南》中给出的一个事例：

翻译如下：

可见，实际上在802.11初期，随着业务的需求，已经有个别公司开始进行QoS的设计。但是由于协议的限制，其只能够采取一种非常特殊的设计，也就是“零退避机制”。由于大部分的业务厂家都没有涉及的IC层面，此时芯片上只能设置一个种非常特殊的backoff初始值，也就是CWmin=CWmax=0，通过这样的设置，可以保证backoff本来所选择的随机数一定是0，因此如果节点这样选择，代表不再进行802.11的竞争，直接可以发送。这种基本本来存在是为了发送802.11的beacon帧的，beacon帧的发送机制实际上就是“零退避机制”，然而如果滥用这种机制的话，虽然可以提供更高的优先级，但是这会对于该网络内其他节点的传输造成影响，所以其不再是兼容802.11的。

因此，在2004年时候，802.11e的协议指定让这个问题可以从协议上直接解决。协议上主要在MAC层引入了EDCA和HCCA的工作模式，同时为了优化网络性能，还引入了Block-ACK等相关机制。

另外，我们在这里还需要谈谈WMM和802.11e的关系。其实Wi-Fi联盟也有一份关于QoS的协议，WMM（Wi-Fi-WMM-Specification）和WMM-PS，笔者这里提供一份该协议1.2版本的（Wi-Fi-WMM-Specification-v1.2.0），大家可以对比下WMM协议和802.11协议的区别。

可以简单而言，WMM就是802.11e的一份工程性更好的子集（主要是包含了EDCA和U-ASPD机制，分别对应WMM协议和WMM-PS协议）。为什么会出现WMM呢，在802.11权威指南里面说过，WMM和802.11e的关系类似于WPA和802.11i的关系，主要是802.11e在制定当时，迟迟没有定案，所以产业界提取了其中最需要的部分，形成了WMM。WMM基本对应了EDCA，WMM-PS基本对应了ASPD。

现在我们在设备上可以控制的，通常还是叫做WMM，而没有称呼为802.11e技术。

如上图所示（额，最近手头就一个DD-WRT的了，就拿这个截图了），这是DD-WRT里面关于WMM的设置，目前绝大多数的路由都可以设置WMM。上图中，我们可以看到一些可以设置的参数，比如说NO-ACK，CWmin，CWmax，AIFSN等等，这些都是与802.11e的技术有关。802.11e中包含了多个技术功能，比如说EDCA，HCCA，Block-ACK，TXOP，TDLS，ASPD等等，以下我们逐个进行一个介绍。

EDCA和HCCA（概略）

EDCA和HCCA是802.11协议中，对于MAC层技术的改进。在早期的802.11中，仅仅只有DCF和PCF两种接入模式。在802.11e中，为了引入QoS的考量，新引入了两种接入模式，HCCA（HCF Controlled Channel Access）和EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）。

参考：802.11-2016

参考上图，在802.11-2016版本的总章中。在标准的802.11MAC层协议中（目前协议除了标准的802.11以外，还有DMG，即802.11ad），其在物理层以上，首先是基于DCF接入模式。在DCF接入模式以上，还包含了PCF，HCCA，EDCA和MCCA。其中PCF是802.11协议最初就包含的，HCCA和EDCA是802.11e中所包含了，目的是为了解决QoS问题，MCCA是在Mesh模式下提出的。

在HCCA和EDCA中，最重要的元素就是TXOP。HCCA相比EDCA较为简单点，其实际上是PCF+TXOP的一个版本。而EDCA也支持TXOP，在此基础上，由于EDCA是支持竞争的协议，所以在竞争过程时还引入了AIFS和CW优先级相关元素。因此，我们首先整理TXOP的相关内容，在分别讨论两种接入模式。

TXOP与ACK模式

Transmission Opportunity（TXOP），在CWNA中文版上，将此翻译为竞争传输机会。

在802.11e之前的协议中，都是“竞争一次，传输一个帧”，用协议的说法，即是“length based transmission”，length指的就是每个帧的长度，当节点竞争成功后，其就传输其对应数据帧的长度，也就是获得单个数据帧的信道传输时间。
单个帧（非TXOP）的传输是通过物理载波监听来保证的。
在802.11e中引入的TXOP，实际上是“竞争一次，获得一段传输时间”，协议的说法为，“duration based transmission”，即节点竞争成功后，其获得了一段信道使用时间，在这段时间内，其可以传输多个数据帧。这种传输方式也经常用“Burst ”这个词描述。
TXOP的传输时间是通过虚拟载波监听来保证的。

Remark：有关虚拟载波监听和物理载波监听，可以参考802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA中的描述。

在TXOP之前，也有一种传输方式类似于TXOP的机制，不过也有区别，其就是静态分片的传输模式（802.11协议精读25：静态帧分片（Frame Fragment）机制）。该模式也是可以做到单个节点竞争成功后，连续发送帧的。但是其目的和TXOP不同，TXOP目的是发送多个帧，而帧分片是将单个帧（MSDU）切分成多个片段，然后一次性传输。

参考：Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n

如上图描述的是两次TXOP的传输，STA1是第一次TXOP的发送者，STA2是第二次TXOP的发送者，第三行为两次传输的接收者（图例中再次标注STA2实际有点问题）。当STA1竞争成功信道后，其发送一个QoS Data开启一段QoS时间，该时间足够传递三个数据帧。在该TXOP时间内，STA1逐个发送Data，当发送完一个Data后，如果接收方反馈了ACK，那么就发送。此TXOP时间实际仅仅改变了802.11中一次竞争一次传输的规则，现在可以一次竞争多次传输了。并且每一次TXOP传输时间内，实际采用的物理层速率是不同的。那么意味着在该TXOP时间内，究竟能够传递多少个数据包是不等的，如上图所示，在第一个TXOP时间内传递了3个Data，在第二个TXOP时间内，传递了2个Data。

在TXOP中，通常开启是采用四种帧，分别是：

1）Qos_Data，利用普通QoS数据帧起始TXOP时间，
2）QoS_Null，有PHY_Header和MAC_Header，没有MAC层的SDU，
3）QoS(+)_CF-Poll，用于HCCA中的TXOP机制，
4）RTS/CTS，多功能的控制帧。

然后对应TXOP的传输模式（ACK模式），其实都是与ACK有关的，分别是

1）Normal ACK：一个包一个ACK反馈，
2）无ACK反馈，
3）无显示的ACK反馈，这个比如PCF里面会用到的多功能帧，ACK+Poll这样的组合帧，
4）突发传输（Burst Transmission），Block ACK反馈，。其实我们一开始看到的DD-WRT下面可以设置的无ACK也是基于802.11e的特性。

参考：cambridge 802.11n的书

这个ACK反馈的字段设置是在QoS Control field里面。下图是参考cambridge书里面的，由于协议里面关于Qos-Control的内容与subtype有联系，所以内容很多就没有直接用协议的图。

参考：cambridge 802.11n的书

根据不同的ACK策略，导致在TXOP传输时的形式会不同。比如下图所示：

参考：cambridge 802.11n的书

图a显示了节点以RTS/CTS开启一段TXOP时间，然后节点发送数据帧，这种就是一种突发传输（Burst Transmission），在802.11n里面还引入了PIFS可以缩减突发传输的帧间隔。而且在此时候，突发传输就演变成了帧聚合，最大化提升无线传输效率。

在TXOP传输过程中，不一定要在本TXOP时间内获取ACK的反馈，比如上图STA1在第一个TXOP传输结束后，没有立刻要求回复ACK，其在第二个传输时间结束后，才通过BAR申请ACK的反馈。

TXOP的冲突问题：通常normal ACK的情况和普通802.11的差不多，影响不大。但是如果是burst的传输模式下，当节点竞争到信道后，其就会在整个txop时间内做突发传输，这个时候如果有冲突的话，那么就是冲突整个TXOP时间。所以上图中，才会起始用RTS/CTS保护。不过如果不用RTS/CTS，也可以在第一个数据帧时候做DATA_ACK的交换，本质上和RTS/CTS是相同的。

块会话（ADDBA）和块确认（Block_ACK，BA）

本节我们讨论Block_ACK机制，在TXOP Burst传输模式里面，可以用Block_ACK代替传统的Normal ACK模式，一次性回复多个帧的ACK，从而提升资源利用率。在802.11里面，Block_ACK是有连接形式的会话。如下图所示：

参考：802.11-2016，10.24 Block acknowledgment (block ack)

会话一共有三个过程：1）会话建立（Setup），2）数据传输（Data & Block ACK），3）会话关闭（Teardown），以下我们分别说明下：

由ADDBA Request和ADDBA Response帧的握手，发起一个会话。Block ACK对应的会话是单向的。需要注意的是，ADDBA Request和Response在协议中都是管理帧，具体是以Action帧的形式存在。管理帧是需要通过ACK确认的，而且每一个管理帧发送前都需要经过Backoff竞争信道。所以ADDBA的握手过程流程是ADDBA Request，ACK，然后ADDBA Response，ACK。Remark：其实ADDBA这个名字会很让人不适应，为什么不起一个类似于Inital开头的名字，这样可以见名识意。ADDBA的全称就是ADD Block Acknowledgment，中文笔者还没有想到一个很好的翻译，有时间再思考。

我们这里可以抓包看一下这个ADDBA的握手过程。（这里抓包解析的参考CWAP – 802.11 : Block Ack，虽然我也抓过ADDBA的过程，但是上下报文比较多，没有这写的清晰）

上图中，序号284就是ADDBA Request帧，具体如下：

其中标识了该帧是一个Action类型的ADDBA帧。然后其包含的参数有：

Dialog token：该会话的ID号，应该是随机的。
A-MSDUs：代表该会话是否支持帧聚合。
Block Ack Policy：代表ACK反馈是立即反馈，还是延迟反馈。
Traffic Identifier：用来标识会话对应流量的TID。
Number of Buffers：代表帧缓存区的大小，用来做帧重组用的。
Block Ack Timeout：用来代表会话的超时设置，如果该位有设置时间，代表如果多少时间没有数据交换，则该会话失效。该参数Request和Response里面都有，以Response的为准。
Fragment：代表是否有分片，不过这个功能笔者没有很研究。
Staring Sequence Number：代表会话起始数据帧的序列号。

这里ADDBA还有一点要注意的是，ADDBA的request和response是连在一起出现的。中间没有参杂别的帧抢占信道。但是前面我们提到这两个帧都是Action帧，所以要不然是按照VO最高优先级反馈response（这点是猜测是类似于延迟ACK时候的BA反馈），或者就是在ADDBA Request中设置的Duration参数进行保护。从我目前的抓包记录而言，我估计是Duration保护机制生效的。

不过这个保护时间不一定准，这个保护时间是发送者根据自己的物理层速率进行评估的，但是接收者反馈的时候，物理层速率不一定会与发送者相同。如下图记录，是一个重传帧，这里的Duation参数就与物理层速率有关了。

而且上图我们还可以看到，ADDBA如果有重传，那么也是直接重传，没有BEB过程。猜测的能够实现的原因也应该可以前面的类似了。

然后是序号286的ADDBA Response，如下图

该帧也是一个Action类型的帧，类型可以看出来是Add Block ACK Response，Status code说明这个会话被成功建立。然后就是具体的参数了Block Ack Parameters，其实这些参数是和ADDBA response是一样的。这里有一个参数我们第二个阶段要说明，即Block Ack Policy，Block_ACK的反馈是立即反馈还是延迟反馈。

以上就是ADDBA的一个握手过程，握手完成后就可以开始第二个阶段，数据传输。

2）第二个阶段是数据传输的部分，这一块需要结合我们之前说明的TXOP机制来理解。在传输阶段时，数据按照TXOP进行突发传输（802.11e），或者是按照帧聚合形式传输（802.11n以后），当数据传输结束后，需要进行Block_ACK（BA）反馈。

此时Block_ACK反馈有两种机制，一种是立即ACK反馈，另外一种是延迟ACK反馈。

我们下面分别说明下两种Block_ACK反馈机制。

A. 立即Block_ACK反馈。

我们结合这两张图来看。前面已经解释过了Block_ACK的场景，在802.11e中，由于可以在TXOP时间内进行帧的突发传输。此时如果在该TXOP内部，把整个会话内的数据都传输完的话，那么在最后一个QoS Data传输后，会话发起的节点会发送BAR（Block ACK Request），此时节点会立刻反馈Block ACK（BA）。这里的BAR和BA帧都是作为控制帧存在的，所以其可以直接构成一个握手。也就是BAR之后，接收方会在SIFS时间后反馈BA。

在802.11n以后，协议中还有一种立即块回复的模式，叫做隐式的BAR（Implicit BAR）。也就是在发送方发送完最后一个QoS Data后，节点直接可以反馈BA，而不需要BAR的请求。如下图所示，不过这种隐式BAR是应用在帧聚合模式下的，我们本文关注于802.11e模式下的Block ACK机制，对于帧聚合模式下的，也即是HT模式下的Block ACK不加以展开。

A. 延迟Block_ACK反馈。

如上图所示，是一个延迟的BA反馈。如果在本TXOP时间内，发送者已经发送了BAR请求BA帧，但是接收者还没有重组或者校验好，那么其可以先回复一个ACK，代表其接收到了发送者请求的BAR。然后过了一段时间后，其会发送BA跟发送者确认，此时发送者也需要反馈ACK。从而以上实现了延迟Block Ack的反馈。需要注意的是，在延迟反馈的时候，BA会被按照最高优先级安排。

那么我们现在看下BAR和BA这两个帧：

BAR是一个控制类型的帧，其内容不是很多，包含了BAR的ACK策略，这个需要注意下，BAR是可以反馈ACK确认的，也就是我们前面在延迟模式下，需要用ACK确认，也可以不用ACK确认的，这个就可以通过BAR Ack Policy控制，这里的ACK Policy指的是针对于BAR帧的，而不是ADDBA会话的。其他还有是不是有多个TID（Multi-TID），压缩Bitmap（这个是在802.11n里面Block ACK的改进），后面主要就是一个Starting Sequence Numebr，用以请求范围。

对应的BA反馈中大部分控制信息和BAR相同，主要就是多了一个Block Ack Bitmap，这里是直接显示的解析结果，里面显示了有部分帧是没有收到的。关于BA/BAR具体的确认机制，由于后期其都兼容到了HT模式下的Block ACK机制，所以我们在HT模式，也就是802.11n的时候在进一步讨论。

3）第三个阶段就是Block ACK确认完成，此时可以关闭这个块确认会话了。

这个部分比较简单，就是ADDBA会话的起始者发送一个DELBA帧给接收者，然后反馈ACK即可。这个帧比较难抓，参考Aruba的Blog，找到一张别人抓的图

以上就是Block ACK的大致机制，不过Block ACK的内容实际上还有不少，主要关于其计分板bitmap策略，以及其和帧聚合的结合。这是因为在802.11e初次定义Block ACK之后，在802.11n里面进一步完善，我们目前通常用到的Block ACK机制都是基于802.11n时候定义的了。802.11n后来定义的我们叫做HT模式下的Block ACK机制，这是向前兼容的，我们后面在讨论802.11n的时候再补充。

我们本文主要整理了TXOP和Block ACK，下面文章再继续进一步整理EDCA和HCCA。

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