MAC 层协议概述

MAC（Media Access Control，介质访问控制）层是 IEEE 802.11 协议栈的核心，负责管理无线介质的访问、帧的封装与解封装、以及设备间的协调通信。

MAC 层的位置

┌─────────────────────────────────┐
│         Application Layer       │
├─────────────────────────────────┤
│           Transport Layer       │
├─────────────────────────────────┤
│            Network Layer        │
├─────────────────────────────────┤
│          Data Link Layer        │
│  ┌───────────┐  ┌─────────────┐ │
│  |   LLC     |  |     MAC     | │
│  │(802.2)    │  │  (802.11)   │ │
│  └───────────┘  └─────────────┘ │
├─────────────────────────────────┤
│         Physical Layer (PHY)    │
└─────────────────────────────────┘

MAC 层的主要功能

1. 介质访问控制

WiFi 使用 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议来管理多个设备对共享无线介质的访问。与以太网的 CSMA/CD 不同，WiFi 采用"避免碰撞"而非"检测碰撞"的策略。

2. 帧封装

MAC 层将上层数据封装为 MAC 帧，添加地址字段、控制信息和完整性校验：

| Frame Control | Duration | Addr1 | Addr2 | Addr3 | SEQ | Addr4(opt) | QCtrl(opt) | Timestamp(opt) | Data | FCS |
|      2        |    2     |   6   |   6   |   6   |  4  |     0/6    |    0/2     |       0/8       | var  |  4  |

3. 关联与管理

扫描：主动扫描（Probe Request/Response）和被动扫描（监听 Beacon）
认证：Open System / Shared Key / 802.1X
关联：Association Request/Response / Reassociation
保活：RTS/CTS、PS-Poll

4. 重传与可靠性

MAC 层提供可靠传输保障：

ACK 机制：每个数据帧都需要接收方回复 ACK
重传机制：未收到 ACK 则重传，最多 retry_limit 次
退避算法：二进制指数退避（Binary Exponential Backoff）

MAC 层速率与吞吐量

MAC 层 vs PHY 层速率

PHY 空中速率 ≠ 实际吞吐量

实际吞吐量 = PHY速率 × MAC效率 × 协议开销因子

典型效率：30%-60%（取决于帧大小、重传率、竞争强度）

影响吞吐量的因素

因素	影响程度	说明
帧大小	高	大帧效率高（固定开销占比小）
ACK 开销	中	每个数据帧都需要 ACK
DIFS/SIFS	低	等待时间占用空中资源
重传率	高	高干扰环境重传多，效率骤降
竞争设备数	高	设备越多，退避等待越长