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12.7 High Throughput (802.11n) —— 高速公路的入场券

上一节我们聊完 mac80211 的骨架和肌肉时，我提到了无线世界不仅需要「通」，更需要「快」。 如果你用过 2005 年之前的 Wi-Fi，你应该记得那种感觉：连上是连上了，传个大文件能把人急死。 问题不在于信号强弱，而在于物理规则的天花板。

这就到了 802.11n 登场的时候了。 这一节，我们要看它是如何打破这个天花板的。

1. 提速的代价：MIMO 和多天线​

在 802.11g 刚获批没多久，IEEE 里面就成立了一个「高吞吐量任务组」（TGn），目标很明确——把无线网搞成光纤的速度。 这一搞就是好几年，直到 2009 年才正式定稿。

但在标准正式发布之前，厂商早就按捺不住了。 Broadcom 开了个先河：他们在 2003 年就发布了基于 802.11g 草案的芯片。 既然有先例，到了 2005 年，市面上就开始出现基于 802.11n 草案的设备了。 Intel 的 Santa Rosa 平台里的 Intel WiFi Link 5000 系列，以及 4965AGN，都算是那个时代的「超前体验」。 Atheros 和 Ralink 也没闲着。 到了 2007 年 6 月，Wi-Fi 联盟甚至开始给这些草案 2.0 的设备发证书。 可以说，这是一场「草台班子」先把产品做出来，标准组织在后头追的游戏。

频段与 MIMO​

802.11n 和前辈们最大的不同在于它的野心——它同时霸占了 2.4 GHz 和 5 GHz 两个频段。 相比之下，11b/g 只能在 2.4 GHz 这个拥堵的菜市场里挤，11a 虽然在 5 GHz，但兼容性一般。

但光换频段是不够的。 802.11n 引入了一个核心杀手锏：MIMO（Multiple Input, Multiple Output，多输入多输出）。

这个技术的原理其实并不复杂，但效果拔群： 它在 AP 和客户端两边都装上了多根天线。 这就像以前是你一张嘴喊，我一只耳朵听； 现在是你三四张嘴一起喊，我三四只耳朵同时听，而且每张嘴喊的还不太一样，我这边还能通过算法把它们区分开。

这就带来了两个直接的好处：

  1. 距离更远：通过多天线的信号合并，可靠性大幅提升。
  2. 速度更快：理论上，802.11n 的物理层速率能飙到 600 Mbps。 当然，实际上你是跑不到这个数的，毕竟还要扣除介质访问的开销、干扰、协议头……但比起以前的 54 Mbps，这已经是质的飞跃了。

2. 打包的艺术：Packet Aggregation​

除了在物理层上堆天线，802.11n 还在 MAC 层动了大手术。 这就像你以前寄信都是一封一封寄，信封本身就有成本；现在改成了寄一本厚书，把一百封信塞进一个包裹里一次性发走。

这个技术叫 Packet Aggregation（数据包聚合）。 它把好几个应用层的数据包塞进一个传输帧里发出去。 为了配合这个机制，802.11e 修正案引入了 Block Acknowledgment（块确认，简称 BA）。

以前发一个包要等一个 ACK，发十个包就要等十个 ACK。 有了 BA 之后，你可以发一堆包，然后对方回一个 BA 就说：「刚才那十个我都收到了」。 中间那种傻等的间隔被砍掉了，效率自然就上来了。

这里有两种聚合方式，千万别搞混：

  • A-MSDU (Aggregated MAC Service Data Unit)： 把好几个 MSDU（也就是上层下来的数据包）捏在一起，外面只包一个 MAC 头。 ⚠️ 注意：在 mac80211 里，A-MSDU 只在接收方向支持，发送方向是不支持的。 而且它不依赖我们要讲的 Block Ack 机制。
  • A-MPDU (Aggregated MAC Protocol Data Unit)： 这才是本节的主角。 它是把好几个已经包好 MAC 头的完整 MPDU 打包在一起。 它必须配合 Block Ack 机制使用。 我们接下来要讲的，全是关于 A-MPDU 的故事。

3. 握手：建立 Block Ack 会话​

Block Ack 不是你想开就能开的，这得先办个手续。 这个过程涉及两方：发起者 和 接收者。 每个 Block Ack 会话都绑定在一个特定的 TID（Traffic Identifier，流量标识符） 上。

第一步：发起请求​

一切始于驱动里的速率控制算法。 比如拿 ath9k 驱动来说，它的 ath_tx_status() 函数（在 drivers/net/wireless/ath/ath9k/rc.c 里）会在合适的时候调用 ieee80211_start_tx_ba_session()。

这个函数干了两件事：

  1. 把状态标记为 HT_ADDBA_REQUESTED_MSK（正在请求中）。
  2. 调用 ieee80211_send_addba_request() 发送 ADDBA Request 帧。

这个请求帧里带着两个关键参数：

  • Buffer Size：重排序缓冲区的大小。 这个值是有上限的，最大不能超过 64K（见 ieee80211_max_ampdu_length_exp）。 这个参数塞在 struct addba_req 的 capab 成员里发出去。
  • TID：标识这是哪一股流量。

第二步：倒计时与响应​

请求发出去之后，倒计时就开始了。 留给对方响应的时间是 1 秒（定义里的 ADDBA_RESP_INTERVAL）。 这是个硬性规定。

如果在 x86_64 上跑过了 1 秒还没收到回音，sta_addba_resp_timer_expired() 这个回调就会被触发。 它会毫不留情地调用 ___ieee80211_stop_tx_ba_session()，把这场会话掐死在摇篮里。

如果对方收到了 ADDBA 请求，流程是这样的：

  1. 先回一个 ACK： 这和所有 802.11 帧一样，规矩不能坏。
  2. 处理请求： 调用 ieee80211_process_addba_request()。 如果一切顺利，它会把自己的状态设为 HT_AGG_STATE_OPERATIONAL（开始干活）。
  3. 发送 ADDBA Response： 调用 ieee80211_send_addba_resp() 告诉对方：「成交，参数我收到了」。
  4. 关掉定时器： 调用 del_timer_sync() 把刚才那个 1 秒的倒计时炸弹拆了。

第三步：发包与 BAR​

握手完成后，狂欢就开始了。 发起者会把一大包数据（包含多个 MPDU 的 A-MPDU）呼啸着发过去。 发完这一波之后，为了确认对方真的收到了，它需要发送一个 Block Ack Request (BAR)。

这是通过调用 ieee80211_send_bar() 方法完成的。

4. BAR：催命符​

Block Ack Request (BAR) 是一种控制帧。 它的子类型是 IEEE80211_STYPE_BACK_REQ。 你可以把它理解为发起者拍着接收者的肩膀问：「刚才发过去那一大坨，到底收齐了没？」

这个包里最重要的信息是 SSN (Start Sequence Number，起始序列号)。 它告诉接收者：「从这个序号开始的那一批包，我要确认」。 接收方收到 BAR 后，会去检查自己的 ampdu 缓冲区，如果需要重排就整理一下。

来看看 BAR 长什么样（内核里的结构体 struct ieee80211_bar）：

struct ieee80211_bar {
        __le16 frame_control;
        __le16 duration;
        __u8 ra[6];          /* 接收者地址 */
        __u8 ta[6];          /* 发送者地址 */
        __le16 control;      /* 包含 TID 等信息 */
        __le16 start_seq_num; /* 起始序列号 SSN */
} __packed;

（include/linux/ieee80211.h）

在这里，帧控制里的类型是 IEEE80211_FTYPE_CTL，子类型是 IEEE80211_STYPE_BACK_REQ。 ra 是接收者的 MAC 地址，ta 是发送者的。 control 字段里藏着 TID。 start_seq_num 自然就是那个 SSN。

5. Block Ack：两种确认方式​

收到 BAR 之后，接收方必须回一个 Block Ack (BA)。 这里有两种策略，取决于当时的硬件能力和协议配置：

  1. Immediate Block Ack（立即块确认）： 收到 BAR 后，立马回 BA。 不拖泥带水，性能最好，但对处理速度要求高。
  2. Delayed Block Ack（延迟块确认）： 这种方式比较从容：
    • 先给 BAR 回一个普通的 ACK。
    • 等一会儿，处理完了，再发 BA。 这适合那种软件处理能力有限、需要一点缓冲时间的场景。

当然，BA 帧本身也是需要被确认的。

曲终人散：DELBA​

天下没有不散的筵席。 当发起者没数据发了，或者想结束这场会话，它会调用 ieee80211_send_delba() 发送 DELBA 请求。 对方收到后，通过 ieee80211_process_delba() 处理，并把这套 Block Ack 会话拆掉。 这个 DELBA 包，谁都能发——不管是发起者还是接收者，想离场随时能提。

6. 限制与边界​

最后，有几个硬性的边界你得心里有数：

  • 最大长度：A-MPDU 的最大长度是 65535 字节。
  • 模式限制：数据包聚合只支持 AP 模式 和 Managed 模式（客户端）。 如果你用 IBSS（Ad Hoc）模式，别想了，规范里压根没支持这个。

这一套机制下来，无线网络才真正有了「高速」的样子。 但别忘了，这只是高速公路的规则之一。 下一节，我们将进入另一个更复杂的拓扑世界——Mesh Networking (802.11s)。 在那里，路由和传输的逻辑会纠缠在一起，形成一张更复杂的网。

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最后由 Charliechen114514 于 更新