通信系统中MAC级操作的原理

在本文中，我们将看看Engee语言中MAC（媒体接入控制）级别的基本原理，包括站间请求和响应帧的形成。 MAC层负责管理对数据传输介质的访问，并提供:

-人员编制
-错误检测和纠正
-环境访问控制
-识别车站

我们将通过声明包结构来开始示例的实现。 MacHeader 和 MacFrame 这些结构表示802.11(Wi-Fi)无线网络中的标准帧格式。在实际实现中，可以存在取决于帧的特定类型（控制、控制或数据帧）的附加字段或变体。我们的代码是正确的ad-hoc网络，其中 addr3 它可以是任何东西，例如, "00:00:00:00:00:00" 但是fcs在示例中仅由帧的主体计数。

MacHeader结构（MAC帧头）

/字段/*类型|/目的|
|:---|:---|:---|
|frame_control|UInt16/控制字段（帧类型、标志、协议版本）|
|duration|UInt16/用于NAV（虚拟载波感知）的信道冗余时间（μs）|
|addr1|String/**Receiver Address(RA)**是收件人的MAC。|
|addr2|String/**发送器地址(TA)**是发送器的MAC。|
|addr3|String/BSSID（在基础设施网络中，接入点的MAC，在ad—hoc—组标识符中）。|
|seq_ctrl|UInt16/序列控制|

简要说明地址的分配

addr1 (RA)-帧向谁定向(接收者)。
addr2 （TA）-谁发送帧**。
**addr3 (BSSID)**是网络标识符(对于基础设施网络，接入点的MAC)。

MacFrame结构（整个MAC帧）

/*字段	/*类型	/目的
`header`	`MacHeader`/帧标题（见上文）。
`body`	`Vector{UInt8}`/有效载荷（数据）。
`fcs`	`UInt32`/帧校验序列(CRC-32)-完整性校验的校验和。

struct MacHeader
    frame_control::UInt16
    duration::UInt16
    addr1::String
    addr2::String
    addr3::String
    seq_ctrl::UInt16
end

struct MacFrame
    header::MacHeader
    body::Vector{UInt8}
    fcs::UInt32
end

现在让我们继续形成请求框架。（请求帧），它由功能 **crc32**及 create_request_frame.

第一个函数模拟数据的CRC-32（校验和）的计算，但实际上使用了一个简化的算法：它将数组中的所有字节求和，并将结果限制为32位数字（如在真正的CRC-32中）。本CRC-32使用多项式除法（例如, 0xEDB88320).

该
第二个功能创建一个MAC请求帧（例如，通过Wi-Fi网络传输数据），让我们一步一步地看看这个功能是如何工作的。

**frame_control = 0x00b4 **

表示是数据帧（类型 0b10）与默认标志。在实际网络中，可能存在保护标志、碎片等。
duration = UInt16(0)

通道备份时间（0 -帧短，NAV不使用）。
seq_num = rand(UInt16)

一个随机的16位序列号（实际上，它应该递增）。
创建标题（MacHeader)
- addr1-收件人的MAC(receiver_addr).
- addr2-发件人的MAC(sender_addr).
- addr3-BSSID（在此示例中 00:00:00:00:00:00，这意味着ad-hoc网络）。
frame_body = Vector{UInt8}(payload)

转换字符串 payload 到字节数组。
fcs = crc32(frame_body)

计算帧体的"校验和"（简化）。
申报表 **MacFrame -**完成框架与标题，数据和FCS。

function crc32(data::Vector{UInt8})
    return UInt32(sum(data) % UInt32(0xFFFFFFFF))
end

function create_request_frame(sender_addr, receiver_addr, payload)
    frame_control = 0x00b4
    duration = UInt16(0)
    seq_num = rand(UInt16)
    header = MacHeader(frame_control, duration, receiver_addr, sender_addr, "00:00:00:00:00:00", seq_num)
    frame_body = Vector{UInt8}(payload)
    fcs = crc32(frame_body)
    MacFrame(header, frame_body, fcs)
end

create_request_frame (generic function with 1 method)

接下来，我们将创建一个响应帧。 (Response Frame)，该帧本身包括:

帧头(MAC Header)
Payload，转换字符串 payload 以字节为单位(Vector{UInt8}).
校验和(fcs)，从帧体计算CRC32。
返回成品 MacFrame 头，身体和FCS。

function create_response_frame(sender_addr, receiver_addr, request_frame, payload)
    frame_control = 0x00c4
    new_duration = max(0, Int(request_frame.header.duration) - 100)
    header = MacHeader(frame_control, UInt16(new_duration), receiver_addr, sender_addr, "00:00:00:00:00:00", request_frame.header.seq_ctrl + UInt16(1))
    frame_body = Vector{UInt8}(payload)
    fcs = crc32(frame_body)
    MacFrame(header, frame_body, fcs)
end

create_response_frame (generic function with 1 method)

之后，您可以继续执行用于站间交互的算法。此测试模拟MAC帧交换在网络的两个驻地(a和B)之间。

*A-发送请求

*B-发送响应

station_a = "AA:BB:CC:DD:EE:FF"
station_b = "11:22:33:44:55:66"
request_payload = "Запрос данных от A"
request_frame = create_request_frame(station_a, station_b, request_payload)
println("Станция A отправляет кадр запроса:")
println("Кому: ", request_frame.header.addr1)
println("От: ", request_frame.header.addr2)
println("Полезная нагрузка: ", String(request_frame.body))
println("Контрольная сумма FCS: ", request_frame.fcs)
println()
response_payload = "Ответ с данными от B"
response_frame = create_response_frame(station_b, station_a, request_frame, response_payload)
println("Станция B отправляет кадр ответа:")
println("Кому: ", response_frame.header.addr1)
println("От: ", response_frame.header.addr2)
println("Полезная нагрузка: ", String(response_frame.body))
println("Контрольная сумма FCS: ", response_frame.fcs)

Станция A отправляет кадр запроса:
Кому: 11:22:33:44:55:66
От: AA:BB:CC:DD:EE:FF
Полезная нагрузка: Запрос данных от A
Контрольная сумма FCS: 5369

Станция B отправляет кадр ответа:
Кому: AA:BB:CC:DD:EE:FF
От: 11:22:33:44:55:66
Полезная нагрузка: Ответ с данными от B
Контрольная сумма FCS: 5790

简单CSMA/CA协议的实现

CSMA/CA是无线网络（Wi-Fi，IEEE802.11）中使用的数据访问控制协议。与检测到碰撞的CSMA/CD(以太网)不同，CSMA/CA通过在传输前侦听信道(载波感知)、检测到就业时的意外延迟(退避)和确认(ACK)以验证交付来防止碰撞，本示例基于较早的拆卸实现。

运算的算法

渠道验证（CCA-Clear Channel Assessment）

-如果通道可用→转移。
-如果忙→等待随机时间（退避）。
退避机制

-每次尝试失败后，延迟增加（指数）。
确认(ACK)

-接收方发送ACK以响应成功接收。
反复尝试

-如果ACK尚未到达→重复发送（之前 max_attempts).

接下来，让我们继续实现，第一个函数是 csma_ca_send，它模拟信道占用（rand() < 0.3 -30％的就业机会），包括退避计时器（rand(1:10) * 10 ms）当信道忙和尝试限制（max_attempts=3).

function csma_ca_send(sender, receiver, payload, max_attempts=3)
    attempt = 1
    while attempt <= max_attempts
        channel_busy = rand() < 0.3
        
        if !channel_busy
            frame = create_request_frame(sender, receiver, payload)
            println("Попытка $attempt: Кадр отправлен от $sender к $receiver")
            return frame
        else
            backoff_time = rand(1:10) * 10
            println("Попытка $attempt: Канал занят, ожидание $backoff_time мс")
            sleep(backoff_time / 1000)
            attempt += 1
        end
    end
    
    println("Не удалось отправить после $max_attempts попыток")
    return nothing
end

第二个功能是 create_request_frame 它包括一个简化的报头（没有真正的FCS，而不是有效载荷长度）和固定字段（seq_ctrl = 0xf198, addr3 = 00:00:00:00:00:00).

function create_request_frame(sender, receiver, payload)
    body_data = Vector{UInt8}(payload)
    fcs_value = length(body_data)
    return (
        header = (
            frame_control = 0x00b4,
            duration = 0x0000,
            addr1 = receiver,
            addr2 = sender,
            addr3 = "00:00:00:00:00:00",
            seq_ctrl = 0xf198
        ),
        body = body_data,
        fcs = fcs_value
    )
end

最后一个函数 receive_frame 执行收件人验证（addr1 必须匹配站的MAC地址或被广播），并且还检查校验和—FCS）-数据的长度被检查（简化）。

function receive_frame(receiver_addr, frame)
    if frame.header.addr1 != receiver_addr && frame.header.addr1 != "FF:FF:FF:FF:FF:FF"
        println("Кадр не для этой станции")
        return false
    end
    
    calculated_fcs = length(frame.body)
    if calculated_fcs != frame.fcs
        println("Кадр повреждён (несовпадение FCS)")
        return false
    end
    
    println("Кадр успешно получен:")
    println("От: ", frame.header.addr2)
    println("Данные: ", String(frame.body))
    return true
end

receive_frame (generic function with 1 method)

它与以前的版本有何不同？

已添加CSMA/CA（以前，立即发送帧）。
信道忙时的退避定时器。
简化的FCS（而不是CRC32，有效载荷长度）。
没有ACK（在真正的Wi-Fi中需要）。

接下来，我们将分析错误。

station_x = "AA:11:BB:22:CC:33"
station_y = "DD:44:EE:55:FF:66"
sent_frame = csma_ca_send(station_x, station_y, "Test data with CSMA/CA")

station_c = "CC:CC:CC:CC:CC:CC"
station_d = "DD:DD:DD:DD:DD:DD"

request = create_request_frame(station_c, station_d, "Test data")
receive_frame(station_d, request)

Попытка 1: Кадр отправлен от AA:11:BB:22:CC:33 к DD:44:EE:55:FF:66
Кадр успешно получен:
От: CC:CC:CC:CC:CC:CC
Данные: Test data

true

结论

在这个例子中，我们研究了MAC层的基本原理，用Engee语言实现请求和响应帧，基本的MAC头结构，CSMA/CA协议的简化实现和错误处理机制，并确保我们的算法正常工作。

所提供的示例演示了通信系统中MAC层的关键概念。