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序言

由于802.11的協(xié)議工作機(jī)制，如果其一直處于工作狀態(tài)下，那么能耗還是比較大的，尤其移動(dòng)設(shè)備的電量有限，所以在802.11協(xié)議初期就設(shè)計(jì)了相應(yīng)的能耗管理機(jī)制，即引入了節(jié)能模式。本文我們主要討論一下其節(jié)能模式的一些基本思想和相應(yīng)的組件。對(duì)于具體的MAC層工作機(jī)制，我們?cè)诤罄m(xù)的文章中在進(jìn)行展開(kāi)。

注：本文初始的意圖是描述在節(jié)能模式下具體的MAC層工作機(jī)制，不過(guò)后來(lái)在寫(xiě)緩存結(jié)構(gòu)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)內(nèi)容整理還是較多，所以進(jìn)行分拆。故在本文中，我們主要描述了802.11協(xié)議中，節(jié)能的基本思想，以及其所添加的一些組件，具體的MAC協(xié)議之后再進(jìn)行補(bǔ)充。

802.11協(xié)議中的能耗

為了理解802.11節(jié)能機(jī)制，我們首先需要梳理一下wifi中的一些所出現(xiàn)的能耗。通常情況下，802.11設(shè)備一共會(huì)有4個(gè)工作狀態(tài)：

• Sleep（休眠模式）：節(jié)點(diǎn)會(huì)關(guān)閉發(fā)送和接收模塊進(jìn)行休眠，從而能耗最低。
  
• Rx Idle（接收空閑狀態(tài)）：節(jié)點(diǎn)對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，但并未真實(shí)接收數(shù)據(jù)幀。
  
• Rx（接收狀態(tài)）：節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)幀，并對(duì)其進(jìn)行接收。
  
• Tx（發(fā)送狀態(tài)）：節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
  

其中Rx Idle狀態(tài)，Rx狀態(tài)和Tx狀態(tài)的關(guān)系，需要從我們之前描述的發(fā)送/接收過(guò)程來(lái)理解。1）節(jié)點(diǎn)需要首先執(zhí)行CCA，用以監(jiān)聽(tīng)信道中有沒(méi)有數(shù)據(jù)幀（主要是ED和CS兩個(gè)過(guò)程），這個(gè)過(guò)程即是Rx Idle狀態(tài)。Rx Idle狀態(tài)下面可以轉(zhuǎn)移至Rx狀態(tài)，也可以轉(zhuǎn)移至Tx狀態(tài)。2）若節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽(tīng)信道過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有802.11的數(shù)據(jù)幀，那么其就轉(zhuǎn)移至Rx狀態(tài)進(jìn)行接收。3）若節(jié)點(diǎn)本身有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，且在持續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道的過(guò)程中（即backoff過(guò)程中），發(fā)現(xiàn)信道是空閑的，那么其就轉(zhuǎn)移至Tx狀態(tài)進(jìn)行發(fā)送。

在上述過(guò)程中，真正有用的只有Rx和Tx狀態(tài)。但是實(shí)際過(guò)程中，為了保證接受與發(fā)送中沒(méi)有沖突，節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間處于Rx Idle狀態(tài)，從而會(huì)消耗很多能量。一般意義上，Rx Idle狀態(tài)近似于Rx狀態(tài)，只是一個(gè)少了一些上層的邏輯處理工作，而能耗較大的RF模塊，LNA，AGC這些都是同樣需要工作的。所以在802.11協(xié)議設(shè)計(jì)中，需要引入Sleep休眠狀態(tài)以代替Rx Idle狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的目的，進(jìn)而擴(kuò)展成了休眠模式下的工作機(jī)制。

下圖給出了一般wifi芯片中，這四種模式的功耗情況（參考《AR5213_Data_Sheet_0704》中第10.1.5 Power Consumption節(jié)）

該圖所描述的都是工作在802.11g的模式下，為了更好的描述主題，我們對(duì)原圖進(jìn)行了一些裁剪，其余工作模式的功耗還請(qǐng)查閱原文。上圖分別列舉了AR5213這塊芯片，在1.8V的供電模式和3.3V的供電模式下，對(duì)應(yīng)的不同的功耗。可以明顯看出，Sleep狀態(tài)和其他幾個(gè)狀態(tài)的功耗還是有很大差距的，從而節(jié)能模式如果設(shè)置的好，那么的確可以達(dá)到一個(gè)很好的節(jié)能效果。

同時(shí)，上圖只是給出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Tx的功率大小，在802.11中還存在transmit power levels參數(shù)，一般有8個(gè)級(jí)別，可以調(diào)節(jié)具體的Tx功率。同時(shí)在beacon幀中，也可能會(huì)添加Power Constraint element與Power Capability element這些參數(shù)，從而對(duì)該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行約束。這些都會(huì)影響具體的Tx功率大小，不過(guò)由于這些機(jī)制主要用于TPC（Transmit Power Control）機(jī)制，而本文討論主要是節(jié)能機(jī)制，所以就不展開(kāi)了。

節(jié)能模式的基本思想

按照之前我們的敘述，在802.11中功耗最大的部分是在Rx Idle狀態(tài)。如果能夠減少Rx Idle狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，那么節(jié)點(diǎn)就可以節(jié)能了。在本章節(jié)討論中，由于不討論具體的MAC機(jī)制，所以我們簡(jiǎn)單假設(shè)一個(gè)拓?fù)?#xff0c;該拓?fù)鋬H包含一個(gè)AP和一個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)上行發(fā)送都是發(fā)往AP的，下行是AP發(fā)往節(jié)點(diǎn)的。故從節(jié)點(diǎn)的角度而言，執(zhí)行Rx Idle的目的則有兩種可能性：

• 如果節(jié)點(diǎn)是為了發(fā)送數(shù)據(jù)，那么Rx Idle是用來(lái)監(jiān)聽(tīng)信道的，從而如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，那么就不進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，從而就可以減少Rx Idle的持續(xù)時(shí)間了，這個(gè)還是很容易做到的。
• 如果節(jié)點(diǎn)是為了接收數(shù)據(jù)，那么Rx Idle則一定需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)進(jìn)行。因?yàn)樽鳛榻邮辗?#xff0c;節(jié)點(diǎn)無(wú)法知道AP什么時(shí)候發(fā)送給自己的下行數(shù)據(jù)，所以要不斷的監(jiān)聽(tīng)信道，保持Rx Idle狀態(tài)，對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)包都不能漏。由于節(jié)點(diǎn)無(wú)法控制AP，所以這一塊是比較難做到的。
  

所以在802.11中就提供了一種被動(dòng)請(qǐng)求機(jī)制，其主要就是提供了一種機(jī)制，讓節(jié)點(diǎn)可以控制AP，讓其發(fā)送對(duì)應(yīng)的下行幀給自己。故在節(jié)能模式下，802.11協(xié)議中就引入了兩個(gè)機(jī)制：

• 緩存機(jī)制：這里緩存的主要是AP發(fā)往節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)AP從外網(wǎng)接收到要轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，會(huì)將以MSDU的形式（即MAC層的數(shù)據(jù)幀）進(jìn)行緩存（這里僅僅對(duì)工作在節(jié)能模式下的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存），并不直接發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。

• PS-Poll機(jī)制：若節(jié)點(diǎn)想要獲取下行數(shù)據(jù)，那么節(jié)點(diǎn)需要主動(dòng)跟AP請(qǐng)求數(shù)據(jù)，該請(qǐng)求幀就是PS-Poll幀。AP接收到該幀后，會(huì)檢查緩存區(qū)是否有對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的緩存，如果有就會(huì)從緩存區(qū)中調(diào)出對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下發(fā)，如果沒(méi)有則反饋一個(gè)NULL幀（既空數(shù)據(jù)）。有的書(shū)中，也將這個(gè)請(qǐng)求機(jī)制比較形象的描述為“兵乓”機(jī)制。

我們用下圖大致描述下這里其交互機(jī)制：

由于AP已知節(jié)點(diǎn)工作在節(jié)能模式，所以其首先將發(fā)送給節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

當(dāng)工作在節(jié)能模式的節(jié)點(diǎn)wake-up后，其在完成競(jìng)爭(zhēng)后，首先發(fā)送PS-Poll幀向AP請(qǐng)求下行數(shù)據(jù)幀。

AP從而就在自己的緩存區(qū)里面找該節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)。當(dāng)找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀后，通過(guò)Frame進(jìn)行反饋，這里可以看到上圖標(biāo)注了一個(gè)IEEE80211_FCTL_MOREDATA的描述，該參數(shù)實(shí)際上對(duì)應(yīng)到無(wú)線數(shù)據(jù)包中的more data字段，如果AP。

如果節(jié)點(diǎn)識(shí)別到該more data字段為1后，則知道AP中還有自己的緩存數(shù)據(jù)，那么會(huì)再次發(fā)送PS-Poll幀進(jìn)行請(qǐng)求。

直到AP反饋的Frame中的more data字段為0，那么節(jié)點(diǎn)就不會(huì)繼續(xù)反饋PS-Poll幀。該輪的數(shù)據(jù)請(qǐng)求就結(jié)束了，從而繼續(xù)sleep進(jìn)行省電。

PS：上圖簡(jiǎn)單描述了節(jié)能模式的基本工作原理，其中我們省略了ACK的過(guò)程，以及在多節(jié)點(diǎn)情況下的具體工作機(jī)制，之后我們?cè)龠M(jìn)行補(bǔ)充。上述表述如果有錯(cuò)誤的地方，還請(qǐng)見(jiàn)諒。

緩存機(jī)制

這里我們大致談?wù)撓翧P對(duì)于下行數(shù)據(jù)的緩存機(jī)制，首先筆者對(duì)這一塊也沒(méi)有完全的理順，尤其是協(xié)議與內(nèi)核實(shí)現(xiàn)機(jī)制這一塊，貌似并不是完全按照協(xié)議的定義來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以這里只是一些簡(jiǎn)單的列舉。如有錯(cuò)誤還請(qǐng)指出，以便將這一塊更加理順一些。

• 協(xié)議中對(duì)于緩存機(jī)制的描述（參考802.11協(xié)議07/12版本）
  

在協(xié)議中，對(duì)于該buffer的描述還是較為復(fù)雜的。為了表述緩存，我們首先要描述在802.11協(xié)議中，對(duì)于一個(gè)幀如何存放是怎么定義的。在802.11協(xié)議中，數(shù)據(jù)幀的存放是通過(guò)FragSdu結(jié)構(gòu)體進(jìn)行存放的。（細(xì)節(jié)見(jiàn)07版協(xié)議第805-806頁(yè)）

在這一段中，我們按照標(biāo)注的順序進(jìn)行描述。

• 紅色部分的1，這個(gè)部分描述了這整個(gè)模塊的功能，是用來(lái)描述一個(gè)分段支持類的。然后在這個(gè)類下面，定義了3個(gè)子模塊（圖中只有2個(gè)，還有一個(gè)與節(jié)能模式有關(guān)所以放在后面描述）。
• 紅色部分的2，注釋表明說(shuō)明，這里定義了一個(gè)數(shù)組用來(lái)存放具體的數(shù)據(jù)幀的。
• 藍(lán)色部分的1，標(biāo)識(shí)部分即是該FragArray數(shù)組的具體定義。
• 紅色部分的3，注釋了FragSdu的功能，實(shí)際上整個(gè)發(fā)送緩存，無(wú)論是否有fragment都是按照FragSdu進(jìn)行存儲(chǔ)的，該FragSdu在實(shí)現(xiàn)上具體就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體。雖然名字是用來(lái)定義分片的SDU的，但是其中也寫(xiě)明了“Each SDU, even if not fragmented, is held in an instance of this structure awaiting its (re)transmission attempt(s).”，故即使該數(shù)據(jù)包沒(méi)有分片，那么應(yīng)該是按照FragSdu這種形式統(tǒng)一存放的。
• 藍(lán)色部分的2，在FragSdu結(jié)構(gòu)體中，主要存放這個(gè)具體數(shù)據(jù)包中對(duì)應(yīng)的很多的參數(shù)。這些參數(shù)包含一些數(shù)據(jù)幀中具體的控制字段，我們以紫色方框的標(biāo)注敘述其具體描述方法。在紫色方框這一行中，紫色1標(biāo)注該變量名為psm，紫色2所標(biāo)注變量類型是Boolean類型，紫色3所標(biāo)注的字段是注釋，標(biāo)注該變量是描述該數(shù)據(jù)包是否發(fā)往節(jié)能模式下的節(jié)點(diǎn)的。在這一行表述中，如果該變量是1的話，那么就標(biāo)識(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)是工作在節(jié)能模式，反之則不是。之前在紅色部分2所定義的FragArray數(shù)組，也是通過(guò)最后一行所定義的pdus參數(shù)，存放在FragSdu結(jié)構(gòu)體中。
  

PS：因?yàn)楸疚氖敲枋龉?jié)能模式下的緩存機(jī)制，所以就沒(méi)有對(duì)幀重組部分的進(jìn)行展開(kāi)，如果是幀重組的情況，那么主要起作用的是FragNum類型的3個(gè)參數(shù)和SeqNum類型的1個(gè)參數(shù)。

每一個(gè)幀是通過(guò)FragSdu來(lái)存放的，對(duì)于多個(gè)幀，在802.11協(xié)議中實(shí)際上是以一個(gè)隊(duì)列進(jìn)行存放，該隊(duì)列即是SduQueue。在802.11協(xié)議中，發(fā)送緩存以及用來(lái)節(jié)能模式下的發(fā)送緩存都是一個(gè)隊(duì)列的結(jié)構(gòu)。在802.11協(xié)議描述中，其是首先定義了一個(gè)隊(duì)列的類，然后在分段支持類進(jìn)行對(duì)SduQueue進(jìn)行了繼承。首先我們查閱下Queue類的初始定義，如下：

在該Queue類中，其定義了兩個(gè)方法，即Qfirst(queue,item)和Qlast(queue,item)。其中Qfirst(queue,item)子函數(shù)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)幀插入到隊(duì)列首部，Qlast(queue,item)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)幀插入到隊(duì)列尾部，在一些材料中，這里還所述定義了first_and_tail方法，不過(guò)筆者在協(xié)議中并沒(méi)有直接找到。在分段支持類中，對(duì)Queue進(jìn)行了繼承，如下：

即增加了一個(gè)方法Qsearch(queue,addr)，在節(jié)能模式下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送PS-Poll后，AP需要在緩存區(qū)查找出對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，再進(jìn)行相應(yīng)的傳輸。在這一段描述中，該FragSdu描述是為了power save buffers使用的，但是很多材料中所述，整個(gè)傳輸緩存就是按照SduQueue的形式存放的，這里筆者并沒(méi)有嚴(yán)格考證過(guò)，最后我們用一張圖大致描述下整個(gè)結(jié)構(gòu)。

• 內(nèi)核中對(duì)于緩存機(jī)制以及節(jié)能模式的描述（參考《Linux Kernel Networking》第12章部分內(nèi)容以及openwrt的源碼）
  

在內(nèi)核中，對(duì)于緩存是在openwrt源碼中\(zhòng)net\mac80211\Sta_info.h中定義的，如下圖

其中ps_tx_buf就是用以節(jié)能模式下，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的buffer的，其中IEEE80211_NUM_ACS參數(shù)一般設(shè)成4，其對(duì)應(yīng)是802.11e中存在的4中不同優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，sk_buffer_head是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其含義是一個(gè)鏈表頭，一般該結(jié)構(gòu)都是用來(lái)輔助sk_buff結(jié)構(gòu)快速找到鏈表頭結(jié)點(diǎn)的。具體實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)該是利用該鏈表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Queue，或者說(shuō)是一個(gè)FIFO。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)中，定義了一些有關(guān)buffer長(zhǎng)度的限制，筆者目前整理一共有三處限制。

• STA_MAX_TX_BUFFER：該參數(shù)大小是64（書(shū)上所述是128），是用來(lái)限制ps_tx_buf的帶下的，位置在\net\mac80211\Sta_info.h中。該參數(shù)的意思是，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可以儲(chǔ)存64個(gè)數(shù)據(jù)包。

• AP_MAX_BC_BUFFER：該參數(shù)大小是128，是用來(lái)限制bc_buf的大小，位置是在\net\mac80211\Ieee80211_i.h。該buffer是專門(mén)用來(lái)存放組播/廣播幀的，該buffer只有1個(gè)隊(duì)列。

• TOTAL_MAX_TX_BUFFER：該參數(shù)大小是512，根據(jù)描述，是用來(lái)限制總的buffer大小的，位置是在\net\mac80211\Ieee80211_i.h中。

PS：上述主要還是關(guān)注了下，AP中為節(jié)能模式所設(shè)定的緩存結(jié)構(gòu)，具體的節(jié)能實(shí)現(xiàn)機(jī)制和MAC層協(xié)議，這里我們還沒(méi)有展開(kāi)，還請(qǐng)見(jiàn)諒。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的802.11协议精读9：初探节能模式（PS mode）与缓存机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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