无线网络和移动网络--计算机网络自顶向下笔记（七）

简介

• 无线网络的要素
  
  1. 无线主机（wireless host）。端系统。
  2. 无线链路（wireless communication link）。主机连接基站或另一台主机。
  3. 基站（base station）。主机和基站关联：主机位于基站的无线通信覆盖范围，且主机使用基站中继和更大的网络的数据。例如，蜂窝网中的 蜂窝塔（cell tower），Wifi中的接入点（access point）。
  4. 网络基础设施。与主机通信的更大的网络。
     
• 与基站关联的主机以基础设施模式（infrastructure mode）运行，传统网络服务（地址分配、路由选择）通过基站提供给主机。
  自组织网络（ad hoc network）中，主机不与基站相连，主机本身提供这些服务。
• 无线网络类型。标准：无线网分组跨越的无线跳、是否有基础设施。
  
  1. 单跳、基于基础设施。802.11、3G蜂窝网等。
  2. 单跳、无基础设施。蓝牙、自组织模式的802.11
  3. 多跳、基于基础设施。结点通过无线结点中继通信，连接到基站，如无线网状网络。
  4. 多跳、无基础设施。移动自组织网络，包括车载自组织网络。

无线链路

• 无线网络比特差错率较高，不仅需要CRC，还可能需要链路层ARQ重传受损的帧。
• 两台主机不足以相互检测到对方的传输，由于
  
  • 由于物理阻挡存在隐藏终端问题（hidden terminal problem）。
  • 信号衰减（fading）。

无线网络特征

• 信号强度递减。有路径耗损。
• 其他源的干扰。如2.4GHz的802.11b受到对应无线电话和环境电子噪音影响。
• 多径传播。由于地面发射通过多条路径传播，接收的信号模糊。

物理层特征

• 对于给定的调制方案，SNR（信噪比，Signal-to-Noise Ratio）越高，BER（比特差错率）越低。
• 对于给定的SNR，较高比特传输速率的调制技术具有较高的BER。
• 物理层可以根据信道条件动态选择调制技术。

CDMA

• 码多分址（Code Divison Multiple Access, CDMA），是一种信道划分协议 。每个要发送的比特乘一个信号比特编码，这个信号变化速率（码片速率, chipping rate）比初始数据快。接收方再乘以相同的编码获得原始数据。
  例如，发送方使用的CDMA码：(1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)发送01比特，0表示为-1：
  
• 注意点
  
  1. CDMA**编码**选择。通常需要正交。
  2. 不同发送方的信号强度可能不同。

两种无线网络

WiFi

• IEEE 802.11 无线LAN，也称WiFi，是一种较小范围的接入网技术。

体系结构

• 802.11基本构建模块为基本服务集（Basic Service Set, BSS），一个BSS包括多个无线站点和一个接入点（Access Point, AP, 中央基站）。802.11站点可以自己组合成一个自组织网络。
  
• 802.11频段2.4~2.4835GHz，分为11个部分重叠的信道，其中只有3个非重叠信道，在同一个物理网络中可以连接3个AP，然后连接到一个交换机上。
• 无线站点**关联**AP
  
  1. 被动扫描。扫描信道，监听信标帧（beacon frame）。
  2. 主动扫描。向主机范围内的所有AP**广播探测帧，AP用探测响应帧**应答。
  3. 之后无线主机向AP发送关联请求帧，AP以关联响应帧响应。

MAC协议

• 带碰撞避免的CSMA（CSMA with collision avoidance, CSMA/CA）。
  链路层确认/重传（ARQ）。
• 未实现碰撞检测而用碰撞避免的原因：
  
  1. 802.11适配器上，接收信号强度通常远小于发送信号的长度，检测碰撞代价大。
  2. 适配器会由于隐藏终端和衰减无法检测到所有碰撞。
• 目的站点收到一个通过CRC的帧后，等待一个短帧间间隔（Short Inter-Frame Spacing, SIFS），发回确认帧。如果给定时间内未收到确认帧，重传该帧，若干次重传未确认，则放弃重传丢弃该帧。
• 发送帧的步骤：
  
  1. 站点监听到信道空闲，等待一个分布式帧间间隔（Distributed Inter-Frame Space, DIFS）后发送帧，等确认。
  2. 否则，站点选取一个随机回退值（二进制指数回退），并在侦听到信道空闲之后递减该值，信道忙时该值不变。当计数为0时，发送帧，等确认。
  3. 收到确认后若有帧要发送，继续第一步。若未收到确认，进入第二步的回退阶段。
     
• 即使信道空闲，CSMA/CA也使用倒计数抑制传输。
  
  • 因为回退不同的值，发送有先后，后发送的站点接收到先发送的站点的信号，会暂停计数，从而避免碰撞。
  • 如果两个站点相互隐藏，或者随机回退值非常接近，仍然可能碰撞。
• 处理终端隐藏
  
  • 发送方使用请求发送（Request to Send, RTS）控制帧，AP**允许发送（Clear to Send, CTS）控制帧 预约**对信道的访问。
  • 当帧长超过门限值时使用两个控制帧，减少消耗的信道资源。

帧格式

• 有效载荷。通常小于1500字节。
• 地址。处于互联需要3个地址，地址4在自组织模式中使用。
  
  1. 地址2。发送该帧的站点MAC地址。
  2. 地址1。接收该帧的站点的MAC地址。
  3. 地址3。BSS是一个子网或者一部分，需要与路由器接口相连，地址3位路由器接口的MAC地址。
• 序号。区分新传输的帧和重传的帧。
• 持续期。预约信道的时间，包括传输数据帧和传输确认的时间。
• 控制字段。
  
  • 类型、子类型用于区分关联、RTS、CTS、ACK、数据帧。
  • 到AP和从AP，定义不同地址的含义，随着发送者、使用模式变化。
  • WEP。是否加密。

帧地址的变化

• R1到H1
  
  • 路由器R1将数据报封装在以太网帧中，源地址为R1的MAC地址，目的地址为H1的MAC地址。
  • 帧到AP后，由802.3以太网帧转换为802.11无线网帧。地址1为接收方H1的MAC地址，地址2为发送方AP的MAC地址，地址3为R1的MAC地址。
• H1到R1
  
  • H1生成一个802.11帧，地址1为AP的MAC地址，地址2为H1的MAC地址，地址3为R1的MAC地址。
  • AP收到该帧后，转为以太网帧，源地址为H1的MAC地址，目的地址为R1的MAC地址。
• 地址3允许AP构建以太网帧时确定目的MAC地址，在BSS和有线局域网互联中起作用。

其他性质

• 速率适应。条件较好（收到ACK），增加传输速率，条件变差（没有收到ACK），减小传输速率。类似TCP拥塞机制。
• 功率管理。一个结点可以明显的在睡眠和唤醒状态之间交替。
  
  • 结点向AP指示打算睡眠，并设置定时器，在AP发送信标帧（100ms一次）前唤醒（约250us）结点。
  • 结点睡眠时，AP先缓存帧，待以后传输。
  • 短暂的唤醒时间、接收信标帧时间、检查缓存帧的时间，能大大节约能源。

蜂窝网

• WiFi热区范围较小，蜂窝网通过基站控制器（Base Station Controller, BSC）和收发基站（Base Transceiver Station, BTS）组成GSM基站系统，并将它们连接，可以进行大范围的无线覆盖。一个基站覆盖的区域类似蜂窝。
• 蜂窝电话进行扩展，不光可以传播语音，还可以传输IP数据报。

移动管理

原理

• 归属网络（home network）：一个移动结点的永久居所。
• 归属代理（home agent）：归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体。
• 外部网络（foreign network）：移动结点当前所处网络，也称为被访网络（visited network）。
• 外部代理（foreing agent）：外部网络中代表结点移动管理的实体。
• 通信者（correspondent）：希望与移动结点通信的实体。
  

寻址

• 外部代理为移动节点创建转交地址（Care-Of Address, COA），与外部网络匹配。一个移动结点可以和两个地址相关联，永久地址（permanent address）和COA。
• 外部代理可以告诉归属代理，该移动结点在他的外部网络和他的COA。

间接路由选择

• 步骤：
  
  1. 数据报导向移动结点的归属网络。
  2. 归属代理将原始数据报封装（encapsulate）成大数据报，交付到移动结点的COA。
  3. 拥有该COA的外部代理接收并拆封大数据报，向移动结点转发原始数据报。
  4. 移动结点使用永久地址为源地址，通信者地址为目的地址，直接发送数据报到通信者。
     
• 用户移动到新的网络时，注册新的COA，更新原本归属代理中的COA。
• 存在三角路由选择问题，即使通信者和移动结点之间有更有效的路径，也会先发给归属代理，再发到外部网络。

直接路由选择

• 步骤：
  
  1. 通信者代理向归属代理查询移动结点的COA。
  2. 通信者代理使用隧道技术经过外部代理发往移动结点。
• 移动结点移动到另一个外部网络时
  
  1. 移动结点向新的外部代理注册。
  2. 新的外部代理向锚外部代理（首次发现移动结点时对应的外部代理）提供移动结点新的COA。
  3. 锚外部代理收到发往该移动结点的数据报后，使用新的COA重新封装数据报，并且发向移动结点。
  4. 如果移动结点又移动到新的外部网络，对应的外部代理需要随后建立和锚代理的联系。
     

移动IP

1. 代理发现。代理通告服务或者移动结点请求服务。
   
   • 代理通告。外部代理和归属代理周期性的广播类型9的ICMP报文，包括COA等信息。
   • 代理请求。移动结点广播类型10的ICMP报文，收到请求的代理单播一个代理通告。
2. 向归属代理注册。移动结点收到COA后，该地址必须向归属代理注册。
   
   1. 收到外部代理通告之后，移动结点向外部代理发送注册报文，放入端口号434的UDP数据报中，包括：通告的COA、归属代理地址（HA）、移动结点永久地址（MA）、请求注册寿命、注册标识。
   2. 外部代理收到注册后记录永久IP（封装的数据报的目的地址为该永久IP，则该数据包需要解封）。向归属代理发送注册报文。
   3. 归属代理接收后验证，将移动结点的永久IP和COA绑定（到达永久IP的数据报被封装，隧道方式经外部代理发给COA）。归属代理发送注册回答。
   4. 外部代理接收注册回答，转发个移动结点。
3. 数据报的间接路由选择。

对高层的影响

• TCP并不知道报文段被丢弃的原因，拥塞、切换外部网络、检测到比特差错。发送方会重传报文，减小拥塞窗口。解决方法：
  
  1. 本地恢复。使用链路层ARQ。
  2. 发送方知晓无线链路。区分出拥塞丢包，仅对该情况拥塞控制。
  3. 分离连接方法。有线部分使用标准TCP，无线部分使用运输层选择性重传协议。