计算机网络——无线网与移动网络

一、无线链路和无线网络的特点

如果我们用无线802. 11网络代替该有线以太网，用无线网络接口代替 主机的有线以太网接口，用接入点代替以太网交换机，但实际上在网络层及其以上层次中 不需要有任何变化。这提示我们当寻找有线和无线网络的重要区别时，应该重点关注链路 层。我们的确能够发现有线链路和无线链路间的许多重要区別：

•递减的信号强度。电磁波在穿过物体（如无线电信号穿过墙壁）时强度将减弱。 即使在自由空间中，信号仍将扩散，这使得信号强度随着发送方和接收方距离的 增加而减弱（有时称其为路径损耗（path loss））。

•来自其他源的干扰。在同一个频段发送信号的电波源将相互干扰。例如，2.4GHz无 线电话和802.11b无线LAN在相同的频段中传输。因此，802. lib无线LAN用户若 同时利用2.4GHz无线电话通信，将会导致网络和电话都不会工作得特別好。除了来 自发送源的干扰，环境中的电磁噪声（如附近的电动机、微波）也能形成干扰。

•多径传播。当电磁波的一部分受物体和地面反射，在发送方和接收方之间走了不同
长度的路径，则会出现多径传播（multipath propagation）。这使得接收方收到的信号 变得模糊。位于发送方和接收方之间的移动物体可导致多径传播随时间而改变。

CDMA(码分多址)

二、802.11无线局域网：802.11的体系结构、MAC协议，以及在同一个IP子网中的移动过程

在IEEE802.11协议簇中，有几套有关无线LAN的802. 11标准，包括802.11b、802. 11a和802. llg。表6-1总 结了这些标准的主要特征。802. llg是至今为止最为流行的技术。一些双模式(802.11a/g) 和三模式(802. lla/b/g)设备也可供使用。

这3个802. 11标准具有许多共同特征。它们都使用相同的媒体访问协议CSMA/CA, 我们稍后将对其进行讨论。这3个标准都对它们的链路层帧使用相同的帧格式，它们都具 有降低传输速率以到达更远距离的能力。并且这3个标准都允许“基础设施模式”和“自 组织模式”两种模式。然而，如表6-1所示，这3个标准在物理层有一些重要的区别。

802.11的体系结构

802.11体系结构的基本构件模块是基本服务集（BBS）。 一个BBS包含一个或多个无线站点和一个在
802.11术语中称为接入点（Access Point，AP）的中央基站（base station）

两个BSS中的AP，它们连接到一个互联设备上（如交换机或者路由器），互联设备又连接 到因特网中。在一个典型的家庭网络中，有一个AP和一台将该BSS连接到因特网中的路 由器（通常综合成为一个单元）。
与以太网设备类似，每个802.11无线站点都具有一个6字节的MAC地址，该地址存 储在该站适配器（即8 0 2 . 1 1 网络接口卡）的固件中。每个A P 的无线接口也具有一个 MAC地址。与以太网类似，这些MAC地址由IEEE管理，理论上是全球唯一的。

信道与关联

802. 11 MAC 协议

一旦某无线站点与一个AP相关联，它就可以经该接入点开始发送和接收数据帧。然 而因为许多站点可能希望同时经相同信道传输数据帧，因此需要一个多路访问协议来协调 传输。宽泛地讲有三类多路访问协议：信道划分（包括CDMA）、随机 访问和轮流。802.11的设计者为802.11无线LAN选择了一种随机访问协议。这个随机访问协议称作带碰撞避免的CSMA （CSMA with collision avoidance）,或简称为 CSMA/CA。
与以太网的 CSMA/CD 相似，CSMA/CA 中 的“CSMA”代表“载波侦听多路访问”，意味着每个站点在传输之前侦听信道，并且一 旦侦听到该信道忙则抑制传输。尽管以太网和802. 11都使用载波侦听随机接入，但这两 种MAC协议有重要的区別。首先，802.11使用碰撞避免而非碰撞检测；其次，由于无线信道相对较高的误比特率，802.11 （不同于以太网）使用链路层确认/重传（ARQ）方 案。我们将在下面讨论802. 11的碰撞避免和链路层确认机制。

1）如果初始时某站点监听到信道空闲，它将在一个被称作分布式帧间间隔（Dislribu- ted Inter-Frame Space, DIFS）的短时间段后发送该帧。
2） 否则，该站点选取一个随机回退值（如我们 在5. 3.2节中遇到的那样）并且在侦听信道空闲时 递减该值。当侦听到信道忙时，计数值保持不变。
3） 当计数值减为0时（注意到这只可能发生在 信道被侦听为空闲时），该站点发送整个数据帧并等 待确认。
4） 如果收到确认，发送站点知道它的帧已被目 的站正确接收了。如果该站点要发送另一帧，它将 从第二步开始CSMA/CA协议。如果未收到确认， 发送站点将重新进入第二步中的回退阶段，并从一 个更大的范围内选取随机值。
前面讲过，在以太网的CSMA/CD的多路访问协议下，一旦侦听到信道空闲，站点开始 发送。然而，使用CSMA/CA,该站点在倒计数时抑 制传输，即使它侦听到该信道空闲也是如此。为什么 CSMA/CD和CSMA/CA采用了不同的方法呢？
为了回答这一问题，我们首先考虑这样一种情 形：两个站点分别有一个数据帧要发送，但是，由于侦听到第三个站点已经在传输，双方都未立即发送。 使用以太网的CSMA/CD协议中， 两个站点将会在检测到第三方发送完毕后立即开始发送。这将导致一个碰撞，在CSMA/ CD协议中碰撞并非是一个严重的问题，因为两个站点检测到碰撞后都会放弃它们的发送， 从而避免了由于碰撞而造成的该帧剩余部分的无用发送。而在802.11中情况却十分不同， 因为802. 11并不检测碰撞和放弃发送，遭受碰撞的帧仍将被完全传输。因此802.11的目 标是无论如何尽可能避免碰撞。在802. 11中，如果两个站点侦听到信道忙，它们都将立 即进人随机回退，希望选择一个不同的回退值。如果这些值的确不同，一旦信道空闲，其 中的一个站点将在另一个之前发送，并且（如果两个站点均未对对方隐藏）“失败站点” 将会听到“胜利站点”的信号，冻结它的计数器，并在胜利站点完成传输之前一直抑制传输。通过这种方式，避免了高代价的碰撞。当然，在以下情况下使用802. 11仍可能出现 碰撞：两个站点可能互相是隐藏的，或者两者可能选择了非常靠近的随机回退值，使来自 先开始站点的传输也必须到达第二个站点。

1、处理隐藏终端：RTS和CTS
2、使用802.11作为一个点对点链路

IEEE 802.11帧

在相同的IP子网中的移动性

两个BSS的互联设备不是一台路由器，故在两个 B S S 中的所有站点（包括A P ） 都属于同一个IP 子网。因此，当H1从BSS1移动到BSS2时，它 可以保持自己的I P 地址和所有正在进行的T C P 连接。如果互联设备是一台路由器，则H1必须 在它移动进人的子网中获得一个新地址。这种地 址的变化将打断（并且最终终止）在H1的任何 进行中的TCP连接。在6. 6节中，我们将能看到 一种网络层移动性协议如移动IP能被用于避免 该问题。
随着H1逐步远离API，Hl检 测到来自A P I的信号逐渐减弱并开始扫描一个更强的信号。H1收到来自AP2的信标帧 （在许多公司和大学的设置中它与API有相同的SSID）。Hl然后与API解除关联，并与
AP2关联起来，同时保持其IP地址和维持正在进行的TCP会话。

三、无线个域网的基本概念：蓝牙和Zigbee技术

1、蓝牙
IEEE 802. 15.1网络以小范围、低功率和低成本运行。
802. 15. 1网络有时被称为无线个 人区域网络
802. 15. 1 网络以TDM方式工作于无需许可证的2.4GHz无线电波段，每个时隙长度为625jis。在每个 时隙内，发送方利用79个信道中的一个进行传输，同时从时隙到时隙以一个已知的伪随 机方式变更信道。这种被称作跳频扩展频谱（Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS） 的信道跳动的形式将传输及时扩展到整个频谱。802. 15. 1能够提供高达4Mbps的数据率。
8 0 2 . 1 5 . 1 网络是自组织网络：不需要网络基础设施（如一个接入点）来互连 802. 15.1设备。
2、ZigBee
IEEE标准化的第二个个人域网络是802.14.5，他被称为ZigBee,但ZigBee较之蓝牙其服务目标的低功率，低数据率，低工作周期的应用。

四、蜂窝因特网的体系结构：3G

在本节描述蜂窝网体系结构时，我们将采用全球移动通信系统（GSM）标准的术语。从 历史的角度看，首字母缩写词GSM源于术语“Groupe Special Mobile”，后来才采用了更为英 文化的名字，不过这使最初的首字母缩写词得以保留。
第一代（1G）系统是模拟FDMA系统，其专门用于语音通信。这些1G 系统目前几乎绝迹，它们被数字2G系统所替代。初始的2G系统也是为语音而设计，但 后来除了语音服务外还扩展了对数据（即因特网）的支持（2.5G）。当前正在部署的3G 系统也支持语音和数据，但越来越强调其数据能力和更高速的无线接人链路。

2G蜂窝网体系结构：与电话网的语音连接

一个小区的 覆盖区域取决于许多因素，包括BTS的发射功率、用户设备的传输功率、小区中的障碍建 筑物以及基站天线的高度。

五、移动管理的原理：寻址和路由选择到移动结点

寻址

外部网络只需通告其邻居它有一条非常特別的路由能到达该移动结点的固定地址，，即告诉其他 网络它有一条正确的路径可将数据报导向该移动结点的固定地址。这些邻居将在全网传播该路由选择信息，而且是当作更新路由选择信息和转发表的正常过 程的一部分来做。当移动结点离开一个外部网络后又加人另一个外部网络时，新的外部网 络会通告一条新的通向该移动结点的特别路由，旧的外部网络将撤销其与该移动结点有关 的路由选择信息。

然而它有一个很大的缺陷，即扩展性不好。

一种替代的方法（并在实际中得到了采用）是将移动性功能从网络核心搬到网络边缘。

外部代理的作用之一就是为移动结点创建一个所谓的转交地址（Care-Of Address, COA）,该COA的网络部分与外部网络的网络部分相匹配。 因此一个移动结点可与两个地址相关联，即其永久地址（permanent address）与其COA,该COA有时又称为外部地址（foreign address）。

路由选择到移动节点

移动节点的间接路由选择

1. 移动结点到外部代理的协议。当移动结点连接到外部网络时，它向外部代理注册。 类似地，当一个移动结点离开该外部网络时，它将向外部代理取消注册。
2. 外部代理到归属代理的注册协议。外部代理将向归属代理注册移动结点的COA。当某移动结点离开其网络时，外部代理不需要显式地注销COA,因为当移动结点 移动到一个新网络时，随之而来就要注册一个新的COA，这将完成了注销。
3. 归属代理数据报封装协议。将通信者的原始数据报封装在一个目的地址为COA的 数据报内，并转发之。
4. 外部代理拆封协议。从封装好的数据报中取出通信者的原始数据报，然后再将该 原始数据报转发给移动结点。

移动节点的直接路由选择

间接路由选择方法存在一个低效的问题，即三角路由选择问题。
直接路由选择(direct routing)克服了三角路由选择的低效问题，但却是以增加复杂 性为代价的。

我们 将首次发现移动结点的外部网络中的外部代理标识为锚外部代理（anchor foreign agent。当移动结点到达一个新外部网络后，移动结点向新的外部代理注册，并且新外部代理向锚外部代理提供移动结点的新COA 。当锚外部代理收到 一个发往已经离开的移动结点的封装数据报后，它可以使用新的COA重新封装数据报并将 其转发给该移动结点。如果移动结点其后又移到另一个外部网络中，在该被访网络中的外部代理随后将与锚外部代理联系，以便建立到该新外部网络的转发。

移动IP

支持移动性的因特网体系结构与协议合起来称为移动IP。
移动1P标准由三部分组成：
1、代理发现。移动IP定义了一个归属代理或外部代理用来向移动结点通告其服务的 协议，以及移动结点请求一个外部代理或归属代理的服务所使用的协议。
2、向归属代理注册。移动1P定义了移动结点和/或外部代理向一个移动结点的归属 代理注册或注销COA所使用的协议。
3、数据报的间接路由选择。该标准也定义了数据报被一个归属代理转发给移动结点 的方式，包括转发数据报使用的规则、处理差错情况的规则和几种不同的封装形式。

考纲

无线网络与移动网络
（1） 无线链路和无线网络的特点
（2） 802.11无线局域网：802.11的体系结构、MAC协议，以及在同一个IP子网中的移动过程
（3） 无线个域网的基本概念：蓝牙和Zigbee技术
（4） 蜂窝因特网的体系结构：3G
（5） 移动管理的原理：寻址和路由选择到移动结点