【移动网络】Ch. 2 移动网络基本原理 (Part2. 移动管理与无线网络TCP/IP协议)

移动管理

先从整体上了解一下无线通信中选择基站的过程。

• 手机开机时，会开始检索一个列表，列表里有基站的注册信息，这个列表是白名单，一般记录着之前登录过的所有基站信息，优先从列表选择基站，如果没有白名单信息才会从初始化状态开始检索基站信号。基站信号检索过程并非按次序一个个遍历，而是同时检索多个并从中选择一个从电波意义上而言速率最高的一个（一般是距离最短且中间没有很多的障碍物）。然后向其试图登录注册，注册过程需要基站逆访问手机并传输识别信息，完成后登录到基站。对于基站而言，可能会有多个终端同时注册登录基站，此阶段结束后从物理连接角度而言已经做好了通信的准备。虽然终端经历上面的过程后已经可以通信了，对于基站而言并不确定是否要与终端通信，只是准备好了连接。因为终端需要通过与通信公司的服务基准决定终端的通信质量，即用户缴费后获得对应的服务质量，这一阶段是基站需要检查的。
• 这里补充一下无线网络接入的细节。

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如图所示，其中这一个单元（蜂窝Cell）被称为RAN[Radio Access Network]无线接入网。基站到MSC【一般为事业单位的专用高速网络】的这个网络被称为Core Network[核心网]，对于这些事业单位，他们用有线专线连接各基站，为各基站提高高带宽完成通信。基站传输到MSC的信号大多都携带很多用户信息，因此要求MSC有一个中央数据库存储这些信息，但是数据库存储所有信息是困难的，因此也需要一个Cache服务器来筛选过滤信息。从MSC转出信号到PSTN【公共交换电话网】是一个从企业私网转公网的过程，因此要有一个网关来将私网信号转发到公网，这个网关被称为NSC。

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整体过程如下：

• 当终端接入基站后并不是通信准备的结束，在上网之前还需要经过两个阶段，接入事业单位以及接入公网。
• 我们称运营商所在的网络为CN(Core Network)。在注册到通信运营商时，需要检索对应公司的数据库，从而确认对应用户的数据信息，从而决定提供怎么样的服务。但是由于检索数据库和访问数据库的物理距离相对较远，会导致效率低的问题，所以一般会将服务器的数据做缓存或闪存给MME（ Mobility Management Entity）。同时用户的数据需要更新时则需要访问服务器，更新的很重要的一项数据是位置数据，包括漫游费用以及多种其他服务。
• 运营商完成确认后，通过P网关通过DHCP服务器获得IP地址，获得访问公网的能力。

本章只需要明确图标中的固有名词即可，详细的步骤会在后续5G章节技术。

基站切换：当终端因移动而而使信道质量下降时，在低于某个阈值时会切换到另一个基站的网络中。如左图所示，并不是只要信号强度低于另一个就立刻切换到另一个网络，而是即便低于也暂且维持直到低于某个阈值。水平切换的概念很好理解，从一个基站的覆盖范围到另一个基站的覆盖范围，信号变化规律如左图所示。垂直切换一般是在楼层的上下移动时，提供无线接入网的无线AP覆盖范围导致的垂直切换或由于中间介质的反射和阻挡物作用下导致原本距离相同的两个基站有一个严重衰减从而切换。

右图是2G时代下的无线接入网步骤。之所以说2G不说3G，是因为3G加入了很多没用的结构，过于复杂且不高效，而2G的结构截止到目前某些结构仍然被很好的传承了下来。且4G中使用的模型就是这个模型的变式。
右图中，PSTN先通过HLR（4G的HSS）完成认证，然后通过VLR（4G的MME)查找对应的目标，VLR记录了一个页表并存储多个基站的信息，初期会使用广播通知各个基站查找对应终端，终端并不是一直处于待机状态而是按照规定的时间定时联系基站，如果此时发现有找自己的信号，则会通过该基站转发，同时该基站的转给VLR的信息包含了通知数据，VLR会通知其他基站停止继续找目标终端，然后VLR再返回给PSTN并建立连接。

无线网TCP/IP

报头压缩

报头压缩的一般原则是偶尔发送一个包含完整报头的包;后续压缩报头指的是由完整报头建立的上下文，可能包含对上下文的增量更改
上下文基本上是在链接上发送(压缩器)或接收(解压器)的最后一个报头的未压缩版本。
上下文标识符(CID)是一个小的唯一数字，标识应该用于解压压缩报头的上下文，它包含在完整报头和压缩报头中。即不变的数据或者一些变化的字段以一个小的或可预测的值变化，可以使用增量编码（例如TCP序列号）等一个简单的标识符提醒对方，参考之前的数据表，从而大体积缩小了数据包。只有经常变化和随机的字段需要在每个包中携带，例如校验和
某些字段的值可以从链路层实现中推断出来，例如数据包的长度

图中是TCP/IP的数据头部，都是计算机网络的相关知识，这里简单提一下。蓝色部分，包括源和目标地址，已经IP版本和头部长度，这些都是在通信过程中恒定不变的数据。黄色的是根据其他项目可变的数据，绿色部分则是在一定环境下会持续按定额增加的部分。这些部分的数据因为有规律，没有必要一直传输。

3G是第一代使用包头压缩的无线通信。ROHC是IEF的协议，能够反应报头压缩。3G网里的RNC+NodeB=现在LTE的eNodeB，SGSN是现在的S-Gateway。这个技术也被沿用到了4-5G

上图是计算机网络的拥塞控制内容。

TCP改良

有线网比无线网因比特错误出现的传输错误概率远远小于无线网，是无线网的介质过多不够纯净导致的。虽然仍然使用CSMA/CA在尽可能的避免数据碰撞，但仍然有信道错误（高丢包率）和传输延迟的问题，传输时间受物理环境影响过大，因此比较具有流动性不能够很好的固定到理想速率。
TCP协议有着很多问题，但是却不能够修改。首先世界的网络规模已经空前的巨大，想要完全不使用TCP协议已然不可能。虽然可以通过操作系统接口的变动从本地改良TCP协议，但是由于现在正在使用的多种服务应用是基于TCP设计的同时，网络设备（路由器等）又是基于TCP设置的遍布于全世界的设备，从而导致了TCP协议无法被替代的现象。因此新世代的网络装备有一个很大的考虑条件就是是否能与前代设备很好的互接，能够利用最新技术的同时也要保证原有技术提供的服务不被中断。

一旦出现数据报丢失，ACK无法收到等情况，则会停止收发信息。如果报文被丢弃，TCP会认为报文拥塞从而缩小窗口降低传输速率。
在无线网络中这是一个典型的错误，我们经常会因为传输错误而丢包而并非拥堵
此外，如果移动节点从一个接入点漫游，移动性本身也会导致丢包
因此使用TCP传输的数据效率不高。然而，TCP无法从根本上改变，因为在固定网络中安装的基础很大，为了移动性，TCP必须保持兼容性，所以基本的TCP机制将整个Internet连接在一起形成了I-TCP

间接TCP或I-TCP分段连接，不改变基准TCP网络，从无线网和TCP网络之间增加一个设备，可以存储对应数据，当无线网出错时，由设备重传数据而非服务器，从而增加了传输效率。此外，还可以通过该设备衍生设计一个不同于TCP网络的独特网络运转，用非TCP协议提供无线网支持。
这部分技术在现在还未普遍应用。

优点：
固定网络没有必要改变，主机(TCP协议)没有必要改变，所有当前对TCP的优化仍然有效
无线链路上的传输错误不会传播到固定网络
控制简单，移动TCP仅用于外部代理和移动主机之间的一跳
因此，一个非常快速的包重传是可能的，在移动跳上的短延迟是已知的

缺点：
端到端语义的丢失，对发送方的确认不再意味着接收方真的收到了数据包，外部代理可能会崩溃
由于缓存外部代理内部的数据并转发到新的外部代理，可能会有更高的延迟

MPTCP：使用一个无线网的同时使用另一个无线网，一般利用基站和wifi建立两个信道从而建立两个TCP连接，从而提供更高的数据率。

优点：可以同时利用2个网，因此网络利用率和传输率都会大幅增加。
缺点： 需要在设备内核内多增加一个协议，虽然对设备而言问题不大，但是对于服务器而已问题比较大。因为服务器一般很难为了个体设备完全改动，因此又用到了之前的思想，服务器保持基准TCP网络，但是对应的企业提供专用网络提供双信道服务，并在企业内部设置足够性能的转发器从而实现目标。