无线网络与移动网络详解

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一、无线局域网MLAN

1. 无线局域网的组成

• 无线局域网WLAN：采用无线通信技术的局域网。

• 特点：

  1. 提供了移动接入的功能
  2. 节省投资，建网速度较快
  3. 支持便携设备联网

• 由于手机普及率日益增高，通过无线局域网接入到互联网已成为当今上网的最常用的方式。

• 便携站和移动站表示的意思并不一样。

  便携站：便于移动，但在工作时，其位置是固定不变的。

  移动站：不仅能够移动，还可以在移动的过程中进行通信。

• 可分为两大类：

  1. 有固定基础设施的WLAN
  2. 无固定基础设施的WLAN

• 所谓“固定基础设施”是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。

• 无线网络的基本结构：无线主机、无限链路、基站、网络基础设施（AP或有线网络）。

• 无线链路与有线链路的主要区别：

  1. 无限链路信号强度衰减更快

  2. 无线链路容易受到电磁信号的干扰

  3. 无线链路存在多径传播的问题

     基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等，到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

     

  4. 无线链路存在隐藏终端的问题

     隐蔽站问题：由于无线信号覆盖范围和穿透能力有限，A和C检测不到彼此的无线信号，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。

     

2. 移动自组网络

• 又称为自组网络。
• 是没有固定基础设施（即没有AP）的无线局域网。
• 移动站都处于平等状态。

• 服务范围通常是受限的，一般不和外界的其他网络相连接。

• 移动自组网络也是移动分组无线网络。

• 优点：

  • 方便灵活。
  • 生存性非常好。

• 无线传感器网络WSN

  无线传感器网络WSN：由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。

  应用：进行各种数据的采集、处理和传输。

  特点：

  1. 不需要很高的带宽，但大部分时间必须保持低功耗。
  2. 对协议栈的大小有严格的限制。
  3. 对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。

  传感器结点的形状和组成：

  

  无线传感器网络主要的应用领域：

  组成各种物联网IoT，例如

  1. 环境监测与保护
  2. 战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控
  3. 医疔中对病房的监测和对患者的护理
  4. 在危险的工业环境中的安全监测
  5. 城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。

• 移动自组网络不同于移动IP

  

  几种不同的接入：

  • 固定接入：在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。
  • 移动接入：用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的。
  • 便携接入:在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力。
  • 游牧接入：用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站。

二、移动IP

1. 移动IP的基本概念

• 传统计算机的位置都是固定不变的。

• 便携式笔记本电脑允许用户在不同地点上网，使用不同的IP地址，不是移动IP。

• 在移动中浏览网页，若要在移动中的TCP连接不中断，就必须使移动站的IP地址在移动中保持不变。

• 移动IP要解决的问题：使用户的移动性对上层的网络应用透明。

• 

  • 移动站A必须有一个原始地址，即永久地址，或归属地址。移动站原始连接到的网络叫做归属网络。永久地址和归属网络的关联是不变的。归属代理让地址的改变对互联网的其余部分透明，它通常就是连接在归属网络上的路由器，代理功能在应用层完成。归属代理既是路由器，也是主机。

  • 当移动站A移动到另一个地点，接入的网络称为被访网络或外地网络。被访网络中使用的代理叫做外地代理，它通常就是连接在被访网络上的路由器，为移动站A在被访网络中创建的临时地址叫做转交地址。

  • 注意：

    转交地址是供移动站、归属代理以及外地代理使用的，各种应用程序都不使用这种转交地址。

    转交地址在互联网中并不唯一。外地代理可以给好几个移动站指派同样的转交地址，甚至把自己的IP地址指派为移动站的转交地址。这样并不会引起混乱，因为当外地代理要向连接在被访网络上的移动站发送数据报时，直接使用这个移动站的MAC地址（当移动站首次和外地代理通信时，外地代理就记录下这个移动站的MAC地址）。

    有时，移动站本身也可以充当外地代理，即移动站和外地代理是同一个设备。这时的转交地址叫做同址转交地址。

• 通信者B和移动站A通信的四个重要步骤：

  

  ①B发送给A的数据报的目的地址是：131.8.6.7。此数据报被A的归属代理截获（只有当A离开归属网络时，归属代理才能截获发给A的数据报）。

  ②归属代理把B发来的数据报进行再封装，新的数据报的目的地址是15.5.6.7，就是A现在的转交地址。使用隧道技术或IP-in-IP将新封装的数据报发送到被访网络的外地代理。

  ③被访网络中的外地代理把收到的封装的数据报进行拆封，取出B发送的原始数据报，然后转发给移动站A。这个数据报的目的地址是：131.8.6.7，就 是A的永久地址。A收到B发送的原始数据报后，也得到了B的IP地址。

  ④如果现在A要向B发送数据报，A仍然使用自己的永久地址作为数据报的源地址，用B的IP地址作为数据报的目的地址。这个数据报显然没有必要再通过A的归属代理进行转发了。

• 网络层应增加的新功能：

  1. 移动站到外地代理的协议。
  2. 外地代理到归属代理的登记协议。
  3. 归属代理数据报封装协议。
  4. 外地代理拆封协议。

2. 三角形路由选择问题

• 间接路由选择：把数据报发往移动站的归属网络，由归属代理完成以后的寻址工作，进而完成数据报转发的方式。

• 问题：可能会引起数据报转发的低效，即三角形路由选择问题。

  本来在B和A之间可能有一条更有效的路由，但现在要走另外两条路：先要把数据报从B发送到A的归属代理，然后再转发给漫游到被访网络的A。

  如果B所在的网络就是A到达的被访网络呢？直接交付即可孬根本不需要使用路由器。

• 使用直接路由选择向移动站发送数据报

  

  让通信者B创建一个通信者代理，让通信者代理向归属代理询问到移动站在被访网络的转交地址。然后由通信者代理把数据报用隧道技术发送到被访网络的外地代理，最后再由这个外地代理拆封，把数据报转发给移动站。

  需要解决的两个问题：

  1. 如何使通信者代理向移动站的归属代理查询到移动站的转交地址？

     增加一个移动用户定位协议。

  2. 当移动站再移动到其他网络时，怎样得到移动站的位置信息？

     使用锚外地代理。

  使用直接路由选择向移动站发送数据报的重要步骤：

  ①B的通信者代理从移动站A的归属代理得到A所漫游到的被访网络N1的外地代理。把移动站首次漫游到的被访网络的外地代理称为锚外地代理。

  ②通信者代理把B发给A的数据报再封装后，发送到A的锚外地代理。

  ③锚外地代理把拆封后的数据报发送给A。

  ④A移动到另一个被访网络N2。

  ⑤A向被访网络N2的新外地代理登记。

  ⑥新外地代理把A的新转交地址告诉锚外地代理。

  ⑦锚外地代理收到发给A的封装数据报后，用A的新转交地址对数据报进行再封装，然后发送给被访网络N2上的新外地代理，拆封后转发给移动站A。

  如果A再漫游到另一个网络，也是通过锚外地代理转发给A的数据报。

三、IEEE 802.11

1. IEEE 802.11体系结构

• IEEE802·11是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准。

  1. 使用星形拓扑，中心叫做接入点AP
     • AP是无线局域网的基础设施，也是一个链路层的设备。
     • AP也叫做无线接入点WAP。
     • 无线局域网中的站点对网内或网外的通信都必须通过AP。
  2. 在MAC层使用CSMA/CA协议

• 凡使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi。

• 

  • 基本服务集BSS是无线局域网的最小构件。一个BSS包括一个接入点AP和若干个移动站。必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID（即该AP的无线局域网的名字）和一个通信信道。一个BSS所覆盖的地理范围叫做一个基本服务区BSA。

  • 信道：

    无线局域网通常使用2.4GHz和5GHz频段。每一个频段划分为若干个信道，供各无线局域网使用。

    802．11b使用2·4GHz频段，带宽约85MHz。定义了11个部分重叠的信道集。相邻信道的中心频率相差5MHz,每个信道的带宽约为22MHz。

    

  • 每个AP有一个唯一的48位MAC地址，名称是基本服务集标识符BSSID。在无线局域网中传送的各种帧的首部中，必须有节点的MAC地址（即BSSID,但不是SSID)。用户通常都知道所连接的无线局域网SSID，但可以不知道其BSSID。

  • 一个BSS可以通过AP连接到一个分配系统DS，然后再连接到另一个BSS，构成了一个扩展服务集ESS。ESS也有个标识符，是不超过32字符的字符串名字（不是地址),叫做扩展服务集标识符ESSID。

  • DS的作用：使ESS对上层的表现就像一个BSS一样。DS可以使用以太网（最常用）、点对点链路或其他无线网络。

  • ESS还可为无线用户提供到802.x局域网（非802.11无线局域网）的接入。通过门户设备实现。门户相当于一个网桥。

  • 移动站A如果要和另一个BSS中的移动站B通信，就必须经过两个接入点AP1和AP2,即A→AP1→AP2→B。

  • 移动站A漫游到位置A1时，选择和信号较强的一个AP联系。当漫游到位置A2时，就只能和AP2联系了。BSS的服务范围是由AP所发射的电磁波的辐射范围确定的。移动站只要能够和其中一个AP联系上，就可以一直保持与另一个移动站B的通信。

  • 关联：

    一个移动站若要加入到一个BSS，必须先与某个AP建立关联。

    建立关联：表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网，并和这个AP之间创建了一个虚拟线路。

    只有关联的AP才能向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的AP才能向其他站点发送数据帧。

    建立关联的两种方法：

    1. 被动扫描

       

       (1)AP周期性发出信标帧，其中包含SSID、速率等系统参数。

       (2)移动站A扫描11个信道，选择加入到AP2所在的基本服务集BSS2，向AP2发出关联请求帧。

       (3)AP2同意移动站A发来的关联请求，向移动站A发送关联响应帧。

    2. 主动扫描

       

       (1)移动站A主动发出广播的探测请求帧，让所有能够收到此帧的接入点知道有移动站要求建立关联。

       (2)两个AP都回答探测响应帧。

       (3)移动站A向AP2发出关联请求帧。

       (4)AP2向移动站A发送关联响应帧，与移动站A建立关联。

    重建关联和分离：

    • 移动站使用重建关联服务，可把这种关联转移到另一个接入点。
    • 当使用分离服务时，可终止这种关联。

    安全地建立关联：

    • 用户在和附近的接入点AP建立关联时，一般还要键入用户密码。
    • 初期加密方案：有线等效的保密WEP。
    • 现在加密方案：无线局域网受保护的接入WPA或WPA2。

• 802.11标准中物理层相当复杂。根据物理层的不同（如工作频段、数据率、调制方法等），对应的标准也不同。

  

2. IEEE 802.11的MAC协议

802.11局域网的MAC层协议

(1)CSMA/CA协议

无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议。因为：

1. 碰撞检测(CD)要求：一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度，在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。

2. 即使能够实现碰撞检测的功能，并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候，在接收端仍然有可能发生碰撞。

   无线局域网的特殊问题：

   

   隐蔽站问题：由于无线信号覆盖范围和穿透能力有限，A和C检测不到彼此的无线信号，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。

必须考虑的特点：

1. 无线局域网的适配器无法实现碰撞检测；
2. 检测到信道空闲，其实信道可能并不空闲；
3. 即使能够在硬件上实现无线局域网的碰撞检测功能，也无法检测出隐蔽站问题带来的碰撞。

改进的CSMA/CA协议：

• 增加碰撞避免CA：尽量减少碰撞发生的概率。
• 使用CSMA/CA的同时，使用停止等待协议：链路层确认，解决碰撞后重传。

802.11的MAC层：

MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站何时可以发送或接收数据。包括两个子层：DCF和PCF。

• 分布协调功能DCF

  DCF子层：不采用任何中心控制。每个节点使用CSMA/CA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。 所有实现都必须有DCF功能。

• 点协调功能PCF

  PCF子层：可选。使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把发送数据 权轮流交给各个站，从而避免碰撞。自组网络没有PCF子层。对时间敏感的业务，如分组话音，应使用提供无争用服务的PCF。

CSMA/CA协议的要点：

(2)时间间隔DIFS的重要性

• 在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS。

• 两种常用的帧间间隔：

  • 分布协调功能帧间间隔DIFS。
  • 短帧间间隔SIFS。

• SIFS

  

• DIFS

  

  A监听信道。若信道在时间间隔DIFS一直都是空闲的，A就可以在t0时间发送 数据帧DATA.

  B收到数据帧后，必须进行CRC检验。若检验无差错，再从接收状态转为发送状态。经过时间间隔SIFS后，向A发送确认帧ACK。

  从A发送数据帧DATA开始，到收到确认ACK为止的这段时间(DATA+SIFS+ ACK)内，必须不允许任何其他站发送数据，这样才不会发生碰撞。

• 避免发生碰撞的两种机制

  

(3)争用信道的过程

在站点A和B通信的过程中，站点（和D也要发送数据。但c和D检 测到信道忙，因此心须推迟接入，以免发生碰撞。

在等待信道进入空闲状态后，都经过规定的时间间隔DIFS再同时发送数据 必然产生碰撞。因此，CSMA/CA规定：所有推迟接入的站都必须在争用期执行统一的退避算法开始公平地争用信道。

争用期也叫做争用窗口CW。争用窗口由许多时隙组成。例如，争用窗口CW=15即窗口大小是15个时隙。

• 时隙长度的确定

  • 方法：在下一个时隙开始时，每个站点都能检测出在前一个时隙开始时信道是否忙（这样就可采取适当对策）。
  • 时隙长短在不同802.11标准中可以有不同数值。
  • 例如：802·11g
    • 一个时隙时间为9μs;
    • SIFS=10μs;
    • DIFS=SIFS+（2*Slot time)=28μs。

• 退避算法

  • 站点在进入争用期时，应在0～CW个时隙中随机生成一个退避时隙数，并设置退避计时器。
  • 当几个站同时争用信道时，计时器最先降为零的站首先接入媒体，发送数据帧。这时信道转为忙，而其他正在退避的站则冻结其计时器，保留计时器的数值不变，推迟到下次争用信道时接着倒计时。
  • 这样的规定对所有的站是公平的。

• “推迟接入”和“退避”的区别

  推迟接入：

  • 发生在信道处于忙的状态，为的是等待争用期的到来，以便执行退避算法来争用信道。
  • 这时退避计时器处于冻结状态。

  退避：

  • 是争用期各站点执行的算法，退避计时器进行倒计时。
  • 这时信道是空闲的，并且总是出现在时间间隔DIFS的后面。

• 争用窗口

  • 建议值：15（最小）≤争用窗口CW≤1023（最大）。

  • CSMA/CA规定：如果未收到确认帧，则必须重传。但每重传一次，争用窗口的数值就近似加倍。

  • 假定：选择初始争用窗口CW=2⁴-1=15，第i次退避就在2⁴⁺ⁱ-1个时隙中随机地选择一个，即：

    第1次重传时，随机退避的时隙数应在0～31之间生成。

    第2次重传时，随机退避的时隙数应在0～63之间生成。

    第3次重传时，随机退避的时隙数应在0～127之间生成。

    第4次重传时，随机退避的时隙数应在0～255之间生成。

    第5次重传时，随机退避的时隙数应在0～511之间生成。

    第6次以及6次以上重传时，随机退避的时隙数应在0～1023之间生成，争窗口cw不再增大了。

• 退避算法的使用场景

  1. 要发送数据时检测到信道忙。
  2. 已发出的数据帧未收到确认，重传数据帧。
  3. 接着发送后续的数据帧（为了防止一个站长期垄断发送权）。

  

  当站点想发送数据，并检测信道连续空闲时间超过DIFS时，即可立即发送数据，而不必经过争用期。

(4)对信道进行预约

CSMA/CA – 带碰撞避免的CSMA：

CSMA/CA通过RTS和CTS帧的交换，可以实现信道的预约占用，避免数据帧传输过程中的冲突。

1. 假设现在源站要和目的站进行通信，在通信之前源站需要向目的站发送请求通信的数据帧，即RTS帧。
2. 目的站收到RTS帧后，假如目的站当前空闲，目的站会向源站响应可以通信的确认信息，即CTS帧，并且会将CTS帧通知给自己周围的所有无线主机，避免其他无线主机在源站和目的站通信时，给目的站发送信息造成干扰。该CTS帧中包含此次通信大概要持续的时间等关键信息。
3. 源站收到CTS帧后，开始发送数据。在源站和目的站通信的时间内，其他站不会发送数据，会推迟发送。

3. IEEE 802.11帧

802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧。

802.11数据帧的三大部分：

• MAC首部：共30字节。复杂。
• 帧主题：数据部分，不超过2312字节。802.11帧的长度通常都小于1500字节。
• 帧检验序列FCS：尾部，共4字节。

关于802.11数据帧的地址：

数据帧有四个地址字段：

地址1永远是接收地址（即直接接收数据帧的节点地址）。

地址2永远是发送地址（即实际发送数据帧的节点地址）。

地址3和地址4取决于数据帧中的“来自AP”和“去往AP”这两个字段的数值。

注意：上述地址都是MAC地址，即硬件地址，而AP的MAC地址是BSSID。

最常用的两种情况：

四、蜂窝网络

1. 蜂窝网络体系结构

小区：整个网络服务区划分成许多小区（即蜂窝）。

基站：每个小区设置一个，覆盖小区，负责与本小区各个移动站的联络和控制。移动站的发送或接收都必须经过基站完成，因此基站又称为收发基站。

GSM：包括基站子系统和网络子系统（常称为核心网）。

基站子系统：包括几十个基站和一个基立控制器BSC。

BSC：为本基站子系统中的几十个基站服务，分配无线信道，确定所在小区，漫游时进行信道切换。

核心网：包括移动交换中心MSC和网关移动交换中心GMSC。

MSC:负责用户的授权和账单，用户呼叫连接的建立和释放，不同基站子系统之间 漫游时的信道切换。

GMSC：将MSC连接到公用电话网或具他移动通信网。

2. 蜂窝网络中的移动性管理

蜂窝网络相较于802.11网络移动性更高。

蜂窝网络采用间接路由选择方法：

假设现有一固定电话用户给移动电话用户打电话，关键步骤如下：

1. 通信者拨打移动用户的电话号码。通过号码中的前几位数字可以全局地判别移动用户的归属网络。呼叫通过公共交换电话网到达移动用户归属网络的归属MSC。
2. 归属MSC收到该呼叫，查询HLR来确定移动用户的位置。在最简单的情况下，HLR返回移动站点漫游号码，这个号码与移动用户的永久电话号码不同，永久电话号码是与移动用户的归属网络相关联的，而漫游号码是临时的，当移动用户进入一个被访网络后，会给移动用户临时分配一个漫游号码。如果HLR不具有该漫游号码，则返回被访网络的VLR地址，归属MSC通过查询VLR以便获取移动站点的漫游号码。
3. 漫游号码确定后，归属MSC通过网络向被访网络的MSC呼叫，最后被访网络的MSC呼叫移动用户。最终，从通信者到归属MSC，从归属MSC到被访MSC，再从被访 MSC到为移动用户提供服务的基站，最后到移动用户，呼叫连接建立完成。

3. 移动通信2G/3G/4G/5G网络

1. 2G网络

   信令和语音信道都是数字式的。

2. 3G网络

   无线通信与互联网等多媒体通信结合。

3. 4G网络

   高速率数据业务，不同频段、不同业务环境间的无缝漫游。

4. 5G网络

   超高容量、超可靠性、随时随地可接入性。

五、移动IP网络

1. 代理发现

当移动站到达一个新的网络中去的时候，怎样判断该网络中谁是代理？

主要有以下两种方法：

1. 代理通告

   外部代理或归属代理使用一种现有路由器发现协议的扩展协议来通告其服务。

   周期性地在所有连接的链路上广播一个类型字段为9（路由器发现）的ICMP报文。

2. 代理请求

   移动结点广播一个代理请求报文，该报文是一个类型值为10的ICMP报文。

   收到该请求的代理将直接向该移动结点单播一个代理通告。

2. 向归属代理注册

当移动站发现代理，获得转交地址之后，移动站需要将转交地址告诉归属代理，此时需要向归属代理注册。

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。

1. 移动结点向外部代理发送一个移动IP注册报文
2. 外部代理记录移动结点的永久IP地址，并发送注册请求给归属代理
3. 归属代理接收注册请求并发送注册应答
4. 外部代理接收注册应答，然后将其转发给移动结点。

六、其他典型无线网络介绍

1. WiMax

   IEEE 802.16，城域网技术，传输距离更远，接入带宽更高。

2. 蓝牙

   IEEE 802.15.1，小范围，低功率，低成本，自组织。

3. ZigBee

   IEEE 802.15.4，低功率，低数据速率，低工作周期。

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参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1xJ41137Q3?p=39

参考资料：《计算机网络(第8版)》 – 谢希仁。