计算机网络9 无线网络和移动网络
无线局域网WLAN
无线局域网WLAN（wireless local area network）提供了移动接入的功能，由于手机普及率高，通过无线局域网接入互联网成为当今最常用的上网方式
- 便携站：便于移动的，但是便携站工作时位置固定不变
- 移动站：不仅能移动，而且可以在移动的过程中通信， 移动站一般使用电池供电
无线局域网的组成
无线局域网可以分为两类
- 有固定基础设施的：有预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站
- 无固定基础设施的
IEEE 802.11
对于有固定基础设施的无线局域网，IEEE制定了无线局域网的协议标准802.11系列标准
802.11是个相当复杂的标准，简单一点说，就是无线以太网的标准，使用星形拓扑结构，中心点叫接入点AP（access point），在MAC层使用CSMA/CA协议
802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS（basic service set），一个BSS包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本BSS内部可以直接通信，但是和外部通信时必须通过本BSS的基站
基站就是所谓的接入点AP，网管安装AP时，必须为其分配一个不超过32字节的名字，也就是服务集标识符SSID，以及一个通信信道
一个BSS所覆盖的地理范围叫做基本服务区BSA（basic service area），直径范围一般不超过100米
一个BSS可以是孤立的，也可以通过AP连入到一个分配系统DS（distribution system），然后再连接到另一个BSS，这样就构成了扩展的服务集ESS
分配系统DS的作用是使扩展服务集ESS对上层表现的像一个基本服务集BSS一样，分配系统可以使用以太网、点对点链路或其它网络
扩展服务集ESS还可以通过叫门户（portal）的设备，为无线用户提供到802.x局域网的接入
图中A要和B通信，要经过两个AP：AP1和AP2，如果移动站A漫游到另一个BSS，仍然可以与B通信，但是接入点AP改变了
一个移动站如果要加入到一个BSS，那么必须先选择一个接入点AP，建立关联，只有关联的AP才向这个移动站发送数据帧，这个移动站也只有通过AP才能向其它站点发送数据帧
在关联阶段过后，移动站还要通过关联的AP向该子网发送DHCP发现报文以获取IP地址。若移动站使用重建关联服务，就可以把这种关联转移到另一个接入点。当使用分离服务时，就可以终止这种关联
移动站与接入点AP建立关联的方法有两种
- 被动扫描：移动站等待接收接入点AP周期性发出的信标帧，信标帧中包含若干系统参数
- 主动扫描：移动站主动发出探测请求帧，然后等待从接入点返回的探测响应帧
无线局域网在接入AP时还要输入密码。无线局域网发展初期，加密方案为WEP，后来又出现了WPA和WPA2
移动自组网络
另一类无线局域网是没有固定基础设施的无线局域网，称为自组网络
这种自组网络没有接入点AP，而是由一些处于平等状态的移动站互相通信组成临时网络。由于没有固定的基础设施，因此服务范围通常是受限的，而且自组网络一般也不和外界网络相连接
在自组网络中每一个移动站，都要参与到网络中其它移动站的路由的发现和维护，同时由于移动站构成的网络拓扑结构可能随时间变化很快，因此需要新的路由选择协议
自组网络中进行多播，也比固定网络的多播复杂的多，需要有实时性好而效率又高的多播协议
近年来，无线传感器网络引起人们的关注。无线传感器网络是由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络，目的是进行各种数据采集、处理、传输，一般不需要很高的带宽，但是对协议中大小有严格限制
802.11局域网的物理层
根据物理层的不同，对应的标准也不同
802.11局域网的MAC层协议
CSMA/CA协议
在有线局域网中使用的CSMA/CD协议，其中CSMA载波监听部分可以在无线局域网中使用，但是CD不行，理由如下：
- 碰撞检测要求一个站点在发送之前，不间断检测信道，一旦碰撞，就停止发送。而无线信号的信号强度动态范围较大，如果要在无线局域网的适配器实现碰撞检测，在硬件上花费会较大
- 即使能在硬件上实现无线局域网的碰撞检测功能，也无法避免碰撞的发生，因此无线局域网不需要进行碰撞检测
图中，a表示A和C都想和B通信，但是AC相距较远，因此同时发送数据给B，发生碰撞，这种未能检测到信道上其它站点的问题叫做隐蔽站问题
图中，b表示B向A发数据，C检测到信道忙而不敢向D发数据，但是B向A发数据并不影响，这就是暴露站问题
802.11局域网使用CSMA/CA协议，CA表示碰撞避免（collision avoidance），协议的设计要尽量减少碰撞发生的概率
802.11局域网还是用停止等待协议，因为信号质量差，因此每个站点发送完一帧后，需要等待收到确认帧才发送下一帧，这就是链路层确认
802.11标准设计了独特的MAC层，它通过协调功能（coordination function）来确认在基本服务集BSS中的移动站，在什么时间能发送或接收数据。802.11的MAC层在物理层上面，它包括两个子层
- 分布协调功能DCF：DCF不采用任何中心控制，而是在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让每个站通过争用信道来获得发送权。因此DCF向上提供争用服务。802.11规定所有的实现都必须有DCF功能
- 点协调功能PCF：PCF是选项，是用接入点AP集中控制整个BSS内的活动，因此自组网络就没有PCF子层。PCF使用集中控制的接入算法，用类似探询的方法把发送数据权轮流交给各个站，从而避免碰撞的发生
为了避免碰撞，802.11规定一个站在发送完毕后，必须等待一段很短的时间，才能发送下一帧。这段时间通称为帧间间隔IFS。IFS的长短取决于该站要发送的帧的类型。各种帧间间隔的具体长度，则取决于所使用的物理层特性
- SIFS：短帧间间隔，长度为28μs。SIFS是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。在这段时间内，一个站应该能从发送方式切换为接收方式。使用SIFS的帧类型有：ACK、CTS、由过长的MAC帧分片后的数据帧、回答AP探询的帧和在PCF方式中接入点AP发送的任何帧
- DIFS：分布协调功能帧间间隔，它比SIFS的帧间间隔要长的多，为128μs，在DCF方式中，DIFS用来发送数据帧和管理帧
CSMA/CA协议的工作原理如下：
- 要发送数据的站先检测信道：通过收到的相对信号强度是否超过门限值可以判断是否有其它移动站在信道上发送数据。若信道空闲，源站在等待DIFS后开始发送数据
- 源站发出数据帧后，目的站正确收到，经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK。如果源站没有收到ACK，就必须重传，直到收到确认为止，或者若干次重传后放弃
- 802.11标准采用虚拟载波监听的机制，让源站把占用信道的时间通知其他站，以便使其他站在这一段时间停止发送数据。虚拟表示其他站并没有检测信道，而是由于收到了源站的通知，好像是监听了信道
- 当一个站检测到信道中传送的MAC帧首部的持续时间字段时，就调整自己的网络分配向量NAV。NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态
- 当NAV时间过去时，信道从忙态变为空闲，任何一个站只要不是发送第一个帧，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口。为了避免几个站同时发送数据，所有想发送数据的站都要执行退避算法
- 当某个要发送数据的站，使用退避算法选择了争用窗口中的某个时隙后，就根据该时隙的位置设置一个退避计时器，该计时器减小到0后，就开始发送数据。也可能期间信道又变成忙态，这时冻结退避计时器，重新等待信道空闲。再经过DIFS后，继续启动退避计时器
下面举例说明退避机制：
-
图中表示A正在发送数据，BCD执行了退避算法，退避时间选定后，就相当于设置了一个退避计时器，站点每经过一个时隙就检测一次信道，如果信道空闲，计时器继续计时；信道忙则冻结计时器，重新等待信道空闲，并经过DIFS后继续计时。如果计时器减少到0，则开始发送数据
-
C的退避计时器最先减少到0，于是C把数据帧发送出去，此时B和D检测到信道忙，就冻结自己的计时器。同时E也执行了退避算法
-
当C发送完数据经过DIFS后，B和D的退避计时器继续计时，经过一段时间D得到发送权，B和E重新冻结计时器
根据以上，CSMA/CA算法归纳如下：
- 若站点最初有数据要发送，且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧
- 否则，站点执行CSMA/CA协议的退避算法，一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。信道空闲后重新计时
- 退避计时器减少到0时，站点发送数据帧并等待确认
- 如果收到确认，则认为目的站已经正确收到；如果没有收到确认帧ACK，就必须重传此帧或者经过若干次重传后放弃
- 当一个站要发送数据时，仅在下面的情况才不使用退避算法
- 检测到信道空闲，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧
- 除此之外，都必须使用退避算法，如
- 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态
- 每一次重传
- 每一次的成功发送后要再发送下一帧
对信道进行预约
为了更好解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11允许要发送数据的站对信道进行预约，具体做法如下：
- A向B发送数据帧之前，先监听信道，若空闲则在DIFS后，发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS，它包括源地址、目的地址、通信时间
- 若B正确收到A发来的RTS帧，且媒体空暇，则等待一段时间SIFS后，就向A发送一个允许发送CTS的控制帧，它也包括通信时间
- A收到CTS帧后，再等待SIFS后，就发送数据帧
- B收到数据帧，在等待SIFS后，向A发送确认帧ACK
使用RTS帧和CTS帧会使得整个网络的通信效率有所下降，但是控制帧比较短，与数据帧相比开销不大。如果不使用控制帧，则发生碰撞时开销会更大。802.11协议设有三种情况供用户选择
- 使用RTS和CTS
- 仅当数据帧长度超过某一数值才使用RTS和CTS
- 不使用RTS和CTS
下图给出了CSMA/CA协议的基本流程图
802.11局域网的MAC帧
802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧、管理帧
其中数据帧由以下三大部分组成：
- MAC首部：共30字节，帧的复杂性都在帧的MAC首部
- 帧主体：也就是帧的数据部分，不超过2312字节
- 帧检验序列FCS：是MAC尾部，共4字节
关于802.11数据帧的地址
在MAC首部中，共有4个地址字段。其中地址4用于自组网络，地址1-2-3的内容取决于帧控制字段中的去往AP和来自AP的数值。表中给出了最常用的两种情况
站点A向站点B发送数据帧，这个数据帧必须经过AP转发
- 当站点A把数据帧发送给AP1时，去往AP=1，来自AP=0
- 当AP1把数据帧转发给站点B时，去往AP=0，来自AP=1
当数据帧从路由器R到AP2的C站时，AP2将以太网帧转换成无线局域网帧，反之，当数据从AP2到路由器R时，AP2要先将数据帧从无线局域网帧转化成以太网帧
序号控制字段、持续期字段、帧控制字段
-
序号控制字段：占16位，其中序号子字段占12位，分片子字段占4位。重传的帧序号和分配子字段都不变。序号控制的作用是使接收方能够区分开是新传送的帧还是重传帧
-
持续期字段：占16位，CSMA/CA协议允许站点预约信道一段时间，并把这个时间写入持续期字段中，这个字段有多种用途，但是只有最高位为0时才表示持续期
-
帧控制字段：共分为11个子字段
- 协议版本字段现在是0
- 类型字段和子类型字段用来区分帧的功能
- 更多分片字段置1表示这个帧属于一个帧的多个分片之一
- 有线等效保密字段wep：占1位，若为1表示采用了wep加密算法
无线个人区域网WPAN
无线个人区域网WPAN（wireless personal area network）就是在个人工作地方把属于个人的电子设备用无线技术连接来的自组网络，不需要使用接入点AP，整个网络的范围为10m
WPAN的IEEE标准都由IEEE的802.15工作组制定，WPAN都工作在2.4GHz的ISM频段
蓝牙系统
最早使用的WPAN是1994年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是IEEE802.15.1，数据率为720kbit/s，通信范围10m左右，蓝牙使用TDM方式和调频扩频FHSS技术组成不用基站的皮可网（piconet）
每一个皮可网有一个主设备和最多7个从设备，通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网（scatternet）
图中展示了皮可网和扩散网的概念，其中M表示主设备，S表示从设备，P表示搁置的设备，一个皮可网最多有255个搁置的设备
低速WPAN
低速WPAN主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，速率为2~250kbit/s，低速WPAN的标准是IEEE802.15.4
在低速WPAN中最重要的就是zigbee，主要用于各种电子设备之间的无线通信，特点是通信距离短，传输数据率低，成本低廉，功耗非常低
ZigBee网络容量大，一个zigbee网络最多包括255个结点，其中一个是主设备，其余是从设备。如果通过网络协调器，则整个网络最多可以支持超过64000个结点
IEEE802.15.4只是定义了zigbee协议的最低两层，上面的两层是由zigbee联盟定义的
IEEE802.15.4的物理层表示了三个频段
在MAC层，主要沿用802.11无线局域网的CSMA/CA协议
在网络层，zigbee可采用星形和网状拓扑，或者两者结合，一个zigbee网络最多有255个结点
按结点的功能强弱可以划分为全功能设备FFD和精简功能设备RFD
RFD结点是zigbee网络中数量最多的段设备，电路简单，存储容量小，成本低。RFD结点只能与处在该星型网中心的FFD结点交换数据
在一个zigbee网络中有一个FFD充当该网络的协调器。负责维护整个zigbee网络的节点信息FFD结点具备控制器的功能，能够提供数据交换，是zigbee网络中的路由器
高速WPAN
高速WPAN的标准是IEEE802.15.3，是专为在便携式多媒体装置之间传送数据而制定的，支持11~55Mbit/s的数据率，在个人使用的数码设备日益增多的情况下特别方便
IEEE802.15.3A工作组还提出了更高数据率的物理层标准 超高速WPAN，这种网络使用超宽带UWB技术
UWB规定超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，因此信号的频带很宽，可以支持100~400Mbit/s的数据率，可用于小范围内高速传送图像或DVD质量的多媒体视频文件
无线城域网WMAN
无线城域网WMAN（wireless metropolitan area network）
早期出现的本地多点分配系统LMDS就是一种宽带无线城域网接入技术，许多国家把27.5~29.5GHz定为LMDS频段，然而由于缺乏统一的技术标准，LMDS一直未能普及起来
IEEE在2002年4月通过了802.16无线城域网标准，WMAN可以提供最后一英里的宽带无线接入，在许多情况下，无线城域网可以替代现有的有线宽带接入，因此有时它被称为无线本地环路
802.16可以覆盖一个城市的部分区域，通信的距离变化很大，因此接收到信号功率和信噪比也会有很大的差别，这就要求有多种调制方法，因此工作在毫米波段的802.16必须有不同的物理层
蜂窝移动通信网
蜂窝无线通信技术简介
移动通信的种类很多，但是目前使用最多的是蜂窝移动通信，它又称为小区制移动通信，特点是把整个网络服务区划分为去多小区（cell），每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动站的联络与控制
蜂窝移动网络发展十分迅速，目前已经有多种标准：
- 第一代蜂窝移动通信1G：是为话音通信设计的模拟FDM系统
- 第二代蜂窝移动通信2G：代表体制就是最流行的GSM系统，带宽只有200KHz，除了基本的话音通信，它只能提供低速数字通信（短信服务），为了能接入互联网的服务，2G蜂窝移动通信增加了GPRS和EDGE等技术
- 第三代蜂窝移动通信3G：使用的带宽增大到5MHz，并且使用IP的体系结构和混合的交换机制，能够提供移动宽带多媒体业务。3G现在有三个无线接口国际标准，即美国的CDMA2000，欧洲的WCDMA和中国移动提出的TD-SCDMA
- 第四代蜂窝移动通信4G：4G的目标峰值数据率是：固定和低速移动通信时应达到1Gbit/s，在高速移动时应达到100Mbit/s。4G现在有两个国际标准，LTE和LTE-A，LTE又分为时分双工和频分双工两种，而LTE-A是LTE的升级版
从图中可以看出，用一个个相互拼接的六角形小区就能组成很大的蜂窝状无线通信系统，每个基站的发射功率既能覆盖本小区，也不能太大以至于影响相邻小区
采用蜂窝形状结构小区的好处是可以最大限度进行频率复用，在相隔一定距离的不同小区可以采用相同频率而不会互相干扰
每一个基站都有一个基站收发信机，其作用就是在移动站和无线网络控制器RNC进行通信时，起到转接作用。无线网络控制器RNC控制一组基站，负责管理无线小区及其无线信道
如果移动站要进行电话通信，就必须和小区中的基站相关联，和基站建立双向的无线通信信道。基站通过RNC连接到移动交换中心MSC，MSC控制所有的RNC的话音业务，提供电路交换功能
如果移动站要接入互联网，RNC就把移动站发过来的IP数据报转发到GPRS核心网络，GPRS核心网络包括SGSN，即GPRS服务支持结点，和GGSN，即网关支持结点
SGSN主要完成IP数据报的转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴别和加密、话单产生和输出等功能，SGSN还要和移动交换中心MSC进行通信，以便完成用户的鉴别、通信和切换等功能
GGSN具有网络接入控制功能，选择哪些分组进入GPRS网络，以保证GPRS网络的安全
移动IP
移动IP（mobile IP）又称为移动IP协议，是由IETF开发的一种技术，这种技术允许计算机移动到外地时，仍然保留其原来的IP地址
移动IP要解决的问题，就是要使用户的移动性对上层的网络应用是透明的，或者说，如果一个移动站在漫游时仍保持其IP地址不变，就要想办法使已经建立的TCP连接与移动用户的漫游无关，此外还要想办法让互联网中其它主机找到这个移动站
移动IP使用了如图所给出的基本概念
- 一个移动站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会改变的
- 为了让地址的改变对互联网的其它部分是透明的，移动IP使用了代理。归属代理通常就是连接在归属网络上的路由器
- 当移动站A移动到另一个地点，他所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。外地代理的一个任务就是要为移动站A创建一个临时地址，叫做转交地址。转交地址的网络号显然必须和被访网络一致。外地代理的另一个功能就是及时把移动站A转交地址通知A的归属代理
假定在图中，有一个通信者B要和移动站A进行通信，B并不知道A在什么地方，但B可以使用A的永久地址作为IP数据报的目的地址，四个步骤如下
- B发送给A的数据报被A的归属代理截获了
- 由于归属代理已经知道了A的转交地址，因此归属代理将B发来的数据进行封装，新的数据报交给转接地址，发送到被访网络的外地代理
- 被访网络中的外地代理把收到的数据进行拆封，取出B发送的原始数据，然后转发给移动站A
- 如果现在A要向B发送数据报，那么A仍然使用自己的永久地址作为源地址，用B的IP地址作为目的地址，这个数据报没有必要通过A的归属代理进行转发
从以上可以看出，为了支持移动性，在网络层应该增加一些新功能
- 移动站到外地代理的协议：当移动站接入到被访网络时，必须向外地代理进行登记，以获得一个临时的转交地址，同时移动站离开时也必须注销登记
- 外地代理到归属代理的登记协议：外地代理要向移动站的归属代理登记移动站的转交地址
- 归属代理数据报封装协议：归属代理收到发送给移动站的数据报后，将其再封装为一个新的数据报，其目的地址为移动站的转交地址
- 外地代理拆封协议：外地代理收到了归属代理封装好的数据报后，取出原始数据并交给移动站
现在讨论移动站A再次从被访网络N1移动到被访网络N2的情况
当A移动到N2时，就向N2的外地代理登记，N2的外地代理把转交地址告诉A的归属代理，此后归属代理就会将数据转发到N2的外地代理
图9-18所示的路由选择，可能会引起数据报转发的低效，称为三角形路由选择问题
解决这个问题的一种方法是使用直接路由选择，但是会增加复杂性。这种方法让通信者B创建一个通信者代理，让这个通信者代理向归属代理询问移动站的转交地址，然后再由通信者代理把数据报用隧道技术转发给外地代理，使用这种方法必须解决以下问题：
- 增加一个协议，即移动用户定位协议，用来使通信者代理向移动站的归属代理查询移动站的转交地址
- 当移动站再移动到其他网络时，如何得到移动站的位置信息
其中第二个问题，可以由以下步骤解决
- B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
- 通信者代理把B发送给A的数据报封装后，发送到A的锚外地代理
- 锚外地代理把拆封后的数据报发送给A
- A移动到另一个被访网络N2
- A向被访网络N2的外地代理登记
- 新外地代理把A的新转交地址告诉锚外地代理
- 当锚外地代理收到发给A的数据报时，就用A的新转交地址对数据报再次封装转发
蜂窝移动通信中对移动用户的路由选择
假如一个固定电话用户呼叫一个移动电话用户，图中给出了整个呼叫过程涉及的一些重要网络构件
其中MSC是移动交换中心，是蜂窝移动通信网中的核心构建，其实MSC还要维护两个非常重要的数据库，即归属位置寄存器HLR和来访用户位置寄存器VLR
HLR存放签约用户的所有数据信息，VLR则临时存放着当前漫游到这个MSC控制区的用户位置信息。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，会自动发送信令向该地区的VLR进行登记，VKR要向该移动用户归属网络HLR查询相关的参数，并且给该移动用户分配一个临时的移动站漫游号码MSRN。这个MSRN就是移动用户现在的位置信息
漫游号码对主叫和被叫都是透明的，VLR必须把这个漫游号码及时告诉移动用户归属网络的HLR。如果移动用户从一个VLR移动到另一个VLR，归属网络的HLR还要在修改该用户的位置信息后，通知原来的VLR，注销旧的位置信息
下面是呼叫过程的三个重要步骤
- 找到移动用户的归属网络：通信者拨出某个移动用户的号码后，公用电话网的交换机就能把呼叫传送到被叫的归属网络交换中心，简称归属MSC
- 归属MSC向其HLR查询现在被叫移动用户的位置：HLR向归属MSC返回被叫移动用户的漫游号MSRN
- 归属MSC按照MSRN进行呼叫，把通信者发起的呼叫传送到被访网络MSC，再传送到漫游的基站
GSM中的切换
所谓切换，就是由于移动用户位置变化，相关联的基站也发生变化
切换使得呼叫的传输路由发生变化，切换发生的原因是：
- 当前基站和移动用户的信号减弱，有使呼叫中断的可能
- 一个蜂窝小区内的呼叫太多，基站不堪重负。这时可以把移动用户切换到相邻的不太拥塞的小区，以减少原基站的负荷
移动站的切换一般只是基站改变，仍然处于同一个MSC的控制下。如果连MSC都改变了，这种情况下，向移动站的呼叫路由会有很大变化
GSM使用了锚MSC的概念。锚MSC是在呼叫移动用户首次访问过的MSC，它在整个呼叫过程中保持不变
在通信者和被叫移动用户之间，最多出现三个MSC，即归属MSC、锚MSC、被访网络MSC
无线网络对高层协议的影响
移动站在漫游时，网络的连接会发生很短时间的中断，这种情况对高层协议是否有影响？
经过研究，有三种方法来处理这个问题
- 本地恢复：差错出在什么地方，就在什么地方改正，例如在无线局域网中使用的自动请求重传ARQ协议
- 让TCP发送方知道什么地方使用了无线链路：只有当TCP能够确知，是有线网络部分发生拥塞时，才采用拥塞控制策略
- 把含有移动用户的端到端TCP连接拆成两个互相串接的TCP连接。从移动用户到无线接入点是一个TCP连接，而剩下的使用有线网段连接的部分是另一个TCP连接