第六章 无线网络和移动网络

无线链路特征

• 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。
• 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。
• 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。
  隐藏终端问题
  隐藏终端问题(hiddenterminalproblem)，即使A和C的传输确实是在目的地B发生干扰，环境的物理阻挡( 例如，一座大山或者一座建筑)也可能会妨碍A和C互相听到对方的传输。第二种导致在接收方无法检测的碰撞情况是，当通过无线媒体传播时信号强度的衰减(fading)。A和C所处的位置使得它们的信号强度不足以使它们相互检测到对方的传输，然而它们的传输足以强到在站点B处相互干扰。
  CDMA
  
  CDMA.png
  
  在CDMA协议中，要发送的每个比特都通过乘以一个信号(编码)的比特来进行编码，这个信号的变化速率(通常称为码片速率，chipping rate) 比初始数据比特序列的变化速率快得多。假设初始数据比特到达CDMA编码器的速率定义了时间单元;也就是说，每个要发送的初始数据比特需要1比特时隙时间。设d为第i个比特时隙中的数据比特值。为了数学上便利，我们把具有0值的数据比特表示为-1。每个比特时隙又进一步细分为 M个微时隙;M=8，发送方使用的CDMA编码由M个值的一个序列C_m组成，m=1, .. M,每个取值为+1或者-1。被发送方使用的M比特的CDMA码是(1, 1，1, -1，1，-1，-1，-1)。
  802.11体系结构
  每个802.11无线站点都具有一个6字节的MAC地址。
  当网络管理员安装-一个AP时，管理员为该接人点分配一个单字或双字的服务集标识符( Service Set Identifier, SSID)。 管理员还必须为该AP分配一个信道号。
  802.11标准要求每个AP周期性地发送信标帧(beaconframe)，每个信标帧包括该AP的SSID和MAC地址。你的无线站点为了得知正在发送信标帧的AP，扫描11个信道，找出来自可能位于该区域的AP所发出的信标帧(其中一些AP可能在相同的信道中传输,即这里有一个丛林!)。通过信标帧了解到可用AP后，你(或者你的无线主机)选择一个AP进行关联。
  扫描信道和监听信标帧的过程被称为被动扫描( passive scanning) 。无线主机也能够执行主动扫描( active scanning),这是通过向位于无线主机范围内的所有AP广播探测帧完成的。
  
  主动扫描和被动扫描.png

CSMA/CA

802.11MAC地址没有碰撞检测
原因：

• 检测碰撞的能力要求站点具有同时发送(站点自己的信号)和接收(检测其他站点是否也在发送)的能力。因为在802.11适配器上，接收信号的强度通常远远小于发送信号的强度，制造具有检测碰撞能力的硬件代价较大。

• 即使适配器可以同时发送和监听信号( 并且假设它一旦侦听到信道忙就放弃发送)，适配器也会由于隐藏终端问题和衰减问题而无法检测到所有的碰撞。

  
  
  CSMA/CA.png
  
  

  1)如果某站点最初监听到信道空闲，它将在一个被称作分布式帧间间隔时间内发送一个帧。
  2)否则，该站点选取一个随机回退值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，发送站点将重新进人第二步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。

处理隐藏终端：RTS和CTS

CTS.png

为了避免这一问题，IEEE 802.11协议允许站点使用一个短请求发送( Request to Send, RTS) 控制帧和一个短允许发送( Clear to Send, CTS) 控制帧来预约对信道的访问。当发送方要发送一个DATA帧时，它能够首先向AP发送一个RTS帧,指示传输DATA帧和确认( ACK)帧需要的总时间。当AP收到RTS帧后，它广播一个CTS帧作为响应。该CTS帧有两个目的:给发送方明确的发送许可，也指示其
他站点在预约期内不要发送。

802.11帧结构

802.11帧.png

• 有效载荷和CRC。帧的核心是有效载荷，它通常是由一个IP数据报或者ARP分组组成。尽管这一字段允许的最大长度为2312字节，但它通常小于1500字节，放置一个IP数据报或一个ARP分组。如同以太网帧一样，802. 11帧包括一个循环冗余校验( CRC)，从而接收方可以检测所收到帧中的比特错误。
• 地址字段。
  地址2是传输该帧的站点的MAC地址。
  地址1是要接收该帧的无线站点的MAC地址。
  地址3在BSS和有线局域网互联中起着关键作用
• 序号。使用序号可以使接收方区分新传输的帧和以前帧的重传。
• 持续期。前面讲过802.11协议允许传输节点预约信道一段时间，包括传输其数据帧的时间和传输确认的时间。这个持续期值被包括在该帧的持续期字段中(在数据帧和RTS及CTS帧中均存在)。

移动管理

• 在一个网络环境中，一个移动节点(如一台便携机或智能手机)的永久居所被称为归属网络( home network)
• 在归属网络中代表移动节点执行下面讨论的移动管理功能的实体叫归属代理( home agent)。
• 移动节点当前所在网络叫作外部网络( foreign network)或被访网络(visitednetwork)。
• 在外部网络中帮助移动节点做移动管理功能的实体称为外部代理(foreign agent)。
• 一个通信者( correspondent)就是希望与该移动节点通信的实体。
  我们现在更详细地思考外部代理。外部代理的作用之一就是为移动节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。因此一个移动节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) 。

移动结点的间接路由选择

间接路由选址.png

在间接路由选择( indirect rou-ting)方法中，通信者只是将数据报寻址到移动节点的固定地址，并将数据报发送到网络中去，完全不知道移动节点是在归属网络中还是正在访问某个外部网络，因此移动性对于通信者来说是完全透明的。这些数据报就像平常一样 首先导向移动节点的归属网络。
我们现在将注意力转向归属代理。除了负责与外部代理交互以跟踪移动节点的COA外，归属代理还有另一项很重要的功能。它的第二项工作就是监视到达的数据报，这些数据报寻址的节点的归属网络与该归属代理所在网络相同，但这些节点当前却在某个外部网络中。归属代理截获这些数据报，转发它们。通过使用移动节点的COA,该数据报先转发给外部代理(图中的步骤2)，然后再从外部代理转发给移动节点(图中的步骤3)。
在图中阐述了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( triangle routing problem)。该问题是指即使在通信者与移动节点之间存在一条更有效的路由，发往移动节点的数据报也要先发给归属代理，然后再发送到外部网络。

移动结点的直接路由选择

直接路由选择.png

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。在直接路由选择方法中，通信者所在网络中的一一个通信者代理( corresponden tagent)先知道该移动节点的COA。这可以通过让通信者代理向归属代理询问得知，这里假设与间接路由选择情况类似，移动节点具有一个在归属代理注册过的最新的COA。与移动节点可以执行外部代理的功能相类似，通信者本身也可能执行通信者代理的功能。在图中显示为步骤1和步骤2。通信者代理然后将数据报直接通过隧道技术发往移动节点的COA，参见图7-26的步骤3和步骤4。