第七章 无线与移动网络

无线网络

无线网络基本结构

• 无线主机；运行端系统设备
• 无线链路；通过无线通信链路连接到一个基站或者另一条无线主机
• 基站；无线网络基础设施的一个关键部分，负责向与之关联的无线主机发送数据和接收主机发送的数据
• 网络基础设施；大规模有限网络

注：Ad Hoc网络（自组织网络）/特定网络：无线主机不通过基站，直接与另一个无线主机直接通信的无线网络模式

无线链路与无线网络特性

• 无线链路有别与有限链路的主要表现：
  • 信号强度的衰减；
  • 干扰
  • 多径传播

移动网络

• 无线网络不一定是移动网络，移动网络一定是无线网络

寻址

• 寻址的两种解决方案：
  • 外部网络可以通过向所有其他网络发通告，告诉它们移动结点正在它的网络中
  • 将移动性功能从网络核心搬到网络边缘，由该移动结点的归属网络来实现

移动结点的路由选择

• 移动结点的间接路由选择——通信者只是将数据报寻址到移动结点的永久地址，并将数据报发送到网络中
• 移动结点的直接路由选择——通信者所有网络中的一个通信者代理先获取该移动结点的COA

注：使用于因特网路由，是分配给移动设备的临时IP地址

无线局域网IEEE 802.11

• IEEE802.11标准的共同特征如下：
  • 都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA
  • 链路层帧使用相同的帧格式
  • 都具有降低传输速率以传输更远距离的能力
  • 都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式

IEEE802.11体系结构

• IEEE802.11体系结构的基本构件：
  • 基站，又称为接入点（AP）
  • 基本服务集（BSS）；一个BSS包含一个或者多个无线站点和一个接入点的中央基站
• 无线主机发现AP过程：
  • 被动扫描
    • AP发送信标帧
    • 无线主机向选择的AP发送关联请求帧
    • 选择的AP向无线主机发送关联响应帧
  • 主动扫描
    • 无线主机广播探测请求帧
    • AP发送探测响应帧
    • 无线主机向选择的AP发送关联请求帧
    • 选择的AP向无线主机发送关联响应帧

IEEE802.11的MAC协议

• IEEE802.11的MAC采用CSMA/CA协议
• CSMA/CA协议原理：源站在发送数据之前，必须先监听信道，若信道空闲，则等待一个分布式帧间间隔的短时间后，发送一个很短的请求发送（RTS）控制帧，若是目的站正确接收且空闲，则等待一个短帧间隔（SIFS）后，发送一个CTS响应，源站收到CTS后再等待SIFS后就可以发送数据帧了，目的站正确收到后，在等待SISF后，就向源站发送确认帧

IEEE802.11帧

• IEEE802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧

• IEEE802.11又四个地址字段，如下图所示：

• 序号：使接收方区分新传输的帧和以前帧的重传
• 持续期：MAC协议允许传输结点预约信道一段时间
• 帧控制字段：较为重要的包括类型和子类型字段，用于区分关联帧、RTS帧、CTS帧、ACK帧和数据帧

蜂窝网络

蜂窝网络体系结构

• 第一代蜂窝移动通信（1G）是为语音通话涉及的模拟FDMA系统
• 第二代蜂窝移动通信（2G）的GSM标准的空中接口使用了FDMA/TDMA组合技术
• 移动交换中心（MSC）：在用户鉴别和账户管理以及呼叫建立和切换中起着决定性作用

蜂窝网络中的移动性管理

• 呼叫过程中的关键步骤：
  • 通信者拨打移动用户的电话号码
  • 归属MSC收到该呼叫，查询HLR来确定移动用户的位置。在嘴贱的情况下，HLR返回移动站点漫游号码（MSRN）
  • 漫游号码确认后，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

移动通信2G/3G/4G/5G网络

• 2G——GSM：全球移动通信系统，是由欧洲电信标准组织ETSI制定的一个数字移动通信标准
• 3G——最关键技术是无线传输技术，CDMA占主导
• 4G/LTE——LTE支持频分双工（FDD）、时分双工（TDD）、半双工（FDD,H-FDD)
• 5G——超高速率、超高容量、超可靠性、随时随地可接入性

移动IP网络

• 移动IP标准3部分：代理发现、向归属代理注册、数据报的间接路由选择

代理发现

• 代理发现——档某移动IP站点到达一个新网络时，它都必须知道响应的外部代理或归属代理的身份
• 代理发现实现方法：
  • 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
  • 代理请求：广播代理请求报文，该报文只是一个类型值为10的ICMP报文

向归属代理注册

• 当收到一个外部代理通告后，移动结点立即向外部代理发送一个移动IP注册报文
• 外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址
• 归属代理接收注册请求并检查真实性和正确性
• 外部代理接收注册应答，然后将其转发给移动结点

其他典型无线网络介绍

WiMax

• 全球微博互联接入(WiMax),又称为IEEE802.16标准，目的是在更大范围内为用户提供可以媲美有限网络的无线通信解决方案。是一种城域网MAN技术

蓝牙

• IEEE802.15.1以小范围、低功率和低成本运行，用于无须许可的2.4GHz无线电波段

ZigBee

• IEEE802.15.4提供低功率、低数据速率、低工作周期为目标，适用于使用简单、低功率、低工作周期、低成本的智能传感器设备