无线网络技术

网络基础知识

计算机网络的发展

电分AI光泛

出现之前：电话网络

诞生阶段：分时系统

形成阶段：ARPANET，接口信息处理器(Interface Message Processor,IMP)的出现代表着ARPANET被视为现代计算机网络诞生的标志

互联互通阶段：Internet,TCP/IP的标准化标志着Internet的正式诞生

高速网络阶段：光纤网络等

无线网络和物联网阶段：泛在网络（Ubiquitous/Pervasive）

无线网络分类

• 无线个域网：蓝牙，zigbee，无线超宽带
• 无线局域网（802.11）：wifi（需要基础设施的）
• 无线城域网（802.16）：wimax
• 无线广域网：蜂窝网络（需要基础设施），卫星网络

蜂窝网络结构分类

几种结构在同一网络可以并存，大宏微微

大蜂窝：以卫星为基站，单个基站覆盖距离可为上千米；

宏蜂窝：基站放置在高大建筑上，单个基站覆盖距离为1-10km；

微蜂窝：基站放置在几米到几十米高度上，覆盖范围为几百米至1km

微微蜂窝：基站往往布置在室内，用于改善室内移动信号覆盖较弱的问题

名词解释

• ITU：国际电信联盟，International Telecommunication Union
• ISO：国际标准化组织，International Organization for Standardization
• IEC：国际电工委员会,International Electrical Commission
• IEEE：电气和电子工程师协会，Institute of Electrical and Electronics Engineers
• IAB：Internet体系结构委员会，Internet Architecture Board
• MIMO：多输入多输出系统，Multi-input Multi-output

通信基础知识

传输媒体

发送器和接收器之间的物理路径

• 导向型：电磁波被引导沿某一固定媒体前进。信号传输质量受制于传输媒体

• 非导向型：提供传播电磁波信号的介质，但不引导电磁波传播的方向。信号传输质量受制于信号带宽

  高频信号损耗正比于距离，反比于波长

天线

作用

将电磁波辐射到空间中或收集电磁波

分类

用工方外，通电雷短超微，定全线面

• 用途：通信天线，电视天线，雷达天线
• 工作频段：短波天线，超短波天线，微波天线
• 方向性：全向天线，定向天线
• 外形：线状天线，面状天线

半波偶极天线计算

长度是波长的一半

$c=\lambda \ast f$

电磁波传播速度$c=3e8m/s$

$\lambda =\frac{cm/s}{fHz}=m$

半波天线长度$ = \frac{λ}{2}$

天线参数

方效增辐高

• 方向性系数
• 天线效率
• 增益系数
  1. 与有效面积成正比，与波长成反比
  2. 天线不能放大输入功率（更改天线不能改变设备的发射功率），增加某个方向功率则会降低某个方向功率，只是为了获得定向性
• 辐射电阻
• 天线有效高度

信号传播方式

1. 地波（ground wave）
2. 天波（sky wave）
3. 直线波（line of sight）：信号频率$\ge 30MHz$时，必须直线波

信号成功接收的3个条件

1. 信号强度足够大
2. 信噪比(SINR Signal to Interference Noise Ratio)足够大
3. 信号不失真

多普勒效应

波源移向观察者时频率变高，远离观察者时频率变低

多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波

补偿衰退导致的差错失真3种手段

1. 前向纠错
   1. 差错检测码：奇偶校验；循环冗余校验
   2. 差错纠错码(前向纠错码)：海明码
2. 自适应均衡
3. 分集技术：MIMO是分集技术的应用实例

奈氏定理和香农定理

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海明码的计算

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扩频

扩频(扩展频谱通信)：将携带信息的信号扩展到较宽的带宽中，以加大干扰和窃听的难度

两种扩频方式：

1. 跳频（frequency-hopping spread spectrum，fhss）

2. 直接序列扩频（Direct-sequence spread spectrum，dsss）

   码分多址（CDMA）是基于DSSS的具有扩频功能的多路技术

编码技术

p67的表很重要

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VOIP：IP语音输入

数字数据变模拟信号的3种基本方式

1. 幅移键控(ASK)
2. 频移键控(FSK)
3. 相移键控(PSK)

模拟数据转换为数字信号的方式

PCM:脉码调制

PAM:脉幅调制

采样定理

采样频率$\ge$信号最高频率的2倍时，数字信号可完整保留原始信号

1. 采样
2. 量化
3. 编码

模拟数据到模拟信号

1. 调频
2. 调幅
3. 调相

复用和多址

• 复用：多个信号使用同一信道互不干扰的同时传输
• 多址：多点间进行多边通信

分类：

• 频分复用（多址）
• 时分
• 码分
• 空间

多址必复用，复用不一定多址

多个人势必涉及到多个信号在同一信道传输，即多址必复用

但是一个人也可以在同一信道上发送多个信号，此时无需多址区分不同用户，但是涉及到信道复用

• 复用是对资源来说的，复用分时分、频分、码分等，复用是把资源分割供用户使用的方式
• 多址的对象是用户，是区分用户和用户的方式，每个用户使用不同的‘址’来区分

无线局域网

p8，WLAN问题

1. 流氓AP：未经授权或许可随意接入有线骨干网络的AP
2. 隐蔽终端：节点间处于彼此通信半径外，无法监听对方消息发送，同时发送消息，在接收端产生冲突，造成信号冲突
3. 暴露终端：节点间处于彼此通信半径内，可以监听对方消息发送，使得原本可以进行的数据传输被取消，造成信道资源浪费

p18， 增益和mw的转化方式

dBm:增益，是功率单位

dBi/dBd:是功率增益单位。dBi参考全向天线；dBd参考偶极天线

$dBm=10lo{g}_{10}(mw)$

$1mw=0dBm,10lo{g}_{10}(1)=0$

$1000mw=30dBm,10lo{g}_{10}(1000)=30$

p19，ISM

Industrial Scientific Medical Band）

工业的(Industrial)、科学的(Scientific)和医学的(Medical)频段

P20、26,MIMO,SIMO

• MIMO：Multiple In Multiple Out

  1. 采用空间复用技术，增加天线数量，在不增加系统带宽和发送功率情况下，提高传输速率，减少信号覆盖盲点。使用MIMO不能改变信号覆盖范围，与能够“穿墙”无关
  2. 多入多出要求有多根天线，同频天线不能超过4根

• SISO：Single In Single Out

• MU-MIMO：多用户-多输入多输出

  老标准中，AP一次只能和一个客户端通信，MU-MIMO可以一次和多个客户端通讯

• MU-SISO：多用户-多输入多输出

无线局域网传输媒介

• 红外线
• 无线电波（应用最多的）

p29，无线局域网组成，有4部分组成

站无基分

1. 站(Station，STA)

   主机(Host)或终端（Terminal）

2. 无线介质(Wireless Media，WM)

3. 基站(Base Station，BS)或接入点(Access Point，AP)

4. 分布式系统(Distribution System，DS)

p31，无线局域网逻辑结构

• 基本服务集BSS(Basic Service Set)

  无线局域网的最小构件

  组成：1个基站+若干无线终端 / 只有若干无线终端

  BSS覆盖区域成为基本服务区域(Basic Service Area，BSA)

  同一个BSS中，站点间无法直接通信，需要借助AP中转实现站点间通信

• 扩展服务集ESS（Extended Service Set）

  多个BSS通过有线、无线的方式组成多区网（更大的服务集）

  所有AP必须共享同一个扩展服务区标识符（ESSID）

p33，无线局域网对等式拓扑3个特点

独立基本服务集（Independent Basic Service Set，IBSS）应该算是BSS的子集吧，站点间可以相互通信，无需第3方转发

1. 无AP存在
2. 站与站直接连接
3. 无法接入分布式系统DS

37，无线局域网的2种服务，，主要运行在哪里，主要用途（认证。。。那些）[可能简答题]

两种服务均由MAC层使用

• STA服务（站服务）

  运行在：站，AP

  用途：认证/解除认证/保密/数据传输(认解保输)

• DSS（Distributed System Service）分布式系统服务

  运行在：AP

  用途：联接/重新联接/解除联接/分布(AP间无线互联)/集成（AP与有线局域网(LAN)互联）(3联接分集)

p39，表格中哪几个信道可以。。。，没有重叠

p40，AP隔离的作用

AP隔离开启后同一无线网络内的电脑间不能互相访问

AP相关配置信息

1. SSID：(Service Set Identity)无线网络名称，无线网络的唯一标识
2. 信道：AP工作的频率，如2.4GHz，5GHz
3. 工作模式：AP运行支持的802.11版本
4. 频段带宽：即信道带宽，802.11支持22MHz和40MHz，信道带宽增大可提高传输速率
5. WDS功能：Wireless Distribution System，分布式系统，实现两台AP无线连接

P45，胖AP和瘦AP

• 胖AP
  1. 所有配置操作均在AP上完成
  2. 单个AP可独立工作，故胖AP模式被称为自治模式
  3. 消费级AP采用的是胖AP模式(消费级就是家里用的)
• 瘦AP
  1. AP上零配置，配置均在无线控制器AC上完成
  2. AP只有射频和通信功能，无法独立工作
  3. 企业级AP采用瘦AP模式

p54，3种认证模式，wep，wpa2，wpa2

• wep(Wired Equivalent Privacy)，有线等效加密技术

  802.11b中最基本的加密技术，多用于小型的、对安全性要求不高的场合

• wpa（Wi-Fi Protected Access），Wi-Fi保护接入

p61，wep缺陷，采用了RC4

4加密，1校验，1认证

1. 对称加密RC4算法存在漏洞
2. 24位IV(Initial Vector)以明文形式传输
3. 密钥长度为64，128，256位，长度较短
4. 设置的4个密钥无法自动轮换，只有1个生效
5. 完整性校验码采用CRC生成，没有采用密码学方法，易遭受到arp重放攻击
6. 认证类型分为开放系统认证和共享密钥认证，开放系统认证存在风险

p63，wpa算法，psk和ask模式的区别，psk不同用户用同一密码，ask有各自的账号和密码；psk模式中的ptk是由客户端和站进行协调，ask模式是由认证服务器，客户端和ap共同形成；

• 预共享密钥（Pre-shared Key，PSK）模式

  认证过程参与方：站STA 和 接入点AP

  特点：不同用户同一个密码，家里那种形式

  认证过程中涉及到的几个关键值：

  1. PSK(PMK)：网络连接密码+ssid->每次生成的psk是相同的
  2. PTK：由psk和一大堆数据计算得到，用于STA和AP间通信数据的加密和完整性校验
  3. MIC：消息完整性验证（Message Integrity Check），由ptk和一个数据计算得到
  4. GTK：AP生成的临时密钥，用于AP向已认证客户端加密组播或广播

• 认证服务器（Authentication Server，AS）模式

  认证过程参与方：站STA，接入点AP 和 Radius认证服务器AS

  特点：不同用户有各自的账号和密码，校园网这种认证类型

  涉及到的几个关键值：

  AS模式与PSK相比，只是修改了最初PSK(PMK)的生成数据，其余数据计算方法相同

  1. MK：主密钥，取代了网络连接密码，用于生成PSK(PMK)。STA通过用户名和密码向AS表明身份，认证通过后由AS生成MK。MK是动态生成，因此不同STA每次连接的MK均不同，即PSK不同

wpa对于wep的改进是什么，密钥长度提高，使用了临时密钥，完成性校验不再使用CRC而是采用密码学方法(MIC)

密支使完避

1. 密钥长度增加
2. 支持认证服务器模式
3. 使用了动态加密密钥和临时密钥
4. 完整性校验不再使用CRC，采用密码学方法生成的MIC
5. 避免了碰撞攻击，降低了重放攻击的可能性

wpa和wpa2区别

1. 加密算法：wpa采用RC4，TKIP模式；wpa2采用AES，CCMP模式
2. 密钥生成：wpa的PTK为512bits，wpa2取消了数据完整性验证密钥，为384bits
3. 完整性校验方法：wpa采用MIC+ICV，wpa2仅采用MIC

TKIP(Temporary Key Integrity Protocol，临时密钥完整性)

CCMP（Counter mode-CBC MAC Protocol）

MIC（Message Integrity Check）

ICV（Integrity Check Value）

P77， QSS，是一种配置方式，不是协议

QSS：Quick Secure Setup

是一种安全无线连接的配置方式

并不涉及复杂的密钥生成、协商过程

通过PIN码来验证设备合法性，若合法则建立WPA2-PSK级别的安全连接

p79， PIN码

8位数字，7位 + 前7位检验和（1位）

前7位划分为前4位和后3位

破解仅需要尝试$10^4+10^3=11000$

QSS的安全等级和WPA2一致【对】

QSS需要软件支持【对】

p90，802.11媒体访问子层的3大任务(可靠数据传输，接入控制一般采用RTS,CTS,DCF进行结合另外2种也要了解，安全通过安全协议wep，wpa，wpa2)

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MAC层功能：

1. 可靠的数据传输
2. 访问控制
3. 安全

可靠的数据传输

1. 要求：顺序不变/内容正确/成功接收(顺内成，顺你一程)
2. 机制：接收确认（ACK）与重传/帧编号/校验码

接入控制

1. 常用：

   • RTS（请求发送）控制帧/ CTS（准许发送）

     站A在发送数据帧之前发送控制帧，请求发送RTS

     目的站空闲则发送响应控制帧CTS

     A收到CTS后开始发送

     RTS/CTS可以解决隐蔽终端，无法解决暴露终端

   • DCF（分布式协调）

     将CSMA/CA技术和确认（ACK）技术相结合。采用二进制指数回退策略来避免冲撞

     • 有线局域网802.3：CSMA/CD（载波侦听多路访问，冲突检测，边发送边检测）
     • 无线局域网802.11：CSMA/CA（载波侦听多路访问，冲突避免，利用RTS和CTS）

2. 不常用：

   PCF（点协调）：要求网络中存在一个中心节点AP，由中心节点决定哪个终端可以进行数据发送，AP轮询终端是否有数据发送需求

   PCF机制中的P就是指无线路由器【错】，AP！=Router，接入点和路由器是两个概念

   HCF（混合协调）：主要应用在需要QoS机制的场合

二进制退避机制，简单题要搞清楚

1. 确定基本退避时间t，以太网是51.2μs
2. 定义重传次数k，k=min（重传次数，10）
3. 从$[0,2^k-1]$中选取随机数r，退避时间=rt
4. k到达16时，丢弃该帧，传输失败

监听模式和混杂模式区别

监听模式下能够接收局域网内目的地址不是本机的数据包【错】

混杂模式下能够不连接任何无线网络即可获取无线数据包【错】

区别在于底层，上层是一样的，因为可能802.11就只是对物理层和链路层进行了新得规定，其余层和OSI是一样得

无线城域网和广域网

802.16中的qos机制，它的网络结构（用户站，基站，骨干网）

• 802.16网络组成

  用户设备，用户站，基站，核心网

• 802.16拓扑结构

  集中式网络拓扑（点到多点）（PMP），网格（Mesh）结构

• 802.16的qos

  Quality of Service：质量服务，用于解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术

  模式：主动授予服务（带宽固定，VoIP）、实时查询服务（带宽可变，视频流)、非实时查询服务（带宽可变但有最低速率要求，FTP)、尽力而为（无质量保证，网络浏览，电子邮件）

wifi和wimax区别了解

• 功率区别：wifi（1~100mW），WiMax（100kW）
• 覆盖范围：wifi（几十到几千米），WiMax（Los：6~10km，频率66GHz；NLos：50km，频率2 ~11GHz）
• 信道带宽：wifi（20/40MHz），WiMax（1.5MHz~20MHz）

IP网络和移动通信网是不同的概念

书p224，图10-10，蜂窝网用户通话过程

监听请求寻呼通话切换

1. 首先，用户设备会监听周边基站的信号强度，并从中选择信号强度最强的基站接入
2. 其次，用户设备通过基站发出连接请求，请求将会发送到移动电话交换局(Mobile Telecommunication Switching Office)MTSO
3. 随后，MTSO会向辖区内基站发出寻呼请求，被呼叫用户将通过所在基站进行应答
4. 然后，双方借助各自所在基站，以MTSO作为连接中介，建立连接并进行通话
5. 若用户移动进入另外基站，移出基站将向移入基站转移用户通信

个域网

蓝牙配对的4种模式

1. 数字对比Numeric Comparison：配对设备都支持输出
2. 密码接入Passkey Entry：配对设备一个支持输入，一个支持输出
3. 仅工作Just Works：配对设备，其中一个既不支持输出，也不支持输入
4. 带外Out of Band：配对设备通过其它通道来传递密钥

蓝牙网络结构，跳频，超宽带，ns级脉冲

• 网络结构：散布式网络和微微网

  微微网：

  （基本联网单元）（皮克网，1主7从）

  从设备仅可与主设备通信

  仅能在主设备授权时间片内通信

• 总宽带79MHz，分为79个1MHz的信道跳频

• 跳频序列由主设备决定

zigbee的网络节点，拓扑结构，路由协议（按需路由）

zigbee是一种不依赖于基础设施的无线网络

• 网络节点

  • 中心节点（网络协调器）
  • 路由或中继（全功能设备）
  • 终端节点（精简功能设备）

• 拓扑结构

  • 网状拓扑（Mesh）
  • 星形拓扑
  • 树形拓扑

• 路由协议

  网络层定义的2种路由协议：树形路由，ZigBee距离矢量路由协议

  响应式路由，按需路由

  混合式路由：区域外按需，区域内采用表驱动方式

无线USB采用的是超宽带无线技术UWB

甚小孔径