无线网络与移动IP技术

无线网络

组成构建	备注
无线主机（wireless host）	主要指设备，例如手机、电脑
无线链路（wireless link）	连接主机与主机 、主机与基站
基站（base station）	类似于“服务器”，接收主机传来的数据，向主机发送数据，负责协调与之关联的多个无线主机的传输
网络基础设施（network infrastructure）	无线主机希望与之进行通信的更大网络

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蓝牙

1. 解决短距离通信问题

2. 低功耗

3. 通信选用的频段在世界范围内不需要申请许可证

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IEEE 802.11 服务集和关联

• IEEE 802.11 标准规定无线局域网的最小构建是基本服务集（basic service set，BSS）

BSS包括一个基站和若干个移动站点，所有站点在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站点通信时，都要通过本BSS的基站。

• 基本服务器内的基站叫做接入点（access point，AP），其作用和网桥相似，当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32B的服务集标识符（services set identifier，SSID）和一个信道。一个BSS所覆盖的地理范围叫作基本服务区（basic service area，BSA）。

• 如图，一个基本服务集可以通过接入点AP连接到一个主干分配系统（distribution system，DS），然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展服务集（extended services set，ESS），一个ESS中不同的BSS可以相交，移动站点A如果要与另一个BSS中的移动站点B使用有线网络传输通信，就必须经过两个接入点AP_1和AP_2，即A→AP_1→AP_2→B。

• 如果一个移动站点要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与次接入点建立关联（association）。此后，这个移动站点就和选定的AP使用IEEE 802.11关联协议进行对话。移动站点还要向该AP鉴别自身，在关联阶段过后，移动站点要通过关联的AP向该子网发送DHCP（动态主机配置协议）发现报文，以便获取IP地址。这时，因特网中的其他部分就把这个移动站点当作该AP子网中的一台主机。

DHCP用途：

• 用于内部网或网络服务供应商自动分配IP地址给用户

• 用于内部网管理员对所有电脑作中央管理

• 重建关联：把这种关联转移到另一个接入点。

• 解除关联：终止这种关联。

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IEEE 802.11 物理层

五种传输技术：

• 红外线（Infra Red，IR）技术

优点：不能够穿透墙壁，所以不同房间中的单元是相互隔离的；检测和窃听困难，保密性好。

缺点：带宽较低，对非透明物体的透过性极差，传输距离受限，易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。

• 无线电射频技术

  • 跳频扩频技术（frequency hopping speed spread spectrum，FHSS）

  • 直接序列扩频技术（direct sequence spread spectrum，DSSS）

• 正交频分多路复用技术（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）

• 高速率的直接序列扩频技术（high rate direct sequence spread spectrum，HR-DSSS）

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无线局域网中的特殊问题

隐藏站问题（hidden station problem）：隐藏发送站和隐藏接收站

（a）

（b）

（a）表示站点A和C都想和B通信，但A和C相距较远，彼此都听不见对方。当A和C检测到空闲时，就都向B发送数据，结果放生了冲突，使B无法正常接收，且发送站点在冲突后需要重传冲突的帧，降低信道利用率。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏站问题。当移动站点之间有障碍物时，也有可能出现隐藏站问题，如图（b）。

为了解决这个问题，Ad hoc（下面会讲）在MAC层引入了RTS/CTS握手协议（类似于三次握手，这里是两次），在每次发送数据帧前，通信双方首先使用控制帧进行握手，在得到握手应答信号后再发送。例如，当结点A要向结点B发送数据帧时，结点A首先向结点B发送一个控制帧RTS，结点B在接收到RTS帧后，若同意接收，则返回CTS控制应答帧。结点A收到CTS应答帧后，才开始向结点B发送数据帧。如果结点A没有接收到CTS控制应答帧，则认为发生冲突，于是重发RTS控制帧。

如图（a），若C正在向B发送数据帧，A向B发送RTS帧，结点B产生冲突并丢弃该包或者结点B处于退避状态不响应结点A的RTS帧，结点A就一直发送RTS，直达到最大重传次数而终止。那么结点C就成为了结点A的隐藏发送站。

如上图，结点A和结点D都有数据帧需要发送，A先发送RTS帧，D后发送，结点B先收到RTS帧后发送CTS应答帧，结点C还没有来得及发送CTS应答帧时已经收到了B的CTS应答帧，这样结点C必须处于等待状态，导致结点D处于重传和退避状态。结点C成为结点A的隐藏接收站，结点B成为结点D的隐藏接收站。

在上述例子中，A和B相当于提前对信道进行了预约，C和D就需要等待。（信道预约）

暴露站问题（exposed station problem）：暴露发送站和暴露接收站

（a）站点B向A发送数据，而C又想与D通信，C检测到信道上有信号，于是就不敢向D发送数据，其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据，这样就引入了不必要的延迟，造成信道利用率降低，这就是暴露站问题。B和C互为暴露发送站。

（b）站点B向A发送数据，同时D向C发送数据，A可以正常接收到结点B发送的RTS帧，而结点C却不能够正常的接收到D发送的RTS帧，所以D就不能接收来自C的CTS帧，它必须退避后重传RTS帧，则结点D就成了暴露接收站。

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帧间间隔

为了尽量避免冲突，IEEE 802.11规定，所有站点在完成发送后，必须在等待一段很短的时间（继续侦听信道），才能发送下一帧。这段时间称为帧间间隔。

常用的帧间间隔	长短
短帧间间隔（short interframe space，SIFS）	最短的帧间间隔，用来分割属于一次对话的各帧，这段时间内，一个站应当能够从发送方式切换到接收方式，具体长度取决于所使用的物理层特性。（28μs）
点协调功能帧间间隔（point interframe space，PIFS）	长度是SIFS加一个时隙时间长度，时隙长度是这样确定的：在一个基本服务集BSS内，当某个站在一个时隙开始接入到媒体，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙状态。（28μs+50μs）
分布协调功能帧间间隔（distribute interframe space，DIFS）	最长的帧间间隔，比PIFS再多增加一个时隙长度。（28μs+50μs+50μs）

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CSMA/CA协议

退避机制

• A检测信道空发送数据，B、C、D在A发送过程中都有数据要发送，检测信道忙，执行退避算法，随机退避一段时间后在发送；

• A发送完，C退避计时器先到，C发送帧；发送过程中B、D检测信道忙，冻结B、C退避计时器；E想发送数据，执行退避算法设置退避计时器；

• C发完，B和D退避计时器剩余时间开始倒计时，D退避计时器相对于B和E先到零，D发送帧；B和E退避计时器冻结；

• D发完，B和E退避计时器剩余时间开始倒计时，E先到零，E发送帧，B退避计时器冻结；

• E发完，B开始倒计时，结束后，B发送帧。

CSMA/CA算法

1. 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功在进行重传），且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧。

2. 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，并等待确认。

3. 当退避计时器时间减到零时（这时信道只可能时空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。

4. 发送站若收到确认，就知道已经发送的帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧，就要从上面的步骤2开始，执行CSMA/CA协议的退避算法，随机选定一段退避时间。若源站在规定时间内没有收到ACK确认帧，就必须重传此帧，直到收到确认帧为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

退避时间必须是整数倍的时隙时间。

信道空闲还需要等待一段时间是考虑到可能有其他的站点有高优先级的帧要发送，如有，就要让高优先级帧先发送。

何时使用退避算法：

• 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙状态

• 在每一次的重传后

• 在每一次成功发送后

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信道预约（前面例子有提及）

在解决隐藏站带来的问题时，使用了RTS/CTS握手协议，这种协议实际上就是在发送数据帧之前，先对信道预约了一段时间。

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IEEE 802.11 MAC帧

三部分：首部、帧主题和帧校验序列（FCS）

侦控制

字段	含义
协议版本	说明当前帧格式是按照哪个协议版本组织的
类型	说明帧类型：00管理帧，01控制帧，10数据帧，11保留
子类型	说明帧中的某一个种子类型
到DS	说明该帧发送到的跨单元的分布式系统DS
从DS	说明该帧来自于跨单元的分布式系统DS
更多分片	说明后面还有更多分片
重试	为1时说明这是以前发送的某一帧的重传
功率管理	说明站点的工作模式
更多数据	表明发送方还有更多的帧要发送给接收方
WEP	为1,说明指定了该帧的帧主体已经用WEP算法加密过了
顺序	告诉接收方，凡是该位已经被设置为1的帧序列，必须严格按照顺序来处理

持续期字段

CSMA/CA协议允许传输站点预约信道一段时间。

序号控制字段

使接收方能够区分开是新传送的帧，还是因出错而重传的帧。

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IEEE 802.11无线LAN提供的服务

• 分布式服务

  • 建立关联：移动站点使用该服务与基站建立关联。

  • 解除关联：无论是基站还是站点都可以主动解除关联，从而终止它们之间的关系。

  • 重建关联：站点可以使用该服务来改变它的首选基站。

  • 分发：该服务决定如何将发送到基站的帧发送出去。如果目的站在同一个基站下，帧可以被直接发送出去。否则必须通过有线网络转发。

  • 集成：如果一个帧需要通过一个非IEEE 802.11网络（具有不同的编制方案或帧格式）传输，该服务可将IEEE 802.11格式转换成目的网络要求的格式。

• 站服务

  • 身份认证：由于无线通信很容易被未授权的站点侵入，因此一个站点必须在身份被验证后才允许发送数据。

  • 解除认证：一个以前经过过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。一旦解除认证后，就不能再使用该网络了。

  • 保密：为保证数据传输的机密性，数据必须被加密。

  • 数据传递：提供数据传输服务。（不可靠）

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无线站点接入过程

三个阶段：扫描（SCAN）、认证（authentication）、关联（association）

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IEEE 802.11 协议标准

标准	传输速率	覆盖氛围
IEEE 802.11a	物理层采用OFDM（正交频分多路复用技术），使用12个信道，最多8个互不重叠，工作频段是5.1~5.8GHz的ISM频段，数据速率最高为54Mbps。	50m
IEEE 802.11b	物理层采用HR-DSSS（高速率的直接序列扩频技术），所工作的2.4~2.485GHz频率范围中有85MHz带宽可用，最高速率11Mbps。定义了11个部分重叠的信道集。	100m
IEEE 802.11g	物理层采用OFDM（正交频分多路复用技术），使用11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段，兼容IEEE 802.11b。数据速率最大为54Mbps，兼备IEEE 802.11a和IEEE 802.11b特点，比EEE 802.11a的功耗小、传输距离长、穿透力强。	100m

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无线Ad hoc 网络的特点时

介绍

• Ad hoc网络时一种无基础设施的自组织的无线移动网络，IEEE将Ad hoc定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳和无线移动网络。

• Ad hoc网络中，每个移动终端兼顾路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路有协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。

特点

1. 自组织

Ad hoc网络相对常规通信网络而言，最大区别可以不需要任何预先架设的无线通信基础的设施，结点可以快速、自动和独立地组网。

      2. 对等结构

网络中所有结点的地位平等，没有专门用于分组路由、转发的路由。任何结点可以随时加入和离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络系统的工作。

        3. 多跳路由

每个结点的覆盖范围有限，在与有效范围外的结点通信需要通过中间结点的多跳转发来完成，多跳结点之间按照路由协议协同工作。

        4. 结点移动引起拓扑动态变化

        5.无线传输的局限与结点能量的限制性

• 带宽窄，单向传输信道

• 无线信道容易受到干扰和窃听，存在安全性、可扩展性问题

• 移动节点携带方便、轻便灵活，尺寸问题

• 电池能量有限