无线与移动网络

无线网络

无线网络的基本结构

1. 无线主机；
2. 无线链路；
3. 基站（base station）：蜂窝网络中的 蜂窝塔、IEEE 802.11无线局域网中的 接入点（AP）；
4. 网络基础设施。

无线网络模式

1. 基础设施模式：无线主机与基站关联；
2. 自组织网络（Ad Hoc Network）、特定网络、Ad Hoc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。

自组织网络

由一组用户群构成，不需要基站、没有固定的路由器的移动通信模式。

自组织网络中的每个结点都兼有 路由器 和 主机 的两种功能。

无线链路与无线网络特性

无线链路的特点

1. 信号强度的衰弱：路径损耗；
2. 干扰；
3. 多径传播。

隐藏站现象

1. 站点A、C都向站点B发送数据；
2. 站点A、C之间都有物理阻挡，双方都无法检测出对方发送的信号；
3. 站点A、C都向站点B发送数据时，发生碰撞，站点B无法正确接收任何一方的数据。

结论：站点A、C互为隐藏站。

移动网络

移动网络的基本原理

1. 移动结点的永久结点：归属网络、家网；
2. 在归属网络中帮助移动结点执行移动管理功能的实体：归属代理、家代理；
3. 移动结点当前所在非归属网络：外部网络、被访网络；
4. 在外部网络中帮助移动结点执行移动管理功能的实体：外部代理；
5. 与该移动结点通信的实体：通信者。

移动网络的寻址

当移动结点位于一个外部网络时，所有指向此结点永久地址的流量需要导向外部网络。

解决方案

1. 方法一：外部网络通过向所有其他网络发通告，告诉它们该移动结点正在它的网络中。（不适用于大规模网络）；
2. 方法二：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。（实际上移动网络采取的做法）。

方法二的具体实现

1. 将 外部代理 放置在外部网络的边缘路由器上。外部代理为移动结点创造一个 转交地址（COA）；
2. 移动结点与 永久地址 和 转交地址 都相连；
3. 外部代理 告诉 归属代理 该移动结点的转交地址。

移动结点的路由选择

移动结点的 间接 路由选择

通信者将数据报寻址到移动结点的 永久地址。

网络层需要满足的新功能：

1. 移动结点到外部代理的协议：注册、取消；
2. 外部代理到归属代理的注册协议：外部代理告诉归属代理转发地址；
3. 归属代理数据报 封装 协议：归属代理封装原数据报，转发；
4. 外部代理 拆封 协议：从封装好的数据报中提取原数据报，转发。

存在的问题 - 三角路由选择问题：

通信者和移动结点之间存在一条更有效的路由，发往移动结点的数据报也要先发给归属代理，然后在发送到被访网络。

移动结点的 直接 路由选择

通信者所在的网络中 通信者代理 先获取移动结点的转发地址。通信者代理将数据报发往移动结点的 转发地址。

存在的问题：

1. 需要一个 移动用户定位协议，以便通信者代理向归属代理查询获取移动结点的转发地址；
2. 归属代理仅在会话开始时被通信代理 询问一次转发地址。

无线局域网 IEEE 802.11

IEEE 802 家族

IEEE 802 家族由一系列局域网（LAN）技术规范组成。

共同点

1. 都使用相同的介质访问控制协议 CSMA/CA （冲突避免）；
2. 链路层帧使用相同的帧格式；
3. 都具有降低传输速率以传输更远距离的能力；
4. 都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。

IEEE 802.11 体系结构

1. 基站：接入点（AP）；
2. 基本服务集（BBS）：一个接入点 和 一个或多个无线站点。

AP发现

解决问题：无线主机怎么找到AP ？

1. 被动扫描：无线主机扫描信道和监听 信标帧；
2. 主动扫描：无线主机向其范围内的所有AP广播 探测帧。

IEEE 802.11 的MAC协议

IEEE 802.11 的 MAC 协议采用 CSMA/CA 协议。

CSMA/CA：带碰撞避免的载波监听多路访问协议。

CSMA/CA 协议的工作原理

通过 请求发送帧（RTS） 和 允许发送帧（CTS） 的交换，实现 信道预约占用，避免数据帧传输过程中的冲突。

CSMA/CA 协议的工作步骤

1. 源站发送数据：先监听，若空闲，等待一个 分布式帧间间隔（DIFS） 的短时间后，发送一个很短的 请求发送控制帧（RTS）；
2. 目的站正确收到源站发来的RTS帧：物理介质空闲，等待一个 短帧间间隔（SIFS） 时间后，发送一个很短的 允许发送控制帧（CTS） 作为响应；
3. 其他站点：监听到两者要通信，其他站点在其持续通信时间内不会发送。其他站点根据监听到的 RTS 或 CTS 帧中的持续时间来确定数据帧的传输时间；
4. 源站点收到CTS帧：等待一段时间后，发送数据帧，若目的站正确收到了数据帧，在等待时间后，就像源站点发送确认帧（ACK）。

请求发送控制帧（RTS）：
源地址（MAC地址）、目的地址（MAC地址）、本次通信所需的持续时间。

允许发送控制帧（CTS）：
本次通信所需的持续时间等。

IEEE 802.11 帧

IEEE 802.11 帧的类型

1. 控制帧：提高工作站数据传输的可靠性；
2. 数据帧：运输想要发送的数据；
3. 管理帧：加入网络，退出网络的管理事宜。

IEEE 802.11 帧的结构

MAC首部：
共30个字节，包含：控制帧、持续期、地址1、地址2、地址3、序号控制、地址4。

序号控制：
在 IEEE 802.11 网络中，站点正确收到其他站点的帧后，都会发一个确认帧。确认帧可能丢失，发送站点会发送一个帧的多个副本，使用序号可以 区分新传输的帧和以前帧的重传。

控制帧：
包含多个子字段。如：类型、子类型、去往AP、来自AP 等。

类型 和 子类型 子字段：
用于区分RTS帧、CTS帧、ACK帧和数据帧。

去往AP 和 来自AP 子字段：与地址帧配合，可确认发送类型，具体如下：

蜂窝数据

小区（Cell）：蜂窝网覆盖的区域分成的六边形的区域。

蜂窝网络体系结构

1. 收发基站（BTS）：负责小区内的移动站点 发送或接收信号；
2. 基站控制器（BCS）：服务于收发基站，为用户分配收发基站无线信道、执行寻呼，执行移动用户的切换；
3. 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决定作用。

基站系统：收发基站（BTS）+ 基站控制器（BCS）

蜂窝网络中的移动性管理

间接路由选择方法 管理移动性。

通信过程

1. 通信者拨打移动用户的电话号码；
2. 归属移动交换中心收到该呼叫，查询归属位置注册器来确定移动用户的位置。确定移动用户的漫游号码；
3. 漫游号码确定后，归属移动交换中心通过网络呼叫被访网络的移动交换中心，被访网络的移动交换中心呼叫移动用户。

移动通信网络

1G

第一代蜂窝移动通信（1G，geneartion）：淘汰

2G

第二代蜂窝移动通信，例如：

1. 全球移动通信系统（GSM）；
2. 短信服务；
3. 通用无线分组业务（GPRS）；
4. 增强数据速率的 GSM 演进技术（EDGE）。

GSM系统

1. GSM系统是第二代移动电话系统的开端；
2. GSM业务可以分为 承载业务、电信业务、附加业务 三大类；
3. GSM系统采用的是 FDMA 和 TDMA 混合接入的方式。

3G

国际电信联盟（ITU）提出并研究。有三个技术标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。

采用 CDMA 技术。

4G/LTE

特点：高速率传输、智能化、业务多样化、无缝接入、后向兼容、经济

5G

目的：构建网络社会。

特点：超高速率传输、超高容量、超可靠性、随时随地可接入性

移动IP网络

代理发现

当移动IP站点到达一个新网络时，移动站点都必须知道相应的外部代理或归属代理的身份。包含如下方式：

1. 代理通告：代理周期性的广播一个ICMP报文；
2. 代理请求：移动结点广播一个ICMP报文。

向归属代理注册

移动IP定义了外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销COA，所使用的协议步骤：

1. 移动结点向外部代理发送一个移动IP注册报文；
2. 外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址，并分配一个COA；
3. 外部代理吧注册请求发送给归属代理，归属代理检查真实性和正确性；
4. 外部代理接收注册应答。

其他典型无线网络简介

WiMax

又名 IEEE 802.16 标准，宽带无线标准。

优势

1. 更远的传输距离；
2. 更高速的宽带接入。

劣势

1. 不能支持用户在移动过程中无缝切换；
2. 产业基础薄弱；
3. 和传统的蜂窝网络无法完全兼容。

蓝牙

IEEE 802.15.1 标准，无线个人局域网（WPAN）标准。

工作在全球 2.4GHz 的频段。

特点：小范围、低功率、低速率和低成本运行。（一小三低）

ZigBee

IEEE 802.15.4 标准。

第二个个人局域网络标准。

特点：低功率、低数据速率、低工作周期。