计算机网络-6无线网络和移动网络

古城微笑少年丶 2022-05-28 04:41 297阅读 0赞

*  [简介][Link 1]
 *  [无线链路][Link 2]
    
     *  [无线网络特征][Link 3]
     *  [物理层特征][Link 4]
     *  [CDMA][]
 *  [两种无线网络][Link 5]
    
     *  [WiFi][]
        
         *  [体系结构][Link 6]
         *  [MAC协议][MAC]
         *  [帧格式][Link 7]
            
             *  [帧地址的变化][Link 8]
         *  [其他性质][Link 9]
     *  [蜂窝网][Link 10]
 *  [移动管理][Link 11]
    
     *  [原理][Link 12]
        
         *  [寻址][Link 13]
         *  [间接路由选择][Link 14]
         *  [直接路由选择][Link 15]
     *  [移动IP][IP]
 *  [对高层的影响][Link 16]
 *  ![20180329165812268][]  
    
 *  ![20180329170409774][]

# 简介 #

*  无线网络的要素  
    
    
    1.  无线主机（wireless host）。端系统。
    2.  无线链路（wireless communication link）。主机连接基站或另一台主机。
    3.  基站（base station）。主机和基站关联：主机位于基站的无线通信覆盖范围，且主机使用基站中继和更大的网络的数据。例如，蜂窝网中的 蜂窝塔（cell tower），Wifi中的接入点（access point）。
    4.  网络基础设施。与主机通信的更大的网络。  
        ![wireless.png][]
 *  与基站关联的主机以基础设施模式（infrastructure mode）运行，传统网络服务（地址分配、路由选择）通过基站提供给主机。  
    自组织网络（ad hoc network）中，主机不与基站相连，主机本身提供这些服务。
 *  无线网络类型。标准：无线网分组跨越的无线跳、是否有基础设施。  
    
    
    1.  单跳、基于基础设施。802.11、3G蜂窝网等。
    2.  单跳、无基础设施。蓝牙、自组织模式的802.11
    3.  多跳、基于基础设施。结点通过无线结点中继通信，连接到基站，如无线网状网络。
    4.  多跳、无基础设施。移动自组织网络，包括车载自组织网络。

# 无线链路 #

*  无线网络比特差错率较高，不仅需要CRC，还可能需要链路层ARQ重传受损的帧。
 *  两台主机不足以相互检测到对方的传输，由于  
    
    
     *  由于物理阻挡存在隐藏终端问题（hidden terminal problem）。
     *  信号衰减（fading）。

## 无线网络特征 ##

*  信号强度递减。有路径耗损。
 *  其他源的干扰。如2.4GHz的802.11b受到对应无线电话和环境电子噪音影响。
 *  多径传播。由于地面发射通过多条路径传播，接收的信号模糊。

## 物理层特征 ##

*  对于给定的调制方案，SNR（信噪比，Signal-to-Noise Ratio）越高，BER（比特差错率）越低。
 *  对于给定的SNR，较高比特传输速率的调制技术具有较高的BER。
 *  物理层可以根据信道条件动态选择调制技术。

## CDMA ##

*  码多分址（Code Divison Multiple Access, CDMA），是一种信道划分协议 。每个要发送的比特乘一个信号比特编码，这个信号变化速率（码片速率, chipping rate）比初始数据快。接收方再乘以相同的编码获得原始数据。  
    例如，发送方使用的CDMA码：(1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)发送01比特，0表示为-1：  
    ![cdma.png][]
 *  注意点  
    
    
    1.  CDMA\*\*编码\*\*选择。通常需要正交。
    2.  不同发送方的信号强度可能不同。

# 两种无线网络 #

## WiFi ##

*  IEEE 802.11 无线LAN，也称WiFi，是一种较小范围的接入网技术。

### 体系结构 ###

*  802.11基本构建模块为基本服务集（Basic Service Set, BSS），一个BSS包括多个无线站点和一个接入点（Access Point, AP, 中央基站）。802.11站点可以自己组合成一个自组织网络。  
    ![bss.png][]
 *  ![20180329171310316][]  
    
 *  ![20180329171439439][]  
    
 *  802.11频段2.4~2.4835GHz，分为11个部分重叠的信道，其中只有3个非重叠信道，在同一个物理网络中可以连接3个AP，然后连接到一个交换机上。
 *  无线站点\*\*关联\*\*AP  
    
    
    1.  被动扫描。扫描信道，监听信标帧（beacon frame）。
    2.  主动扫描。向主机范围内的所有AP\*\*广播探测帧，AP用探测响应帧\*\*应答。
    3.  之后无线主机向AP发送关联请求帧，AP以关联响应帧响应。
    4.  ![20180329171658991][]

### MAC协议 ###

*  带碰撞避免的CSMA（CSMA with collision avoidance, CSMA/CA）。
 *  ![20180329172051650][]  
    链路层确认/重传（ARQ）。
 *  未实现碰撞检测而用碰撞避免的原因：  
    
    
    1.  802.11适配器上，接收信号强度通常远小于发送信号的长度，检测碰撞代价大。
    2.  适配器会由于隐藏终端和衰减无法检测到所有碰撞。
 *  目的站点收到一个通过CRC的帧后，等待一个短帧间间隔（Short Inter-Frame Spacing, SIFS），发回确认帧。如果给定时间内未收到确认帧，重传该帧，若干次重传未确认，则放弃重传丢弃该帧。
 *  发送帧的步骤：  
    
    
    1.  站点监听到信道空闲，等待一个分布式帧间间隔（Distributed Inter-Frame Space, DIFS）后发送帧，等确认。
    2.  否则，站点选取一个随机回退值（二进制指数回退），并在侦听到信道空闲之后递减该值，信道忙时该值不变。当计数为0时，发送帧，等确认。
    3.  收到确认后若有帧要发送，继续第一步。若未收到确认，进入第二步的回退阶段。  
        ![csmaca\_arq.png][csmaca_arq.png]
 *  即使信道空闲，CSMA/CA也使用倒计数抑制传输。  
    
    
     *  因为回退不同的值，发送有先后，后发送的站点接收到先发送的站点的信号，会暂停计数，从而避免碰撞。
     *  如果两个站点相互隐藏，或者随机回退值非常接近，仍然可能碰撞。
 *  处理终端隐藏  
    
    
     *  发送方使用请求发送（Request to Send, RTS）控制帧，AP\*\*允许发送（Clear to Send, CTS）控制帧 预约\*\*对信道的访问。
     *  当帧长超过门限值时使用两个控制帧，减少消耗的信道资源。

### 帧格式 ###

*  ![80211.png][]
 *  有效载荷。通常小于1500字节。
 *  地址。处于互联需要3个地址，地址4在自组织模式中使用。  
    
    
    1.  地址2。发送该帧的站点MAC地址。
    2.  地址1。接收该帧的站点的MAC地址。
    3.  地址3。BSS是一个子网或者一部分，需要与路由器接口相连，地址3位路由器接口的MAC地址。
 *  序号。区分新传输的帧和重传的帧。
 *  持续期。预约信道的时间，包括传输数据帧和传输确认的时间。
 *  控制字段。  
    
    
     *  类型、子类型用于区分关联、RTS、CTS、ACK、数据帧。
     *  到AP和从AP，定义不同地址的含义，随着发送者、使用模式变化。
     *  WEP。是否加密。

#### 帧地址的变化 ####

*  ![80211frame.png][]
 *  R1到H1  
    
    
     *  路由器R1将数据报封装在以太网帧中，源地址为R1的MAC地址，目的地址为H1的MAC地址。
     *  帧到AP后，由802.3以太网帧转换为802.11无线网帧。地址1为接收方H1的MAC地址，地址2为发送方AP的MAC地址，地址3为R1的MAC地址。
 *  H1到R1  
    
    
     *  H1生成一个802.11帧，地址1为AP的MAC地址，地址2为H1的MAC地址，地址3为R1的MAC地址。
     *  AP收到该帧后，转为以太网帧，源地址为H1的MAC地址，目的地址为R1的MAC地址。
 *  地址3允许AP构建以太网帧时确定目的MAC地址，在BSS和有线局域网互联中起作用。

### 其他性质 ###

*  速率适应。条件较好（收到ACK），增加传输速率，条件变差（没有收到ACK），减小传输速率。类似TCP拥塞机制。
 *  功率管理。一个结点可以明显的在睡眠和唤醒状态之间交替。  
    
    
     *  结点向AP指示打算睡眠，并设置定时器，在AP发送信标帧（100ms一次）前唤醒（约250us）结点。
     *  结点睡眠时，AP先缓存帧，待以后传输。
     *  短暂的唤醒时间、接收信标帧时间、检查缓存帧的时间，能大大节约能源。

## 蜂窝网 ##

*  WiFi热区范围较小，蜂窝网通过基站控制器（Base Station Controller, BSC）和收发基站（Base Transceiver Station, BTS）组成GSM基站系统，并将它们连接，可以进行大范围的无线覆盖。一个基站覆盖的区域类似蜂窝。
 *  蜂窝电话进行扩展，不光可以传播语音，还可以传输IP数据报。

# 移动管理 #

## 原理 ##

*  归属网络（home network）：一个移动结点的永久居所。
 *  归属代理（home agent）：归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体。
 *  外部网络（foreign network）：移动结点当前所处网络，也称为被访网络（visited network）。
 *  外部代理（foreing agent）：外部网络中代表结点移动管理的实体。
 *  通信者（correspondent）：希望与移动结点通信的实体。  
    ![mobile.png][]

### 寻址 ###

*  外部代理为移动节点创建转交地址（Care-Of Address, COA），与外部网络匹配。一个移动结点可以和两个地址相关联，永久地址（permanent address）和COA。
 *  外部代理可以告诉归属代理，该移动结点在他的外部网络和他的COA。

### 间接路由选择 ###

*  步骤：  
    
    
    1.  数据报导向移动结点的归属网络。
    2.  归属代理将原始数据报封装（encapsulate）成大数据报，交付到移动结点的COA。
    3.  拥有该COA的外部代理接收并拆封大数据报，向移动结点转发原始数据报。
    4.  移动结点使用永久地址为源地址，通信者地址为目的地址，直接发送数据报到通信者。  
        ![indirect.png][]
 *  用户移动到新的网络时，注册新的COA，更新原本归属代理中的COA。
 *  存在三角路由选择问题，即使通信者和移动结点之间有更有效的路径，也会先发给归属代理，再发到外部网络。

### 直接路由选择 ###

*  步骤：  
    
    
    1.  通信者代理向归属代理查询移动结点的COA。
    2.  通信者代理使用隧道技术经过外部代理发往移动结点。
 *  移动结点移动到另一个外部网络时  
    
    
    1.  移动结点向新的外部代理注册。
    2.  新的外部代理向锚外部代理（首次发现移动结点时对应的外部代理）提供移动结点新的COA。
    3.  锚外部代理收到发往该移动结点的数据报后，使用新的COA重新封装数据报，并且发向移动结点。
    4.  如果移动结点又移动到新的外部网络，对应的外部代理需要随后建立和锚代理的联系。  
        ![direct.png][]

## 移动IP ##

1.  代理发现。代理通告服务或者移动结点请求服务。  
    
    
     *  代理通告。外部代理和归属代理周期性的广播类型9的ICMP报文，包括COA等信息。
     *  代理请求。移动结点广播类型10的ICMP报文，收到请求的代理单播一个代理通告。
2.  向归属代理注册。移动结点收到COA后，该地址必须向归属代理注册。  
    
    
    1.  收到外部代理通告之后，移动结点向外部代理发送注册报文，放入端口号434的UDP数据报中，包括：通告的COA、归属代理地址（HA）、移动结点永久地址（MA）、请求注册寿命、注册标识。
    2.  外部代理收到注册后记录永久IP（封装的数据报的目的地址为该永久IP，则该数据包需要解封）。向归属代理发送注册报文。
    3.  归属代理接收后验证，将移动结点的永久IP和COA绑定（到达永久IP的数据报被封装，隧道方式经外部代理发给COA）。归属代理发送注册回答。
    4.  外部代理接收注册回答，转发个移动结点。
3.  数据报的间接路由选择。

# 对高层的影响 #

*  TCP并不知道报文段被丢弃的原因，拥塞、切换外部网络、检测到比特差错。发送方会重传报文，减小拥塞窗口。解决方法：  
    
    
    1.  本地恢复。使用链路层ARQ。
    2.  发送方知晓无线链路。区分出拥塞丢包，仅对该情况拥塞控制。
    3.  分离连接方法。有线部分使用标准TCP，无线部分使用运输层选择性重传协议。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E7%AE%80%E4%BB%8B
[Link 2]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E6%97%A0%E7%BA%BF%E9%93%BE%E8%B7%AF
[Link 3]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%89%B9%E5%BE%81
[Link 4]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E7%89%A9%E7%90%86%E5%B1%82%E7%89%B9%E5%BE%81
[CDMA]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#cdma
[Link 5]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E4%B8%A4%E7%A7%8D%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%BD%91%E7%BB%9C
[WiFi]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#wifi
[Link 6]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E4%BD%93%E7%B3%BB%E7%BB%93%E6%9E%84
[MAC]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#mac%E5%8D%8F%E8%AE%AE
[Link 7]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E5%B8%A7%E6%A0%BC%E5%BC%8F
[Link 8]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E5%B8%A7%E5%9C%B0%E5%9D%80%E7%9A%84%E5%8F%98%E5%8C%96
[Link 9]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E5%85%B6%E4%BB%96%E6%80%A7%E8%B4%A8
[Link 10]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E8%9C%82%E7%AA%9D%E7%BD%91
[Link 11]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E7%A7%BB%E5%8A%A8%E7%AE%A1%E7%90%86
[Link 12]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E5%8E%9F%E7%90%86
[Link 13]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E5%AF%BB%E5%9D%80
[Link 14]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E9%97%B4%E6%8E%A5%E8%B7%AF%E7%94%B1%E9%80%89%E6%8B%A9
[Link 15]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E8%B7%AF%E7%94%B1%E9%80%89%E6%8B%A9
[IP]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E7%A7%BB%E5%8A%A8ip
[Link 16]: https://blog.csdn.net/qq_40369829/article/details/78858186#%E5%AF%B9%E9%AB%98%E5%B1%82%E7%9A%84%E5%BD%B1%E5%93%8D
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