第七章、无线与移动网络

一、无线网络基本结构

1、无线主机
2、无线链路
3、基站(base station)：蜂窝网络中的蜂窝塔(cell tower) IEEE 802.11无线局域网中的接入点(Access Point , AP)
4、网络基础设斲

无线网络模式

1、基础设施模式：无线主机不基站关联。

2、自组织网络(Ad Hoc Network)、特定网络、Ad Hoc网络：无线主机丌通过基站，直接不另一个无线主机直接通信自组织网络：由一组用户群构成，丌需要基站、没有固定的路由器的移劢通信模式。自组织网络中的每个结点都兼有路由器和主机两种功能。

无线链路的特点：

1、信号强度的衰减：路徂损耗
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发的数据。

有线网络与无线网络的重要区别主要在：数据链路层和物理层

二、移动网络

移动网络基本原理

1、从网络层的角度分析用户的移动性
2、移动结点的地址始终保持不变的重要性
3、可用的有线基础设施的支持

移动网络的术语

1、移动结点的永久居所：归属网络，家网。
2、在归属网络中代表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做移动管理功能的实体：外部代理。
5、通信者：不该移动结点通信的实体

移动寻址： 当某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寻向外部网络。

保持地址不变的解决办法

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。(不适合用于大规模网络)
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)

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。

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(Care-Of Address , COA)
2、移动结点与永久地址和COA都相连。
3、外部代理告诉归属代理该移动结点的COA

数据报寻址并转发的方法：间接路由选择和直接路由选择

1、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COA。
3、归属代理数据报封装协议：归属代理封装原始数据报，转发。
4、外部代理拆封协议：从封装好的数据报中提取原始数据报，转发。

该方式存在三角路由选择问题：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。

2、移动结点的直接路由选择

通信者所在网络中的通信者代理先获取移动结点的COA。通信者代理将数据报发往移动结点的COA

引入的两个问题

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得移动结点的COA
2、归属代理仅在会话开始时被通信者代理询问一次COA。

三、无线局域网 IEEE 802.11

IEEE 802家族由一系列局域网(LAN)技术规范所组成。 IEEE 802.11发表亍1997年，是原始标准

共同点:

1、都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA(冲突避免) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
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进距离的能力。
4、都支持“基础设斲模式”和“自组织模式”两种模式

IEEE 802.11体系结构的基本构件：

1、基站：接入点(Access Point , AP)

2、基本服务集(Basic Service Set , BSS) BSS包含：一个接入点，一个或多个无线站点

AP发现：（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。

IEEE802.3标准采用的介质访问控制方法是（ CSMA/CD ）

IEEE 802.11的MAC协议

1、IEEE 802.11的MAC协议采用CSMA/CA协议。 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ：带碰撞避免的载波监听多路访问协议。
2、CSMA/CA协议工作原理通过请求发送(RTS)帧和允许发送(CTS)帧的交换，实现信道预约占用，避免数据帧传输过程中冲突

CSMA/CA协议工作步骤

1、源站发送数据：先监听，若空闲，等待一个分布式帧间间隔(Distributed Inter-Frame Space , DIFS)的短时间后，发送一个径短的请求发送(Request To Send , RTS)控制帧。 RTS控制帧：源地址，目的地址，本次通信所需的持续时间。
2、目的站正确收到源站发来的RTS帧：物理介质空闲，等徃一个短帧间间隔(Short InterFrame Spacing , SIFS )时间后，发送一个径短的允许发送(Clear To Send , CTS)控制帧作为响应。 CTS控制帧：本次通信持续时间等
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。这个时间被称为网络分配向量(Network Allocation Vector , NAV)。 NAV是其他站根据监听到的RTS或CTS帧中的持续时间来确定数据帧传输的时间。
4、源站收到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，就向源站大送确认帧(ACK)。

IEEE 802.11帧总共有3种类型：

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

IEEE 802.11数据帧结构

持续期：IEEE 802.11的MAC协允许传输结点预约信道一段时间，持续值被包括在该帧的持续期字段中

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。

四、蜂窝网络

1、蜂窝网络体系绌构

小区(Cell)：蜂窝网覆盖的区域分成的六边形的区域。
收发基站(Base Transceiver Station , BTS)：负责小区内的移动站点发送或接收信号。
基站控制器(Base Station Controller , BSC )：服务于收发基站，为用户分配BTS 无线信道、执行寻呼，执行移动用户的切换。
收发基站(BTS)和基站控制器(BSC)组合形成：基站系统 (Base Station System , BSS)
移动交换中心(Mobile Switching Center , MSC)：在用户鉴别和账户管理以及呼叫建立和切换中起决定性作用。可以管理5个基站控制器

2、蜂窝网络中的移动性管理

间接路由选择方法管理移动性：

1、归属网络维护一个归属位置注册器(Home Location Register , HLR)的数据库：每个用户的永久蜂窝电话号码，用户个人信息，用户当前的位置信息。
2、被访网络维护一个访问位置注册器(Visitor Location Register , VLR)的数据库：为每一位当前在其服务网络的移动用户提供一个表项。

通信过程：

第一步：通信者拨打移动用户的电话号码。
第二步：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。
第三步：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

3、移动通信2G/3G/4G/5G网络

第一代蜂窝移劢通信(1G)：淘汰

第二代蜂窝移动通信(2G)：

全球移动通信(Global System for Mobile Communication，GSM)系统
短信服务
通用无线分组业务(General Packet Radio Service , GPRS)、
增强数据速率的GSM演进技术 (Enhanced Data Rate for GSM Evolution , EDGE)

第二代蜂窝移动通信(2G)：

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。

第三代移动通信系统(3G)：

1、国际电信联盟(ITU)提出并研究。 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大技术标准。
2、3G采用CDMA。
3、关键技术：无线传输技术

4G/LTE

1、3GPP组织在2004年开始长期演进(Long Term Evolution,LTE)标准化项目。在2008年9月开启LTE-Advanced项目。
2、4G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 5G技术目的：构建网络社会。 5G特点：超高速率传输，超高容量、超可靠性、随时随地可接入性。

五、移动IP网络

移动IP(Mobile IP)：国际互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，IETF）开发，允许计算机移动到外地时，任然保持其原来的IP地址。

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。

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绌点的归属代理注册戒注销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彔移动绌点的永久IP地址，分配一个COA。
3、外部代理把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

六、其他典型无线网络简介

其他典型无线网络简介： WiMax、蓝牙、ZigBee

全球微波互联接入(World Interoperability for Microwave Access , WiMax)：又名IEEE 802.16标准，宽带无线标准；

Wi Max优势：更进的传输距离；更高速的宽带接入。
Wi Max劣势：不能支持用户在移动过程中无缝切换产业基础薄弱和传统的蜂窝网络无法完全兼容

蓝牙

1、IEEE 802.15.1标准。无线个人区局域网(Wireless Personal Area Network , WPAN)标准。
2、工作在全球通用的2.4GHz的频段。
3、特点：小范围，低功率、低速率和低成本运行。（一小三低）

ZigBee

1、 IEEE 802.15.4标准
2、第二个个人区域网络标准。
2、低功率、低数据速率、低工作周期。