《计算机网络自顶向下方法》笔记 (5) 无线网络和移动网络

无线网络和移动网络

基站（base station, BS）是无线网络基础设施的一个关键部分。基站负责为与之关联的无线主机收发数据，并协调多个与之相连的无线主机的传输。如蜂窝网络中的蜂窝塔和 802.11 WLAN 中的接入点（AP）。基站与更大的网络相连，因此，基站起着链路层中继的作用。

6.2 无线链路和网络特征

无线链路的问题

无线链路与有线链路有许多重要差别：

递减的信号强度。物体的阻挡、距离的增加会使信号强度衰减。
来自其他源的干扰。同一频段发送的信号将彼此干扰。
多径传播。电磁波反射导致产生了不同的路径，模糊了信号。

上述特征表明，无线链路中的比特差错将比有线链路中更为常见。另外，无线链路还可能导致隐藏终端问题，即由于物理实体的阻挡，导致位于两端的主机无法监听到对方的传输情况，导致信号相互干扰。

CDMA

在 CDMA 中，要发送的每个比特都通过乘以一个信号（CDMA 编码）来进行编码。传输一个比特的时间是 1 比特时隙，一个比特时隙中又含有 M 个微时隙，每个微时隙中有一个比特，M 个微时隙中的比特组成了它的 CDMA 编码。

对于第 i 个比特 $d_i$ ，第 m 个微时隙的 CDMA 编码的比特 $c_m$ ，CDMA 编码器输出 $Z_{i, m}$ 。发送方发送的第 i 个比特的 CDMA 编码的第 m 比特为 $Z_{i,m} = d_i \times c_m$ 。接收方收到 CDMA 编码后的数据，将数据解码，还原第 i 个比特为 $d_i = \frac{1}{M} \sum^M_{m=1}Z_{i,m} \times c_m$ 。

当有多个发送方时，它们的 CDMA 编码是正交的，才不会互相造成干扰。接收方收到的各个发送方的信号是加性的，接收方根据特定发送方的 CDMA 编码对收到的叠加的信号进行解码，就能得到该发送方的数据。

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6.3 WIFI: 802.11 WLAN

802.11 体系结构

802.11 体系结构的基本构建模块是基本服务集（BSS）。一个 BSS 包含一个或多个无线站点和一个称为**接入点（AP）**的中央基站。多个 BSS 的 AP 经由交换机或路由器互联，并连接到因特网上。无线站点想要与互联网收发数据，必须与一个 AP 相关联。

信道与关联

安装 AP 时，必须为之分配一个服务集标识符（SSID）和一个信道号。对 802.11b 来说，它运行在 2.4 ~ 2.4835GHz 的频段中，在这个频段内，它定义了 11 个部分重叠的信道。当且仅当两个信道由 4 个或更多信道隔开时它们才无重叠。特别是信道 1、6 和 11 的集合是唯一的三个非重叠信道的集合。这意味着管理员可以在同一个物理网络中安装三个 802.11b AP，为这些 AP 分配信道 1、6 和 11，然后将每个 AP 都连接到一台交换机上。

每个 AP 周期性地发送包含其 SSID 和 MAC 地址的信标帧，无线站点通过扫描 11 个信道，找出信号覆盖该无线站点的 AP。可能有多个 AP 运行在同一个信道上，或不同信道上，无线站点需要选择其中一个与之关联，即发送关联请求帧，AP 对此应答一个关联响应帧，于是，该无线站点就与该 AP 相关联了。这中扫描信道和监听信标帧的过程被称为被动扫描。

无线站点也可以使用主动扫描，即无线站点广播探测请求帧，AP 接收到该探测后应答一个探测响应帧，无线站点在接收到的一个或多个响应帧中选择一个 AP，并向其发送关联请求帧，AP 响应后两者便关联起来。这个过程与 DHCP 协议运行颇为类似。

802.11 MAC 协议

802.11 的多路访问协议是随机访问协议的一种，称为带碰撞避免的 CSMA（CSMA/CA）。该协议采用了碰撞避免，而并非碰撞检测，原因在于：适配器接收到的信号的强度通常远远小于发送的信号，制造能够检测碰撞的硬件成本太高；无线链路存在隐藏终端问题和信号强度衰减问题，难以检测到所有碰撞。

由于 802.11 不使用碰撞检测，一旦站点开始发送一个帧，它就完全地发送该帧。于是，碰撞的存在将严重降低性能。为此，802.11 采用了碰撞避免。

对于 CSMA/CA 中的接收方，由于无线信道相对较高的比特差错率，802.11 使用了链路层确认/重传方案。目的站点收到一个通过 CRC 检验的帧后，它等待一个被称为**短帧间间隔（SIFS）**的一小段时间，然后发回一个确认帧。

对于 CSMA/CA 中的发送方：

如果初始时某站点监听到信道空闲，它将在一个被称为**分布式帧间间隔（DIFS）**的短时间段后发送该帧。
否则，该站点选取一个随机回退值（类似二进制指数后退）作为计数值，并在监听信道空闲时递减该值。当监听到信道忙时，该值保持不变。
当计数值减为 0 时（注意到这只能发生在信道被监听为空闲时），该站点发送整个数据帧并等待确认。
如果收到确认，发送站点知道它的帧已被目的站点正确接收了。如果该站点要发送另一帧，它将从第二步开始 CSMA/CA 协议。如果未收到确认，发送站点假定出现了错误，将重新进入第二步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值，尝试重传该帧。
若在若干固定次重传后仍未收到确认，发送站点将放弃发送并丢弃该帧。

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采用碰撞避免的效果很显著：假定有三个站点，其中一个站点正在传输，另外两个站点有数据想要传输并侦听信道，发现信道忙，分别进入随机回退。若它们选择的回退值不同，那么回退值较小的在回退时间结束后，侦听信道，发现信道空闲，便发送数据。回退值较大的在回退时间结束后，侦听信道，发现信道忙，便再次进入回退。从这个例子中，可以看到碰撞避免是如何发挥作用。然而，这种碰撞避免方案仍然有不足之处，如两个站点选择了非常接近的回退值，或两个站点互相是隐藏的。

要处理隐藏终端问题，802.11 允许站点使用一个短**请求发送（RTS）控制帧和一个短允许发送（CTS）**控制帧来预约对信道的访问。当发送方要发送一个数据帧时，它首先向 AP 发送一个 RTS 帧，指示传输数据帧和确认帧需要的总时间。当 AP 收到 RTS 帧后，它广播一个 CTS 帧作为响应。该 CTS 帧有两个目的：给发送方明确的发送许可，也指示其他站点在预约期内不要发送。

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使用 RTS 帧和 CTS 帧后，隐藏终端问题被环节了，因为无线站点不必探知隐藏的终端了，统一交由 AP 来协调；并且，RTS 帧和 CTS 帧很短，涉及 RTS 帧和 CTS 帧的碰撞将持续很短的时间，但却能够让后续更长的数据帧传输避免了碰撞。

尽管 RTS/CTS 交换有助于降低碰撞，但它同样引入了时延以及消耗了信道资源。因此，RTS/CTS 交换仅仅用于为长数据帧预约信道。在实际中，每个无线站点可以设置一个 RTS 阈值，仅当帧长超过阈值时，才使用 RTS/CTS 序列。

出了隐藏终端问题外，还有暴露终端的问题。在发送站点的覆盖范围内而在接收站点的覆盖范围外的站点，称为暴露终端。暴露终端监听到发送站点而可能延迟发送，但它其实是在接收站点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突，这就引入了不必要的时延。

暴露终端的问题本质是信道竞争，在 RTS/CTS 交换下，发送方向接收方发送数据时，暴露终端只监听到 RTS 而听不到 CTS（接收方为 AP，暴露终端在 AP 覆盖范围之外），故得知自己是暴露终端，认为自己可以向远离发送方、接收方的 AP 发送数据。暴露终端向自己的 AP 发送 RTS，AP 回送的 CTS 将会干扰发送方（假如该发送方相对来说也是暴露终端）。

为此，需要使用双信道，一个数据信道用于收发数据，一个控制信道用于收发控制信号。