第七章 无线与移动网络

第一节 无线网络

一，无线网络基本结构

1. 无线主机（wireless host）：包括便携机，掌上机，智能手机或笔记本。
2. 无线链路（wireless communication link）：主机通过无线通信链路连接到一个基站或另一台无线主机，不同的无线链路技术具有不同的传输速率和不同的传输距离。
3. 基站（base station）：通常负责协调与之相关联的多个无线主机的传输。
4. 网络基础设施：通常是大规模有线网络。

二，无线链路与无线网络特征

• 不同的无线链路技术具有不同的传输速率和不同的传输距离。

• 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。无线链路有别于有线链路的主要表现在以下方面：

  1. 信号强度的衰减（fading）：信号强度随着发送方和接收方距离的增加而减弱，有时称其为路径损耗（path loss）。

  2. 干扰：在同一个频段发送信号的电波将相互干扰。环境中的电磁噪声也能形成干扰。

  3. 多径传播：多径传播使得接收方收到的信号变得模糊。位于发送方和接收方之间的移动物体还会导致多径效应随时间而改变。

• 无线链路中的比特差错将比有线链路中更为常见，因此，无线链路协议不仅采用有效的CRC错误检测码，还采用链路层ARQ协议来重传受损的帧。

第二节 移动网络

一，移动网络基本原理

• 无线网络不一定是移动网络，但移动网络一定是无线网络。
• 在一个网络环境中，一个移动结点的永久居所被称为归属网络（home network），在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体叫归属代理（home agent），移动结点当前所在的非归属网络称为外部网络（foreign network），在外部网络中帮助移动结点做移动管理功能的实体称为外部代理（foreign agent）。

二，寻址

• 为了使用户移动性对网络应用透明，希望移动结点在从一个网络移动到另一个网络时保持地址不变。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（parmanent address）的流量需要导向外部网络。两种解决方案。
  • 外部网络可以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。
  • 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。

第三节 无线局域网IEEE 802.11

• 支持速率2Mbit/s，工作在2.4GHz的ISM（Industrial Scientific Medical）频段。定义了物理层数据传输方式；DSSS（直接序列扩频，1Mbit/s），FHSS（跳频扩频，2Mbit/s）和红外线传输，在MAC层采用了类似有线以太网CSMA/CD协议的CSMA/CA协议。

  标准	频率范围/GHz	数据率	物理层	优缺点
  802.11b	2.4	最高11Mbit/s	扩频	最高数据率较低，价格最低，信号传播距离最远，且不易受阻碍
  802.11a	5	最高54Mbit/s	OFDM	最高数据率较高，支持更多用户同时上网，价格最高，信号传播距离较短，易受阻
  802.11g	2.4	最高54Mbit/s	OFDM	最高数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远，且不易受阻，价格比802.11b贵
  802.11n	2.4/5	最高600Mbit/s	MIMO/OFDM	使用多个发射和接收天线以允许更高的数据传输率，当使用双倍带宽（40MHz）时速率可达600Mb/s

一，IEEE 802.11体系结构

• 基本构件由两部分组成

  • 基站（base station），又称为接入点（Access Point，AP）。

  • 基本服务集（Basic Service Set，BSS）。一个BSS包含一个或多个无线站点和一个接入点的中央基站。
    

  • 配置AP的无线局域网经常被称作基础设施无线局域网（infrastucture wireless LAN），“基础设施”指AP连同互联AP和一台路由器的有线以太网。

• IEEE 802.11b将频谱划分为11个不同频率的信道。每个AP只能选择一个信道，所以可能存在干扰，因为相邻的AP可能选择相同的信道。解决方案：

  • 网络管理员可以在同一个物理网络中安装3个IEEE 802.11b的AP，为这些AP分配信道1，6和11，然后将每个AP都接到一台交换机上。当一个用户的无线站点能接收到3个AP很强的信号时，为了接入因特网，用户的无线站点需要与其中一个AP相关联，并加入其中一个子网。建立关联后无线站点自身会跟AP之间创建一个虚拟链路，关联的AP会与用户的无线站点互相发送数据帧，用户通过关联的AP接入因特网。

• 无线主机如何发现AP？

  • IEEE 802.11规定，每个AP周期性地发送信标帧（beacon frame），每个信标帧包括该AP的SSID（Service Set Identifier，服务集标识符）和MAC地址。用户的无线站点，可以通过扫描11个信道，获得正在发送信标帧的AP。通过信标帧得到可用AP后，选择其中一个AP进行关联。

• 发现AP的过程分为被动扫描（passive scanning）和主动扫描(active scanning)

  • 被动扫描

    • 各AP发送信标帧。
    • 主机（H1）向选择的AP发送关联请求帧。
    • AP向主机（H1）发送关联响应帧。

    

  • 主动扫描

    • 主机（H1）主动广播探测请求帧（Probe Request Frame）。
    • AP发送探测响应帧（Probe Response Frame）。
    • 主机（H1）向选择的AP发送关联请求帧。
    • AP向主机（H1）发送关联响应帧。

    

二，IEEE 802.11的MAC协议

• IEEE 802.11的MAC协议采用CSMA/CA协议，又称为带碰撞避免的CSMA（CSMA with collision avoidance）。
• IEEE 802.11使用碰撞避免而以太网使用碰撞检测；由于无线信道相比有线信道具有较高的误比特率，IEEE 802.11使用链路层确认/重传（ARQ）方案。
• CSMA/CA协议原理
  • 源站在发送数据之前，必须先监听信道，若信道空闲，则等待一个分布式帧间间隔（Distributed Inter-Frame Space，DIFS）的短时间后，发送一个很短的请求发送（Request To Send，RTS）控制帧。RTS帧包括源地址，目的地址和本次通信所需的持续时间等信息。若目的站正确收到源站发来的RTS帧，且物理介质空闲，则等待一个短帧间间隔（Short Inter-Frame Spacing，SIFS）时间后，发送一个很短的允许发送（Clear To Send，CTS）控制帧作为响应，其中包括本次通信所需的持续时间等信息。这样，源站和目的站周围的其他站点可以监听到两者要通信，其他站点在其持续通信时间内不会发送，这个时间段称为网络分配向量（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。
• CSMA/CA通过RTS和CTS帧的交换，可以有效避免隐藏站问题，实现信道的预约占用，从而可以有效避免数据帧传输过程中的冲突。由于RTS和CTS帧很短，所以这类帧的冲突与数据帧的冲突相比，造成的信道资源“浪费”要小很多。

三，IEEE 802.11帧

• IEEE 802.11帧共有3种类型：控制帧，数据帧和管理帧。其中，MAC首部共30字节；帧主体（数据部分）不超过2312字节；尾部是帧检验序列FCS，共4字节。

• IEEE 802.11数据帧有4个地址字段，地址4用于自组织网络。

去往AP	来自AP	地址1	地址2	地址3	地址4
0	1	目的地址	AP地址	源地址	—
1	0	AP地址	源地址	目的地址	—