第七章 无线与移动网络

基础设施模式：无线主机通过基站（接入点 AP）实现中继
自组织网络（特定网络）：不通过基站
切换：移动主机在走出一个基站覆盖范围后，接入到达的范围对应的基站

无线链路

有线无线网络主要区别在数据链路层（IEEE802.11 无线局域网，无线网卡，接入点）与物理层
网络层以上无任何区别
主要表现在：

• 信号强度衰减
• 同信号频段电波源互相干扰
• 多径传播
  显然更容易出现差错，因此除了 CRC 还有链路层 ARQ 协议来重传受损的帧
  隐藏终端问题：如果 A 和 C 互相检测不到，而同时向 B 发送数据，会发生碰撞 以至于 B 接收不到任何数据

移动网络

移动性

如果在一个无线接入网内移动，但切换了切换了接入点（如无线路由器）那么：

• 对于网络层，他没有移动
• 对于数据链路层，移动了

保持IP 地址不变的重要性

电话号码本质上是网络层地址
只要网络层地址不变，对于应用，移动就是透明的，便于在移动中保持连接
对于 C/S 应用（不包吃不间断连接），固定 IP 地址不是那么重要

基础设施

• 归属网络home network：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的实体
• 外部网络（被访网络）：移动结点当前所在的非归属网络
• 外部代理
• 通信者：希望与该移动节点通信的实体

寻址

为了使用户移动对网络应用透明，希望移动结点保持地址不变
当移动结点位于外部网络，所有访问此结点的流量导向外部网络，两种方式保持网络层地址不变

• 利用路由选择信息交换，实现向其他所有网络发出通告，告诉他们该移动结点在它网络中，并有一条路径可讲数据导向该移动结点永久地址
  • 扩展性不好，不适合用于大型网络
• 将移动性从网络核心搬到网络边缘，由移动结点归属网实现，归属代理跟踪该接点的外部网络
  • 外部代理给移动结点创建一个内网转交地址（外部地址） COA，移动结点与两个地址相关：永久地址和 COA
  • 外部代理告诉归属代理该接点拥有此 COA
  • COA 通过外部代理将数据重新路由选择到移动结点

路由选择

间接路由选择

1. 通信者将数据报寻址到移动结点永久地址，移动性对通信者透明
2. 归属代理截获这些数据报，封装成更大的数据报，通过移动节点的 COA，转发给外部代理
3. 外部代拆封成原始数据报，理转发给移动结点
4. 移动结点可以直接寻址到通信者
   低效：因为三角路由选择

直接路由选择

增加复杂度，解决三角路由低效问题

• 通信者所在网络有一个通信者代理
• 通信者代理向归属网络代理获取移动结点的 COA
• 通信者代理通过隧道技术发往移动结点 COA
  两个重要问题：
• 需要移动用户定位协议，从归属代理获取移动结点 COA
• 如果移动结点移动到另一个外部网络，更新通信者代理中的 COA，两种方法
  • 建立新的协议告知通信者代理变化
  • 将移动结点的外部代理标识为锚外部代理
    • 移动结点在新的外部代理注册后，新外部代理向锚外部代理提供新 COA
    • 锚外部代理帮助转发后续数据报

无线局域网IEEE802.11

使用 CSMA/CA
具有降低传输速率以增加传输距离的能力
支持基础设施模式（配置了接入点）和自组织模式（端端直接互连）

体系结构

• 基站：又称为接入点AP
  • 安装时被分配一个服务集标识符 SSID
  • 分配一个信道号，每个 AP 只能选择一个信道
  • 以 IEEE802.11b 为例
    • 共有 11 个信道
    • 两个信道由 4 个以上信道隔开才无重叠
    • 只有 1,6,11 三个非重叠信道
• 基本服务集 BSS：包含一个或多个无线站点（如手机）和一个接入点的中央基站
  每个无线站点和接入点具有 6 字节 MAC 地址，存储在适配器固件中，由 IEEE 管理，理论上全球唯一

无线主机发现AP

• 每个 AP 周期性发送信标帧，包括其 SSID 和 MAC 地址
• 用户扫描 11 个信道，获得信标帧后，选择其中一个 AP 关联
• 关联后加入该 AP 所属子网
• 向子网发送 DHCP 发现报文，获取子网中的 IP 地址，子网掩码，默认网关 IP 地址，本地域名服务器 IP 地址
  被动扫描： 无线主机扫描信道，监听信标帧
  主动扫码： 主机向范围内所有 AP 发送探测帧

IEEE 802.11的 MAC 协议

采用带碰撞避免的 CSMA 即 CSMA/CA
由于误比特率较高，使用链路层确认重传 ARQ 方案

信道预约

• 发送数据前，先监听信道
• 若空闲，等待一个分布式帧间间隔 DIFS 后，发送一个请求发送 RTS 控制帧
• 目的站收到后如果介质空闲，则等待一个短帧间间隔 SIFS
• 发送允许发送 CTS 控制帧给所有站点，其中包括通信持续时间（NAV）
• 其他站点可以监听两者通信，持续期间不会发送
• 发送站接收到CTS 后等待 SIFS，发送数据
• 目的站接收完毕，等待 SIFS 发送 确认帧 ACK
  优点：
• 只在多个站点同时发送 RTS 时可能冲突，概率很低
• 避免隐藏站点问题

蜂窝网络

IEEE802.11 覆盖范围有限，由蜂窝网络增大覆盖面积
便于随时随地接入因特网

体系结构

第一代1G：为语音通话设计，模拟FDMA系统，已被淘汰
2G：

• 最具代表性的是 GSM
• 使用 200Hz 带宽
• 通过 GPRS 和 EDGE 等技术，接入互联网
  GSM蜂窝：
• 被分为多个小区 cell，即地理覆盖区域
• 每个小区包含一个收发基站 BTS，负责向位于校区内部的移动站点发送或接收信号
• 使用 FDMA/TDMA 组合技术：
  • 信道被划分为F 个子频带
  • 每个子频带，时间被划分为T 个复用帧的时隙
  • 该信道能支持 F*T 个并发呼叫
• 一个基站控制器 BSC 服务几十个 BTS
  • 为用户分配 BTS 信道
  • 寻呼：找出移动用户所在 cell
  • 移动用户切换
• GSM基站系统 BSS 由 STS 和 BSC 构成
• 通过移动交换中心 MSC 管理多个 BSC
• 蜂窝服务提供商由若干个 MSC 构成

GSM 的移动性管理

一种间接路由选择方法管理移动性：

• 用户向某个蜂窝网提供商订购了服务
• 该蜂窝网成了该用户归属网络
  • 归属网络维护一个归属位置注册器 HLR，包括每个用户永久电话号码和位置信息
  • 当一个呼叫定位到用户，将与归属网络 MSC 联系
• 用户当前所在网络为被访网络
  • 维护一个访问者位置注册器 VLR，记录服务网络中每一个用户
  • 用于协调到达或离开用户的呼叫建立

呼叫过程

1. 通信者拨打电话号码后，通过前几位，判别归属网络，到达归属 MSC
2. MSC 查询 HLR 确定用户位置，返回临时漫游号码 MSRN（当用户进入被访网络后，给用户临时分配）
3. 如果 HLR 不具有漫游号码，访问 VLR 地址，获取漫游号码
4. 确定漫游号码后，归属 MSC 向被访网络 MSC 呼叫
5. 被访网络 MSC 通过为用户提供服务的基站呼叫用户
   切换：用户切换为其提供服务的基站

3G

由国际电信联盟 ITU 提出
被分为 CDMA 和 TDMA 两大类
CDMA 占主导

4G

更高速率
由 3GPP 组织推出LTE

5G

由三星提出
有望共用一个标准

移动IP网络

由三部分组成：

• 代理发现
• 向归属代理注册
• 数据报的间接路由选择

代理发现

当某移动 IP 站点到达新网络，必须让外部代理过归属代理知道其身份，通过新的网络地址，使移动结点知道自己进入一个新的外部网络
两种方法实现：

• 代理通告：
  • 代理周期性得广播一个路由器发现 ICMP 报文，其中包含代理的 IP 地址
• 代理请求：
  • 移动结点广播一个代理请求ICMP报文
  • 收到该请求的代理直接向该接点单播一个含有 COA 的代理通告

向归属代理注册

注册和注销 COA 的协议
移动结点收到代理通告后，发出注册请求，到达外部代理和归属代理
归属代理收到后发出注册应答，到达外部代理和移动代理

其他典型无线网络

全球微波互联接入WiMax

IEEE802.16
媲美有线网，一个信号塔覆盖数千米，传输距离更远，速度更快
不能实现用户移动过程中无缝切换，服务质量差，组网性能差

蓝牙

IEEE802.15.1
小范围，低功率，低成本

ZigBee

IEEE802.15.4
较之蓝牙，低功率，低速率，低工作周期
往往用于智能传感器设备