计算机网络 - 无线网络与移动网络

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无线局域网

无线局域网的组成

IEEE 802.11

IEEE 802.11 是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准。简单地说,802.11 就是无线以太网的标准:

  • 它使用星形拓扑,其中心叫做接入点 AP (Access Point)
  • 在MAC层使用 CSMA/CA 协议

凡使用 802.11 系列协议的局域网又称为 Wi-Fi (Wireless-Fidelity)。
wifi服务集

  • 一个基本服务集BSS包括一个基站(接入点AP)若干个移动站,所有的站在本BSS以内都可以直接通信,但在和本BSS以外的站通信时,都要通过本 BSS 的基站。
  • 一个接入点(Access Point)一般也是一个无线路由器,它能够使得在其覆盖范围内(服务集内)的移动站经由它通过传输一定频率的信号进行交流(是在物理层的交流),而一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS,就必须先选择一个接入点 AP,并与此接入点建立关联 (association) 。
  • 当网络管理员安装AP时,必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID和一个信道。
  • 一个基本服务集可以是孤立的,也可通过接入点AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System),然后再接入到另一个基本服务集,构成扩展的服务集 ESS (Extended Service Set)。
  • ESS 还可通过门户(portal) 为无线用户提供到非802.11无线局域网(例如,到有线连接的互联网)的接入。门户的作用就相当于一个网桥
建立关联

一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS,就必须先选择一个接入点 AP,并与此接入点建立关联(association) 。

只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧,而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧。

移动站与AP建立关联有以下两种方法:

  • 被动扫描

    • 移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。
    • 信标帧中包含有若干系统参数(如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等)。
  • 主动扫描

    • 移动站主动发出探测请求帧(probe request frame),然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)。
热点(hot spot)

热点我们都不陌生,它也就是无线入网点,一般又办公室、快餐店等有偿或无偿向公众提供。
由许多热点和AP连接起来的区域被称作热区 (hot zone)。

【思考时间】为什么对于大多数手机来说,Wi-Fi连接和热点功能不能同时开?(在末尾处会解释)

现在也出现了无线互联网服务提供者WISP(Wireless Internet Service Provider) 这一名词。用户可以通过无线信道接入到 WISP,然后再经过无线信道接入到互联网。

移动自组网络 (ad hoc network)

自组网络是没有固定基础设施(即没有 AP)的无线局域网
这种网络是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络,也被称作移动分组无线网络。

无线传感器网络 WSN

无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) 是由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络

无线传感器网络主要的应用领域就是组成各种的物联网 IoT (Internet of Things)

802.11局域网的MAC层协议

无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议,主要有这样两个原因:

  • “碰撞检测”要求一个站点在发送本站数据的同时,还必须不间断地检测信道,但接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度,在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大
  • 即使能够实现碰撞检测的功能,并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候,在接收端仍然有可能发生碰撞

无线局域网使用“碰撞检测”可能发生的“隐蔽站问题”和“暴露站问题”:
隐藏站问题与暴露站问题

因此,无线局域网采用改进的CSMA/CA协议,增加了碰撞避免CA (Collision Avoidance)功能。同时,增加使用停止等待协议

802.11的MAC层

MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据

MAC层分为两个子层:无争用服务的点协调功能PCF争用服务的分布协调功能DCF(这是必须实现的功能)。
DCF子层在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权

帧间间隔 IFS

在所有的站发送完成后,欲发送帧的站点必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送,这段时间统称为“帧间间隔IFS(InterFrame Space)”。

  • 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型:高优先级帧所需等待的时间较短,可获得优先发送权。

SIFS,即短帧间间隔,长度为28μs,是最短的帧间间隔,用于分隔属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间从发送方式切换到接收方式。
DIFS,即分布协调功能帧间间隔,它比SIFS的帧间间隔要长得多,长度为128μs。DIFS一般用来发送数据帧和管理帧。

CSMA/CA帧发送示意图

CSMA/CA协议

先了解以下几个概念:

争用窗口

信道从忙态变为空闲时,任何一个站要发送数据帧时,不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔,而且还要进入争用窗口,使用二进制指数退避算法计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。

网络分配向量 NAV

网络分配向量(NAV)指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输,才能使信道转入到空闲状态。
当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时,就调整自己的网络NAV。

二进制指数退避算法

第i次退避就在2^(2+i)个时隙中随机选择一个。

不需要使用退避算法的情况:

  • 检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧

除此以外,都是需要使用退避算法的情况:

  • 发送第一个帧之前检测到信道处于忙态
  • 每一次重传
  • 每一次成功发送后
CSMA/CA算法归纳:

(1) 若站点最初有数据要发送(而不是发送不成功再进行重传),且检测到信道空闲,在等待时间DIFS后,就发送整个数据帧。

(2) 否则,站点执行 CSMA/CA 协议的退避算法。一旦检测到信道忙,就冻结退避计时器。只要信道空闲,退避计时器就进行倒计时。

(3) 当退避计时器时间减少到零时(这时信道只可能是空闲的),站点就发送整个的帧并等待确认。

(4) 发送站若收到确认,就知道已发送的帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧,就要从上面的步骤 (2) 开始,执行 CSMA/CA 协议的退避算法,随机选定一段退避时间。若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧(再次使用 CSMA/CA 协议争用接入信道),直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

对信道的预约

为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题,802.11 允许使用RTS(Request To Send)帧和CTS(Clear To Send)帧对要发送数据的站对信道进行预约
对信道进行预约

使用RTS帧和CTS帧会使整个网络的通信效率有所下降。但与数据帧相比,开销不算大。
相反,若不使用这种控制帧,则一旦发生碰撞而导致数据帧重发,则浪费的时间就更多。

802.11局域网的MAC帧

802.11数据帧最特殊的地方在于:有四个地址字段。其中地址4用于自组网络,我们只讨论前三种地址。
无论是同一个BSS内站点间的通信,还是需要通过路由器的和其他BSS中的站点通信,数据帧都需要经过AP转发

去往AP 来自AP 地址1 地址2 地址3 地址4
0 1 目的地址 去往的AP地址 源地址 --
1 0 来自的AP地址 源地址 目的地址 --

无线个人区域网 WPAN

无线个人区域网 WPAN (Wireless Personal Area Network) 就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络,不需要使用接入点 AP。
整个网络的范围大约在10m左右。

我们最熟知的WPAN的应用就是1994年爱立信公司推出的蓝牙系统,其标准是 IEEE 802.15.1。

移动通信

蜂窝无线通信技术

cell_network

我们常说的2G,3G实际上都是蜂窝移动网络(Cellular Network)标准。
从3G开始,手机可以“上网”了,我们称之为“移动宽带技术”。3G使用了IP的体系结构和混合的交换机制(电路交换和分组交换),能够提供移动宽带多媒体业务,同时也向下兼容(即能够通电话和发送短信)。

GSM

而4G更进一步,仅使用分组交换的机制,实现了“低延迟”(low-latency)的数据传输。

Wi-Fi和移动上网在物理层(利用基站实现)和IP上层的原理都是类似的。
一个很大的不同点就是,在使用流量上网时,数据链路层使用的是PPP(点对点)协议。
也就是说,移动上网的设备没有所谓的MAC地址。
取代MAC地址地位的,自然就是可以唯一标志手机设备的SIM卡了。

移动IP

使用移动IP(Mobile IP),能够允许计算机移动到外地时,仍然保留其原来的 IP 地址

需要解决的问题:

使用户的移动性对上层的网络应用是透明的。

  • 独立于物理层和数据链路层
  • 支持漫游和切换
  • 兼容固定用户使用的互联网和通信协议

其实只要IP地址不变,这个设备对于上层协议来说就是“不动”的了。
但是移动意味着接入不同的局域网,那么IP地址就一定会根据接入的网络而改变啊。
如果是你,你会怎么做呢?

移动IP方案

于是大家想到了一种方法:
让每个移动用户使用两个IP地址

  • 永久地址(或归属地址)
    作为身份标识
  • 转交地址
    根据移动主机当前位置不断变化

基本概念

移动IP的工作过程

移动站A必须有一个永久地址,或归属地址 (home address),其原始连接到的网络叫做归属网络 (home network)。归属网络中使用的代理叫做归属代理 (home agent) 。
当移动站A移动到另一个地点,接入的网络称为被访网络(visited network)或外地网络 (foreign network)。被访网络中使用的代理叫做外地代理 (foreign agent)。为移动站A在被访网络中创建的临时地址叫做转交地址 (care-of address)。

① B发送给A的数据报被A的归属代理截获了(只有当A离开归属网络时,归属代理才能截获发给A的数据报)。
② 由于归属代理已经知道了A的转交地址(后面会讲到),因此归属代理把B发来的数据报进行再封装,新的数据报的目的地址是A现在的转交地址。新封装的数据报发送到被访网络的外地代理。这里使用的是隧道技术或 IP-in-IP。
③ 被访网络中的外地代理把收到的封装的数据报进行拆封,取出B发送的原始数据报,然后转发给移动站A。这个数据报的目的地址就是A的永久地址。A收到B发送的原始数据报后,也得到了B的IP地址。
④ 如果现在A要向B发送数据报,情况就比较简单。A仍然使用自己的永久地址作为数据报的源地址,用B的IP地址作为数据报的目的地址。这个数据报显然没有必要在通过A的归属代理进行转发了。

以上这种工作方式也叫作“间接路由选择”。

然而,间接路由选择可能会存在“三角路由选择问题”:即如果发送站B与移动站A当前的位置很近,那么B->归属代理->A的路线就显得效率比较低了。

因而,与“间接路由选择”相对的,我们可以采用“直接路由选择

直接路由选择

让通信者B创建一个通信者代理 (correspondent agent),让这个通信者代理向归属代理询问到移动站在被访网络的转交地址。然后由通信者代理把数据报用隧道技术发送到被访网络的外地代理,最后再由这个外地代理拆封,把数据报转发给移动站。但这是以增加复杂性为代价的。

① B的通信者代理从移动站A的归属代理得到A所漫游到的被访网络N1的外地代理。我们把移动站首次漫游到的被访网络的外地代理称为锚外地代理 (anchor foreign agent)。
② 通信者代理把B发给A的数据报再封装后,发送到A的锚外地代理。
③ 锚外地代理把拆封后的数据报发送给A。
④ A移动到另一个被访网络N2。
⑤ A向被访网络N2的新外地代理登记。
⑥ 新外地代理把A的新转交地址告诉锚外地代理。
⑦ 当锚外地代理收到发给A的封装数据报后,就用A的新转交地址对数据报进行再封装,然后发送给被访网络N2上的新外地代理。在拆封后转发给移动站A。
同理,如果移动站再漫游到另一个网络,则这个网络的外地代理将仍然要和锚外地代理联系,以便让锚外地代理以后把发给A的数据报转发过来。

【为什么一般的手机,无法同时使用Wi-Fi接入功能和开热点的功能呢?】
在介绍基本服务集的工作方式的时候,我们已经了解到,在一个服务集内,提供无线接入服务的是“接入点”,而与接入点相连的是“移动站”。
对一般的手机来说,会有“接入点”模式和“移动站”模式的两张不同时使用的无线网卡。
手机在连Wi-Fi的时候,网卡工作在移动站模式;而手机在开热点的时候,网卡工作在接入点模式,因此这两种行为是不能在同一时间并存的。

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兔子洞精选
图比较好看。

乌龟爬兔子洞。

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