无线与移动网路
本文共--字 阅读约--分钟 | 浏览: -- Last Updated: 2021-04-18
一、无线网络
无线网络的基本结构
1、无线主机：主机是应用程序的端系统设备，可以是便携机、掌上机、智能手机或桌面计算机。
2、无线链路：主机通过无线通信链路连接到一个基站或者另一台主机，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：是无线网络基础设施的一个关键部分，没有明确的对应设备，负责向与之相关的无线主机发送数据或接受主机发送的数据。
4、网络基础设施：通常是大规模的有限网络。基站在无线主机与网络基础设施之间起着链路层中继作用。
5、自组织网络（Ad Hoc网络）：无线主机与基站关联，并通过基站实现通信中继的无线网络通常被称为基础设施模式。因为所有传统的网络服务（如地址分配和路由选择）都由网络通过基站向关联的主机提供；而**无线主机不通过基站直接与另一台无线主机直接通信的无线网络模式称为自组织网络；**由主机自身提供诸如地址分配、路由选择等服务；
6、切换：当一台移动主机超出一个基站的覆盖范围，而达到另一个基站的覆盖范围后，它将改变其接入到网络基础设施的基站，这一过程称作切换（hand off）。
无线链路与无线网络的特性
无线链路有别于有线链路的表现：
1、信号强度的衰减：电磁波在穿越物体时强度将减弱，即使在只有空间中，信号也会衰减，这使得信号强度随着发送方和接收方距离的增加而减弱，也称为路径损耗(path loss)
2、干扰：在同一个频段发送信号的电波源将相互干扰
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。
4、隐藏终端问题：如果A向B发送数据，而C和A之间被物理环境阻挡，收不到A的信号（AC之间相互不知道对方的存在），如果此时C也向B发送数据，就会发送碰撞，站点B无法正确接收任何一方的数据，这就是隐藏终端问题；
总结：隐藏终端问题和衰减，使得无线网络的多路访问控制协议的复杂性远高于有线网络，且无线链路中的比特差错将比有线网络中更为常见。
二、移动网络
移动网络基本原理
1、不同的移动性需求：是否维持一个不间断的连接；
2、网络层地址保持不变的重要性：因为一个因特网应用程序需要知道它与之通信的远端实体的IP地址和端口号，如果一个实体能在移动过程中保持其IP地址不变，从应用的角度，移动性就变得透明了。这种透明性有十分重要的价值。移动IP网络提供了这种透明性，它允许移动结点在网络间移动的同时维持其永久的IP地址；
3、有限基础设施的支持：不管如何（Ad Hoc网络除外）大部分情况都需要有限基础设施的支持；
寻址
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或称为家网，在归属网络中执行移动管理功能的实体较归属代理或家代理；移动结点当前所在的非归属网络称为外部网络（foreign network）或被访网络（visited network），在外部网络中执行移动管理功能的实体称为外部代理（foreign agent）；
保持移动结点从一个网路移动到另一网络时保持其地址不变：
1、初始状态
移动结点位于归属网络中，拥有一个永久地址P，即也存在一个归属代理PA，如果与通信方通信，接收时通信方将数据发送到归属代理，归属代理在发送到主机上，发送时亦如此；
2、如果移动结点移动到了另一个网络中
此时另一个网络就是被访网络V，也存在一个代理即外部代理VA，此时归属代理将会告知外部代理此移动结点的永久地址P，外部代理会生成一个转交地址（COA，Care-of Address）告知归属代理；此时再与通信方通信，接收时，通信方跟以前一样依然将数据发送到归属代理，归属代理此时则将数据发送给外部代理（通过隧道技术，在IP包上在加一个头部，其目的地则为转交地址），再由外部代理将数据发送给此时处于被访网络的移动结点，而在发送时，移动结点将数据发送给外部代理，外部代理直接将数据发送给通信方（通信方的地址保持不变），这样就形成了三角网络。
移动结点的路由选择
1、间接路由选择：由归属代理转发数据给外部代理（上面的三角网络）。
三角网络的问题（triangle routing problem）：指通信着与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再发送到外部网络；
2、直接路由选择：由通信代理通过归属代理获得转交地址，直接发送到外部代理；不同的是，归属代理在接收到数据之后，此时归属代理知道了移动结点不在自己归属网络中，且知道了移动结点的转交地址，告知通信方，此时通信方收到后，就直接发送到外部代理（目的地就是转交地址）。
直接路由选择也带来了另外两个问题：
1）需要一个移动用户定位协议（moblie-user location protocol），以便通信者代理向归属代理查询获得移动结点的COA；
2）当移动结点从一个外部网络移动到另一个外部网络时，使用间接路由选择，则需要更新归属代理维持的COA就可以了，而直接路由选择只会在会话开始时被通信者代理询问一次COA，这并不足以解决将数据发送到移动结点的新的外部网络中，一种解决方案是，创建一个新的协议来告知通信者变化后的COA，另一种方案是，将首次发现的移动结点的外部代理标识为锚外部代理（anchor foreign agent），当移动结点到达一个新的外部网络后，移动结点向新的外部代理注册，并且新的外部代理将新的转交地址提供给锚外部代理，当锚外部代理收到一个已经离开了的移动结点的封装数据后，可以使用新的COA重新封装数据将其转发给移动结点；
三、无线局域网 IEEE 802.11
IEEE 802.11体系结构
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。
无线主机如何发现AP呢？每个AP周期性地发送信标帧（beacon frame），每个信标包括该AP的SSID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的AP，选择一个AP进行关联，过程可分为主动扫描和被动扫描
1、主动扫描（active scanning）：无线主机通过向位于无线主机范围内的所有AP广播探测帧 的过程，在探测到多个可选AP后，选择一个与其关联。向此AP发送一个关联请求帧，该数据便可以加入该AP所属的子网，该主机通过关联的AP向该子网发送一个DHCP发现报文，并基于DHCP获取该AP所在子网中的一个IP地址、子网掩码、默认网关IP地址以及本地域名服务器IP地址，从而成功加入子网；
2、被动扫描（passive scanning）无线主机扫描信道和监听信标帧的过程；
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/CA通过RTS帧和CTS帧的交换，可以实现信道的预约占用，避免数据帧传输过程中的冲突。
DIFS：Distributed Inter-Frame Space，分布式帧间间隔
RTS：Request To Send，请求发送
CTS：Clear To Send，允许发送
SIFS: Short Inter-Frame Space，短帧间隔
原理是：
源站在发送数据之前，必须先监听信道，若信道空闲，等待一个DIFS的时间后，发送一个RTS控制帧，若目的站收到源站发来的RTS且空闲，则等待一个SIFS后发送一个CTS控制帧作为响应，并且给其范围内所有其他站点也发送一个CTS帧，告知信道已被占用，源站再收到CTS之后，等待SIFS时间后，开始发送数据帧，若目的站正确收到了源站发来的数据帧，在等待SIFS时间后，就向源站发送确认帧（ACK）；其他站点在其持续通信时间内不会发送，这个时间段被称为NAV（Network Allocation Vector）网络分配向量。
有效的解决了隐藏站的问题，当然并不是完全消除冲突，当两个站点同时发送RTS时就会冲突，由于收不到CTS，两个站点都会在随机避让一段时间后再次发送RTS，因为RTS和CTS帧很短，这类帧的冲突与数据帧的冲突相比，造成的信道浪费要小很多。
IEEE 802.11帧
1、IEEE 802.11的帧类型：控制帧、数据帧、管理帧
2、MAC首部
长度30字节；特殊的是包含4个地址字段（主要使用目的地址、源地址、AP地址）
因为无线主机发送数据帧必须通过AP，其中帧控制中的去往AP和来自AP用来表示是发送给AP的帧还是接收来自AP的帧；
当是发送给AP时，即去往AP=1，来自AP=0，首部中的地址1就是AP地址（直接接收方），地址2就是源地址（发送方），地址3就是目的地址（最终接收方）；
当从AP处接收数据时时，即去往AP=0，来自AP=1，首部中的地址1就是目的地址（直接接收方），地址2就是AP地址（发送方），地址3就是源地址（最初发送方）；
持续期字段：IEEE 802.11的MAC协议允许传输结点预约信道一段时间，包括传输数据帧的时间和传输确认帧的时间；
帧控制中的子类型字段用于区分关联帧、RTS帧、CTS帧、ACK帧和数据帧；
四、蜂窝网络
GSM：Global System for Moblie Communication，2G的代表性体制，该系统使用200k Hz的带宽，除了基本的语音通信，还能提供低速数字通信（短信服务），能够使用GPRS和EDGE技术接入互联网服务；
一个GSM网络的基站控制器(Base station Controller, BSC)通常服务于几十个收发基站，BSC的责任是为移动用户分配BTS无线信道，执行寻呼（找到某移动用户所在的小区），执行移动用户的切换；BSC及其控制的收发基站构成了GSM基站系统（BSS，Base Station System）；
移动交换中心（Moblie Switching Center， MSC）在用户鉴别和账户管理以及呼叫建立和切换中起着决定性的作用，单个MSC通常包含多达5个BSC，一个蜂窝服务提供商的网络将由若干个MSC构成，并使用称为网关MSC的特殊MSC与更大公共电话网相连。
蜂窝网络中的移动性管理
GSM标准采用了一种间接路由选择方法管理移动性，移动用户想某个蜂窝网提供商订购了服务，该蜂窝网就成为了这些用户的归属网络，移动用户当前所在网络被称为被访网络；
GSM的归属网络中维护一个归属位置注册器（Home Location Register）HLR的数据库，HLR中包括每个用户的永久蜂窝电话号码、用户个人信息以及这些用户当前的位置信息，当一个移动用户漫游到另一个提供商的蜂窝网络中，HLR中将包含足够多的信息，来获取被访网络中对移动用户的呼叫应该路由选择到的地址；
GSM的被访网络中维护一个称作访问者位置注册器（Victor Location Register）VLR的数据库，VLR为每一个当前在其服务网中的移动用户包含一个表项，这些表项随用户的进入和离开网络出现或消失，通常与移动交换中心在一起；
当一个通信者对一个手机移动通信用户进行呼叫时：
1、通过号码判断移动用户的归属网络，通过公共交换电话网到达移动用户归属网络的归属MSC；
2、归属MSC收到呼叫通过HLR来确定移动用户的位置，然后返回一个漫游号码，与永久固定的手机号码不一样，漫游号码是临时的，当用户进入一个被访网络后，会给用户临时分配一个漫游号码，如果HLR不具有该漫游号码，则返回被访网络的VLR，归属MSC通过查询VLR以便获取移动站点的漫游号码；
3、漫游号码确定后，归属MSC呼叫被访网络的MSC，然后被访网络的MSC呼叫用户，最后呼叫建立；
整个过程：通信者 -> 归属MSC -> 被访MSC -> 为移动用户服务的基站 -> 用户；
移动通信网络
2G网络：信令和语音信箱都是数字式的；
3G网络：无线通信和互联网等多媒体通信结合；
4G网络：高速率数据业务，不同频段、不同业务环境间的无缝漫游；
5G网络：超高容量、超可靠性、随时随地接入性；
五、移动IP网络
移动IP由IETF开发，允许计算机移动到外地时，仍然保留其原来的IP地址，移动IP标准由3部分组成：代理发现，向归属代理注册以及数据报的间接路由选择；
代理发现
代理发现（agent discovery）指的是当某移动IP站点到达一个新网络时，不管是连到一个外部网络还是返回其归属网络，它都必须知道相应的外部代理或归属代理的身份；
有两种方式实现：
1、代理通告：外部代理或归属代理使用一种现有路由器发现协议的扩展协议来通告其服务，周期性地在所有连接的链路上广播一个类型字段为9（路由器发现）的ICMP报文，报文中就会包含该代理的IP地址；
2、代理请求：移动结点广播一个代理请求报文，报文是一个类型值为10的ICMP报文，收到该请求的代理将直接向该移动结点单播一个代理通告。
向归属代理注册
一旦某个移动IP结点收到一个COA（即移动到了被访网络），则必须将该COA向归属代理注册，以便归属代理知道其位置，当离开该COA时也有向归属代理注销该COA；
其过程是：
1、移动结点向外部代理发送一个移动IP注册报文；
2、外部代理记录移动结点的永久IP地址，并发送注册请求给归属代理；
3、归属代理接收注册请求并发送注册应答；
4、外部代理接收注册应答，然后将其转发给移动结点；
而注销则是，当移动结点移动到一个新网（不管是被访网络还是归属网络）并注册一个新的COA时，旧的COA则自动被替换，相当于是注销了旧的COA；
六、其他典型无线网络简介
1、WiMax：World Interoperability for Microwave Access，又称IEEE 802.16标准，是一种城域网技术，传输距离更远，接入宽带更高。
2、蓝牙：IEEE 802.15.1 小范围，低功率，低成本，自组织。
3、ZigBee：IEEE 802.15.4 低功率，低数据速率，低工作周期。