計算機網絡 - 無線網絡與移動網絡

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無線局域網

無線局域網的組成

IEEE 802.11

IEEE 802.11 是一個有固定基礎設施的無線局域網的國際標準。簡單地說，802.11 就是無線以太網的標準：

• 它使用星形拓撲，其中心叫作接入點 AP (Access Point)
• 它在MAC層使用 CSMA/CA 協議

凡使用 802.11 系列協議的局域網又稱爲 Wi-Fi (Wireless-Fidelity)。

• 一個基本服務集BSS包括一個基站（接入點AP）和若干個移動站，全部的站在本BSS之內均可以直接通訊，但在和本BSS之外的站通訊時，都要經過本 BSS 的基站。
• 一個接入點（Access Point）通常也是一個無線路由器，它可以使得在其覆蓋範圍內（服務集內）的移動站經由它經過傳輸必定頻率的信號進行交流（是在物理層的交流），而一個移動站若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，並與此接入點創建關聯 (association) 。
• 當網絡管理員安裝AP時，必須爲該AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID和一個信道。
• 一個基本服務集能夠是孤立的，也可經過接入點AP鏈接到一個主幹分配系統 DS (Distribution System)，而後再接入到另外一個基本服務集，構成擴展的服務集 ESS (Extended Service Set)。
• ESS 還可經過門戶(portal) 爲無線用戶提供到非802.11無線局域網（例如，到有線鏈接的互聯網）的接入。門戶的做用就至關於一個網橋。

創建關聯

一個移動站若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，並與此接入點創建關聯(association) 。

只有關聯的 AP 才向這個移動站發送數據幀，而這個移動站也只有經過關聯的 AP 才能向其餘站點發送數據幀。

移動站與AP創建關聯有如下兩種方法:

• 被動掃描

  • 移動站等待接收接入站週期性發出的信標幀(beacon frame)。
  • 信標幀中包含有若干系統參數（如服務集標識符 SSID 以及支持的速率等）。

• 主動掃描

  • 移動站主動發出探測請求幀(probe request frame)，而後等待從 AP 發回的探測響應幀(probe response frame)。

熱點（hot spot）

熱點咱們都不陌生，它也就是無線入網點，通常又辦公室、快餐店等有償或無償向公衆提供。
由許多熱點和AP鏈接起來的區域被稱做熱區 (hot zone)。

【思考時間】爲何對於大多數手機來講，Wi-Fi鏈接和熱點功能不能同時開?（在末尾處會解釋）

如今也出現了無線互聯網服務提供者WISP(Wireless Internet Service Provider) 這一名詞。用戶能夠經過無線信道接入到 WISP，而後再通過無線信道接入到互聯網。

移動自組網絡 (ad hoc network)

自組網絡是沒有固定基礎設施（即沒有 AP）的無線局域網。
這種網絡是由一些處於平等狀態的移動站之間相互通訊組成的臨時網絡，也被稱做移動分組無線網絡。

無線傳感器網絡 WSN

無線傳感器網絡 WSN (Wireless Sensor Network) 是由大量傳感器結點經過無線通訊技術構成的自組網絡。

無線傳感器網絡主要的應用領域就是組成各類的物聯網 IoT (Internet of Things)

802.11局域網的MAC層協議

無線局域網不能簡單地搬用 CSMA/CD 協議，主要有這樣兩個緣由：

• 「碰撞檢測」要求一個站點在發送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但接收到的信號強度每每會遠遠小於發送信號的強度，在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大。
• 即便可以實現碰撞檢測的功能，而且在發送數據時檢測到信道是空閒的時候，在接收端仍然有可能發生碰撞。

無線局域網使用「碰撞檢測」可能發生的「隱蔽站問題」和「暴露站問題」：

所以，無線局域網採用改進的CSMA/CA協議，增長了碰撞避免CA (Collision Avoidance)功能。同時，增長使用中止等待協議。

802.11的MAC層

MAC層經過協調功能來肯定在基本服務集BSS中的移動站在什麼時間能發送數據或接收數據。

MAC層分爲兩個子層：無爭用服務的點協調功能PCF和爭用服務的分佈協調功能DCF（這是必須實現的功能）。
DCF子層在每個結點使用CSMA機制的分佈式接入算法，讓各個站經過爭用信道來獲取發送權。

幀間間隔 IFS

在全部的站發送完成後，欲發送幀的站點必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送，這段時間統稱爲「幀間間隔IFS(InterFrame Space)」。

• 幀間間隔長度取決於該站欲發送的幀的類型：高優先級幀所需等待的時間較短，可得到優先發送權。

SIFS，即短幀間間隔，長度爲28μs，是最短的幀間間隔，用於分隔屬於一次對話的各幀。一個站應當可以在這段時間從發送方式切換到接收方式。
DIFS,即分佈協調功能幀間間隔，它比SIFS的幀間間隔要長得多，長度爲128μs。DIFS通常用來發送數據幀和管理幀。

CSMA/CA協議

先了解如下幾個概念：

爭用窗口

信道從忙態變爲空閒時，任何一個站要發送數據幀時，不只都必須等待一個 DIFS 的間隔，並且還要進入爭用窗口，使用二進制指數退避算法計算隨機退避時間以便再次從新試圖接入到信道。

網絡分配向量 NAV

網絡分配向量（NAV）指出了必須通過多少時間才能完成數據幀的此次傳輸，才能使信道轉入到空閒狀態。
當一個站檢測到正在信道中傳送的MAC幀首部的「持續時間」字段時，就調整本身的網絡NAV。

二進制指數退避算法

第i次退避就在2^(2+i)個時隙中隨機選擇一個。

不須要使用退避算法的狀況：

• 檢測到信道是空閒的，而且這個數據幀是要發送的第一個數據幀

除此之外，都是須要使用退避算法的狀況：

• 發送第一個幀以前檢測到信道處於忙態
• 每一次重傳
• 每一次成功發送後

CSMA/CA算法概括：

(1) 若站點最初有數據要發送（而不是發送不成功再進行重傳），且檢測到信道空閒，在等待時間DIFS後，就發送整個數據幀。

(2) 不然，站點執行 CSMA/CA 協議的退避算法。一旦檢測到信道忙，就凍結退避計時器。只要信道空閒，退避計時器就進行倒計時。

(3) 當退避計時器時間減小到零時（這時信道只多是空閒的），站點就發送整個的幀並等待確認。

(4) 發送站若收到確認，就知道已發送的幀被目的站正確收到了。這時若是要發送第二幀，就要從上面的步驟 (2) 開始，執行 CSMA/CA 協議的退避算法，隨機選定一段退避時間。若源站在規定時間內沒有收到確認幀 ACK（由重傳計時器控制這段時間），就必須重傳此幀（再次使用 CSMA/CA 協議爭用接入信道），直到收到確認爲止，或者通過若干次的重傳失敗後放棄發送。

對信道的預定

爲了更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題，802.11 容許使用RTS(Request To Send)幀和CTS(Clear To Send)幀對要發送數據的站對信道進行預定。

使用RTS幀和CTS幀會使整個網絡的通訊效率有所降低。但與數據幀相比，開銷不算大。
相反，若不使用這種控制幀，則一旦發生碰撞而致使數據幀重發，則浪費的時間就更多。

802.11局域網的MAC幀

802.11數據幀最特殊的地方在於：有四個地址字段。其中地址4用於自組網絡，咱們只討論前三種地址。
不管是同一個BSS內站點間的通訊，仍是須要經過路由器的和其餘BSS中的站點通訊，數據幀都須要通過AP轉發。

去往AP	來自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	來自的AP地址	源地址	目的地址	--

無線我的區域網 WPAN

無線我的區域網 WPAN (Wireless Personal Area Network) 就是在我的工做地方把屬於我的使用的電子設備用無線技術鏈接起來自組網絡，不須要使用接入點 AP。
整個網絡的範圍大約在10m左右。

咱們最熟知的WPAN的應用就是1994年愛立信公司推出的藍牙系統，其標準是 IEEE 802.15.1。

移動通訊

蜂窩無線通訊技術

咱們常說的2G，3G實際上都是蜂窩移動網絡(Cellular Network)標準。
從3G開始，手機能夠「上網」了，咱們稱之爲「移動寬帶技術」。3G使用了IP的體系結構和混合的交換機制（電路交換和分組交換），可以提供移動寬帶多媒體業務，同時也向下兼容（即可以通電話和發送短信）。

而4G更進一步，僅使用分組交換的機制，實現了「低延遲」（low-latency）的數據傳輸。

Wi-Fi和移動上網在物理層（利用基站實現）和IP上層的原理都是相似的。
一個很大的不一樣點就是，在使用流量上網時，數據鏈路層使用的是PPP(點對點)協議。
也就是說，移動上網的設備沒有所謂的MAC地址。
取代MAC地址地位的，天然就是能夠惟一標誌手機設備的SIM卡了。

移動IP

使用移動IP(Mobile IP)，可以容許計算機移動到外地時，仍然保留其原來的 IP 地址。

須要解決的問題：

使用戶的移動性對上層的網絡應用是透明的。

• 獨立於物理層和數據鏈路層
• 支持漫遊和切換
• 兼容固定用戶使用的互聯網和通訊協議

其實只要IP地址不變，這個設備對於上層協議來講就是「不動」的了。
可是移動意味着接入不一樣的局域網，那麼IP地址就必定會根據接入的網絡而改變啊。
若是是你，你會怎麼作呢？

移動IP方案

因而你們想到了一種方法：
讓每一個移動用戶使用兩個IP地址：

• 永久地址（或歸屬地址）
  做爲身份標識
• 轉交地址
  根據移動主機當前位置不斷變化

基本概念

移動站A必須有一個 永久地址，或 歸屬地址 (home address)，其原始鏈接到的網絡叫作 歸屬網絡 (home network)。歸屬網絡中使用的代理叫作 歸屬代理 (home agent) 。
當移動站A移動到另外一個地點，接入的網絡稱爲 被訪網絡(visited network)或 外地網絡 (foreign network)。被訪網絡中使用的代理叫作 外地代理 (foreign agent)。爲移動站A在被訪網絡中建立的臨時地址叫作 轉交地址 (care-of address)。

① B發送給A的數據報被A的歸屬代理截獲了（只有當A離開歸屬網絡時，歸屬代理才能截獲發給A的數據報）。
② 因爲歸屬代理已經知道了A的轉交地址（後面會講到），所以歸屬代理把B發來的數據報進行再封裝，新的數據報的目的地址是A如今的轉交地址。新封裝的數據報發送到被訪網絡的外地代理。這裏使用的是隧道技術或 IP-in-IP。
③ 被訪網絡中的外地代理把收到的封裝的數據報進行拆封，取出B發送的原始數據報，而後轉發給移動站A。這個數據報的目的地址就是A的永久地址。A收到B發送的原始數據報後，也獲得了B的IP地址。
④ 若是如今A要向B發送數據報，狀況就比較簡單。A仍然使用本身的永久地址做爲數據報的源地址，用B的IP地址做爲數據報的目的地址。這個數據報顯然沒有必要在經過A的歸屬代理進行轉發了。

以上這種工做方式也叫做「間接路由選擇」。

然而，間接路由選擇可能會存在「三角路由選擇問題」：即若是發送站B與移動站A當前的位置很近，那麼B->歸屬代理->A的路線就顯得效率比較低了。

於是，與「間接路由選擇」相對的，咱們能夠採用「直接路由選擇」

讓通訊者B建立一個 通訊者代理 (correspondent agent)，讓這個通訊者代理向歸屬代理詢問到移動站在被訪網絡的 轉交地址。而後 由通訊者代理把數據報用隧道技術發送到被訪網絡的外地代理，最後再由這個外地代理拆封，把數據報轉發給移動站。但這是以增長複雜性爲代價的。

① B的通訊者代理從移動站A的歸屬代理獲得A所漫遊到的被訪網絡N1的外地代理。咱們把移動站首次漫遊到的被訪網絡的外地代理稱爲錨外地代理 (anchor foreign agent)。
② 通訊者代理把B發給A的數據報再封裝後，發送到A的錨外地代理。
③ 錨外地代理把拆封後的數據報發送給A。
④ A移動到另外一個被訪網絡N2。
⑤ A向被訪網絡N2的新外地代理登記。
⑥ 新外地代理把A的新轉交地址告訴錨外地代理。
⑦ 當錨外地代理收到發給A的封裝數據報後，就用A的新轉交地址對數據報進行再封裝，而後發送給被訪網絡N2上的新外地代理。在拆封後轉發給移動站A。
同理，若是移動站再漫遊到另外一個網絡，則這個網絡的外地代理將仍然要和錨外地代理聯繫，以便讓錨外地代理之後把發給A的數據報轉發過來。

【爲何通常的手機，沒法同時使用Wi-Fi接入功能和開熱點的功能呢？】在介紹基本服務集的工做方式的時候，咱們已經瞭解到，在一個服務集內，提供無線接入服務的是「接入點」，而與接入點相連的是「移動站」。對通常的手機來講，會有「接入點」模式和「移動站」模式的兩張不一樣時使用的無線網卡。手機在連Wi-Fi的時候，網卡工做在移動站模式；而手機在開熱點的時候，網卡工做在接入點模式，所以這兩種行爲是不能在同一時間並存的。