{
无线网络
移动网络
无线局域网IEEE 802.11
蜂窝网络
移动IP网络
其他典型无线网络简介
}

无线网络

无线网络{
无线网络基本结构
无线链路与无线网络特性
}

一、无线网络基本结构：
1、无线主机(wireless host)
2、无线链路(wireless communication link)
3、基站(base station)： 蜂窝网络中的蜂窝塔(cell tower) IEEE 802.11无线局域网中的接入点(Access Point,AP) 4、网络基础设施

二、无线网络模式：
1、基础设施模式(infrastructure mode) 无线主机与基站关联
2、自组织网络(Ad Hoc Network),或特定网络，Ad Hoc网络。
无线主机不通过基站，直接与另一个无线主机直接通信
Ad Hoc 网络是一种由一组用户群构成，不需要基站、没有固定的路由器的移动通信模式。
移动 Ad Hoc 网络中的每个结点都兼有路由器和主机两种功能。

一、无线链路的特点：
1）信号强度的衰减(fading)：路径损耗(path loss)
2）干扰
3）多径传播

二、隐藏站现象(hidden terminal problem)
1、站点A、C都向站点B发送数据；
2、站点A、C之间有物理阻挡，双方都无法检测出对方发送的信号。
3、站点A、C都向站点B发送数据时，发生碰撞，站点B无法正确接收任何一方的数据。

三、无线网络特点
1、多路访问控制协议更复杂。
2、使用不同链路技术的无线网络覆盖区域和链路速率不同。

移动网络

{
移动网络的基本原理
寻址
移动网络的结点的路由选择
}

一、移动网络基本原理
1、从网络层的角度分析用户的移动性
2、移动结点的地址始终保持不变的重要性
3、可用的有线基础设施的支持

二、移动网络的基本概念和术语
1、一个移动结点的永久居所：归属网络(home network)，家网。
2、在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体：归属代理 (home agent)，家代理。
3、移动结点当前所在非归属网络：外部网络(foreign network)，被访网 络(visited network)。
4、在外部网络中帮助移动结点做移动管理功能的实体：外部代理(foreign agent)。
5、通信者(correspondent)：与该移动结点通信的实体。

一、移动寻址
为了使用户移动性对网络应用透明，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 点永久地址的流量需要导向外部网络。

二、保持地址不变的解决办法：
1、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。(不适合用于大规模网络)
2、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。 (实际上移动网络采取这种做法)

寻址：
三、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。
1、将外部代理放置在外部网络的边缘路由器上。外部代理位移动结点创造一个转交地址(Care-Of Address,COA，这个COA地址又叫外部地址(foreign address))
2、一个移动结点与永久地址和COA都相连。
3、外部代理告诉归属代理该移动结点在我的网络中的COA。
4、移动结点本身也可以承担外部代理的责任。

COA：将数据报通过外部代理“重新路由选择”交给移动结点。

数据报寻址并转发的方法：间接路由选择和直接路由选择

移动结点的间接路由选择 ： 通信者只需将数据报寻址到移动结点的永久地址，并发送到网络中就可以。

image.png

二、间接路由选择所需要的网络层新功能：
1）移动结点到外部代理的协议：注册，取消。
2）外部代理到归属代理的注册协议：外部代理告诉归属代理COA
3）归属代理数据报封装协议：归属代理封装原始数据报，转发。
4）外部代理拆封协议：从封装好的数据报中提取原始数据报，转发。

间接路由选择方法存在一个三角路由选择问题(triangle routing problem)。 该问题是指即使通信者和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，然后在发送到外部网络。

移动结点的直接路由选择
通信者所在网络中的一个通信者代理(correspondent agent)先获取该移动结点的COA。通信者代理将数据报通过隧道技术发往移动结点的COA。

image.png

三、直接路由选择引入的两个问题
1、需要一个移动用户定位协议(mobile-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、当一个移动结点从一个外部网络移动到另一个外部网络时，归属代理仅在会话开始时被通信者代理询问一次COA。

无线局域网IEEE 802.11

{
IEEE 802.家族
IEEE 802.11 体系结构
IEEE 802.11 MAC 协议
IEEE 802.11 帧
}

IEEE802家族

一、IEEE 802家族由一系列局域网(Local Area Network,LAN)技术规范所组成。 IEEE 802.11发表于1997年，是原始标准。

二、比较流行的IEEE 802.11 标准小结

标准 频率范围/GHz 数据率
IEEE 802.11b 2.4 最高为11 Mbit/s
IEEE 802.11a 5 最高为54 Mbit/s
IEEE 802.11g 2.4 最高为54 Mbit/s
IEEE 802.11n 2.4/5 最高为600 Mbit/s

二、比较流行的IEEE 802.11 标准小结
共同点:
1、都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA(冲突避免)(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
2、链路层帧使用相同的帧格式。
3、都具有降低传输速率以传输更远距离的能力。
4、都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。

IEEE 802.11体系结构

一、IEEE 802.11体系结构的基本构件：
1、基站(base station)，
又称为接入点(Access Point,AP)
2、基本服务集(Basic Service Set,BSS)
一个BSS包含： 一个或多个无线站点
一个接入点的中央基站

IEEE 802.11体系结构的基本构件：
AP发现:
(1)被动扫描：无线主机扫描信道和监听信标帧的过程。
(2)主动扫描：无线主机向其范围内的所有AP广播探测帧。

IEEE 802.11的MAC协议

1、IEEE 802.11的MAC协议采用CSMA/CA协议。 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ：带碰撞避免的载波监听多路访问协议。

通过请求发送(RTS)帧和允许发送(CTS)帧的交换，实现信道预约占用，避免数据帧传输过程中冲突。
image.png

二、CSMA/CA协议原理
1、源站发送数据之前，先监听。若空闲，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控制帧：源地址，目的地址，本次通信所需的持续时间。

2、若目的站正确收到源站发来的RTS帧，且物理介质空闲，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。
CTS控制帧：本次通信持续时间等

3、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，这个时间被称为网络分配向量(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。

4、源站收到CTS帧后，在等待一段SIFS时间后，即可发送数据帧，若目的站正确收到了数据帧，在等待时间SIFS后，就向源站发送确认帧(ACK)。

IEEE 802.11帧

一、IEEE 802.11帧总共有3种类型：控制帧；数据帧；管理帧。

IEEE 802.11数据帧结构
image.png

1、MAC首部：共30字节。
2、帧主体：帧的数据部分，不超过2312字节。
通常IEEE 802.11帧的长度都小于1500字节。
3、尾部：帧检验序列FCS，共4字节。

4、4个地址字段

5、序号字段：在IEEE 802.11网络中，站点正确收到其他站点的帧后，都会发一个确认帧。确认帧可能丢失，发送站点会发送一个帧的多个副本，使用序号可以区分新传输的帧和以前帧的重传。

6、持续期字段：IEEE 802.11的MAC协允许传输结点预约信道一段时间，持续值被包括在该帧的持续期字段中。

7、帧控制字段：包含多个子字段。 类型和子类型字段：用于区分RTS帧、CTS帧、ACK帧和数据帧。

移动网络

{
蜂窝网络体系结构
蜂窝网络中的移动性管理
移动通信2G/3G/4G/5G网络
}

蜂窝网络体系结构

一、基站系统((Base Station Systerm,BSS)：
1、基站控制器(Base Station Controller ，BSC) 为移动用户分配BTS无线信道，执行寻呼， 执行移动用户的切换。 2、收发基站(Base Transceiver Station,BTS) 向位于其小区内的移动站点发送或接收信号。

一、基站系统((Base Station Systerm,BSS)：
1、基站控制器(Base Station Controller ，BSC) 为移动用户分配BTS无线信道，执行寻呼， 执行移动用户的切换。
2、收发基站(Base Transceiver Station,BTS) 向位于其小区内的移动站点发送或接收信号。

image.png

以2G蜂窝移动通信网络为例的蜂窝网络体系结构
1、蜂窝：是指由一个蜂窝网覆盖的区域被分成许多称作小区(Cell) 的地理覆盖区域。
2、收发基站(Base Transceiver Station,BTS)：负责向小区内的移动 站点发送或接收信号。
3、基站控制器(Base Station Controller,BSC )：服务于收发基站，为用户分配BTS无线信道、执行寻呼， 执行移动用户的切换。 基站控制器及其控制的收发基站共同构成了GSM基站系统(Base Station Systerm,BSS)
4、移动交换中心(Mobile Switching Center,MSC)：在用户鉴别和账户管理以及呼叫建立和切换中起决定性作用。单个MSC包含5个基站控制器。

蜂窝网络发展历史
1、第一代蜂窝移动通信(1G):淘汰了
2、第二代蜂窝移动通信(2G):
GSM(Global System for Mobile Communication)系统；
短信服务；
GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线服务技)；
EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution ,增强型数据速率GSM演进技术）
3、3G，4G，5G

蜂窝网络中的移动性管理

一、GSM标准采用的是间接路由选择方法管理移动性。
1、GSM的归属网络维护一个归属位置注册器(Home Location Register,HLR)的数据库：每个用户的永久蜂窝电话号码，用户个人信息，这些用户当前的位置信息。
2、GSM的被访网络维护一个访问者位置注册器(Visitor Location Register,VLR)的数据库：为每一当前在其服务网络的移动用户提供一个表项。

image.png

GSM通信过程:

  1. 通信者拨打移动用户的电话号码
  2. 归属移动交换中心收到该呼叫，查询归属位置注册器来确定移动用户的位置。确定移动用户的漫游号码。
  3. 漫游号码确定后，归属移动交换中心通过网络向被访网络的移动交换中心呼叫，最后被访网络的移动交换中心呼叫移动用户

移动通信2G/3G/4G/5G网络

一、2G网络
1、GSM系统是第二代移动电话系统的开端。
2、GSM业务，可以分为承载业务、电信业务、附加业务三大类。
3、GSM系统采用的是FDMA和TDMA混合接入的方式。

二、3G网络
1、国际电信联盟(ITU)提出并研究。 国际电信联盟(ITU)在2000年确定了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大技术标准。
2、3G是采用宽带CDMA技术的通信系统。
3、工作频段为2000MHz。

三、4G/LTE网络
3GPP组织在2004年开始长期演进(Long Term Evolution,LTE)标准化项目。
3GPP在2008年9月开启LTE-Advanced项目。
4G特点： 高速率传输，智能化，业务多样化，无缝接入，后向兼容，经济

四、5G网络
5G技术的目的是构建网络社会，意味着除满足超高速率传输需求外，还需满足超高容量、超可靠性、随时随地可接入性等需求，以解决未来移动互联网的流量风暴、网络拥塞等问题。

移动IP网络

{
代理发现
向归属代理注册
}

代理发现

移动IP(Mobile IP)由国际互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，IETF）开发，允许计算机移动到外地时，任然保持其原来的IP地址。
移动IP标准：代理发现；向归属代理注册，数据报的间接路由选择。

一、代理发现：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，移动结点都必须知道相应的外部代理或归属代理的身份。 代理发现可以通过两种方式实现：代理通告、代理请求

1、代理通告(agent advertisement)：代理周期性的广播一个类型字段为9(路由器发现)的ICMP报文。

向归属代理注册

一、移动 IP 定义了移动结点/或外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销COA所使用的协议。一旦某个移动IP收到了一个 COA，则该地址必须向归属代理注册。

过程：

  1. 当收到一个外部代理通告后，移动结点立即向外部代理发送一个移动IP注册报文
  2. 外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址，分配一个COA。并且把注册请求发送给归属代理。
  3. 归属代理接收注册请求并检查真实性和正确性 。
  4. 外部代理接收注册应答，然后将其转发给移动结点 。

其他典型无线网络简介

{
WiMax
蓝牙
ZigBee
}

WiMax

一、全球微波互联接入(World Interoperability for Microwave Access,WiMax)又被称为IEEE 802.16标准，宽带无线标准。

Wi Max优势： 更远的传输距离，可以达到50km 更高速的宽带接入，最高可达300Mbit/s 。
Wi Max劣势： 不能支持用户在移动过程中无缝切换、 产业基础薄弱、和传统的蜂窝网络无法完全兼容。

蓝牙

二、蓝牙
1、IEEE 802.15.1标准。无线个人区局域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)标准。
2、工作在全球通用的2.4GHZ的ISM频段。
3、小范围，低功率、低速率和低成本运行。

ZigBee

三、ZigBee（ IEEE 802.15.4标准）
1、第二个个人区域网络标准。
2、低功率、低数据速率、低工作周期。