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第七章、无线与移动网络

时间:2020-03-24 20:04:00 来源:互联网 作者: 神秘的大神 字体:

 

 一、无线网络基本结构

  • 1、无线主机
  • 2、无线链路
  • 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、网络基础设斲

无线网络模式

1、基础设施模式:无线主机不基站关联。

2、自组织网络(Ad Hoc Network)、特定网络、Ad Hoc网络:无线主机丌通 过基站,直接不另一个无线主机直接通信 自组织网络:由一组用户群构成,丌需要基站、没有固定的路由器的移劢通 信模式。自组织网络中的每个结点都兼有路由器和主机两种功能。

无线链路的特点:

  • 1、信号强度的衰减:路徂损耗
  • 2、干扰
  • 3、多径传播

隐藏站现象

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发的数 据。

有线网络与无线网络的重要区别主要在:数据链路层和物理层

二、移动网络

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

移动网络的术语

  • 1、移动结点的永久居所:归属网络,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 ,家代理。
  • 3、移动结点当前所在非归属网络:外部网络,被访网络。
  • 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。
  • 5、通信者:不该移动结点通信的实体

移动寻址: 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寻向外 部网络。

保持地址不变的解决办法

  • 方法一:外部网络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) 
  • 方法二: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的做法)

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。外部代理为移动结点创造一个转交地 址(Care-Of Address , COA)
  • 2、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的COA

数据报寻址并转发的方法:间接路由选择和直接路由选择

1、移动结点的间接路由选择:通信者将数据报寻址到移动结点的永久地址。

 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。

该方式存在 三角路由选择问题: 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,然后在发送到被访网络。

2、移动结点的直接路由选择

通信者所在网络中的通信者代理先获取移动结点的COA。通信者代理将数据报发往移动结点的COA

 

 引入的两个问题

  • 1、需要一个移动用户定位协议,以便通信者代理向归属代理查询获得移动结点的COA
  • 2、归属代理仅在会话开始时被通信者代理询问一次COA。

三、无线局域网 IEEE 802.11

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

 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进距离的能力。
  • 4、都支持“基础设斲模式”和“自组织模式”两种模式

IEEE 802.11体系结构的基本构件:

1、基站:接入点(Access Point , AP)

2、基本服务集(Basic Service Set , BSS)    BSS包含:一个接入点,一个或多个无线站点

AP发现:(无线主机怎么找到AP)

  • (1)被动扫描:无线主机扫描信道和监听信标帧。
  • (2)主动扫描:无线主机向其范围内的所有AP广播探测帧。

IEEE802.3标准采用的介质访问控制方法是( CSMA/CD )

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。
  • 2、CSMA/CA协议工作原理 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

CSMA/CA协议工作步骤

  • 1、源站发送数据: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,发送一个径短的请求发送(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、目的站正确收到源站发来的RTS帧:物理介质空闲,等徃一个短帧间间隔(Short InterFrame Spacing , SIFS )时间后,发送一个径短的允许发送(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、其他站点: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:等待一段时间后,发送数据帧,若目的站正确收到了数据帧,在等 待时间后,就向源站大送确认帧(ACK)。

IEEE 802.11帧总共有3种类型:

  • 控制帧:提高工作站数据传输的可靠性。
  • 数据帧:运输想要发送的数据。
  • 管理帧:加入网络,退出网络的管理事宜。

IEEE 802.11数据帧结构

 

 

 

 持续期: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

 

 序号控制: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。

四、蜂窝网络

1、蜂窝网络体系绌构

  • 小区(Cell):蜂窝网覆盖的区域分成的六边形的区域。
  • 收发基站(Base Transceiver Station , BTS):负责小区内的移动站点发送或接收信号。
  • 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。
  • 收发基站(BTS)和基站控制器(BSC)组合形成:基站系统 (Base Station System , BSS)
  • 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。可以管理5个基站控制器

2、蜂窝网络中的移动性管理

间接路由选择方法管理移动性:

  • 1、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,用户当前的位置信息。
  • 2、被访网络维护一个访问位置注册器(Visitor Location Register , VLR)的数据库: 为每一位当前在其服务网络的移动用户提供一个表项。

通信过程:

  • 第一步:通信者拨打移动用户的电话号码。
  • 第二步: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。
  • 第三步:漫游号码确定后,归属移动交换中心通过网络呼叫被访网络的移动交换中 心,被访网络的移动交换中心呼叫移动用户

3、移动通信2G/3G/4G/5G网络

第一代蜂窝移劢通信(1G):淘汰

第二代蜂窝移动通信(2G):

  • 全球移动通信(Global System for Mobile Communication,GSM)系统
  • 短信服务
  • 通用无线分组业务(General Packet Radio Service , GPRS)、
  • 增强数据速率的GSM演进技术 (Enhanced Data Rate for GSM Evolution , EDGE)

第二代蜂窝移动通信(2G):

  • 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。

第三代移动通信系统(3G):

  • 1、国际电信联盟(ITU)提出并研究。 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大技术标准。
  • 2、3G采用CDMA。
  • 3、关键技术:无线传输技术

4G/LTE

  • 1、3GPP组织在2004年开始长期演进(Long Term Evolution,LTE)标准化项目。 在2008年9月开启LTE-Advanced项目。
  • 2、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

5G 5G技术目的:构建网络社会。 5G特点:超高速率传输,超高容量、超可靠性、随时随地可接入性。

五、移动IP网络

移动IP(Mobile IP):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。

代理发现:当移动IP站点到达一个新网络时,移动站点都必须知道相应的外部代 理或归属代理的身份。

  • 1、代理通告:代理周期性的广播一个ICMP报文。
  • 2、代理请求:移动结点广播一个ICMP报文。

向归属代理注册:移动 IP 定义了外部代理向一个移动绌点的归属代理注册戒注销COA所使用的协 议。 步骤:

  • 1、移动结点向外部代理发送一个移动IP注册报文。
  • 2、外部代理收到注册报文并记彔移动绌点的永久IP地址,分配一个COA。
  • 3、外部代理把注册请求发送给归属代理,归属代理检查真实性和正确性。
  • 4、外部代理接收注册应答

 六、其他典型无线网络简介

其他典型无线网络简介: WiMax、 蓝牙 、ZigBee

全球微波互联接入(World Interoperability for Microwave Access , WiMax):又名IEEE 802.16标准,宽带无线标准;

  • Wi Max优势:更进的传输距离;更高速的宽带接入。
  • 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

  • 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的频段。
  • 3、特点:小范围,低功率、低速率和低成本运行。 (一小三低)

ZigBee

  • 1、 IEEE 802.15.4标准
  • 2、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。