计算机网络(6)-----无线网络和移动网络

思惟导图

    这篇文章主要是讨论无线网络和移动网络即咱们通常所说的WiFi和手机网络.主要分为4个部分.第一部分引言主要大体的描述一下无线网络和移动网络的特色以及和有限网络的区别.第二部分讨论WiFi,第二部分讨论蜂窝网络.因为有线网络和和无线网络的最大区别在于无线网络能够移动并且须要保持网络的链接,因此第四部分会讨论无线网络的移动管理.

 

一.引言

这个小节主要是无线网络和移动网络的构成以及他们的特征

1.1构成

无线网络和移动网络的构成大体相同,都是有三部分组成

• 无线主机:就是咱们所用的终端,如手机,电脑等.
• 基站:负责协调无线主机和网络基础设施之间的通信,好比交换机,信号塔
• 无线链路:主机经过无线通讯链路链接到一个基站

     

1.2网络特征

1.2.1 与有限链路的区别

无线链路和有限链路最主要的区别以下:

• 递减的信号强度:随着阻碍物和距离的增长,信号的强度会有至关大的损失
• 来自其余源的干扰:无线信号会被其余源的无线信号干扰到,好比电磁炉
• 多径传播:同一个信号可能会通过多种物质的反射从而在不一样时间点传播的同一接收点中.

1.2.2会产生的问题

因为信号的减弱和障碍物的做用,因此无线链路通讯会产生一些有线链路所没有的问题

• 信噪比SNR:即信号和噪音的比值,用于衡量信号的优劣,值越高表明信号越好,相反,若过低,则代表噪声太多,信号质量差
• 比特差错率BER:在无线链路的特性决定了传输的数据容易出现比特差错,BER用于衡量这一参数
• 隐藏终端问题:基站是须要多路访问协议即MAC协议来控制多个无线主机向此基站发送的数据,一般采用CSMA(码多分址),其                         原理已经介绍过了,主要就是将每个比特乘以一个特殊的编码在接收端再次解码,经过不一样的无线站点分配不                         同的编码以解决碰撞的问题.原理以下图:

                           

• 而无线链路的状况不一样于有线链路,它颇有多是检测不到其余无线主机正在想基站发送数据的,好比其中一台无线主机被大山挡住,致使另外一台主机不能接收到此主机正在发送数据的信号,再好比说,随着位置的增长,可能会有基站能够接受到两台无线主机信号而两台无线主机之间不能接受到彼此的信号的状况.这就被称为隐藏终端问题.以下图

                

 

二.WiFi

本节主要讨论WiFi即无线网络的原理

2.1分类

无线网络所使用的WiFi协议有许多种,他们分别有不一样的频率范围和传输速度,如如下三种协议

               

2.2 体系结构

2.2.1组成

    无线网络主要由两部分组成,一是基本服务集BSS,包括无线站点和接入点AP,他们都具备惟一的MAC地址,二是分组交换机,BSS就是经过分组交换机与因特网链接.以下图:

                                                 

2.2.2信道与关联

那么无线站点是如何经过上图中的体系结构链接如互联网的呢?

    每一个基本服务集BSS都拥有一个SSID,用于惟一标识,WiFi协议信道的频率能够分为11个部分,他们互相之间有重叠,只有1,6,11号信道之间是彻底没有重叠的,因此能够在一个物理网络中使用三个信道,每一个基站都有本身的信号范围,那么咱们定义WiFi丛林的概念,即无线站点在任意物质能够接收到多个基站所发出的信号,那么在这种状况之下,无线站点如何同基站关联的?

主要有两种方法:

• 被动扫描:每一个接入点AP都会周期性的发送信标帧,信标帧中包括该AP的SSID和MAC地址,无线站点为了关联AP,就会扫描11                   个信道,而后选择一个与之关联
• 主动扫描:无线主机会向全部在其范围内的AP广播探测帧,AP接收到探测帧后会发送探测响应帧给无线站点,而后无线站点和                    AP关联

                      

2.2.3MAC协议

咱们在无线链路可能会遇到的问题中已经描述过隐藏终端问题,WiFi有时如何解决碰撞和处理隐藏终端问题的呢?

    WiFi所使用的MAC协议叫作CSMA/CA,CSMA便是载波侦听,其原理同之前讲述的同样,他会检测其余无线站点是否正在发送数据,若是是则中止传输,知道信道空闲.可是和之前不一样的是,CA是碰撞避免,而不是CD碰转检测,由于CD彻底不适用于无线链路,其一,两个无线站点之间若是须要互相检测到对方的发送信号所需的成本太大,其二,即便能够互相检测到信号,也会由于隐藏终端问题致使大量的重传.

碰撞避免CA的原理是:

1. 在发送信号以前,即侦听到信道空闲时,会在一个分布式帧间间隔DIFS的短期后发送数据帧.
2. 若信道繁忙,会选取一个随机回退值,每当侦听到信道空闲时此回退值就会减少,信道繁忙则会冻结回退值,当回退值为0时,发送数据帧
3. 发送数据帧并等待确认,目的地则会在等待一个被称为短帧间间隔SIFS的短期后发送确认帧.
4. 若是源收到确认帧,表示被正确接收了,须要发送其余帧会从第二部开始.若是未收到确认,进入第二部的回退阶段,并从更大的范围选取回退值,若是发送屡次,放弃发送该帧.

                                                                   

    而为了解决隐藏终端问题,在上述的基础上,源会在传输数据帧以前发送一个请求发送控制帧RTS,其中包含了这次传输须要的总时间,目的地在接收到RTS后等待SIFS的短期,会广播一个容许发送控制帧CTS,CTS的目的是给发送方明确的发送许可及禁止其余无线站点在预定的时间内发送数据帧,可是这种处理方式会消耗信道资源,因此只有须要交换长数据时才会使用.

                                                       

 

2.2.4帧结构

802.11协议(WiFi)所使用的帧的结构以下图所示:

                

 

• 帧控制:包含许多子字段,类型和子类型用于区分管理,RTS,CTS,ACK和数据帧,WEP用于知识是否加密,to,from定义不一样地址                字段的含义等等,不作具体描述
• 持续期:表示预定信道的时间,即在上文中描述的如何处理隐藏终端问题的预定时间
• 地址一:源MAC地址
• 地址二:接收该帧的设备的MAC地址
• 地址三:AP所连的交换机的MAC地址,是基本服务集BSS和因特网链接的关键
• 序号控制:用于区分帧的重传和新的发送
• 地址四:用于自组织间的MAC地址
• 有效载荷:存放数据
• CRC:循环冗余检测字段

2.2.5高级特点

    802.11协议能够实现一些高级的功能,好比速率适应,无线站点会要求愈来愈多的带宽,知道接入点AP说"够了",功率管理可让无线 站点向接入点AP发送一个帧以设置一个定时器,无线站点进入睡眠模式,知道接入点在发送下一个信标帧时,唤醒该节点.

 

三.蜂窝因特网

这个小节会讨论2G,3G大致的组成,不会有详细的细节.

3.1  2G

如下是2G网络的组成,统称为GSM蜂窝网体系:

                  

• 基站控制器BSC:链接几十个基站,执行寻呼,移动用户的切换
• 移动交换中心MSC:用于用户鉴别和帐户管理,一级呼叫创建和切换
• 网关MSC:与更大的网络相连

3.2   3G

如下是3G网络的组成:

                  

在2G的基础上,将BSC换为了RNC,并添加了一些新设备

 

四.移动管理

    无线链路同有线链路的最大区别就是无线链路的主机即无线站点是移动的.这就会产生一些关于移动性的问题.本节就这个问题进行更加深刻的思考.

4.1组成

咱们首先从另外一个角度来描述无线网络的组成:

         

• 移动节点:即无线站点,好比手机
• 通讯者:但愿与移动节点通讯的实体
• 归属网络:一台便携机或者手机的永久居所,含有一个归属代理,负责移动管理功能
• 外部网络:移动节点当前所在的网络,含有外部代理,负责移动管理功能

4.2寻址

这个小节解决的问题是无线网络是如何寻址的

    如上图所示,移动节点在归属网络中会维护一个归属地址,每当移动节点进入一个新的外部网络时,就会在外部网络中维护一个转交地址COA,也称为外部地址.外部代理会向归属代理注册转交地址COA.无线网络的寻址就是经过这连个地址实现的.

无线网络的路由选择有两种方式,间接路由选择和直接路由选择:

4.2.1间接路由选择

    在间接路由选择中,通讯者会先访问归属代理,而后得到转交地址COA,接着,归属代理会封装此数据报,发送给外部代理,外部代理拆封数据报,最后将原始数据报转发给目的移动站点(移动节点每到一个外部网络有了转交地址后,外部代理都会先归属代理注册此地址,以便归属代理查看并转发数据)

                       

因此,间接路由选择须要四种协议:

• 移动节点到外部代理的协议
• 外部代理到归属代理的协议
• 归属代理封装数据报的协议
• 外部代理拆封数据报的协议

4.2.2直接路由选择

在直接路由选择中,通讯者在向归属代理获取了转交地址后,会直接向外部代理发送数据报,以下图:

         

     可是这会致使一个问题,即若是移动节点到了一个新的外部网络时,其转交地址发生改变,此时通讯者便不能再直接与移动节点通讯了.解决的办法是将移动节点链接的第一个外部节点定义为锚外部代理,在此以后的移动节点会向锚外部节点提供新的转交地址COA,因此,通讯者会在锚外部代理中得到转交地址而后进行通讯

                        

4.3移动性管理

4.3.1移动IP

支持移动性的因特网体系结构与协议合起来被称为移动IP.有三部分组成

• 代理发现:定义了一个归属代理或外部代理向移动节点通告其服务的协议,以及移动节点请求一个外部代理或归属代理服务的                   协议
• 向归属代理注册:定义了移动节点和/或外部代理向一个移动节点的归属代理注册或注销转交地址的协议
• 数据报的间接路由选择:定义了数据报被归属代理转发给移动节点的方式

代理发现主要有两种:

• 代理通告:外部代理/归属代理会周期性的通告其服务,经过发送一个类型字段为9的ICMP报文实现,报文结构以下图:

                   

• 代理请求:想知道代理的移动节点经过广播发送类型字段为10的ICMP报文,收到报文的代理将会单播一个代理通告.

                            

4.3.2蜂窝网中的移动性管理

其组成以下图:

              

• HLR:归属网络维护的归属位置注册器的数据库,包含每一个用户的永久我的信息
• VLR:被访网络维护的访问者位置注册的数据库,为每个当前在此网络的移动用户维护一个表项,随着移动用户的进入离开而          出现消失
• 归属MSC:即归属网络的归属代理
• 被访网络也有一个MSC

 

4.3.2.1 蜂窝网的切换

• 相同MSC:在同一个MSC中时,因为某一个基站信号的减弱,或者当前蜂窝处理的呼叫太多而过载,就会将此移动站点切换到附                    近较为空闲的蜂窝中,切换步骤以下图:

                                                  

                 

• 不一样MSC

                         

4.3.2.2对高层协议的影响

• 运输层

    由于在有线链路中存在的拥塞控制中,比特差错较少发生,而无线链路中却常常发生,因此拥塞控制会致使重传大量的数据帧,因此须要进行处理,处理方法有三:

• 本地恢复:经过算法恢复比特差错
• TCP发送发知晓无线链路:经过让发送方知晓无线链路从而减小重传
• 分离链接:将无线链路和有线链路分为两个运输层链接

 

• 应用层

考虑到无线链路不稳的特性,应用层软件须要考虑无线链接的一些影响

 

五 802.15协议

除了WiFi和蜂窝网络以外,还有其余的无线网络,这里只作极其简单的介绍,

• 蓝牙:使用802.15.1协议,以TDM方式工做于无需2.4GHz无线电波段,存在主设备和从设备之分,使用自组织模式,造成一个皮可          网.

                                                     

• ZigBee:多个简化功能设备在单个全功能设备控制下运行.

注：本篇文章由《计算机网络：自顶向下方法》第六章：无线网络和移动网络  总结而来，因为本人非计算机专业出身，许多知识实在是理解不能，总结有至关多的遗漏，乃是我看不懂所致，更别说其中内容确定有大量的理解错误，万望你们提出批评，我好改正。