计算机网络——第七章:无线网络和移动网络

参考书目《计算机网络:自顶向下方法(第七版)》

概述

无线网络分类:

  • 单跳,基于基础设施。如802.11网络和4G LTE
  • 单跳,无基础设施。如蓝牙网络和自组织模式的802.11网络
  • 多跳,基于基础设施。如耨鞋无线传感网络和无线网状网络
  • 多跳,无基础设施。如移动自组织网络(mobile ad hoc network, MANET)和车载自组织网络(vehicular ad hoc network, VANET)

无线链路和网络特征

有线链路和无线链路的区别:

  • 递减的信号强度。如电磁波在穿过物体时强度将衰减
  • 来自其它源的干扰。来自环境和其他发送源的干扰
  • 多径传播。电磁波的一部分受物体和地面的反射,到达接收方时走了不同长度的路径,则会出现多径传播,会导致接收方收到的信号变得模糊

较大的信噪比(SNR)使接收方更容易从背景噪声中提取传输信号;比特差错率(BER)表示接收方收到的有错传输比特的概率
物理层的特征:

  • 对于给定的调制方案,SNR越高,BER越低
  • 对于给定的eSNR,具有较高比特传输率的调制技术(无论差错与否)将具有较高的BER
  • 物理层调制技术的动态选择能用于适配对信道条件的调制技术

CDMA

在CDMA协议中,要发送的每个比特都通过乘以一个信号(编码)的比特来进行编码,这个信号的变化速率(通常称为码片速率)比初始数据比特序列的变化速率要快得多
选择CDMA编码的关键是:使所有节点的CDMA编码所表示的代数向量彼此之间相互垂直


WiFi:802.11 无线LAN

802.11 体系结构

802.11 体系结构的基本构件模块是基本服务集(Basic Service Set, BSS),一个BSS包括一个或多个无线站点和一个接入点(Access Point, AP)的中央基站
802.11规定:

  • 每个无线站点若要发送或接收数据,必须先与一个AP相关联;在环境中有多个AP时,仅有关联的AP才会向你的无线站点发送数据
  • 每个AP会被分配到一个服务集标识(Service Set Identifier, SSID)
  • 802.11定义了11个部分重叠的信道,特别是1、6和11是唯一的3个非重叠信道
  • 每个AP必须周期性地发送信标帧,每个信标帧包含该AP的SSID和MAC地址

扫描信道和监听信标帧的过程被称为被动扫描;无线主机也能够通过广播探测帧执行主动扫描,但对于主动扫描需要二次请求/响应握手

802.11 MAC协议

802.11 MAC协议使用带碰撞避免的CSMA(CSMA/CA),并且由于无线信道相对较高的比特粗误码率,使用链路层确认/重传(ARQ)方案
802.11 MAC协议未实现碰撞检测的原因?

  • 检测碰撞的能力要求站点具有同时发送和接收的能力,由于接收信号的强度通常远远小于发送强度,制造这种硬件的代价较大。
  • 即使能做到,也会因为信号衰减和终端隐藏问题,而无法检测到所有碰撞

链路层确认方案的过程:

  1. 目的站点收到一个通过CRC校验的帧后,他等待一个被称为短帧间间隔(Short Inter-Frame Spacing, SIFS)的一小段时间,然后发挥一个确认帧
  2. 若发送站点在给定时间内未收到确认帧,则使用CSMA/CA协议重传该帧
  3. 若在固定次重传之后仍未收到确认,则发送站点放弃发送并丢弃该帧

CSMA/CA协议过程:

  1. 如果某站点最初监听到信道空闲,它将在一个被称作分布式帧间间隔(Distributed Inter-Frame Spacing, DIFS)的短时间段后发送该帧
  2. 否则该站点选取一个随机回退值(像CSMA/CD那样)并且在侦听信道空闲时递减该值。当侦听到信道忙时,计数值保持不变
  3. 当计数值减为0时(注意到这只可能发生在信道被侦听为空闲时),该站点发送整个数据帧并等待确认
  4. 如果收到确认,发送站点知道它的帧已经被目的站点正确接收。如果该站点要发送另一帧,它将从第2步开始CSMA/CA协议。如果未收到确认,发送站点将重新进入第2步中的回退阶段

802.11的目标是无论如何尽可能避免碰撞

处理隐藏终端:RTS和CTS

站点使用短请求发送(Request to Send, RTS)控制帧和短允许发送(Clear to Send, CTS)控制帧来预约对信道的访问。过程如下:

  1. 当发送方要发送一个DATA帧时,他首先等待一个DIFS,然后向AP发送一个RTS帧,指示传输DATA帧和确认(ACK)帧需要的总时间
  2. 当AP收到RTS帧后,等待一个SIFS,之后它广播一个CTS帧作为响应。该CTS有两个目的:给发送方明确发送许可,也指示其他站点在预约期内不要发送
  3. 发送方收到CTS后,在等待一个SIFS之后发送DATA
  4. 接收方在完全接收DATA数据之后,等待一个SIFS后,广播一个ACK帧,传递预约结束的消息

使用RTS和CTS能够在两个重要方面提高性能:

  • 终端隐藏问题被缓解了,因为长的DATA帧只有在预约过后才会发送
  • 因为RTS和CTS帧较短,涉及RTS和CTS帧的碰撞将仅持续短RTS和CTS帧的持续时间

IEEE 802.11 帧结构

892.11帧中最引人注的的是他有4个MAC地址字段

  • 地址1是接收该帧的无线站点的MAC地址
  • 地址2是传输该帧的站点的MAC地址
  • 地址3是当前BSS中的AP的第一跳路由器接口的MAC地址(地址3允许AP在构建以太网帧时能够确定目的MAC地址),所以其在BSS和在有线局域网互联中起着关键的作用
  • 地址4当AP在自组织模式中互相转发时使用

移动管理

间接路由

直接路由

  • 间接路由存在三角路由选择问题。直接路由克服了这个低效的问题,但却是以增加复杂性为代价。

移动IP


问题与思考

无线网络中高出错率是怎样影响效率的?

拥塞控制的问题主要集中在效率和公平性

改进 TCP 的两个重要原则就是:
(1) 让发送端清楚网络的真实状态 (2) 采用跨层设计的思想,让 IP 层、逻辑链路层和 MAC 层都恰当地参与问题发现和问题解决过程,缩短控制周期