无线网络和移动网络

7.1概述

无线网络主要包括以下要素：

无线主机：主机本身可能移动，也可能不移动。

无线链路：主机通过无线通信链路连接到一个基站或者另一台无线主机。不同的无线链路技术具有不同的传输速率或者传输不同的距离。无线链路有时也应用于网络中以连接路由器、交换机和其他网络设备。

基站：基站是无线网络中的一个关键部分。基站在无线网络中没有明确的对应设备，它负责向与基站相关联的无线主机发送数据并从主机那里接收数据。基站通常负责协调与之相关联的多个无线主机的传输。所谓的相关联通常是指该主机位于该基站的无线通信覆盖范围内；该主机使用基站中继它与更大网络之间的数据。与基站相关联的主机通常被称为一基础设施模式运行。因为所有传统的网络服务都由网络向通过基站相连的主机提供。在自组织网络中，无线主机没有这种基础设施与之相连。主机本身必须提供路由、地址分配和DNS解析等服务。当一台移动主机超过一个基站的覆盖范围而到达另一个基站的覆盖范围时，它将接入更大的网络的连接点，这一过程叫做切换。

网络基础设施：这是无线主机希望与其通信的更大的网络。

在最高层次，可以根据网络中是否有诸如基站这样的基础设施和无线网络中的分组是否跨越了多个无线跳来对无线网络进行分类：

单挑，基于基础设施。这种网络具有与较大的有线网络相连的基站。基站与无线主机之间的通信都经过一个无线跳。

单挑，无基础设施。在这种网络中，不存在与无线网络相连的基站。但网络中的节点之一可以协调其他节点的传输。

多跳，基于基础设施。在这些网络中，一个基站表现为以有线的方式与更大型的网络相连接。但是有些节点为了经过该基站可能不得不通过其他无线节点中继。

多跳，无基础设施。在这些网络中，节点为了到达目的地可能会在多个无线节点之间中继报文。节点可能是移动的，在多个节点中改变连接关系，这类网络叫做移动自组织网络（MANET）

7.2无线网络和网络特征

无线链路与有线链路不同，主要表现在：递减的信号强度；来自其他源的干扰；以及多路径传播。主要原因是因为无线链路是通过电磁波传输的，信号强度会随距离或穿过物体等减弱（路径损耗），同频段的相互干扰，电磁波的一部分经反射后路径出现变化在接收方会出现多径传播导致信号模糊。

在无线链路中的比特差错会更加常见，因此无线链路协议不仅使用CRC错误检测码，还采用链路层的可靠数据传送协议来重传受损的帧。

信噪比（SNR）是所收到的信号与噪声强度的相对测量，单位通常为分贝（dB）

比特差错率（BER）是指在接收方收到的有错比特的概率

对于给定的调制方案，SNR越高，BER越低，而发送方增加传输功率就能提高SNR，从而降低接收方的BER；对于给定的SNR，采用高传输速率的调制技术，BER会降低；物理层调制技术的动态选择能够用于适配对信道条件的调制技术。

隐藏终端(无线主机之间的传输存在干扰或阻挡)和衰减使得无线网络中的多路访问十分困难。

CDMA

码分多址（CDMA）属于信道划分协议的一族协议。在CDMA中，每个比特都通过乘以一个信号的比特来进行编码，这个信号的变化速率（码片速率）比初始数据比特序列速率快得多。也就是说CDMA通过给主机分配伪随机的新号码来实现多路复用，不同的信号码就代表不同的信道。接收方通常会通过收到的信号的强度是否达到阈值来过滤掉可能不属于自己的信号。

7.3WiFi：802.11无线局域网

IEEE 802.11 无线LAN，也称WiFi，是一种较小范围的接入网技术。

7.3.1802.11无线局域网体系结构

802.11体系结构的基本构建是基本服务集（BSS）BSS包含一个或多个无线站点和一个接入点（中央基站）在典型的归属网络中，有一个AP和一台将该BSS连接到以太网中的路由器

每个802.11无线站点都有一个MAC地址存储在站点的适配器中，每个AP的无线接口也会有一个MAC地址。

部署AP的无线局域网通常被称为基础设施无线局域网，基础设施指的是AP连同互联AP和一台路由器的有线局以太网。

信道与关联

当网络管理员安装一个AP时，该管理员为该接入点分配一个单字或双字的服务集标识符（SSID）管理员还需要为该AP分配一个信道号，802.11可以将频段分为多个部分重叠的信道，使用信道号是为了将不同的信道尽可能的分隔开从而减小相互之间的干扰。

WiFi丛林是指无线站点可以在某个位置接收到多个AP的很强的信号，无线站点可以从这些AP中选择一个进行关联，每个AP都可能位于不同的子网中并被独立分配一个信道。关联意味着需要从无线站点到AP建立一条虚拟的链路，仅有关联的AP才向你的无线站点发送数据帧，无线站点也只能从关联的AP接入因特网。802.11标准要求AP周期性的发送信标帧，包括AP的SSID和MAC地址。无线站点为了获取可用的AP，会扫描所有信道，找到AP发送的信标帧，从而可选择其中之一进行关联。

扫描信道和监听信标帧的过程被称作是被动扫描，无线主机也可以进行主动扫描，通过向位于无线主机范围内的所有AP广播探测帧实现，AP会使用一个探测响应帧来确认该探测请求帧。选定关联的AP后，无线主机会发送一个关联请求帧，而AP会反馈一个关联响应帧。

7.3.2 802.11MAC协议

802.11无线局域网选择了一种随机接入协议--带碰撞避免的CSMA（CSMA/CA）协议。在传输前会侦听信道，如果信道忙就随机回退；不使用碰撞检测（一旦发送一个帧，即使发生碰撞也不会停止发送）；且使用链路层确认/重传（ARQ）方案。

为了降低碰撞发生，802.11会采用一些碰撞避免的技术。

当无线局域网发送一个帧时，目的站点会等待一段时间，也叫短帧间间隔（SIFS）然后返回一个确认帧。如果发送方在一定时间内未收到确认，就会重传，如果多次重传仍然未被确认就会放弃发送该帧。

站点监听到信道空闲，等待一个分布式帧间间隔（DIFS）后发送帧，等确认。

否则，站点选取一个随机回退值（二进制指数回退），并在侦听到信道空闲之后递减该值，信道忙时该值不变。当计数为0时，发送帧，等确认。

收到确认后若有帧要发送，继续第一步。若未收到确认，进入第二步的回退阶段。

1.处理隐藏终端：RTS和CTS

隐藏终端是指虽然对于AP来说每个无线主机都是不隐藏的，但是无线主机之间是互相隐藏的。这导致不同主机之间无法直接侦听，就容易发送碰撞。

使用请求发送/清除发送（RTS/CTS）机制可以显著减少隐藏终端问题的影响。在此机制中：

请求发送（RTS）：当一个终端希望发送数据时，它首先发送一个RTS帧，表明要发送数据的意图。

清除发送（CTS）：接入点接收到RTS后，响应发送CTS帧，告知所有终端，接下来将有数据发送，并指明发送时间。

这样，系统中其他终端可以意识到即将发生的通信，从而避免在相同的时间内进行发送。

7.3.3IEEE 802.11帧

1.有效载荷和CRC字段：帧的核心是有效载荷，通常由IP数据报或ARP分组组成。CRC字段用于检测比特错误。

2.地址字段：802.11帧具有4个地址字段，都能包含一个6字节的MAC地址，AP在自组织模式下才会使用地址4，正常情况下只使用前三个地址。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是与BSS连接的路由器的MAC地址

3.序号、持续期和帧控制字段：与rdt2.1协议类似，序号是为了是接收方区分新传输的帧和重传的帧。802.11协议允许传输节点预约信道一段时间，包括传输其数据帧的时间和传输确认的时间，这个持续期被包含在持续期字段里面。帧控制包含许多子字段，随着不同的模式也会发生变化。

7.3.4在相同的IP子网中的移动性

在相同子网下，如图，如果主机H1想要从BSS1移动到BSS2。

首先对于H1来说，BSS1的信号逐渐减弱，它就会扫描一个更强的信号，与AP1解除关联并与AP2关联，保持其IP地址和维持正在进行的TCP会话。

对交换机而言，在H主机从BSS1移动到BSS2的过程中，交换机A的角色主要体现在MAC地址学习、数据包转发和MAC地址表更新等方面。初始时，交换机A会在其MAC地址表中记录H主机的MAC地址（例如，假设为MAC_H）并将其映射到连接BSS1的AP的端口上。当H主机决定移动到BSS2时，尽管MAC地址保持不变，通信路径会转变为通过连接BSS2的AP与交换机A进行交流，此时，交换机仍然会记得H主机的MAC地址并与BSS1的AP端口相关联。在H主机移动期间，交换机A会根据来自BSS2的AP转发的数据包更新其MAC地址表，记录H主机的新连接端口，从而确保能够正确转发到H主机的新位置。然而，在此过程中，某些数据包（如TCP连接）可能会因H主机断开而中断，因此在上层应用中需要采用适当的机制（例如重传机制）来处理会话的连续性。

7.3.5 802.11中的高级特色

1.802.11速率适应

因为不同的解调技术适合不同的SNR，所以某些802.11实现速率自适应能力，如果一个节点连续发送两个帧没有收到确认就会减低速率；如果连续十个帧收到确认就会提高速率。

2.功率管理

功率管理的目的：延长电池寿命、维护网络连接、提高用户体验；

一个结点可以明显的在睡眠和唤醒状态之间交替。

结点向AP指示打算睡眠，并设置定时器，在AP发送信标帧（100ms一次）前唤醒（约250us）结点。

结点睡眠时，AP先缓存帧，待以后传输。

短暂的唤醒时间、接收信标帧时间、检查缓存帧的时间，能大大节约能源。

7.3.6个人域网络：蓝牙

蓝牙网络也被称为个人区域网络（WPAN）或微微网

蓝牙无线信道使用时分复用，在每个时隙期间，发送方在79个信道之一传输，信道的频率使用伪随机的方式改变，这种跳频方式叫跳频扩频（FHSS）主要是用于减小干扰。

蓝牙网络的组成

1. 主设备（Master）：控制网络的设备，负责建立和维护与其他设备（从设备）的连接。主设备可以与多个从设备同时通信，形成个人域网（Piconet）。
2. 从设备（Slave）：响应主设备请求的设备，通常数量较多。一个Piconet最多可以支持7个活动的从设备。
3. 寄放设备（Proxy Device）：在设备之间充当中介，通过它们来实现连接或数据传输，特别是在多个设备或长距离通信的场景中

蓝牙网络的工作原理

1. 设备发现：设备在可发现模式下广播其存在，其他设备可以扫描附近的蓝牙设备并识别它们的功能。
2. 配对过程：在建立连接之前，设备会进行安全配对，以确保通信的安全性。配对过程中通过输入PIN码或其他验证方式建立信任关系。
3. 连接建立：主设备向从设备发送连接请求，创建逻辑信道进行数据传输。同一时间，主设备可以管理多个从设备，提高网络的使用效率。
4. 数据传输：连接建立后，设备之间可以开始数据传输，采用数据包格式以保持数据的完整性和顺序。
5. 功率管理：蓝牙网络实现低功耗设计，在设备不活动时进入省电模式，以延长电池寿命。设备定期唤醒检查数据状态，保持与网络的连接。

7.4蜂窝网络：4G和5G

WiFi热区范围较小，蜂窝网通过基站控制器（BSC）和收发基站（, BTS）组成GSM基站系统，并将它们连接，可以进行大范围的无线覆盖。一个基站覆盖的区域类似蜂窝。

7.4.1 4G LTE 蜂窝网络：架构和部件

4G网络通常采用4G长期演化标准（4G LTE）4G LTE的主要组成部分有：

移动设备:用户设备

基站：主要负责信号收发、资源管理和转发数据

归属用户服务（HSS）：HSS是一个控制平面组件。HSS是一个数据库，存储移动设备的信息，HSS的网络是它们的归属网络，与MME共同用于设备身份验证。

服务网关（S-GW）PDN网关（P-GW）等其他网络路由器。服务网关和分组数据网络网关(P-GW)是移动设备和因特网数据路径上的两台路由器。服务网关负责用户数据转发与路由，同时处理数据的分组。S-GW连接MME和PDN网关，确保数据流的有效性。P-GW连接外部数据网络（如互联网）并负责网络策略控制与IP地址分配。PGW还负责流量管理和QoS（服务质量）控制。

移动性管理试图（MME）MME也是一个控制平面组件，负责用户设备的接入、身份验证及移动性管理（如切换和位置更新），维护用户的连接状态。

7.4.2LTE协议栈

LTE将移动设备的链路层分为三个子层：

1. 分组数据汇聚 (PDCP)

PDCP层负责对用户数据进行压缩和加密，以减少传输数据量并确保数据安全。它还管理数据的顺序，以确保在接收端按正确顺序重组数据包。

2. 无线链路控制 (RLC)

RLC层处理数据的分段与重组，确保在传输过程中监控数据的完整性。如果数据丢失或损坏，RLC会自动请求重传，保证数据准确无误。

3. 介质访问控制 (MAC)

MAC层管理无线资源的调度和分配，确保多个用户可以共享频谱。它负责将数据包封装为适合物理信道的形式，并控制发射功率以优化信号质量。

7.4.3LTE无线电接入网

LTE在下行信道使用时分复用和频分复用的组合，正交频分复用（OFDM）如何分配根据提供商和运营商提供的算法确定

7.4.4LTE附加功能：网络连接和功率管理

1.网络连接

网络连接分为三个阶段：

1. 连接到基站

移动设备（UE）首先通过信号搜索并选择接入的基站（eNodeB）。连接请求通过无线链路发送给基站，基站接收请求后进行资源分配和连接建立。

2. 相互鉴别

连接成功后，eNodeB与移动设备进行身份鉴别，以确认设备的合法性。通过移动管理实体（MME），使用密钥和身份信息进行用户身份验证，确保用户数据的安全。

3. 移动设备到PDN网关的数据配置

一旦鉴别成功，MME会为移动设备分配IP地址，并通过服务网关（SGW）将数据传递到公共数据网络网关（PDN网关）。此过程中，配置相关的QoS（服务质量）参数，确保数据流在网络中得到适当的管理和优化。

2.功率管理：睡眠模式

LTE的睡眠模式允许移动设备（UE）在不活动时自动降低功耗，以延长电池使用时间。当设备长时间没有数据传输时，会进入睡眠状态，同时定期唤醒以监听基站的信令，确保能够迅速响应来电或数据请求。此外，LTE支持多种睡眠状态，包括深度睡眠和完全休眠，设备根据网络负载动态选择最合适的模式，以优化功耗管理。在进入和退出睡眠模式时，设备还需与基站进行信令交互，主要通过无线链路控制协议（RRC）层进行，以确保网络能正确识别设备状态。通过这些机制，LTE的睡眠模式提升了移动设备的电池寿命，同时保证了用户的连通性和响应速度，是现代移动通信中的重要功能。

7.4.5全球蜂窝网络：网络的网络

7.4.6 5G蜂窝网络

1. 5G和毫米波频谱

5G网络支持多种频谱，包括毫米波（mmWave）频段。毫米波频段的频率范围通常在24GHz到100GHz之间，具有极高的数据传输速率和容量，能够支持高带宽的应用，如高清视频和虚拟现实。然而，毫米波的传播距离较短，穿透力弱，通常适合于城市高密度场景。

2. 5G核心网络

5G核心网络采用了分布式架构，主要包括三个重要层次：

a. 用户平面功能（UPF）

用户平面功能负责处理数据流的传输，包括数据包的转发和路由。这一层确保用户数据能够有效地在网络中流动，支持高吞吐量和低延迟的数据服务。

b. 控制平面功能（AMF）

控制平面功能管理用户的接入和身份验证，以及网络切片的控制。AMF处理与设备的信令交互，确保设备正确连接到网络，并根据不同的业务需求进行资源分配。

c. 会话管理功能（SMF）

会话管理功能负责管理用户数据会话的生命周期，包括会话的创建、更新和释放。SMF协调UPF和用户设备之间的数据流，确保在不同的网络切片和服务之间提供灵活的会话管理，优化数据资源的利用。

7.5移动性管理原理

7.5.1设备移动性：网络层视角

7.5.2归属网络和在被访网络漫游

1. 归属网络

归属网络是用户设备的原始网络，负责管理用户的身份、订阅信息和服务配置。它确保用户能够安全接入网络并享受所订阅的服务，同时处理计费和账单管理。

2. 被访网络漫游

被访网络是在用户离开归属网络后临时接入的网络，允许用户在不同地点访问语音和数据服务。被访网络与归属网络通过信令交互验证用户身份，并维护服务连续性，同时收取额外的漫游费用。

7.5.3去往/来自移动设备的直接和间接路由

1. 直接路由

直接路由是指数据包在移动设备与目标设备之间的传输路径，通常是通过单一的网络或链路完成。在直接路由中，数据包无需经过其他中介网络，而是直接从源设备到达目标设备。这种方式通常在以下情况下使用：

同一网络内通信：当源设备和目标设备在同一蜂窝网络或Wi-Fi网络下，数据包可以直接通过网络的交换机或基站进行转发。

低延迟需求：直接路由可有效减少延迟，实现实时应用的需求，如视频通话或在线游戏，确保数据快速传输。

简单性和效率：由于数据包不需要通过多个中介，直接路由能减少资源消耗，提高传输效率。

2. 间接路由

间接路由是指在数据包从源移动设备到达目标设备时，需要经过一个或多个中介网络或节点。这是复杂网络场景常见的路由方式，具体应用于以下情况：

不同网络间通信：当源设备和目标设备位于不同的网络中（如，不同运营商的蜂窝网络或不同的Wi-Fi网络），数据包需要通过路由器或网关进行转发，从而实现互通。

优先级和流量管理：间接路由允许网络在数据传输过程中进行流量控制与管理，例如使用负载均衡策略，将流量分配至多个路径，以优化网络性能。

漫游和信号交互：在移动设备漫游时，间接路由通常涉及归属网络与被访网络的配合，通过信令和数据流的交互，实现设备身份验证和服务接入。

7.6实践中的移动性管理

7.6.1 4G/5G中的移动性管理

4G中的移动性管理

核心网络：

采用演进分组核心（EPC）架构。

移动性管理由移动性管理实体（MME）负责。

位置更新：

用户设备在小区切换时，MME负责处理位置更新和身份验证。

切换机制：

支持硬切换和软切换。

切换过程包括信令交换，确保数据流的连续性和用户体验。

服务质量：

通过切换优化和资源分配，维持QoS（服务质量）要求。

5G中的移动性管理

核心网络架构：

实现服务驱动架构（Service-Based Architecture, SBA）。

移动性管理功能：

通过接入和移动性管理功能（AMF）进行位置更新和接入控制。

切换机制：

支持增强的切换操作，包括多种切换模式（如基于服务的切换）。

实现对不同无线接入技术（NR和LTE）的无缝切换。

网络切换性能：

通过优化切换策略和减少延迟，提高切换效率，支持低延迟应用。

7.6.2 移动IP

移动IP（Mobile IP）是一种技术，允许用户在不同网络之间移动时保持对互联网的连接。它的基本原理是通过两个IP地址来实现：一个是永久的归属地址（Home Address），另一个是临时的临时地址（Care-of Address）。

主要组成部分

移动设备（Mobile Node, MN）：能够移动并保持网络连接的设备。

归属代理（Home Agent, HA）：位于归属网络的路由器，负责管理移动设备的位置和通信。

被访代理（Foreign Agent, FA）：位于被访网络的路由器，负责转发发送到移动设备的数据。

工作流程

注册：移动设备连接到新网络时向被访代理注册，获取临时地址。

位置更新：被访代理将移动设备的临时地址通知归属代理，更新位置信息。

数据转发：归属代理将发往移动设备的数据封装并发送到被访代理，再由被访代理发送给移动设备。