计算机网络原理 笔记 7

无线网络和移动网络

概述

无线网络概述

在无线网络中，体系结构如下：

• 无线主机：端系统
• 无线链路：主机通过无线通信链路连接到基站或主机，不同无线链路具有不同的传输速率与覆盖距离
• 基站：负责协调与之相关联的多个主机之间的数据传输
• 网络基础设施：无线设备希望与之通信的网络

与基站相关联的主机称为以基础设施模式运行，所有网络服务有基站向主机提供，而自组织网络，主机向自身提供各种服务

由于无线主机可以移动，因此会出现切换现象，即改变与之相关联的基站

无线网络的分类一般是按照无线跳的数目和是否有基础设施（如基站）来共同决定的

无线网络特征

相比于有线网络，无线网络有很多不同，例如：

• 信号强度递减：使用电磁波传输会导致信号的减弱，成为路径损耗
• 不同源之间会有干扰：在同一个频段中发送信号的源、环境噪声等都会相互干扰
• 多径传播：电磁波的不同部分在传播途中经过了不同的路径，导致信号模糊（例如经过了多次反射）

相干时间

在多径传播中，相干时间之信道中两次接收到预想信号的时间差，会影响到最大传输速率

相干时间示意图

取决于发送频率与接受者的速度 如果接受者不动则在一定时间后影响会被消除

噪声

由于无线链路非常容易出现差错，因此采用了CRC与ARQ结合的方式

对于主机，其接受到的信号事实上是退化后的初始信号与环境噪声的结合，我们使用信噪比来测量相对污染程度，信噪比越大，更容易提取出有效的信息，同时我们使用比特差错率来衡量接收方收到错误比特概率

不同的调制编码方式对于信号的传输也有影响，如下图

SNR、BER与调制编码方式

主要趋势为：

• 调制方案给定，BER与SNR成负相关（发送方增加传输速率）
• SNR给定：BER与调制方案的比特传输率成正相关
• 物理层调制技术可以动态选择，用于适配信道条件

其它问题

隐藏终端与衰减同样是无线传输中的两个重要问题，隐藏终端是是指两个终端相互之间不可见（被物理阻隔），但是其发送的信号在另一个终端有干扰；衰减很好理解

隐藏终端与衰减

CDMA

在无线领域使用非常广泛的协议，用于避免信号的相互干扰，举例来说如下

码分多址实例

CDMA将每个要发送的bit与编码bit想成来进行编码，编码bit以一个相当高的速率（码片速率）在变化，相当于将一个bit的信息编码为$M$bits的信息序列

理想状态下，编码为：

$$Z_{i} = \{Z_{im}\}|_{1\leq m \leq M} = \{d_{i}\cdot c_{m}\}|_{1\leq m \leq M}$$

解码为：

$$d_{i} = \frac{1}{M}\sum\limits_{i=1}^{M}Z_{im}\cdot c_{m}$$

然而当有$N > 1$个发送方时，接收方作加性处理，即：

$$Z^{*}_{im} = \sum\limits_{j=1}^{N}Z^{j}_{im}$$

而解码过程无需变化，在合适的CDMA编码的情况下，仍能辨别出所需要提取的信息

WiFi: 802.11无线LAN

多路访问使用CSMA/CA，有基站版和自组织版

体系结构

体系结构与自组织网络版

基本单位为基本服务集，一个BSS中包含若干个无线站点和一个接入点（中央基站），该种模式的WLAN称之为基础设施WLAN，其中基础设施指的是AP与其连接的有线网

每一个802.11无线站点和AP有一个6字节MAC地址，由$\text{IEEE}$管理

同样可能存在自组织网络，相当于不需要与外部通信的情况下交换数据

信道与关联

802.11运行在$2.4\sim 2.4835\text{GHz}$的频段中，并将这个频段划分为了11个部分重叠的信道，当且仅当两个新岛之间距离超过4的时候才无重叠

每个AP会被分配一个单字或双字的服务集标识与一个信道号

WiFi丛林指的是一个物理位置，在此处无线站点可以收到多个AP的信号，因此我们需要和某一个AP进行关联，即在其间建立一条虚拟线路

为了了解到丛林中的AP，每个AP会周期性的发送信标帧，包括其SSID与MAC地址，站点通过扫描信道得知当前的AP，称之为被动扫描

指定关联AP没有相关准则，由软件方处理

同样的，站点可以主动向AP发送探测请求帧并期待AP回复探测响应帧，称之为主动扫描

主动扫描与被动扫描

确定了想要关联的AP后，站点发送关联请求帧，AP回复关联响应帧，之后将其加入AP子网中

802.11 MAC协议

采用CDMA/CA，由于无线设备的特殊性，信道的碰撞难以被检测（甚至有一部分无法被检测），因此采用避免碰撞的方式，一旦站点开始发送帧，就完整的发送

• 接收到信号的强度远小于发送的信号，制造检测碰撞设备代价高
• 不一定检测到所有碰撞，如隐藏终端和衰减

CSMA/CA协议如下：

1. 站点监听到信道空闲，等待DIFS时间并完整发送帧
2. 否则，选取一个随机回退值，在侦听到空闲时递减，在侦听到忙时不变
3. 回退值减到0时，完整发送帧
4. 等待ACK，若收到，则发送下一帧时从第二步开始
5. 反之重新进入第二步并增大回退值

其与CSMA/CD最大的不同点在于，在侦听到空闲的时候不立即发送帧，而是等待回退值降到0，因此需要期待不同站点之间的回退值有一定距离

链路层确认

处理隐藏终端

采用RTS与CTS，即一个站点发送数据之前首先发送一个RTS控制帧，指示其所需要的总时间，AP接收到后广播CTS控制帧，告诉发送方可以发送，抑制其他的站点发送

处理隐藏终端

优势为：

• 有效解决隐藏终端
• RTS和CTS的碰撞很短，对性能影响不大

用作点对点链路

略

IEEE 802.11帧

802.11帧示例

重要字段为：

• 有效载荷与CRC：通常包括IP数据报或者ARP分组
• 地址字段：共有四个，包括
  • 地址1：目的地站点的MAC地址
  • 地址2：源站点的MAC地址
  • 地址3：该BSS所在子网对应的路由器接口MAC地址
  • 地址4：用于自组织网络中互联，略
• 序号：用于区分同一个帧的不同副本（区分新帧与重传的帧）
• 持续期：预约享有信道的时间（RTS与CTS）
• 帧控制：很复杂，具体来说
  • 类型：区分RTS、CTS、ACK与数据帧
  • 到和从：定义地址字段含义
  • WEP：加密指示

相同IP子网中的移动性

在同一个子网下的多个BSS，TCP会话如何在其间丝滑切换？

由于BSS在同一IP子网下，因此其IP地址不会发生变化，并且交换机可以通过自学习来改变与站点相连接的AP的端口MAC

高级特色

• 速率适应：根据信道特点来选择物理层调制技术，如果连续多帧没有收到ACK则降速，反之（或降速达到一定时间后）增速
• 功率管理：节点可以向AP发送信号表明自己进入睡眠状态，AP缓存发送到对应站点的帧。
  节点在信标帧到来之前醒来，通过检测信标帧（包括所有被缓存帧的目标站点列表）确认是否有信号发过来，如果有则发送缓存请求报文，反之继续睡

个人域网络：蓝牙

自组织为一个皮可网，分为主设备、从设备与寄放设备，主设备统筹全局通信，所有通信必须经由主设备，寄放设备是不可活动的

皮可网

其采用TDM，每个时隙$625\mu s$，工作在$2.4\text{GHz}$，在每个时隙内，发送方利用79个信道中的一个进行传输，并且以不同时隙使用的信道是伪随机的，称之为跳频扩展频谱

蜂窝因特网接入

蜂窝网络与有线网络的同：

• 设备之间距离很远，但是属于同一个Carrier
• 全球蜂窝网络是一种网络的网络
• 广泛使用各种协议
• 与有线网络互联

蜂窝网络与有线网络的异：

• 有不同的无线链路层
• 移动性是第一要求
• 用户是可区分的（SIM卡）
• 用户需要向提供商订阅，权威机构提供基础设施

4G：LTE

4G网络架构

其中包括：

• 移动设备：将订阅者的身份信息ISMI存储在SIM卡中
• 基站：在服务范围边缘，管理范围内的无线通信资源；管理设备授权，与AP相似
• 归属订阅者服务：储存有关“归属网络”的信息，用于授权管理
• S/P网关：位于数据传输的路径中，P网关是处理蜂窝网络与因特网的交流，提供NAT服务
• 移动管理实体：与HSS一起管理设备授权；管理设备的交接、位置跟踪等；设置设备到P网关的路径

4G无线网

• 将每个设备连接到一个基站
• 可以用很多频带，每个频带内有大量信道，可以区分上行与下行数据
• 通过OFDM共享信道，速率可以非常高

正交频分复用

图中，每一个PRB是一个传输单元，每一个单元内可以按照时隙与频段划分给不同用户，不同颜色代表不同用户

数据平面与控制平面分离

• 控制平面：管理移动性、安全与授权
• 数据平面：管理数据传输

控制平面

LTE中的控制平面有着不同链路层协议，如下：

LTE协议1

新增的部分为：

• 数据收敛：压缩头部信息并加密
• 无线链路控制：信息的打碎与充足，执行可靠数据传输
• 中路访问：使用OFDM的需求

LTE协议2

传输规则为：

• 移动设备将数据传给S网关
• S网关传给P网关

优势在与：用户移动的时候只有信道的末端（基站）在变

数据平面

主要是与基站通信，方法为：

1. 基站全频段广播基础同步信号
2. 移动设备找都一个同步信号，之后定位这个频段的第二同步信号（可能有多个基站），并拿到信道的相关信息
3. 之后移动设备挑选基站连接

并且为了节省功率，同样会有睡眠模式，不同的是有两种模式：

• 浅睡眠：$100ms$不工作导致，并会时不时醒来检查下行传输
• 深睡眠：$5$-$10s$不动作导致，可能切换蜂窝

全球蜂窝网络

全IP连接，连接归属网络与被访网络，每个设备的SIM卡中存储了归属网络中的全球性身份信息，可以直接
与归属网络通信，也可以和被访网络进行漫游

5G

适用场景：大信息交流、高可信低延迟交流、增强移动宽带

新无线的新点：

• 两个频带：毫米波频率
• 不兼容4G
• 大量有线天线

毫米波有更高数据传输速率，但是传输距离更短

5G架构

用户直接向与数据中心相连的基站进行通信，数据中心会有分层，中心-边缘-远边缘

5G数据中心图示

移动性

移动性准则

移动性光谱

主要挑战是，如何知道发送的包要到哪，主要处理方式有两种：

• 路由器处理：路由器决定哪些设备跟它通信，通知这些设备给它发包。这种方式对路由器的变化较简单，可以直接使用之前的转发表和最长前缀匹配，但是当移动设备大量增加以后负担过重
• 端系统处理：在边缘进行处理：
  • 间接路由：通过归属网络与移动设备进行交流
  • 直接路由：直接与移动设备交流

其中“归属网络”非常重要：

• 有一个确定的信息源
• 别人可以与你进行通信

两种网络

4G/5G网络中有两种主要的网络：

• 归属网络：由蜂窝提供商提供服务，HSS储存了相关信息
• 被访网络：归属网络之外的所有网络，提供和远端的通信

而在ISP/WiFi中，不再有归属网络的概念：

• ISP的授权存储在设备或者用户上
• ISP的影响力非常巨大
• 不同的网络有不同的授权，有为4G设计的结构但是未使用

ISP/WiFi网络

注册

• 移动设备和被访网络中MME相连接
• 被访网络中的MME向HSS注册移动设备的位置

最终被访MME知道设备存在，HSS知道设备位置

通信过程

通信者和移动设备通信的过程为：

1. 将信息发给归属网关
2. 归属网关将其发送给被访网关
3. 被访网关与移动设备通信
4. 之后被访网关间接路由（经过归属网关转移）或直接路由（直接发回）

但是这种情况下，如果通信者希望与同一网络下的移动设备通信，则效率会有很大降低；但是其优势在与连接的稳定性，移动设备的移动只会带来新的注册，同新方还是只用给HSS发信息即可

另一种通信过程为：

1. 将信息发给归属网关
2. 归属网关回复被访网络有关信息
3. 直接与被访网关通信

克服了上述三角路由的效率问题，但是通信者必须保证自己发送信息到了正确的位置，并且被访网络的变化处理更复杂

实际中的移动性

4G

1. 移动设备与被访网络中的基站通信，向基站提供IMSI
2. 被访MME使用IMSI联系其HSS，并建立控制平面状态（相互知道移动设备在被访网络中）
3. 数据平面建立：归属P网关和被访MME建立联系，被访MME通过基站与移动设备通信
4. 移动设备可能改变其在被访网络中的接入点

移动设备的数据平面建立是通过S网关和基站共同完成的，其信道路径为：设备$\leftrightarrow$基站$\leftrightarrow$被访S网关$\leftrightarrow$归属P网关$\leftrightarrow$通信者，其中信道上通信的数据使用了GTP封装在UDP中

切换基站

• 源基站选择目的基站，向其发送请求
• 目的基站预先分配频段与时隙，回复ACK并告知相关信息
• 源基站告知移动设备新基站的信息（在移动设备看来切换已经完成）
• 源基站停止向移动设备发送信息，而是发送到目的基站
• 目的基站告知MME，MME通知S网关，S网关修改目的地
• 源基站收到ACK，释放资源，完成

基站切换

移动IP

大约20年前有了标准化架构，但是并没有广泛使用，其架构主要是：

• 间接路由
• 归属代理：HSS与归属P网关的结合
• 外部代理：MME与S网关结合
• 通过ICMP扩展注册，协议用于发现代理