网络计算无线与移动计算.ppt

第6章 无线与移动计算,6.1 无线与移动计算的问题 6.2 移动计算网络 6.3 无线应用协议(WAP) 6.4 移动计算中的移动数据库 6.5 移动中间件 6.6 移动通信程序设计 6.7 移动计算研究的现状和发展,6.1 无线与移动计算的问题,移动计算包括三个要素，即通信、计算和移动，这三个方面既相互独立又相互联系。移动计算概念提出之前，人们对它们已经研究了很长时间，移动计算则是第一次把它们结合起来进行研究的。在移动计算中，可以用一个三维空间来表示三个要素之间的关系。它们可以相互转化，例如，通信系统的容量可以通过计算处理(信源压缩、信道编码、缓存、预取)得到提高。,移动性可以给计算和通信带来新的应用，但同时也带来了许多问题。在移动计算中，最大的问题就是如何面对无线移动环境带来的挑战。在无线移动环境中，信号要受到各种各样的干扰和衰弱的影响，多径和移动给信号带来的时域和频域弥散、有限频带资源的利用、较大的传输时延等等问题，使得所有的应用都必须建立在一个不可靠或者说是一个有可能发生中断的物理连接上。 在这样的环境下，如果仍采用已有的建立在有线网络基础上的计算体系和技术，显然是不明智的或是有缺陷的。那么，应怎样实现移动计算？移动计算正在做哪些研究呢？,移动性带来的问题，是移动计算中的最大问题。移动计算概念的提出对传统的计算环境和无线移动网络都有很大影响，它引出了很多在移动通信网络和计算机网络中从未遇到的问题。 第一，信道可靠性问题和系统配置问题。在有线连接的计算机网络中，计算机都采用频谱较宽的铜缆或光缆连接，连接可靠，误比特性及时延特性好。可靠的信道就可以很好地支持各种业务。当系统建立在一个采用无线方式连接起来的网络上时，情况就大不一样了。,首先，恶劣的通信环境造成很高的错误传输概率，为此采用的纠错和重传技术又会加剧时延特性的恶化。其次，有限的无线带宽，限制了数据的传输速率。各种应用必须建立在一个不可靠的、随时有可能断开的物理连接上。在有线计算环境中，用户终端很少移动，系统配置基本上采用静态方式；而在移动计算网络环境下，移动终端位置的移动要求系统能够实时进行配置和更新。,第二，对宽带业务的支持问题。为了真正实现在移动中进行各种计算，必须要对宽带数据业务进行支持。目前的无线移动蜂窝网络基本只能支持话音和低速的数据业务。为了解决这个问题，除了增加无线信道的带宽外，还必须研究如何在较低数据速率下适应移动特性，以及如何提供预连接服务、智能业务服务和资源的预分配技术等。 第三，在移动计算中，还存在一个移动管理的问题。现有的移动管理主要针对话音业务，如何拓展现有的移动管理技术到宽带数据业务，更好地支持预连接智能业务和预分配资源是一个正在研究的课题。,第四，如何把一些在固定计算网络中的成熟技术移植到移动计算网络中的问题。移动计算网络是建立在无线通信环境下的多用户数据网络，数据通信的突发特性，使得分组交换技术在其中得到了广泛的应用。例如，缓存(Caching)和预取(Prefetching)技术在计算机系统中已经广为应用。现已证明，它们可以大大提高系统的性能，减少系统的业务量。那么如何适应无线移动的特点，使它们更好地提高移动计算的效率，也是目前正在研究的问题。,6.2 移动计算网络,为了支持计算的移动性，需要人们在计算的各个层次上增加对移动性的支持。移动计算涵盖的研究内容非常广泛，我们在这里主要介绍一下与移动计算网络有关的研究内容。在移动计算网络中，主要研究如何支持节点的移动性和移动性管理问题。,在这个移动计算网络环境下，主机或其他终端可以在移动中对有线网络中的各种资源进行访问，也可以与其他移动的终端进行通信，如同在固定的有线环境中一样。 无线移动环境带来的特殊性是对移动计算的最大挑战。要支持计算的移动性，需要在系统的各个层面增加对移动性的支持。其中，一个可靠、支持高数据速率的物理和数据链路对计算的移动性至关重要。有关移动计算网络的研究主要是围绕着它进行的。 根据支持节点的移动范围的大小，基本上可以分为两种解决方案：广域解决方案和局域解决方案。,6.2.1 无线蜂窝数字通信网络和卫星通信网络 广域方案主要是依靠现有的无线蜂窝数字通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理网。,1 无线蜂窝数字通信网络 传统的以话音业务为主的无线数字蜂窝系统只能支持低速的数据业务，满足不了日益增长的宽带多媒体业务的需求。为了在现有蜂窝系统的基础上增加对无线数据业务(计算能力)的支持，需要做两方面的工作：一是在物理层上提供更可靠的高比特速率传输，二是在高层上支持数据业务的交换。GPRS(General Packet Radio Service)和CDPD(Cellular DigitalPacket Data)就是在这样的背景下提出的。,由于以前的蜂窝系统主要针对语音业务设计，采用面向连接的电路交换方式，这样的系统结构要支持具有突发特性的数据业务，支持分组交换，必须要做一些修改。因此，在支持GPRS这种新服务的原有GSM系统的基础上增加了两个新的元素：SGSN(Serving GPRS Support Node)和GGSN(Gateway GPRS Support Node)。,数据业务的路由和转发就是在这两个GSN的协助下实现的。SGSN负责移动终端的移动和认证管理；GGSN是与外部网络的逻辑接口，具有路由的功能。所有与路由数据传输有关的信息存储在归属位移寄存器(HLR，Home Location Register)中。对用户A到用户B的数据业务，源SGSN-S把它从BTS(基站收发信基)发送到BSC(基站控制器)，BSC接收后对它进行封装，然后路由到GGSN，在检查分组的目的地址后通过现有的分组交换网络送到目的GGSN，再送到目的SGSN-D，在SGSN中进行解封装，,再利用GSM系统的基站传送到目的移动终端。GPRS系统可以提供移动性的管理和服务质量(QoS)的支持，它采用了隧道协议(GTP)和分组数据协议，目前可支持9150 kb/s的数据速率。,另一种基于蜂窝系统的支持数据业务的网络是CDPD，它是一个采用无连接网络协议(CLNP)和带冲突检测的数字检测接入协议的接入网络。它有一套与AMPS、IS95、IS136无关的独立的移动管理数据库。在支持CDPD的蜂窝移动终端上，在进行话音和数据业务的传输时，采用不同的移动管理过程。,2卫星通信网络 新一代的宽带卫星进入太空，消除了成本和距离之间的硬性关系，建立了真正的普遍服务。宽带卫星具有如下优点： (1) 覆盖范围广。卫星通信波的覆盖面为一个锥形体与地球表面的交集面，一个地球同步卫星的通信波大致可以覆盖地球表面的1/3，大的国家用一颗通信卫星就能成功地进行通信，这样的通信面积，如果在地面网络中实现需要非常庞大的工程和很高的造价。这是卫星通信与一般的地面通信的最大区别，地面通信难以到达的地方(如沙漠、海洋、高山等)，通过卫星都能进行有效的通信。,(2) 可以进行多点广播。卫星上发射的波在锥形体范围内所有的地面接收站都能够接收到通信信号，对于一些重复性的信号(如数据、声音、图像等)就可以通过卫星信号广播给所有的地面卫星小站，这样通过广播的方式大大增大了卫星信道的使用率，避免了相同数据的重复发送造成的信道拥挤。卫星信号的广播特性也是大多数地面通信系统不具有的。,(3) 通讯费用固定。卫星信号传输费用与两地球站之间的距离无关。因为只要它们用同一个卫星转发器服务，该转发器发送的信号可被不同距离的所有地球站接收，其传输费用总是固定不变的。广播式通信比采用大量实体的通信线路和交换机要经济得多。 (4) 通信速度快。卫星工作于宽频带，故一颗卫星就能提供至少120 000路电话或多于200路电视的传输能力，装有10个转发器的卫星，其总通信能力可达500 000 000 bit/s。,高速卫星通信系统示意简图如图6.1所示。卫星通信利用卫星上的微波天线来接收地球发送站发出的无线电信号，然后，又将该信号转发回地球接收端，下行链路信号可以被辐射范围内的任何地球站接收。同时，用户PC可以通过本地ISP有线连接到传输平台，保证了在无线不能覆盖的区域仍能共享信息。通常经过卫星通信传送的信号可以是声音、数据或图像。,图6.1 高速卫星通信系统示意简图,卫星通信网络系统应当具有很高的安全性。在进行网络设计时，通常采用如下的各种网络安全方案。 VLAN划分：为了保证卫星主站网络主机不会受到未经授权的访问，根据系统安全控制原则将不同的主机安全级别划分到不同的VLAN，从而将其从物理上隔离开来，保证主机不会受到任何侵犯。 访问控制列表：通过建立访问控制列表，对不同的主机提供基于应用层上的安全访问控制策略(例如根据IP地址、协议类型、TCP端口号、TCP请求建立连接主机等)，保证不同的主机只能获得特定的访问应用。,AAA安全认证：AAA为身份认证、授权、记账的简称，身份认证提供对用户身份鉴别，授权为通过身份认证的用户提供特定的访问权限，记账功能对用户的网络访问行为作出记录。 动态访问列表：动态访问列表可以用来防御伪装IP地址的攻击，在授权给用户获得网络访问权限的访问列表有效之前，用户必须先通过Telnet获得身份认证，然后建立授权用户访问网络的访问控制列表，在用户会话终止以后，动态访问列表自动失效。,TCP拦截技术：TCP拦截技术可以防止主机受到洪水般TCP连接请求的攻击，它能根据指定的连接溢出时间、最大TCP连接数等指标，自动复位未连接成功的TCP连接请求。 基于状态过滤：能根据TCP报头的序列号进行报文过滤，即只接收顺序到达的数据包，未经顺序到达的数据包将丢弃，从而保证用户连接中不会出现其他非用户数据包。,6.2.2 无线局域网 一个在地域范围上受限制但速率更高的移动解决方案是无线局域网。对于计算机用户来说，无线技术并不是一个新名词，人们在20多年前就建立起了第一个无线连接。无线局域网是一种能支持较高数据速率(211 Mb/s)、采用微蜂窝的、微微蜂窝结构的、自主管理的计算机局部网络。它可采用无线电或红外线作为传输媒质，采用扩展频谱技术，移动的终端可通过无线接入点来实现对Internet的访问。在无线局域网这个领域中有这样两个主要标准：IEEE 802.11和HIPERLAN。,无线技术的部署进展非常缓慢，主要有下面三点原因。首先，无线数据的原始传输速率太低，无法满足一个共享式局域网上的主流用户的需要。尽管吞吐量的确在逐步增加，但是网络速度仍然大幅度地落后于有线局域网的速度。其次，专用的、非标准的解决方案统治了市场，设备之间的互操作性很低，给那些拥有多个厂商提供产品的用户带来了很多困难。第三，与有线解决方案相比，这些低速的专用解决方案的价格非常昂贵。,1IEEE 802.11b IEEE 802.11b只规定了开放式系统互联参考模型(OSI/RM)的物理层和MAC层，它的主要特点如下： 支持较高的数据速率，111 Mb/s； 能够支持有中心和无中心两种拓扑结构； 能够支持多优先级；能支持时间受限业务和数据业务；具有节能管理和安全认证；可采用无线电或红外线传输介质；在世界范围的ISM频段使用，可采用直扩或跳频两种扩频技术。 无线的接入协议采用载波检听/碰撞避免(CSMA/CA)协议。为了避免碰撞或其他原因造成的传输失败，采用ACK应答机制。为了支持多优先级引入多个不同的(IFS、SIFS、PIFS、DIFS)帧间隔。为了支持实时业务又引入超帧结构。,电气和电子工程师协会(IEEE)在1999年批准了802.11b标准，它可以提供最高每秒11B位(Mb/s)的数据传输速率-近似于很多以太网工作小组所使用的10 Mb/s连接。无线局域网首次开始适用于大部分工作环境和办公室应用。很多厂商随后立即开始支持802.11b标准，于是迅速地降低了成本，带来了更多的需求和更加广泛的厂商支持。另外，802.11b标准确保了用户可以获得设备互操作能力。无线以太网兼容性联盟(WECA)是一个非盈利性的国际组织，它的宗旨是检验基于802.11b标准的无线局域网产品的互操作能力，并在所有市场中推广该标准。,随着802.11b标准应用的迅速普及，用户开始可以选择多种可互操作的、低成本的、高性能的无线设备。更重要的是，各种类型的企业现在都可以通过将无线技术加入自己的企业局域网而获得巨大的利益。多年以来，膝上型电脑和笔记本电脑一直承诺可以随时随地进行计算。但是，随着对局域网和互联网的访问日益成为开展业务的不可或缺的组成部分，人们需要通过无线连接来真正实现随时随地进行计算的承诺。无线设备让用户几乎从任何地方都可以接入网络：,办公桌、会议室、咖啡厅，或者企业园区和校园中的另外一个建筑物。这种能力为用户提供了最大限度的灵活性、生产率和效率，同时可以极大地促进同事、商业伙伴和客户之间的合作。此外，无线技术还可以为难以铺设电缆或者布线成本过高的场所提供局域网访问。 像其他任何技术一样，无线技术在不断地发展，以提供更高的速度、带宽、安全性等。无线技术最近在技术上发展到了一个重要的转折点。,2IEEE 802.11a 工作在不需许可的2.4 GHz频段的802.11b标准是全球应用最广泛的无线标准，它可以提供最高11 Mb/s的数据传输速率。对一部分企业来说，这样的速度足以满足他们目前的需求。但是其他企业仍然希望通过新一代的设备获得更高的吞吐量、访问速度和功能，以满足他们迅速增长的无线用户的需要。目前，IEEE任务小组正在集中精力制定两项更高性能的标准：802.11a和802.11g。在移植到更高性能的无线技术的过程中，用户必须了解每种无线标准的优点和缺点，并在此基础上判断哪种技术或者哪些技术最符合他们自身的无线网络需求。,IEEE于1999年批准了802.11a标准，但是直到2001年12月市场上才出现第一款兼容802.11a的产品。802.11a标准最高可以提供54 Mb/s的数据传输速率和8个不重叠的频率通道，从而可以增加网络容量，提高可扩展性，并能够在不干扰相邻单元的情况下创建微型单元式结构。802.11a工作在5 GHz频段，因而不会受到来自于工作在2.4 GHz频段的设备的干扰，例如微波炉、无绳电话和蓝牙(一种短距离、低速、点对点、个人局域网无线标准)设备。,但是，802.11a标准并不能与现有的支持802.11b的设备兼容。已经采用了802.11b设备，并希望获得802.11a技术所提供的更高通道数和网络速度的企业，必须安装一整套全新的802.11a基础设施，以及802.11a接入点和客户端适配器。需要指出的是，2.4 GHz和5 GHz设备可以在互不干扰的情况下在同一个物理环境下工作。,要在全球范围内普及802.11a，一个重要的障碍是该标准尚未被全球各国的相关法规制定部门批准使用。到目前为止，802.11a还未在欧洲获得批准；但是，IEEE和欧洲通信标准委员会(ETSI)目前正在设法通过IEEE 802.11h任务小组达成一项协议，解决802.11a的电源问题和通道设置问题。,推广802.11a的另外一个障碍是缺乏对互操作性的认证。目前，各个厂商的产品之间的互操作性还没有保障。无线以太网兼容性联盟WECA将为802.11a产品提供互操作性测试，并致力于进一步推广该技术。但是，只有在两家芯片厂商开始制造相应的芯片，并至少有三家厂商在这些芯片的基础上制造产品以后，WECA才会开始进行这样的测试。WECA期望认证工作将从2002年下半年开始。,3IEEE 802.11g 802.11g标准是从2001年11月就开始草拟的，802.11g可以提供与802.11a相同的54 Mb/s的数据传输速率，但是它还可以提供一种重要的优势，就是对802.11b设备向后兼容。这意味着802.11b客户端卡可以与802.11g接入点配合使用，而802.11g客户端卡也可以与802.11b接入点配合使用。因为802.11g和802.11b都工作在不需许可的2.4 GHz频段，所以对于那些已经采用了802.11b无线基础设施的企业来说，移植到802.11g将是一种合理的选择。,需要指出的是，802.11b产品无法“软件升级”到802.11g，这是因为802.11g无线收发装置采用了一种与802.11b不同的芯片组，以提供更高的数据传输速率。但是，就像以太网和快速以太网的关系一样，802.11g产品可以在同一个网络中与802.11b产品结合使用。由于802.11g与802.11b工作在同一个无需申请的频段，所以它需要共享三个相同的频段，这将会限制无线容量和可扩展性。,802.11a和802.11g都可以大幅度地改进现有的802.11b标准，因为它们所带来的更高的数据传输速率可以为无线局域网上的设备提供更高的性能和可用性。但是一个不足之处是，由于802.11a和802.11g标准使用的频段不同，所以不能相互兼容，而且802.11a不能与现有的802.11b设备兼容。,4HIPERLAN 关于无线局域网的另一标准是欧洲的HIPERLAN，它由ETSI(European Telecom Standards Institute)的RES10工作组提出。HIPERLAN的特点如下：它是高性能的无线局域网；工作频段在5.125.30 GHz和17.117.3 GHz，采用窄带GMSK调制，支持的物理层传输速率为23.5 Mb/s/23.5 MHz带宽。HIPERLAN采用CSMA/C接入协议A，主要支持点到点传输，同时还具有节能管理等功能。,6.2.3 移动互联网的接入 移动终端接入Internet大致有以下几种方式：无线局域网接入方式、数字蜂窝电话接入方式、点对点的专用微波链路接入方式、无线本地回路方式、同步卫星链路方式等。但目前发展最快、用户数量最多的主要是前两种方式。,无线局域网起初是设计来用在室内代替线缆的，就如同无绳电话一样，不需要操作频率占用许可。但后来人们发现若将无线局域网适配器与架设在较高位置的高增益天线相连，这种高速的无线连接可延续40 km左右，而需要的无线适配器、高增益天线以及两者间需要的线缆加起来的造价仅需几千块钱人民币，这种构网方便且造价低的特性使得无线局域网得到了广泛的应用。又因为其数据率高的特点，比较容易接入Internet，所以它成为无线接入Internet极具前途的一种方式。,有三种通过插入无线局域网卡接入Internet的情况。第一种是移动计算设备如笔记本、PDA等通过无线接入点接入的情况；第二种是在台式机插槽中插入无线局域网卡通过接入点接入Internet的情况，这样可免去常规网线的连接；第三种是有线局域网通过无线链路接入互联网的情况，这种情况适合于不存在有限接入网络设施和不方便连接的情况。移动计算设备和台式机及所有的路由器都配备了一套相应的无线局域网中断和接入点设备，包括无线局域网卡、天线和电缆。,路由器负责进行有线与无线通信的各层协议以及地址的转换并实现寻址功能，上层都是基于TCP/IP协议的。由于移动终端的移动性，要通过这种方式稳定地接入Internet，就必须存在多个接入点覆盖广泛地区域，网络中需要引入移动管理以及类似越区切换的功能。,不同于无线局域网的传输环境，数字蜂窝电话接入的特点是低速率、终端处理能力弱、存储空间小等，但该接入方式具备已有的无线链路以及移动性管理、越区切换等通信机制，即通过这种方式接入Internet已经有下层网络支持，关键问题是如何在有限的资源上进行有效的数据传输。数字蜂窝电话接入Internet一般支持移动WWW应用。移动WWW应用要求移动终端机接入一远程的WWW服务器。,考虑到数字蜂窝无线网络及移动终端设备有限资源的限制，必须引入新的方法和概念来提供移动环境到WWW服务器的有效接入。另一种解决接入Internet问题的途径是对现有的窄带数字蜂窝网进行改造和升级，目前我国已经在一些地方采用GPRS、EGDE等技术对现有网络进行改造，并积极推进数字移动通信向第三代以及更高宽带移动通信发展迈进。,6.2.4 基于Internet的移动计算网络的构成 移动计算网络支持主机在网中自由移动，并且这种移动对用户应该是透明的。图6.2给出了基于Internet的移动计算机网络的构成。,图6.2 基于Internet的移动网络构成,如图所示，除了主机，无线接入站及漫游管理路由器外，其他功能均为现有的Internet上的设备，也可以说移动计算机网络是在Internet上又追加了“主机可移动性”功能。主机MH在同一IP子网间的移动称为散步，在不同子网间的移动称为漫游，移动计算网络必须支持散步和漫游。,移动计算网络对散步的处理是由AP负责完成的，主要涉及链路层的功能，IEEE 802.11 MAC协议处理这一问题。实现移动计算网络的关键是如何实现对漫游的处理，这一工作由网络层(如Internet的IP层)来实现。实现漫游的方法很多，例如，Internet学会IETE(Internet Engineering Task Force)的“Mobile IP”工作组研究制订的在Internet上支持主机漫游的Mobile IP协议，SONY公司的Terqoka等人提出的基于TCP/IP协议的VIP(虚拟IP)协议。其中Mobile IP协议由于是基于Internet的，并且由于其协议草案的合理性，1996年公布为建议标准。该标准包括下面的RFC文件：,RFC 2002：定义了Mobile IP协议； RFC 2003：2004和1701：定义了Mobile IP中用到的三种隧道技术； RFC 2005：叙述了Mobile IP的应用； RFC 2006：定义了Mobile IP的管理信息库MIB。,6.2.5 Mobile IP的工作原理 Mobile IP是一种在全球Internet上提供移动功能的方案，使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。它提供了一种IP路由机制，使节点以一个永久的IP地址链接到任何链路上。与特定主机路由技术和数据链路方案不同，Mobile IP还要解决安全性和可靠性问题，并与传输媒介无关。Mobile IP的可扩展性使其可以在整个Internet上应用。,图6.3显示了Mobile IP的工作原理。三个子网分别是不同的IP子网，MH1是归属于子网1的移动主机，HA_A与FA_A，HA_B与FA_B分别是子网A和子网B的家代理与外地代理。当MH_X由子网A漫游到子网B时，称子网A是MH_X的家网，称子网B是MH_X的访问网或外地网。对MH1的漫游管理将由FA2与HA1协议完成。图中示意了A网中的移动主机MH_X移向B网的过程，AP向其网络内发出广播消息，当漫游的MH移动到一小区时，就可以通过收听这些信息判断出它在家网还是外地网。,当MH检测出它已经漫游至外地网时，它将通过外地网的AP从FA处获得一个转交地址。MH把这个转交地址通过Internet通知它的HA。此后，其他子网发给该MH的IP数据报仍将发给其家网，在家网由HA通过代理ARP吸引发向MH的报文，把发至MH的IP数据报进行重新装配，装配时只把IP数据报的宿IP地址域作为MH的转交地址(隧道技术)，然后再发送出去。如果转交地址是FA转交地址，则隧道的接收端是FA。FA把重新装配的IP数据报恢复成原来的格式再转交给MH。,如果转交地址是配置转交地址，则隧道的接收端是该MH，由它自己完成拆包工作。当MH在外地网发送IP数据报时，使用正常的IP协议发送，无需HA与FA的接入。图中子网C中的固定主机SH发向MH的报文首先到达子网A，然后再通过隧道发向子网B。这样使得一个移动用户在从A网移动到B网的过程中，不需要重新配置、重启主机，更值得注意的是，用户也不需要重启应用。例如，用户在从A网移动到B网的过程中进行FTP文件下载，该程序不会因为切换到不同的子网而中断连接，从而实现了操作透明性。,图6.3 Mobile IP工作原理,同正常的IP路由机制比较，移动IP路由机制带来了许多额外开销(Overhead)，如隧道开销、三角路由开销和分片开销等，以及切换延迟问题，它们在一起将大大降低吞吐性能。 所谓隧道开销是指，在Mobile IP运作过程中，引入了家代理打包和外地代理解包的额外开销；三角路由开销是指，IP报文不是直接发向移动主机，而是先发给家代理然后再转交给外地代理，于是也引入了开销；分片开销是指，任何一条路径可能包含多条链路，而每一条链路并不一定都采用相同的最大帧长，这就不得不分为两个或更多的报文，从而引起分片开销。,除了以上的开销，还存在切换时延问题。在Mobile IP机制下，当移动节点连续三次未收到注册代理的代理公告时，才同新的代理发起网络层切换。由此可见，当发生网络切换时，必然在大约等于三次代理公告的时间段内没有连续的网络连接，即使移动主机可以收到新代理的公告也是一样。在RFC 2002中，代理公告的最小时间是1 s，于是，每次切换将至少导致2.5 s的连续丢失，这就是切换时延问题。简单地提高代理公告的频率就可以减少切换时延，,但这种方法使得更多的网络资源用于代理公告，减少了带宽利用率，这种方式适合于带宽富裕的情况。另一种减少切换时延的方式是TCP，该方式采用快启动方式，移动节点上的TCP应在新链路上注册后立即进入快速重发，而不是等待超时。这种方法关系到Mobile IP软件和TCP软件的匹配，不得不在移动节点和端节点修改TCP和Mobile IP协议栈。,6.3 无线应用协议(WAP),WAP(Wireless Applictation Protocol)是WAP论坛经过不断努力得到的成果，它提供了一个网络协议的技术规范，以便开发出适用于各种无线通信网络的应用程序和业务。WAP规定了适用于多种无线设备的网络协议和应用程序框架，这些设备包括移动电话、寻呼机、个人数字助理(PDA)等。这个规范不但扩充了移动组网技术和Internet技术，而且还将推动它们的发展。WAP论坛的目标是：,(1) 向数字蜂窝电话和其他无线终端提供Internet内容和先进的数据业务。 (2) 制订出可以在各种无线网络技术上工作的无线协议规范。 (3) 能够在很宽的范围内(包括多种承载网络和设备类型)生成内容和应用程序。 (4) 在需要的地方，融合并扩充各种应用中已有的标准和技术。,6.3.1 WAP模型 WAP编程模型与WWW编程模型类似，这样做可以给应用程序的开发人员带来许多好处，这些好处包括：编程模型是已经熟悉的，体系结构已经被证明是十分有效的，同时可以利用已有的工具(例如Web服务器，可扩展标记语言XML等)作进一步的开发。为了适应无线应用环境的特征，WAP编程模型对WWW模型作了优化和扩展。无论在什么地方，WAP技术都尽量使用或采纳已有的技术标准，并以这些标准作为WAP技术的开发起点。WAP编程模型如图6.4所示。,图6.4 WAP编程模型,WAP内容和应用由一组公开的内容格式来指定，即大家已经熟知的WWW内容格式。WAP内容采用基于WWW通信协议的一组标准通信协议进行传送。无线终端内的微浏览器作为普通的用户接口，这个微浏览器与标准的Web浏览器相似。 为实现移动终端与网络服务器之间的通信，WAP定义了一套标准组件，这套组件包括： (1) 标准命名模型。标准命名模型使用WWW模型的标准URL来标识源服务器上的WAP内容，并用WWW标准的URI来标识一个设备上的本地资源，如呼叫控制功能。,(2) 内容分类。内容分类是对于每个WAP内容，都定义了一个与WWW分类相一致的特定类型，这使得Web用户代理能够依据其类型对WAP内容进行正确的处理。 (3) 标准内容格式。WAP内容格式是按照WWW技术定义的，其中包含显示标记、日历信息、电子商务卡片对象、图像和脚本语言。 (4) 标准通信协议。WAP通信协议将来自移动终端的浏览器请求传送到Web服务器。,为了能应用在规模庞大的无线手持设备上，WAP内容类型和WAP协议都经过了专门的优化。WAP通过用户代理技术把WWW和无线领域连接起来。 WAP代理的典型功能如下： (1) 协议网关(Protocol gateway)。协议网关把来自WAP协议栈(包括无线会话协议WSP、无线事务协议WTP、无线传输层安全WTLS和无线数据包协议WDP)的请求转化成WWW协议栈(包括超文本传输协议HTTP和TCP/IP)的请求。,(2) 内容编译码器(Content Encoders and Decoders)。内容编译码器把WAP内容转化成紧缩的编码格式，以减少在网络上传输的数据量。 这种基本构造使得移动终端用户可以浏览大量的WAP内容和应用程序，并且方便应用程序开发者建立运行在数量庞大的移动终端上的服务内容以及应用程序。WAP代理允许把内容和应用程序放置在标准的WWW服务器上，并且还可以使用有效的WWW技术。,WAP应用至少包括Web服务器、WAP代理和WAP客户端，这种WAP结构可以轻松地支持其他配置。我们可以生成一个含有WAP代理功能的源服务器，这种服务器便于实现端到端的安全解决方案，也适用于要求更好地接入控制或响应保证(如无线电话应用WTA)的应用。,6.3.2 WAP的组成 WAP的组成如图6.5所示。 1网络层 无线消息控制协议(WCMP)与ICMP类似，但功能不如后者。为了配合外面无数的空中传输协议，WAP定义了自己的数据包；无线数据协议(WDP)以UDP为基础，但有自己的端口排序语义。关于保密层，WTLS不是类推Ipsec，而是使用适用于低功率终端的新的椭圆曲线密码系统，提供类似传输层保密的SSL/TLS。互联网所说的“传输”在无线会话协议(WSP)中进行，是与TCP大致相同的对话协议，但只有实验性质的作业功能。,图6.5 WAP组成图,2应用层 无线会话协议(WSP)包含于互联网所称的“应用”之中，是对HTTP的创造性的重新构思；它进行二进制加密，PUSH和静止接入。它取得由以无线标识语言(WML)编写的“卡”组成的“页”，执行指定功能、变量和计时处理。WML是XML应用的一种，但只能以自己的压缩形式传输。最后，使用自己的WMLScript语言到“微浏览器”。,3WAE和WTA服务器 WAE指无线应用环境(Wireless Application Environment)。WAE服务器与网络服务器或代理服务器大致相似。WTA(无线电话应用)服务器在WAE顶层，是电话切换开关，处理电话提示和电话会议等。与IETE的会话启动协议(Session Initiation Protocal)和其他对IP语音的研究不同，它以新用户不用以上网冲浪为前提，所以早期的产品只提供内置的应用、WEB-WAP技术的有限互联网接入。,6.3.3 WAP与Internet的关系 WAP确实使用了许多Internet标准，如XML、UDP和IP，但为适应无线环境的特殊限制进行了优化。HTML、HTTP、TLS和TCP等Internet标准难以直接应用在移动网络上。标准的HTML Web内容一般不能在便携移动电话和寻呼机的小尺寸屏幕上实现，并且在单手持机的方式下，屏幕间的切换也不方便。HTTP和TCP没有对无线网络的非连续覆盖、长延时和有限带宽进行优化。HTTP不是以压缩二进制方式而是以效率不高的文本方式发送标题和命令的。TLS安全性标准需要在客户机与服务器之间交换许多信息，由于无线传输的时延使用户感到响应非常缓慢。,WAP为解决这些问题而进行优化。利用二进制传输经高度压缩的数据，对长时延和中、低带宽进行优化。WAP会话可处理不连续覆盖的问题，并可使IP或其他优化协议在多种无线传输方式中运行，用于WAP内容的WML语言充分利用小屏幕，无需使用完整键盘就可实现单手操作。而且WML语言具有内置可伸缩性，可实现从两行文本的显示到智能电话和个人通信器上的全图形屏幕显示。,6.3.4 WAP的分层说明 1无线控制消息协议(WCMP) WCMP(Wireless Control Message Protocol)是提示地址错误、链接拥挤和高层协议错误的基本标准。它与互联网控制消息协议(ICMP，Internet Control Message Protocol)对等，但与ICMP并不兼容。WCMP为WDP提供了有效的处理机制，提高了WAP协议和应用的性能。,2无线数据协议(WDP) WDP(Wireless Data Protocol)是传输层(Transport Layer)通信协议，它使不同通信技术的数据服务系统都能向WAP的上层协议提供一个共同的通信界面。因此应用层、会话层、安全层等通信协议都能直接在WDP上运行。 WDP与UDP大致相同。事实上，将移动IP传输给手机的载体(CDPD、IDEN和电话交换PPP)必须使用UDP；而WDP则将AIRLINK地址(手机序号、IP地址、X.25地址或其他身份证明)和AIRLINK限制到包或字符集。,WDP的功能包括对端口序号进行应用编址，选择性的分割和再组合机器错误查验，使其应用可以在不同载体上透明地执行。 WDP的端口序列策略是将自有的服务、端口暂时/动态分配到合适的位置，但它没有把WAP端口在IANA注册空间进行归类。 WAP可将内部应用的端口注册，这些暂时的端口在获准注册后将会有所改变。,3无线传输层安全协议(WTLS) WTLS(Wireless Transport layer Secure)是根据工业标准TLS Protocol制定的安全协议，用在传输层之上的安全层，并针对窄带通信环境作了修正。 WTLS将TLS应用于个体数据流和接口连接，实际上相当于在做互联网上TCP的工作。即支持数据流和连接导向的传输层协议；处理丢失、重复或数据乱序等故障而不需断开连接。 WTLS可实现功能有：检查资料完整性、保密功能、认证服务、拒绝服务等。,4无线传输协议(WTP) 继WTLS提供网络层和传输层解决方案后，WTP(Wireless Transaction Protocol)解决了部分传输层和应用层之间的问题。它大致与TCP等同，但没有关于流量控制和窗口控制的内容。WTP在快速再建和信号交换等方面也有作用。WTP提供了三种应用消息模块：类型0，可靠的单向请求；类型1，不可靠的单向请求；类型2，可靠的双向请求。,WTP有选择地提供了分段和重组；同时包含了明白的用户确认。 WTP模仿TCP16位端口数序以区别不同的应用程序、未处理的请求和指引(direction)；没有考虑先进的端口、服务映射方法。,5无线会话协议(WAP) WSP(Wireless Session Protocol)是会话层通信协议，提供两种服务：构架在WTP之上的持续性连接服务和构架在WDP之上的非持续性服务。WSP还具有HTTP 1.1的功能。WTP是在WDP之上的交易层(Transaction Layer)通信协议，是为小型客户端界面设计的。 IETF目前正在研究TCP任务协议，目标是在一个真实的连接上多路复用多个虚拟的连接而不变动上层的应用协议和数据加密体系。WSP等同于无连接的TCP，组合了与任务相关和不相关的服务。,WSP的作用是：从客户端到服务器端建立了可靠的请求，再依次释放；应用流量的大小确定协议层的功能；应用压缩密码在客户端和服务器端交换内容；延缓和恢复对话。,6无线可扩展标记语言(WBXML) WAP这一层与二进制XML一一对应。不过，WAP论坛并没有在WSP中使用HTTP的zip缺省压缩，而是为XML内容发明了一种特制的算法。WBXML(Wireless Basic Extensible Markup Language)将XML表意为树形结构，它提取通用文字串，并根据传输两端的压缩状态性能进行传送。,这种格式保留XML的元素结构，允许浏览器忽略未知要素或属性。对XML文件实体的内容和结构进行二进制编码。文件转换为二进制格式后，后缀信息(文件类型定义和附加条件段)将被消除。 虽然WBXML仅能用于XML文件，它仍需要公共的文件定义，为进行公共标识符(FPI)注册，第一个有效字节会将DTD编码为WINA控制的255槽配准。 WBXML遵从现有标准。它不用通常的字符集名称而用IANA字符集名称，这样就节省了4个字节。,一般来说，共有255个槽代码页给标签、属性名称、属性值和其他串符。实际的标签参照使用两个high-order字节来进行内容模块和属性的编码，并限制每页31个标签。 WAP没有选择一般的十进制压缩而采用二进制压缩，因为十进制压缩只适宜不做预处理的大数据量的压缩，而典型的WAP内容很少，一般只有200300字节；压缩内容需要随机存取，因而采用对运算处理能力要求较低的二进制压缩。,7无线应用环境(WAE) WAE(Wireless Application Environment)定义了无线应用层的通信协议，是针对无线通信特点开发的无线应用环境。它使网络系统和内容提供者能通过微型显示器(一般是手机显示屏)向消费者提供不同的内容及应用服务。它包括以下组件。,1) 无线标识语言(WML) WML(Wireless Markup Language)是一种类似HTML的标记语言，就像用简单的BASIC语言编程，将应用信息显示在手机屏幕上。一个传送给移动电话的应用被称为一个“Deck”，它为各项参数设置了相应的存储空间；移动电话屏幕上进入和退出的单个页面被称为“Card”，可提交外部事件提示，并通过一小串按键来连续实行其他操作。通话显示以字块为基础，有位置(左、中、右)和黑体、斜体、下划线、大/小字型等不同选择；但不支持表、帧、彩色等。,WML是一门sripting语言，它可以进行全球导航和浏览器的操作。“Deck”在传输中将独立含义的“Card”连接起来，它还定义了计时完成的线程。服务器可以轻易地用CGI脚本运行一个定制的Deck。WML浏览器的内部事件模块执行作业时先执行第一个进入，退出后经一定时间间隔后，再执行Card进入。,WML 1.0版本定义的任务有：访问识别资源；返回历史记录中的前一资源；不做执行。 同时WAP并不指定WML用户代理的准确行为。显示大小是可变性的一部分；WML必须启动HDML才能在屏幕上显示多个Card，使单一的Card能包含多个输入控制。另一方面，WAP协议抛弃了互联网处理用户代理和内容格式的规则；WML不支持任何一种风格单。,2) 位映射图形(WBMP) WAP 1.1版本中加入了位映射图形WBMP。它来自W3C和ISO的PNG图形，但不与两者兼容。WBMP可能支持多个点位平面、调色板、动画和十进制压缩。为谨慎起见，WBMP现在只定义了Type0(单点、非压缩图形)。 很多移动电话存有一系列的小图标或图形，可以用于本地用户接口和浏览应用。通过使用WML的“localsrc”属性，编程人员就可以直接使用它们，无须下载新的图形或图标。其目的与HTML的“lowsrc”属性类似，都是为了节约时间和带宽。,3) WML脚本语言(WML Script) WMLScript与JavaScript和ECMAScript相似，但进行了优化。WMLScript对内存和CPU的需求很小，并省略了不需要的其他脚本语言中的功能。对开发人员来说，WMLScript可以以非常灵活的方式与WML集成。,WMLScript并不完全依照ECMAScript，后者仅是定义WMLScript语言的基础。WMLScript是一种分类较弱的语言，变量没有像通常那样会随着其内容数据变化而变化。它支持以下几种数据形式：布尔、整数、浮点、线和无效数据。WMLScript会根据需要在不同类型中进行转化；此外，终端的处理能力也会影响对浮点数据的支持。 WAP论坛还为无线传输过程中编辑WMLScript设计了另一个简化格式。为了某些片段标识符可与WMLScript电话连接起来(而不是与互联网资源连接)，改动了URI语义，使终端配置比预期少。,4) 语音电话服务的程序界面(WTA) WAP 1.1将包括WTA(Wireless Telephony Application)的选择规范。它使输入和输出呼叫可以在WML和WMLScript中处理，允许可信的各方(如网络操作员)在网络WTA服务器的帮助下以方便的可编程方式部署语音呼叫与Internet集成服务。例如它自动呼叫一个在黄页中找到的电话号码，并可以提供语音邮件系统的可视界面。,微浏览器带来的是一致性和对增值信息服务的需求。WTA页带来了同样的一致性。营运商可以为其全部客户编写共同的WML Deck来启动电话、传递通话、回复、接驳、安排会议电话、查询语音邮件和双向传呼，还可以减少客户服务成本。 WTA为通话控制提供了延伸服务功能，如通话记录、传呼、通讯录和电话黄页服务等。它可以处理各种无线通路内的通话信号。相关的转换层有GSM、IS-136(TDMA)和PDC(Pacific Digital Cellular)。WTA用户接口是带push功能的WAE的扩充集。WTA通话功能可当成WMLScript通话处理，或者通过URL解析。,与典型的WML用户代理不同，WTA用户代理有非常严格和实时的命令管理组件。例如，用户代理放弃过时的事件，不会马上在历史记录中记录结果而在事件处理完后马上终止。在WTA构架中，用户端和服务器端通过一个事件表共同设定事件管理的规则。WTA源服务器根据需要可以通过push更新用户端的事件表来调整用户设定的规则。,6.3.5 WAP网络示例 图6.6给出了WAP网络的一个示例。 在这个例子中，WAP客户端同时与无线网络中的两个服务器进行通信。WAP代理把WAP请求转化成WWW请求，从而让WAP客户端可以向Web服务器提出请求。同时，代理还把来自Web服务器的响应按照能为客户端所接受的紧缩二进制格式进行编码。,图6.6 WAP网络示例,如果Web服务器提供的是WAP内容(即WML)，WAP代理可以从Web服务器上直接把它取回。如果Web服务器提供的是WWW内容(即HTML)，则需要先使用过滤器，把WWW内容转化为WAP内容。例如，使用HTML过滤器把HTML转化为WML。 无线电话应用WTA服务器是直接响应WAP客户端请求的源服务器或网关服务器的实例。WTA服务器提供WAP接入，以便接入无线网络供应商的电信基础设施。,6.4 移动计算中的移动数据库,近年来，通讯技术和硬件技术的发展呈加速趋势，相应的软件技术也有较快的发展，为移动计算技术的发展提供了可靠的技术保障。在无线通讯技术领域，模拟及数字蜂窝通讯系统、无线局域网、无线广域网、红外技术、卫星通信等技术都获得了巨大的发展。无线Internet的发展更是掀起了第二代Internet流行热潮。硬件技术的发展使得同嵌入式软件和移动计算技术相关的各种硬件设备的处理能力及存储容量每18个月就翻一番。,移动电话、掌上电脑、笔记本电脑、PDA、GPS卡、无线通讯卡等琳琅满目，形成了一个济济一堂的大家族。在软件方面，各种支持移动计算的操作系统、数据库系统、通讯软件系统、软件包和中间件得到了不断的完善和发展。据最新资料显示，目前专为掌上电脑开发的软件就有5000余种。,正是在上述两种因素的交互作用下，移动计算技术已经在许多领域中获得了巨大的成功，并涌现出许多令人耳目一新的实用系统，如新加坡Comfort Service中心基于GPS的出