第07章 无线与移动网络

第七章无线与移动网络《计算机网络与信息安全》第七章无线与移动网络本章学习目标理解无线网络组成要素理解无线链路与无线网络特性掌握IEEE802.11无线局域网体系结构掌握CSMA/CA协议了解移动通信网络体系结构掌握实现网络移动性的基本原理理解移动IP原理与通信过程了解移动通信网络移动性原理主要内容第一节

无线网络第二节

移动网络第三节

无线局域网IEEE802.11第四节

蜂窝网络第五节

移动IP网络第六节其他典型无线网络简介2本章重点与难点本章重点无线网络基本结构无线网络特性移动网络基本原理间接路由直接路由IEEE802.11无线局域网网络体系结构CSMA/CA协议帧结构地址移动IP网络本章难点CSMA/CA协议交互过程RTS帧与CTS帧的作用帧间间隔时间DIFS、SIFS的作用NAV概念及其设置IEEE802.11帧结构及地址字段的取值间接路由通信过程直接路由通信过程移动IP网络通信过程移动通信网络体系结构及特点3李全龙第一节

无线网络4无线和移动网络:背景无线（移动）电话用户多于固定（有线）电话用户！移动宽带连接设备多于固定宽带连接设备！截至2023年6月，我国手机网民规模达10.76亿人，较2022年12月增长1109万人网民使用手机上网的比例已经达到99.8%。两个重要（但不同）的挑战无线:通过无线链路进行通信移动:处理改变网络接入点的移动用户第一节

无线网络5无线网络基本结构6第一节

无线网络无线网络基本结构无线主机笔记本电脑、智能手机、IoT运行应用程序可以是静止的（非移动）或移动的无线并不总是意味着移动性!

7第一节

无线网络无线网络基本结构基站通常连接到有线网络中继-负责在其“区域”中的有线网络和无线主机之间发送数据包e.g.，手机信号塔，802.11接入点8第一节

无线网络无线网络基本结构无线链路通常用于将移动设备连接到基站，也可以用作骨干链路

多路访问控制协议（MAC）协议协调链路接入

各种传输速率、距离和频段9第一节

无线网络无线网络的模式基础结构模式基站将移动终端连接到有线网络切换：移动终端更换基站，提供有线网络连接10第一节

无线网络无线网络的模式特定网(adhoc)模式无基站结点只能传输到无线链路覆盖范围内的其他结点结点将自己组织成一个网络（自组网）：在结点之间路由11第一节

无线网络典型无线网络12第一节

无线网络无线链路特性与有线链路的重要区别….信号强度衰减：无线电信号在介质中传播时衰减（路径损耗）干扰：许多设备（例如WiFi、蜂窝网络、电机）共享无线网络频率（例如2.4GHz）多径传播：无线电信号反射自物体表面，在不同时刻到达目的地…使通过（甚至是点对点）无线链路进行通信变得更加“困难”13第一节

无线网络无线链路特性多个无线发送器、接收器会产生其他问题（超出多路访问控制）：隐藏终端问题：B、A彼此可以侦听到B、C彼此可以侦听到A、C彼此侦听不到，即A和C不知道他们的信号在B处会相互干扰信号衰减：B、A彼此可以侦听到B、C彼此可以侦听到A、C由于信号衰减，彼此侦听不到，在B处会相互干扰14第一节

无线网络李全龙第二节

移动网络15移动性?无线网络不一定是移动网络，但移动网络一定是无线网络移动网络中的移动结点是随时间改变其与网络连接位置的结点，并且一定采用无线通信技术。移动结点的地址始终保持不变？可用的有线基础设施的支持？基础设施网络AdHoc网络16第二节

移动网络移动互联网体系结构17第二节

移动网络移动网络如何寻址和路由？网络核心处理：

路由器通过路由表交换，通告来访移动节点的名称、地址(如永久的32位IP地址)或号码(如手机号)。理论上，Internet路由方法可以通过最长前缀匹配原，向移动主机路由信息18第二节

移动网络移动网络如何寻址和路由？网络核心处理：

路由器通过路由表交换，通告来访移动节点的名称、地址(如永久的32位IP地址)或号码(如手机号)。理论上，Internet路由方法可以通过最长前缀匹配原，向移动主机路由信息端系统处理：间接路由（indirectrouting）直接路由（directrouting）19并不适合全球性大规模的Internet第二节

移动网络间接路由20第二节

移动网络间接路由移动用户要使用2个地址：永久地址转交地址（COA）优点：通信过程“透明”通信方只需向移动用户永久地址发生消息缺点：存在“三角路由”问题当通信方与移动用户位于同一网络时，通信效率低21第二节

移动网络直接路由22第二节

移动网络直接路由231234homenetworkvisitednetworkcorrespondentrequests,receivesforeignaddressofmobilecorrespondentforwardstoforeignagentforeignagentreceivespackets,forwardstomobilemobilerepliesdirectlytocorrespondent第二节

移动网络直接路由克服“三角路由”问题通信过程对通信方不透明通信方需要通过归属代理获得移动用户的当前COA241234第二节

移动网络李全龙第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11无线局域网802.11b2.4-2.5GHz免费频段(unlicensedspectrum)最高速率：11Mbps物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术所有主机使用相同的码片序列802.11a

5-6GHz频段最高速率：54Mbps802.11g

2.4-2.5GHz频段最高速率：54Mbps802.11n:多天线(MIMO)2.4-2.5GHz频段最高速率：600Mbps均使用CSMA/CA多路访问控制协议均有基础设施(基站)网络模式和特定网(自组网)网络模式26第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11无线局域网共同特征：都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA，且链路层帧格式相同。都具有降低传输速率以传输更远距离的能力。都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。27第三节

无线局域网IEEE802.11标准年限频率范围数据率距离物理层802.11b19992.4Ghz11Mbps30m扩频802.11g20032.4Ghz54Mbps30mOFDM802.11n(WiFi4)20092.4,5Ghz600Mbps70mMIMO/OFDM802.11ac(WiFi5)20135Ghz3.47Gpbs70mMIMO/OFDM802.11ax(WiFi6)2020(exp.)2.4,5Ghz14Gbps70mMIMO/OFDM802.11af2014未用TV频带(54-790MHz)35–560Mbps1kmMIMO/OFDM802.11ah2017900Mhz347Mbps1kmMIMO/OFDM28IEEE802.11物理层第三节

无线局域网IEEE802.11802.11LAN体系结构无线主机与基站通信基站(basestation)=访问点(accesspoint-AP)基本服务集BSS(BasicServiceSet),也称为单元(cell)基础设施网络模式:无线主机AP（基站）自组网(adhoc)模式:只有无线主机29第三节

无线局域网IEEE802.11802.11:信道与关联频谱划分为不同频率的信道每个AP选择一个频率(信道)存在干扰可能:相邻的AP可能选择相同的信道！主机:必须与某个AP关联(associate)扫描信道，监听包含AP名称(服务集标识符-SSID

)和MAC地址的信标(beacon)帧选择一个AP进行关联可能需要进行身份认证典型情形：运行DHCP获取IP地址等信息BSS30第三节

无线局域网IEEE802.11802.11关联:被动扫描与主动扫描AP2AP1H1BBS2BBS11231AP2AP1H1BBS2BBS112234被动扫描(scanning):（1）各AP发送信标帧（2）主机(H1)向选择的AP发送关联

请求帧（3）AP向主机(H1)发送关联响应帧主动扫描:（1）主机(H1)主动广播探测请求帧

(ProbeRequestFrame)（2）AP发送探测响应帧

(ProbeResponseFrame)（3）主机(H1)向选择的AP发送关联

请求帧（4）AP向主机(H1)发送关联响应帧31第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11:多路访问控制spaceABCABCA’ssignalstrengthC’ssignalstrength避免冲突:2+结点同时传输802.11:CSMA–发送数据前监听信道避免与正在进行传输的其他结点冲突802.11:不能像CSMA/CD那样，边发送、边检测冲突！无线信道很难实现：发射信号强度远高于接收信号强度无法侦听到所有可能的冲突：隐藏站、信号衰落目标:避免冲突(avoidcollisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)32第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11MAC协议:CSMA/CA33第三节

无线局域网IEEE802.11基本思想：允许发送端“预约”(reserve)信道，而不是随机发送数据帧，从而避免长数据帧的冲突发送端首先利用CSMA向BS发送一个很短的RTS(request-to-send)帧RTS帧仍然可能彼此冲突(但RTS帧很短)BS广播一个CTS(clear-to-send)帧作为对RTS的响应CTS帧可以被所有结点接收消除隐藏站影响发送端可以发送数据帧其他结点推迟发送利用很小的预约帧彻底避免了数据帧冲突！IEEE802.11MAC协议:CSMA/CA34第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11MAC帧35第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11数据帧地址802.11数据帧有4个地址字段地址4用于Ad-hoc或采用无线桥接（无线DS）的情形IEEE802.11帧中的几个地址分别如何取值？36去往AP来自AP地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址——10AP地址源地址目的地址——第三节

无线局域网IEEE802.11IEEE802.11帧的地址37InternetH1R1

APMAC地址地址1地址2地址3802.11WiFi

帧R1MAC地址H1MAC地址

R1MAC地址目的MAC地址源MAC地址802.3以太网帧H1MAC地址

第三节

无线局域网IEEE802.11李全龙第四节

蜂窝网络GSM（2G）蜂窝网络体系结构39第四节

蜂窝网络单元网络：第一跳40两种典型的射频频谱共享技术：FDMA/TDMA:频分+时分CDMA:码分多址频带时隙第四节

蜂窝网络蜂窝网络（GSM）的移动性管理间接路由电话号-永久地址漫游号-COAHLR-归属代理VLR-外代理41第四节

蜂窝网络3G网络能处理图像、音频和视频流等多种媒体，提供包括浏览网页、电话会议和电子商务等多种信息服务。ITU在2000年确定了WCDMA、CDMA2000、和TD-SCDMA三大技术标准。工作频段为2000MHz，最高业务速率第一阶段为2000Kbps。第三代移动通信系统的主要目标如下：全球统一频谱、统一标准，全球无缝覆盖第三代移动通信系统框图：42第四节

蜂窝网络4G/LTE网络3G系统主要问题：不能支持较高的通信速率不能真正实现不同频段不同业务环境间的无缝漫游3GPP组织从2004年开始了LTE（LongTermEvolution，长期演进）的标准化项目3GPP选择了正交频分多路复用（OFDM）LTE系统架构演进后的核心网（EPC）演进后的接入网（E-UTRAN）物理层OFDMMIMOCoMP43第四节

蜂窝网络5G网络5G是国际电信联盟（ITU）制定的第5代移动通信标准44指标名称流量密度连接数密度时延移动性能效用户体验速率频谱效率峰值速率4G

参考值0.1Tbps/Km210万/km2空口10ms350Km/h1倍10Mbps

(urban/suburban)1倍1Gbps5G

取值10Tbps/Km2100万/Km2空口1ms500Km/h100倍提升（网络侧）0.1-1Gbps3倍提升（某些场景5倍）20GbpsITU定义的三大应用场景第四节

蜂窝网络李全龙第五节

移动IP网络45移动IP网络RFC3344基于上述移动性管理基本原理:归属代理外代理转交地址COA三个组成部分：间接路由代理发现归属代理注册46第五节

移动IP网络代理发现代理通告:外代理/归属代理通过广播ICMP消息(typefield=9)通告其提供外代理/归属代理服务47第五节

移动IP网络向归属代理注册48第五节

移动IP网络间接路由永久地址:128.119.40.186转交地址:79.129.13.2目的:128.119.40.186通信方发送分组目的:79.129.13.2目的:128.119.40.186归属代理发送给外代理的分组：封装到另一个分组之中（隧道）目的:128.119.40.186外代理→移动用户分组49通信方第五节

移动IP网络李全龙第六节

其他典型无线网络简介50WiMax全球微波互联接入（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMax）又称为IEEE802.16标准。目的是在更大范围内为用户提供可以媲美有线网络的无线通信解决方案。严格地讲，WiMax不是移动通信系统的标准，而是一种城域网（MAN）技术。按照IEEE802.16标准，网络运营商部署一个信号塔，可以覆盖超过数公里的区域，覆盖区域内任何地点的用户都可以接入到蜂窝网络，从而使用户能够便捷地在任何地方连接到运营商的宽带无线网络，从而接入Internet。WiMax优势：更远的传输距离，可以达到50公里；更高速的宽带接入，最高可达300Mbps。WiMax劣势：不能支持用户在移动过程中无缝切换。第六节

其他典型无线网络简介51个人区域网:蓝牙（Bluetooth）直径小于10m替代线缆（鼠标、键盘、耳机）自组网：无基础设施2.4-2.5GHzISM无线电频段，高达4Mbps主控制器/客户设备：主控制器轮询客户端，授予客户传输请求覆盖半径CCCPPPPMC主设备（masterdevice）客户设备（clientdevice）停放设备（parkeddevice(inactive)）PM52第六节

其他典型无线网络简介个人区域网：蓝牙（Bluetooth）TDM：625msec时隙FDM：发送方使用跳频扩频（FH