无线与移动网络

第七章无线与移动网络

本章重难点分析

1、掌握无线网络基本结构以及无线链路与无线网络主要特性。

2、理解移动网络基本蹴念与基本原理、掌握间接路由与直接路由过程。

3、理解IEEE802.11无线局域网体系结构，掌握SSMA/CA协议。

4、理解移动通信网络体系结构、2G、3G、4G/LTE、5G网络。

5、掌握移动IP基本原理与工作过程、理解移动通信网络的移动管理技术。

6、理解WiMax、蓝牙、ZigBee等无线网络基本特性。

IEEE802.11系列标准、共同特征、区别；IEEE802.11的MAC协议；

IEEE802.11帧；蓝牙；

第一节无线网络

无线网络

1)无线网络基本结构

2)无线链路与无线网络特性

知识点1无线网络基本结构

1、无线网络基本结构：

(1)无线主机：运行应用程序的终端设备(计算机、智能手机)。

(2)无线链路：主机通过无线链路连接到基站或者另一台无线主机。

(3)基站：关键部分。如蜂窝网的蜂窝塔(celltower)sIEEE802.11的AP。

(4)网络基础设施：通常是大规模有线网络，如internet。

2、自组织网络（AdHocNetwork）:又称特定网络。

无线主机不通过基站（没有基站），直接与另一个无线主机直接通信的无线

网络模式。

自组织网络没有基站，无线主机也不与网络基础设施相连，主机本身需要

提供路由选择、地址分配等服务。

切换（handoff）:一台主机移动超出一个基站覆盖范围，到达另一个基站范

围后，将改变其接入到网络基础设施的基站。

知识点2无线链路与无线网络特性

1、无线链路特征：通过无线链路连接到基站，不同无线链路技术传输速率和传

输距离不同。

2、有线网络与无线网络的重要区别在数据链路层和物理层，无线链路有别于有

线链路主要表现：

1）信号强度的衰减：电磁波在穿过物体是强度减弱（路劲损耗）。

2）干扰：同一个频段发送信号的电波源会相互干扰。（2.4GHz和802.11b相同

频段）

3）多径传播：接收方收到的信号会变模糊，

无线链路中的比特差错比有线链路更为常见。采用CRC和ARQ检错。

3、导致碰撞的两种情况：

1）隐藏终端

2）衰减

第二节移动网络

移动网络

1）移动网络基本原理

2）寻址

3）移动结点的路由选择

知识点1移动网络基本原理

1、无线网络不一定是移动网络，但移动网络一定是无线网络。

2、移动性分析

1）从网络层角度分析用户的移动性

一座建筑物、开车在高速上奔驰。

2）移动结点的地址始终保持不变

在移动过程中，IP地址不变，从应用的角度来看，移动性不可见（透明）。

3）可用的有线基础设施的支持

无线接入网、家庭ISP等基础设施都不存在。两个用户位于彼此的

通信范围内需要建立网络时，自组织网络实现。

3、移动互联网体系结构

1）归属网络（家网）：一个移动结点的永久居所。

2）归属代理（家代理）：在一个归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实

体。一般配置在路由器上。

3）外部网络（被访网络）：移动结点所在的非归属网络。

4）外代理：在外部网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体。

如下图：

知识点2寻址

1、寻址：移动结点从一个网络移到另一个网络保持地址不变。两种解决方案：

1）外部网络可以通过向其他所有网络发通告，告诉它们该移动结点正在它的网

络中。

2）将移动性功能从网络核心搬到网络边缘，由该移动结点的归属网络来实现。

实际移动网络采用这种方式。

外部代理与归属代理之间的协议来更新结点的位置。

如下图.

知识点3移动结点的路由选择

数据报如何寻址并转发给移动结点：

(1)移动结点的间接路由选择：

如下图：

间接路由选择小结：

1)移动结点到外部代理的协议。移动结点连接到外部网络时注册，离开时取消

注册。

2)外部代理到归属代理的注册。移动结点每移动到一个新的网络，外部代理向

归属代理注册一个新的COA,源COA自动注销。

3)归属代理数据报封装协议。将通信者的原始数据报封装目的地址为COA的数

据报，发出去。

4)外部代理拆封协议。从封装好的数据报取出原始数据报，转发给移动结点。

外部代理、归属代理、间接转发。

数据报如何寻址并转发给移动结点：

(2)移动结点的直接路由选择

如下图：

直接路由选择克服了三角路由选择的问题，引入了另两个问题：

1）需要一个移动用户定位协议，方便通信者代理向归属代理查询活动移动结点

的COA。

2）移动结点从一个外部网络移动到另一个外部网络时，两种解决方案：

创建一个新的协议来通告通信者变化后的COA；通过锚外部代理来实现。

第三节无线局域网IEEE802.il

无线局域网IEEE802.il

1)IEEE802.11系列标准

2)IEEE802.11体系结构

3)IEEE802.11的MAC协议

4)IEEE802.11帧

知识点1IEEE802.11系列标准

1、4个比较流行的无线局域网IEEE802.11标

标准频率范围/GHz数据率物理层

IEEE802.11b2.4最高为UMbit/s扩频

IEEE802.11a5最高为54Mbit/sOFDM

IEEE802.11g2.4最高为54Mbit/sOFDM

IEEE802.11n2.4/5最高为600Mbit/sMIMO/OFDM

2、4个无线局域网IEEE802.11标准共同特征

(1)都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA。

(2)链路层帧使用相同的帧格式。

(3)都具有降低传输速率以传输更远距离的能力。

(4)都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种“

3、4个无线局域网IEEE802.11标准区别

IEEE802.11b信号传播距离最远、穿透能力较好

IEEE802.11a在更高的频率上运行，支持多用户同时上网；传输距离短，

且受多径传播影响大

IEEE802.11g支持多用户同时上网、信号传播距离最远、穿透能力较好

IEEE802.11n使用多个发射和接收天线允许更高的数据速率，600Mbit/s

例：【简答题】简述IEEE802,11asIEEE802,11b、IEEE802.11nWIEEE802.11g

标准的共同特征。

【参考答案】：

(1)都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA。

(2)链路层帧使用相同的帧格式。

(3)都具有降低传输速率以传输更远距离的能力。

(4)都支持“基础设施模式”和“自组织模式，两种模式。

知识点2IEEE802.11体系结构

1、IEEE802.11体系结构的基本构件

(1)基站：接入点(AP)。

(2)基本服务集(BSS)：包含一个或多个无线汨点和一个接入点的中央基站。

2、IEEE802.1)的自组织网络3、无线主机如何发现AP?

(1)被动扫描：AP发送信标帧

（AP的SSID、MAC地址）

(2)主动扫描：

知识点3IEEE802.11的MAC协议

1、IEEE802.11多个站点共享信道的多路访问控制协议

CSMA/CA协议（带碰撞避免的CSMA）。

无线信道误码比特率高，IEEE802.11使用链珞层确认/重传ARQ方案。

2、CSMA/CA协议（带碰撞避免的CSMA）原理

DIFS:分布式帧间间隔

RTS：很短的请求发送控制帧（源地址、目的地址、通信所需时间）

SIFS:短帧间间隔

CTS：允许发送控制帧，包括本次通信所需持续时间

NAV：通信时间内，其他站点不会发送数据，该时间段称为网络分配向量

CSMA/CA总结：

通过RTS和CTS帧交换，可有效避免隐藏站的问题，避免数据帧传输过程

冲突，实现信道预约。

但两个站点同时发送RTS帧就会冲突。

知识点4IEEE802.11

1、IEEE802.1）帧的三种类型

（1）控制帧

（2）数据帧

（3）管理帧

2、数据帧的结构

MAC首部：30字节

帧主体：数据部分、不超过2312字节（一般小于1500字节）

尾部：检验序列FCS、4字节

序号：使接收方区分新传输的帧和以前帧的重传。

持续期：预约信道的一段时间（数据帧和确认帧的传输时间）。

帧控制字段：类型和子类型字段用来区分关联帧、RTS帧、CTS帧、ACK帧和数

据帧等。

3、地址字段

前3种用在有基础设施的网络中；第4种用在自组织网络中。

当把数据帧发给AP时，帧控制字段中的“去往AP=1,来自AP=0”°

当AP把数据帧转发出去时，帧控制字段中的“去往AP=0,来自AP=1”。

去往AP来自AP地址1地址2地址3地址4

01目的地址AP地址源地址—

10AP地址源地址目的地址--

4、IEEE数据帧传输示例：

(1)主机A向主机B发送数据帧

(2)路由器R与主机C之间的数据传输

数据报流向去往来自地址1地址2地址3地址4

APAP

R接口2->AP2以太网帧(目的地址：C的地址，源地址：R接口2地址)

AP2-)C01C的地址AP2地址R接口2—

地址

C->AP210AP2地址C的地址R接口2—

地址

AP2->R接口2以太网帧(目的地址：R接口2地址，源地址：C的地址)

例：【简答题】简述CSMA/CA协议中的DIFS、RTS、SIFS、CTS和NAV的中文

含义。

【参考答案】：DIFS:分布式帧间间隔RTS：请求发送控制帧SIFS：短帧间间隔

CTS：允许发送控制帧NAV：网络分配向量

第四节蜂窝网络

蜂窝网络

1）蜂窝网络体系结构

2）蜂窝网络中的移动性管理

3）移动通信2G/3G/4G/5G网络

知识点1蜂窝网络体系结构

蜂窝移动网络目前有超过30种标准。

2G蜂窝网络采用GSM系统（全球移动通信系统），增加了GPRS（通用分组

无线服务技术）和EDGE技术（增强型数据速率GSM演进技术）。

GSM标准的空中接口使用FDMA/TDMA组合技术。信道被划分F个子频带、

每个子频带的时间又被划分T个时隙。信道支持FXT个并发的呼叫。

一个基站控制器（BSC）通常服务于几十个收发基站。

基站控制器及其控制的收发基站构成了GSM基站系统（BSS）o

单个移动交换中心（MSC）包含多大5个BSC。

一个蜂窝服务提供商的网络由若干个MSC构成，并通过称为网关的MSC

与更大的公共电话网络相连。

知识点2蜂窝网络中的移动性管理

1、GSM采用间接路由选择方法管理移动性。

移动用户向某个蜂窝网提供商订购了服务，该蜂窝网络称为用户的归属网络。

移动用户当前所在网络称为被访网络。

2、注册器

归属网络：归属位置注册器(HLR:homelocationregister)的数据库。包括

永久蜂窝电话号码、用户个人信息、用户当前位置信息。

被访网络：访问者位置注册器(VLR：Visitorlocationregister)的数据库。

当前在其网络中移动用户包含一个表项。

3、一个呼叫如何定位到被访网络中的一个移动用户的过程：

(1)通信者拨打移动用户的电话号码。号码前兀位可定位到用户归属网络的归

属MSCo

(2)归属MSC收到呼叫，查询HLR来确定移动用户的位置。HLR直接返回漫

游号码；归属MSC查询VLR获取移动站点的漫游号码。

(3)通过漫游号码，从归属MSC到被访MSC,再从被访MSC到为移动用户。

通信者到归属MSC,从归属MSC到被访MSC,再从被访MSC到为移动用

户提供服务的基站，最后到移动用户，呼叫连接建立完成。

知识点3移动通信2G/3G/4G/5G网络

1、2G网络

GSM是第二代(2G)的开端。

GSM系统的业务：承载业务、电信业务、附加业务。

GSM采用FDMA'TDMA混合接入方式。

2、3G网络

第三代移动通信系统。将无线通信与互联网等多媒体通信结合的新一代移动

通信系统，能处理图像、音频、视频等。

ITU(国际电信联盟)在2000年确定了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA

三大技术。

3G的目标：全球统一频谱、统一标准、无缝覆盖；更高频谱效率、更大系

统容量；更优良服务和保密性能；适应多种环境。

3G移动通信最关键技术是无线传输技术。

3、4G/LTE网络

长期演进（LTE）的标准化项目。

LTE系统架构分为两部分：演进后的核心网（EPC）和演进后的接入网（E-

UTRAN）。

EPC分为两部分：移动管理实体（MME）,负责移动性控制；服务网关（S-

GW）,负责数据分组的路由与转发。

LTE系统支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD）、半双工FDD（HFDD）

方式。

4、5G网络

第五代移动通信技术，目前在研究中。

目的：构建网络社会、满足超高速率传输、超高容量、超可靠性、随时随

地可接入性等、解决流量风暴、网络拥塞等。

第五节移动IP网络

移动IP由IETF开发的，允许计算机移动外地时，仍然保留其原理的IP地址。

移动IP标准由三部分组成：代理发现、向归属代理注册、数据报间的间接

路由选择。

移动IP网络

1）代理发现

2）向归属代理注册

知识点1代理发现

1、代理发现：当某移动IP站点到达一个新网络时（外部网络或者回到归属网

络），必须知道外部代理或者归属代理的身份。

代理发现的两种方式：代理通告、代理请求。

（1）代理通告

外部代理或者归属代理使用一种现有路由器发现协议的扩展协议来通

告其服务。周期性广播一个类型字段为9（路由器发现）的ICMP报文。如下图：

0归属代理位（H）：该代理是它所在网络的一个归属代理。

0外部代理位（F）：该代理是它所在网络的一个外部代理。

0注册要求位（R）：某个移动用户必须向某个外部代理注册。

0M、G封装位：是否用除了“IP中的IP”的封装形式。

0转交地址（COA）字段：转交地址列表。

(2)代理请求

一个移动结点可以通过广播一个代理请求报文来知道代理。该报文是类型值

为10的ICMP报文。

知识点2向归属代理注

1、移动IP定义了移动结点或外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销

COA的协议。

2、通过外部代理向归属代理完成注册的4个步骤：

(1)当收到一个外部代理通告后，移动结点立即向外部代理发送一个移动IP注

册报文。一个UDP数据报，通过端口434发送。

(2)外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址。向归属代理的端口

434发送一个移动IP注册请求报文(UDP)o

(3)归属代理接收注册请求并检测真实性和正确性。将永久IP与COA绑定。

发送一个移动IP注册应答。

(4)外部代理接收注册应答，将其转交给移动结点。

无需显示取消，注册新COA时，自动取消。

例：【简答题】通过外部代理向归属代理完成注册的4个步骤。

【参考答案】：

(1)当收到一个外部代理通告后，移动结点立即向外部代理发送一个移动IP注

册报文。一个UDP数据报，通过端口434发送。

(2)外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址。向归属代理的端

口434发送一个移动IP注册请求报文(UDP)o

（3）归属代理接收注册请求并检测真实性和正确性。将永久IP与COA绑定。

发送一个移动IP注册应答。

（4）外部代理接收注册应答，将其转交给移动结点。

第六节其他典型尢线网络简介

其他典型无线网络简介

WiMax

蓝牙

ZigBee

知识点1WiMa

WiMax：全球微波互联接入，IEEE802.16标准。严格来讲不是标准，是一种

城域网（MAN）技术。

目的：在更大范围内为用户提供媲美有线网络的无线通信解