《计算机网络》课程笔记 (Ch07-无线和移动网络)

概论

无线网络的要素

• 无线主机：具有无线网卡的运行应用程序的端系统

• 基站：通常连接到有线网络，负责为无线主机和有线网络进行中继

• 无线链路：无线主机与基站或者其他无线主机相连的链路

• 两种模式：

  • 基础设施模式：无线主机通过基站接入有线网络

  • 自组织模式：没有基站，节点只能与它无线链路覆盖范围内的其他节点通信

无线链路的特征

• 信号强度随着距离增加而减弱
• 复杂的多路访问情况
  • 隐藏终端问题：A-B、B-C可交流，但由于环境的物理阻挡，A-C之间无法传输
  • 信号衰减问题：A-B-C之间，A与C的信号强度不足以交流，却又会在B处产生干扰

无线LAN（WLAN）

体系结构

• 基本构建模块：基本服务集（BSS），即一个WLAN中的一组相互通信的移动设备
• 基础设施模式的无线LAN
  • 无线站点
  • *基站：接入点AP
• 自组织模式的无线LAN
  • 无线站点

信道

每个AP都有一个服务集标识符SSID以及一个信道号。802.11b的频谱分为11个部分重叠的信道，相隔4个及以上才无重叠。这说明相邻的AP若采用相同的信道，则可能产生干扰。

每个AP周期性地发送信标帧（包含SSID和MAC），主机扫描11个信道听取信标帧，选择AP进行关联。

扫描模式

• 被动扫描

  AP发送信标帧，主机监听并向AP发起请求，AP回复响应

• 主动扫描

  主机广播探测帧，AP发送探测响应，主机发送请求，AP回复响应

802.11 MAC协议

CSMA/CA碰撞避免

为什么即使信道空闲，也要随机倒计时抑制传输？考虑如下情况：A→B、C→D准备传输时，E正在信道上传输。如果不做倒计时等待，一旦E释放信道，A→B、C→D必然立刻碰撞。所以随机倒计时有机会避免高代价的碰撞。

CSMA/CA并不能保证不发生碰撞，因为随机回退值可能相近，也有可能两个站点是互相隐藏的。

隐藏终端的处理

两个站点是互相隐藏的情况，例如H1-AP-H2，由于距离，H1-H2之间不能互相听到，即H2在信道上传输时，H1却认为信道空闲。

处理方法是使用短控制帧RTS和CTS进行预约。当发送方要发送长数据帧时，先向AP发RTS，指出传输需要的时间。AP收到RTS后，广播一个CTS，从而给发送方明确的发送允许，并指示其他站点在预约期内不要发送。而由于RTS和CTS很短，即使发生碰撞代价也很小（持续时间很短）。

802.11帧结构

其与以太网帧有许多共同点。这里介绍几个重要的子字段。

• 有效载荷与CRC

• 地址字段

  具有4个地址字段，每一个都可以包含一个MAC地址

  • A1：接收者
  • A2：发送者
  • A3：AP所连接的路由器接口
  • A4：自组织网络中使用

• 序号、持续期、帧控制字段（RTS、CTS）、

移动管理

无线终端可能随着时间改变它与网络连接的位置。移动管理的目的是实现用户移动性对应用透明。

* 相同子网内移动

（相同子网可能是不同BSS）IP不变，交换机通过自学习构建转发表。

几个概念

• 归属网络：节点的永久居所
• 永久地址：在归属网络中的地址，移动时保持不变
• 归属代理：归属网络中可以代表移动节点的不动实体（如交换机、路由器）
• 被访网络（外部网络）：移动节点当前所处的网络
• 转交地址（外部地址）：该节点在被访网络中的地址
• 外部代理：外部网络帮助移动节点实现移动管理的实体
• 通信者：想要与移动实体通信的实体

关键问题——寻址

实现移动管理的基本原理是，通信者都向归属代理（永久地址）发起通信。如果移动节点在归属网络中，则归属代理可以直接负责通信。如果移动节点在外部网络中，归属代理可以使用转交地址与其通信。

由路由器实现

外部代理向所有其他网络通告：移动节点正处于它的网络中。

问题：可扩展性差

由终端系统实现：每个移动节点绑定两个地址

• 间接路由选择

  • 注册

    • 移动节点向外部代理注册
    • 外部代理向归属代理报告转交地址

  • 路由选择

    

    • 通信者向永久地址发起通信
    • 归属代理拦截分组，转发给外部代理
    • 外部代理将分组转发给移动节点
    • 移动节点直接响应通信者

  • 三角路由问题导致效率低下

    三角路由：A→B、B→A的路径不同，导致时长不同，传输效率低

• 直接路由选择

  • 不再总是经过归属代理，克服了三角路由问题

    

    • 通信者向归属代理查询，获得移动节点的转发地址
    • 通信者直接发送分组给外部代理
    • 移动节点直接响应通信者

  • 仍然存在挑战

    • 需要一个移动用户定位协议来帮助查询转交地址
    • 如果在会话过程中发生了节点移动，而发送者记忆的转交地址没有及时更新，如何处理？

移动IP标准

• 代理发现：周期性广播相关ICMP报文
• 向归属代理注册
• 使用间接路由选择