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Chapter 6: 无线和移动网络

背景 : 无线 ( 移动 ) 电话 用户数量目前超过 有线用户数量 ! 计算机网络 : 笔记本 , 掌上电脑 , PDA 等可联网设备提供了随时在线的网络接入功能 这里有两个主要的挑战 无线 移动. Chapter 6: 无线和移动网络. 6.1 介绍 无线 6.2 无线链路的特性 CDMA 6.3 IEEE 802.11 无线 LAN (“wi-fi”) 6.4 蜂窝网络接入因特网 基础架构 标准 (e.g., GSM). 移动 6.5 原理 : 移动主机的寻址和路由 6.6 移动 IP 6.7 蜂窝网络的移动性

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Chapter 6: 无线和移动网络

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  1. 背景: 无线 (移动) 电话 用户数量目前超过 有线用户数量! 计算机网络: 笔记本, 掌上电脑, PDA等可联网设备提供了随时在线的网络接入功能 这里有两个主要的挑战 无线 移动 Chapter 6: 无线和移动网络 6: Wireless and Mobile Networks

  2. 6.1 介绍 无线 6.2 无线链路的特性 CDMA 6.3 IEEE 802.11 无线LAN (“wi-fi”) 6.4蜂窝网络接入因特网 基础架构 标准(e.g., GSM) 移动 6.5原理: 移动主机的寻址和路由 6.6移动 IP 6.7蜂窝网络的移动性 6.8移动性和高层协议 6.9总结 Chapter 6 6: Wireless and Mobile Networks

  3. 无线主机 • 笔记本, PDA, IP 电话 • 运行应用程序 • 可能是固定的或者移动的 • 无线不一定意味着移动 网络基础设施 无线网络的基本构成 6: Wireless and Mobile Networks

  4. 基站 • 通常与有线网络连接 • 中继 – 负责转发有线网络与其辖区内无线设备之间交换的数据包 • 例., 基站、接入点 网络基础设施 无线网络的基本构成 6: Wireless and Mobile Networks

  5. 网络基础设施 无线网络的基本构成 无线链路 • 用于连接无线设备和基站 • 也可用于骨干链路 • 链路访问需要使用多路访问协议 • 具有多种数据传输速率, 多种传输距离 6: Wireless and Mobile Networks

  6. 室外 50 – 200m 室外中距离 200m – 4Km 室外长距离 5Km – 20Km 市内 10 – 30m 几种无线网络标准的链路特性 54 Mbps 802.11{a,g} 5-11 Mbps .11 p-to-p link 802.11b 1 Mbps 802.15 3G 384 Kbps UMTS/WCDMA, CDMA2000 2G 56 Kbps IS-95 CDMA, GSM 6: Wireless and Mobile Networks

  7. 基础设施模式 • 基站把移动设备联入有线网络 • 切换: 移动设备改变连接的基站 网络基础设施 无线网络的基本构成 6: Wireless and Mobile Networks

  8. 无线网络的基本构成 Ad hoc 模式 • 没有基站 • 节点A只能给A覆盖范围内的其它节点传输数据 • 所有节点形成一个自组织网络: 路由算法由节点负责 6: Wireless and Mobile Networks

  9. 无线链路的特性 与有线链路的区别 …. • 信号衰减:无线信号传播时信号强度会衰减 (路径衰减) • 信号干扰:标准化的无线网络频率 (例., 2.4 GHz) 被多种设备共享会形成干扰 (例., 电话、微波炉)，环境中的电磁干扰（例发动机） • 多径传播:无线信号的一部分受物体和地表反射，走的路径长度不同 ，导致到达接收方的信号相互干扰 …. 以上特性使得无线链路的链路质量较差，即使是点到点的链路也需要做较多的工作 6: Wireless and Mobile Networks

  10. B A C C C’s signal strength A’s signal strength B A space 无线网络特性 多个无线设备发送方和接收方 造成了一些额外的问题 (不仅仅是多路访问的问题): 隐藏站问题 • B, A hear each other • B, C hear each other • A, C can not hear each other 这意味着 A, C 同时向B传输数据时会相互干扰 信号衰减: • B, A hear each other • B, C hear each other • A, C can not hear each other 在 B处会造成干扰 6: Wireless and Mobile Networks

  11. 码分多路访问协议 (CDMA) • 用于几种无线广播链路标准 (蜂窝, 卫星等) • 每个用户具有唯一的 “码字”; 也就是在码空间划分 • 所有用户使用相同的频率, 但每个用户具有独享的“码片”序列 (码字) 来编码数据 • 编码后的信号= (原始信号) X (码片序列) • 解码:编码后的信号与码片序列的内积 • 允许多个用户“共存” 并在具有最小干扰条件下同时传输 (如果码字正交) 6: Wireless and Mobile Networks

  12. d0 = 1 1 1 1 1 1 1 d1 = -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 M Di = SZi,m.cm m=1 M d0 = 1 d1 = -1 CDMA 编码/解码 信道输出 Zi,m Zi,m= di.cm 数据比特 发送方 slot 0 channel output slot 1 channel output 码字 slot 1 slot 0 接收方输入 slot 0 channel output slot 1 channel output code 接收方 slot 1 slot 0 6: Wireless and Mobile Networks

  13. CDMA: 两个发送方同时发送数据 6: Wireless and Mobile Networks

  14. 6.1 介绍 无线 6.2 无线链路的特性 CDMA 6.3 IEEE 802.11 无线LAN (“wi-fi”) 6.4蜂窝网络接入因特网 基础架构 标准(e.g., GSM) 移动 6.5原理: 移动主机的寻址和路由 6.6移动 IP 6.7蜂窝网络的移动性 6.8移动性和高层协议 6.9总结 Chapter 6 6: Wireless and Mobile Networks

  15. 802.11b 2.4-5 GHz 自由使用频段 传输速率可达 11 Mbps 物理层：直接序列扩展频谱 (DSSS) 通常使用基础设施模式 应用模式 802.11a 5-6 GHz 范围 传输速率可达 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz 范围 传输速率可达 54 Mbps 使用 CSMA/CA 完成多路访问 可以使用基础设施模式和ad-hoc模式 IEEE 802.11 无线LAN 6: Wireless and Mobile Networks

  16. AP AP Internet 802.11 LAN 体系结构 • 无线主机与基站通信 • 基站 = 接入点 (AP) • 基础设施模式下基本服务集合 (BSS) (aka “单元”) 包含: • 无线主机 • 接入点 (AP): 基站 • ad hoc 模式: 只有主机 hub, switch or router BSS 1 BSS 2 6: Wireless and Mobile Networks

  17. 802.11: 信道、关联 • 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 频段划分为11个信道 • AP 管理该 AP的信道选择 • 可能会干扰: 相邻的AP可能会选择相同的信道! • 主机: 必须关联到某个AP • 扫描信道, 监听信标帧以获得AP的名字 (SSID)和MAC地址 • 选择某个AP来关联 • 关联过程中可能会执行认证 [Chapter 8] • 典型情况下可以执行 DHCP 获得该AP所在子网中的一个IP地址 6: Wireless and Mobile Networks

  18. B A C C C’s signal strength A’s signal strength B A space IEEE 802.11: 多路访问 • 避免碰撞: 避免两个以上的节点同时传输数据2+ • 802.11: CSMA – 在传输数据之前监听 • 其它节点不允许干扰将要或者正在进行的传输 • 802.11: 没有碰撞 检测! • 隐藏站问题 • 暴露站问题 • 目标: 避免拥塞: CSMA/C(ollision)A(voidance) 6: Wireless and Mobile Networks

  19. DIFS data SIFS ACK IEEE 802.11 MAC 协议: CSMA/CA 802.11 发送方 1 如果在DIFS（分布帧间）间隔内监听到信道空闲则传输整个帧(没有碰撞检测) 2 如果监听到信道繁忙 1)选择一个随机回退时间作为定时器初值 2)在信道空闲时定时器递减 3)定时器过期的时候重新发送 4)如果收不到ACK, 增加随机回退的时间间隔, 重复2) 802.11 接收方 - 如果一帧完好接收 在SIFS(短帧间)间隔之后返回ACK sender receiver 6: Wireless and Mobile Networks

  20. 避免碰撞 (more) idea:允许发送方预定信道 ，而不是简单的随机发送数据帧: 这样可以避免长的数据帧的碰撞 • 发送方首先基于CSMA发送 小的 request-to-send (RTS) 分组给基站 • RTS帧可能依旧与其它的短帧碰撞 • BS广播 clear-to-send CTS 作为RTS的响应 • RTS 被相关站点接收 • 发送方发送数据帧 • 其它站点推迟传输 通过使用小的预定数据包 达到了避免数据帧碰撞! 6: Wireless and Mobile Networks

  21. RTS(B) RTS(A) reservation collision RTS(A) CTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) ACK(A) 避免碰撞: RTS-CTS 交换 B A AP defer time 6: Wireless and Mobile Networks

  22. 6 4 2 2 6 6 6 2 0 - 2312 frame control duration address 1 address 2 address 3 address 4 payload CRC seq control 802.11 帧: 寻址 Address 4:只用于Ad hoc模式 Address 1:接收此帧的 无线主机或者AP的 MAC地址 Address 3: AP所连接的路由器接口的MAC 地址 这里仅是一种特例；四个地址域的含义取决于帧控字段的To DS和From DS域 Address 2:发送此帧的 无线主机或者AP的 MAC地址 6: Wireless and Mobile Networks

  23. router AP Internet R1 MAC addr AP MAC addr source address dest. address 802.3frame AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 3 address 2 address 1 802.11 frame 802.11 帧: 寻址 H1 R1 6: Wireless and Mobile Networks

  24. 6 4 2 2 6 6 6 2 0 - 2312 frame control duration address 1 address 2 address 3 address 4 payload CRC seq control 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Protocol version Type Subtype To AP From AP More frag Retry Power mgt More data WEP Rsvd 802.11 帧: more frame seq # (for reliable ARQ) duration of reserved transmission time (RTS/CTS) frame type (RTS, CTS, ACK, data) 6: Wireless and Mobile Networks

  25. H1 依旧在相同的IP子网中: IP地址可以不变 交换机: 哪一台AP与移动主机关联? 自学习 (Ch. 5): 交换机会看到来自H1的帧，并记录哪一条交换机线路可以到达 router 802.11: 同一子网内的移动性 hub or switch BBS 1 AP 1 AP 2 H1 BBS 2 6: Wireless and Mobile Networks

  26. P P P P P M M Master device Slave device Parked device (inactive) S S S S 802.15: 个域网 • 小于10米范围内的网络 • 取代电缆 (鼠标, 键盘, 耳机) • ad hoc: 没有基础设施 • 主/从: • 从属设备请求发送许可 • 主设备授权请求 • 802.15: 由蓝牙规范演化而来 • 2.4-2.5 GHz 无限频段 • 最大传输速率 721 kbps radius of coverage 6: Wireless and Mobile Networks

  27. 6.1 介绍 无线 6.2 无线链路的特性 CDMA 6.3 IEEE 802.11 无线LAN (“wi-fi”) 6.4 蜂窝网络接入因特网 基础架构 标准(e.g., GSM) 移动 6.5原理: 移动主机的寻址和路由 6.6移动 IP 6.7蜂窝网络的移动性 6.8移动性和高层协议 6.9总结 Chapter 6 6: Wireless and Mobile Networks

  28. 连接各小单元到广域网络 • 管理呼叫的建立和拆除 (more later!) • 处理移动性 (more later!) Mobile Switching Center Mobile Switching Center • 覆盖一小块地理区域 • 基站(BS) 作用与接入点类似 • 移动用户通过BS接入网络 • 空中接口:在移动设备和BS之间的物理和链路层协议 PSTN和因特网 单元 MSC wired network 蜂窝网络的组成要素 6: Wireless and Mobile Networks

  29. time slots frequency bands 蜂窝网: 第一跳 存在两种技术来分割移动用户到基站所用的频谱资源 • 混合FDMA/TDMA:把频谱分成不同的频段, 把每一个频段按照时槽划分 • CDMA:码分多路访问 6: Wireless and Mobile Networks

  30. 蜂窝系统的标准: 简介 2G systems:语音信道 • IS-136 TDMA: 混合 FDMA/TDMA (北美) • GSM (global system for mobile communications): 混合 FDMA/TDMA • 应用广泛 • IS-95 CDMA: 码分多路访问 TDMA/FDMA CDMA-2000 EDGE GPRS UMTS Don’t drown in a bowl of alphabet soup: use this O or reference only IS-95 IS-136 GSM 6: Wireless and Mobile Networks

  31. 蜂窝系统的标准: 简介 2.5 G 系统:语音和数据信道 • 用于等不及3G服务的人: 属于2G 扩展 • general packet radio service (GPRS) • 演化自 GSM • 数据在多个可得信道上发送 (if available) • enhanced data rates for global evolution (EDGE) • 演化自 GSM, 使用增强的调制解调模块 • 数据的最大传输速率可以达到 384K • CDMA-2000 (阶段1) • 数据的最大传输速率可以达到 144K • 演化自 IS-95 6: Wireless and Mobile Networks

  32. 蜂窝系统的标准: 简介 3G systems:语音/数据 • Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) • GSM 的下一代, 使用了 CDMA技术 • CDMA-2000 ….. more (and more interesting) cellular topics due to mobility (stay tuned for details) 6: Wireless and Mobile Networks

  33. 6.1 介绍 无线 6.2 无线链路的特性 CDMA 6.3 IEEE 802.11 无线LAN (“wi-fi”) 6.4 蜂窝网络接入因特网 基础架构 标准(e.g., GSM) 移动 6.5 原理: 移动主机的寻址和路由 6.6移动 IP 6.7蜂窝网络的移动性 6.8移动性和高层协议 6.9总结 Chapter 6 6: Wireless and Mobile Networks

  34. 没有移动性 高移动性 移动性? • 移动性从网络角度可以大致分为三类: 无线移动用户, 使用固定的接入点 移动用户, 在多个接入点覆盖区移动，同时保持连接 (比如移动电话) 移动户用, 使用DHCP协议多次接入网络. 6: Wireless and Mobile Networks

  35. 移动性: 相关词汇 家网:移动设备（用户）的永久“住所” 本地代理: 当移动设备离开家网后，代表移动设备执行移动性相关功能的实体 广域网 永久地址:移动设备在家网的地址，永远可以使用该地址找到移动设备例., 128.119.40.186 通信实体 6: Wireless and Mobile Networks

  36. 移动性: 相关词汇 永久地址:保持不变 (例., 128.119.40.186) 访问网络:移动设备当前到达的网络(例., 79.129.13/24) 访问地址:访问网络中的有效地址（可能是外地代理的IP地址或者分配给移动主机的临时地址）. (例., 79,129.13.2) 广域网 外地代理: 访问网络中代表移动设备执行移动相关功能的实体 通信实体: 试图与移动设备通信的实体 6: Wireless and Mobile Networks

  37. 你如何联系漂泊的朋友呢？ • 寻找所有的电话本? • 求助于其父母? • 期望朋友主动告诉你他当前的位置? Alice在哪里呢? 你的一位朋友身若浮萍, 你改怎么找到他呢? 6: Wireless and Mobile Networks

  38. 移动性: 解决方法 • 求助于路由系统: 路由器通过普通的路由表交换公开移动设备在家网的永久地址. • 路由表此时可以指出每一个移动设备的位置 • 终端系统不需要改变 • 求助于终端系统: • 间接路由:通信实体通信数据首先到达本地代理，然后由本地代理交给移动设备 • 直接路由:通信实体获得移动设备的访问地址，直接与移动设备通信 6: Wireless and Mobile Networks

  39. 移动性: 解决方法 • 求助于路由系统: 路由器通过普通的路由表交换公开移动设备在家网的永久地址. • 路由表此时可以指出每一个移动设备的位置 • 终端系统不需要改变 • 求助于终端系统: • 间接路由:通信实体通信数据首先到达本地代理，然后由本地代理交给移动设备 • 直接路由:通信实体获得移动设备的访问地址，直接与移动设备通信 对于数量巨大的移动用户而言，该方案的扩展性不好 6: Wireless and Mobile Networks

  40. 移动设备在接入访问网络时联系外地代理 外地代理联系本地代理: “有你的一个移动设备在我这里” 1 2 移动性: 注册 访问网络 家网 结果: • 外地代理知道了移动设备的存在 • 家网知道了移动设备的位置 广域网 6: Wireless and Mobile Networks

  41. 外地代理接收分组，转发给移动主机 家网本地代理截获该分组，转发给外地代理 通信实体使用移动主机的永久地址发送分组到家网 移动主机直接和通信实体通信 3 2 4 1 间接路由的移动性 访问网络 家网 广域网 6: Wireless and Mobile Networks

  42. 间接路由: 评注 • 移动用户涉及两个地址: • 永久地址:用于通信实体 (移动主机的位置对于通信实体是透明的) • 访问地址:用于本地代理转发分组给移动主机 • 外地代理的功能可以由移动代理自己承担 • 三角路由:通信实体-家网-移动主机 • 当通信实体和移动 主机在同一个网络时 低效 6: Wireless and Mobile Networks

  43. 间接路由: 在网络间移动 • 假设移动用户移动到了另外一个网络 • 移动用户与一个新的外地代理注册 • 新的外地代理与家网注册 • 家网更新移动用户的访问地址 • 分组依旧能够转发给移动主机 (但是使用了新的访问地址) • 移动性, 在网络间移动是透明的: 意味着正在进行的连接不会断线! 6: Wireless and Mobile Networks

  44. 外地代理接收分组，转发给移动主机 移动主机直接与通信实体通信 4 2 4 1 3 使用直接路由 通信实体转发给外地代理 访问网络 家网 wide area network 通信实体请求并获得移动主机的访问地址 6: Wireless and Mobile Networks

  45. 使用直接路由: 评注 • 克服了三角路由问题 • 对于通信实体，其位置不是透明的:通信实体必须从家网获得访问地址 • 在移动用户改变访问网络的时候会发生什么事情呢？? 6: Wireless and Mobile Networks

  46. 1 2 4 3 5 在直接路由中实现透明性 • 锚外部代理: 在会话开始时访问网络中的FA • 此次会话中的数据首先路由到锚外部代理 • 移动设备移动后: 新的FA负责把数据从锚FA那里提取过来 会话开始时移动主机所在的外部代理 锚外地代理 wide area network new foreign network correspondent agent new foreign agent correspondent 6: Wireless and Mobile Networks

  47. 6.1 介绍 无线 6.2 无线链路的特性 CDMA 6.3 IEEE 802.11 无线LAN (“wi-fi”) 6.4 蜂窝网络接入因特网 基础架构 标准(e.g., GSM) 移动 6.5 原理: 移动主机的寻址和路由 6.6 移动 IP 6.7蜂窝网络的移动性 6.8移动性和高层协议 6.9总结 Chapter 6 6: Wireless and Mobile Networks

  48. 移动IP • RFC 3220 • 基本原理部分已经介绍: • 本地代理, 外部代理, 外部代理注册, 访问地址, 封装 (在一个分组中封装另外一个分组) • RFC中主要涉及三个模块: • 间接路由 • 代理发现 • 注册 6: Wireless and Mobile Networks

  49. 外部代理到移动主机的分组 本地代理给外地代理发送的分组: 分组封装 dest: 128.119.40.186 dest: 128.119.40.186 dest: 128.119.40.186 通信实体发送的分组 dest: 79.129.13.2 移动IP: 间接路由 永久地址: 128.119.40.186 访问地址: 79.129.13.2 6: Wireless and Mobile Networks

  50. 移动IP: 代理发现 • 代理通告播:外地/本地 代理通过广播ICMP消息通告其提供的代理服务 (类型域 = 9) • 代理请求：移动主机主动发送请求报文来联系代理（ICMP类型10） H,F bits: 本地代理服务 和/或 外地代理服务 R bit: 是否需要注册 6: Wireless and Mobile Networks

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