第6章无线网络和移动网络课件

计算机网络第6章 无线网络和移动网络计算机网络第6章 无线网络和移动网络1第六章 无线网络和移动网络目 录n概述n无线链路和网络特征nWi-Fi:802.11无线LANn移动管理:原理n移动IPn无线和移动性:对高层协议的影响2目 录概述2第六章 无线网络和移动网络6.1 概述n背景知识背景知识q无线(移动)电话的用户数现在已超过了有线电话的用户数!q计算机网络:便携机,掌上型电脑,PDAs,IP电话允许随时、无缝地接入因特网。q两个重要的挑战:n无线特性：基于无线链路的通信；n移动特性：移动用户的网络接入点是变化的。36.1 概述背景知识3第六章 无线网络和移动网络6.1 概述n无线网络的元素无线网络的元素无线主机n可以是便携机,PDA,IP 电话；n能运行程序；n本身既可能是固定，也可能是移动的.网络基础设施46.1 概述无线网络的元素无线主机网络基础设施4第六章 无线网络和移动网络6.1 概述n无线网络的元素无线网络的元素网络基础设施无线链路n典型的作用是用于连接无线主机和基站;n也可以用于骨干链路；n与链路访问相匹配的多址访问协议；n多种数据传输速率和传输距离56.1 概述无线网络的元素网络基础设施无线链路5第六章 无线网络和移动网络6.1 概述几种无线网络标准的链路特性384 Kbps56 Kbps54 Mbps5-11 Mbps1 Mbps2G3G室内10 30m室外50 200m室外中距200m 4Km室外长距离5Km 20Km66.1 概述几种无线网络标准的链路特性384 Kbps56 第六章 无线网络和移动网络6.1 概述n无线网络的元素无线网络的元素网络基础设施 基站n典型的作用是用于连接无线网络;n负责向其覆盖范围内的主机发送和接收分组，在无线网络和无线主机之间起链路层中继作用。如：蜂窝塔、802.11 接入点 76.1 概述无线网络的元素网络基础设施 基站7第六章 无线网络和移动网络6.1 概述n无线网络的元素无线网络的元素网络基础设施基础设施模式n无线局域网可分为两大类:有固定基础设施和自组网络(ad hoc 网络)。n基础设施模式是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。n移动主机通过基站接入有线网络;n切换:移动主机的移动可能会改变与之相关联的基站。86.1 概述无线网络的元素网络基础设施基础设施模式8第六章 无线网络和移动网络6.1 概述 Ad hoc 网络n无基站;n节点(移动主机)仅仅能够在其覆盖范围内向其他节点传送数据;n节点之间相互通信组成的临时网络:在它们内部进行选路和地址分配.96.1 概述 Ad hoc 网络9第六章 无线网络和移动网络6.1 概述n几个概念几个概念q关联n无线主机位于某个基站的无线通信覆盖范围内n该主机使用该基站中继它与更大网络之间的数据q切换n当一台移动主机移动范围超出一个基站的覆盖范围而到达另一个基站的覆盖范围后，它将改变其接入更大网络的连接点106.1 概述几个概念10第六章 无线网络和移动网络6.2 无线链路和网络特征n无线链路的特征无线链路的特征q递减的信号强度q来自其他源的干扰q多径传播116.2 无线链路和网络特征无线链路的特征11第六章 无线网络和移动网络6.2 无线链路和网络特征n隐藏终端问题隐藏终端问题ABC1、存在障碍物B,C能互相“听见”A,C 两个站点不能互相“听见”即A,C 不知道他们对B的干扰。ABCAs signalstrengthspaceCs signalstrength2、信号衰减nB,A 能互相“听见”；nB,C 也能互相“听见”；nA,C 因为他们信号强度的衰减不能互相“听见”。126.2 无线链路和网络特征隐藏终端问题ABC1、存在障碍物A第六章 无线网络和移动网络6.2 无线链路和网络特征n码分多址访问（码分多址访问（CDMA）qCDMA(Code Division Mutiple Access):就是每个用户可以在同样的时间内用相同的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。这种通信信号具有很高的抗干扰能力。q每个用户被指派一个惟一的m bit码片序列。q所有用户共享相同的频道,但每个用户用自己的“码片”序列对数据编码n当站点发送比特“1”时，就发送指定给该站点的mbit码片序列；发送比特“0”时，发送此mbit码片序列的二进制反码n习惯上，将码片序列中的“0”写成“-1”，“1”写成“+1”q允许多个用户共存和发送信号,且相互的干扰极小136.2 无线链路和网络特征码分多址访问（CDMA）13第六章 无线网络和移动网络6.2 无线链路和网络特征qCDMA码片序列的特点：每一个站的码片序列各不相同，互相正交。即n任何两个站点（如S和T站点）的码片向量的规格化内积为0。n任何码片向量和自己的规格化内积为1。n任何码片向量和其反码的规格化内积为1。146.2 无线链路和网络特征CDMA码片序列的特点：每一个站的第六章 无线网络和移动网络6.2 无线链路和网络特征数据码元比特数据码元比特tttttttS站的码片序列站的码片序列SS站发送的信号站发送的信号SxT站发送的信号站发送的信号Tx总的发送的信号总的发送的信号SxTx规格化内积规格化内积S Sx规格化内积规格化内积S Tx发送端发送端接收端接收端110S S站的码片序列是（站的码片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1-1-1-1+1+1-1+1+1），发送的数据是），发送的数据是110110T T站的码片序列是（站的码片序列是（-1-1+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1+1+1+1-1），发送的数据是），发送的数据是110110设有S站和T站均以相同频率发送数据，且接收站希望收到S站的数据，如下图所示。156.2 无线链路和网络特征数据码元比特tttttttS站的码第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn802.11协议簇概述协议簇概述q802.11bn工作在不需要许可证的2.42.485 GHz的无线频谱上;n最高数据速率 11 Mbpsn在物理层上采用直接序列扩频(DSSS):所有主机使用相同的 码片序列n广泛采用,使用基站。q802.11a n频率范围:5.15.8 GHzn最高数据速率:54 Mbpsq802.11g n2.42.485 GHz范围n最高数据速率 54 Mbpsq都是使用CSMA/CA 协议实现多路访问；q都可以用于有固定基础设施模式和自组网络模式。166.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.11协第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn802.11体系结构体系结构q基本构件模块基本服务集（BSS）n一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站。n所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时都必须通过本BSS的基站。一个基本服务集BSS所覆盖的地理范围叫作一个基本服务区BSA。n基本服务区BSA和无线移动通信的蜂窝小区相似。在无线局域网中，一个基本服务区BSA的范围可以有几十米的直径。n基本服务集里面的基站叫做接入点AP，其作用和交换机相似。n一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个主干分配系统DS，然后再接入到另一个基本服务集，这样就构成了一个扩展服务集ESS。176.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.11体第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn有固定基础设施的无线局域网基本服务集 BSS扩展的服务集 ESS基本服务集 BSSAB漫游接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网186.3 Wi-Fi:802.11无线LAN有固定基础设施第六章 无线网络和移动网络n有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。19有固定基础设施的无线局域网基本服务集扩展的服务集 ESS基本第六章 无线网络和移动网络n有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)20有固定基础设施的无线局域网基本服务集扩展的服务集 ESS基本第六章 无线网络和移动网络扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。21扩展的服务集 ESS基本服务集基本服务集AB接入点 AP接入第六章 无线网络和移动网络扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。22扩展的服务集 ESS基本服务集基本服务集AB接入点 AP接入第六章 无线网络和移动网络扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。23扩展的服务集 ESS基本服务集基本服务集AB接入点 AP接入第六章 无线网络和移动网络无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network)自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点n自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。24无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc netw第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANq802.11b的信道划分n2.4GHz2.485GHz，共85MHzn划分为11个部分重叠的信道集n两个信道仅当中间相隔4个及以上的信道时，无重叠n1、6、11三个信道不重叠，可同时工作q802.11b中主机关联AP的过程n每个AP周期性发送信标帧，包括AP的SSID和MACn主机对11个信道进行扫描，获取所有可用的AP的信标帧n主机选择其中一个AP进行关联，加入其所属子网n主机向关联AP发送DHCP发现报文，获取IP地址n可能需要身份鉴别256.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.11b第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn802.11的的MAC协议协议CSMA/CAq802.11不采用冲突检测的原因n检测碰撞的能力要求站点具有同时发送和接收的能力。而802.11适配器上，接收信号的强度可能远远小于发送信号的强度，从而被淹没，无法检测到，如果一定要实现，则硬件代价会非常大n即使站点具备同时发送和监听的能力，也会由于隐蔽终端和衰减的问题无法检测到所有的碰撞266.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.11的第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANq802.3和802.11链路层MAC协议的区别n802.11采取碰撞避免而非碰撞检测n由于无线信道相对较高的比特差错率，802.11使用链路层确认/重传（ARQ）机制276.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.3和8第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANq发送方的工作流程n如果侦听到信道闲置了DISF 秒，则传输整个帧(无冲突检测)n如果侦听到信道忙，则选择一个随机避退值作为定时器的定时时间，并在侦听信道闲置时递减该值。n定时时间一到且信道空闲就发送数据n如果收到确认，且站点要继续发送数据，则执行第2步n如果没有收到确认（ACK）,则在更大范围内选取随机值,重复第2步q接收方n如果帧收到则OK，等待 SIFS秒后返回ACK(ACK是必须的因为隐蔽站问题)发送方接收方DIFS数据SIFSACK286.3 Wi-Fi:802.11无线LAN发送方的工作流第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn冲突避免冲突避免q思路:允许发送方“预约”信道而非随机访问:避免长的数据帧冲突q发送方在发送数据帧之前首先使用 CSMA协议发送一个短的请求发送RTS(request-to-send)帧给AP：nRTS也可能仍会相互冲突(但时间很短)qAP广播一个允许发送 CTS（clear-to-send）帧响应 RTSqRTS 被所有节点侦听到n发送方发送数据帧n其他站点推迟发送使用短的预约帧可以完全避免数据帧发生冲突!296.3 Wi-Fi:802.11无线LAN冲突避免使用短第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn冲突避免306.3 Wi-Fi:802.11无线LAN冲突避免30第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANAPABtimeRTS(A)RTS(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)数据(A)ACK(A)ACK(A)reservation collisiondefer316.3 Wi-Fi:802.11无线LANAPABtim第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn802.11MAC帧格式帧格式地址2:无线主机或 AP 发送该帧的MAC地址地址1:无线主机或 AP 接收该帧的MAC地址地址3:与AP连接的路由器接口的MAC地址地址4:仅仅在 ad hoc模式中使用帧控制持续期地址1地址2地址4地址3有效载荷CRC22666260-23124序号控制326.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.11M第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANInternet路由器APH1R1AP MAC 地址 H1 MAC 地址 R1 MAC 地址地址 1地址 2地址 3802.11 帧R1 MAC 地址 AP MAC 地址目的 地址 源地址 802.3 帧336.3 Wi-Fi:802.11无线LANInterne第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LAN帧控制持续期地址1地址2地址4地址3有效载荷CRC22666260-23124序号控制类型从AP子类到AP更多标识WEP更多数据功率管理重试Rsvd协议版本22411111111预约发送时间(RTS/CTS)的持续期帧序号#(为可靠 ARQ)帧类型(RTS,CTS,ACK,数据)346.3 Wi-Fi:802.11无线LAN帧控制持续期地第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn802.11同一子网内的移同一子网内的移动性动性qH1 仍然在同一 IP 子网中:IP 地址也可能相同q交换机:哪个 AP 与 H1关联呢?n自学习(Ch.5):交换机 将看到来自H1的帧 并“记住”能到达H1 的哪个交换机端口hub 或 交换机AP 2AP 1H1BSS 2BSS 1路由器356.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.11同第六章 无线网络和移动网络6.3 Wi-Fi:802.11无线LANn802.15无线个人区域网无线个人区域网q半径小于 10 米q取代那些电缆(鼠标,键盘,耳机)q是自组网:无固定基础设施q采用跳频扩频FHSS方式传输信号q主/从式:n从设备 请求允许向主设备发送；n主设备同意请求。q802.15:从蓝牙技术规范演变而来n2.4-2.5 GHz 无线电波段n最大数据速率 721 kbpsM覆盖半径SSSPPPPMS主设备从设备寄放设备P366.3 Wi-Fi:802.11无线LAN802.15第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n用户如何移动？用户如何移动？无移动性高移动性移动用户在相同的无线接入网络中移动移动用户在接入网络之间移动，同时维持正在进行中的连接(象蜂窝电话一样)移动用户在接入网络之间移动，在使用DHCP时连接或断开 网络.376.5 移动管理:原理用户如何移动？无移动性高移动性移动第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n移动节点的地址是否有必要始终保持不变？移动节点的地址是否有必要始终保持不变？q取决于你的应用需要n有哪些可用的有线基础设施的支持？有哪些可用的有线基础设施的支持？q假设存在固定的基础设施让移动用户连接n家庭的ISP网络n办公室的无线接入网络n沿高速公路的无线接入网络q无固定的基础设施时n自组织网络386.5 移动管理:原理移动节点的地址是否有必要始终保持不第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n你怎样与一个移动的朋友联系呢？你怎样与一个移动的朋友联系呢？n搜索所有的电话薄?n给她的父母打电话?n盼望她会告诉你她在哪儿?我想知道Alice现在移动到哪里了?如果朋友不停地改变地址,你怎么找到她?396.5 移动管理:原理你怎样与一个移动的朋友联系呢？搜索第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理归属网络:移动用户永久的“家”(e.g.,128.119.40/24)永久地址:归属网络中的地址,用它一定可以找到 移动用户e.g.,128.119.40.186归属代理（HA）:当移动用户在远程时,代表移动节点执行移动管理功能的实体.广域网通信者406.5 移动管理:原理归属网络:移动用户永久的“家”第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理转交地址（COA）:在被访问网络中的地址.(e.g.,79,129.13.2)广域网被访问网络:移动用户当前所在的网络(e.g.,79.129.13/24)永久地址（MA）:保持不变(e.g.,128.119.40.186)外部代理:在被访问网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体.通信者:希望与移动节点通信的实体416.5 移动管理:原理转交地址（COA）:在被访问网络第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n移动性的两种解决方法移动性的两种解决方法q让路由器处理:路由器通过通常的路由表交换方式向邻居通告移动节点的永久地址.n路由表指明移动用户的位置 n不需要对网络基础结构做重大改变q让终端处理:n间接路由:通信者如果需要与移动用户通信,归属代理首先截获这些数据报,然后通过移动用户的COA将数据报转发给外部代理，然后从该外部代理转发给移动用户。n直接路由:通信者获取移动用户的外部地址,然后直接将数据报发给移动用户。无法扩展到百万 移动用户426.5 移动管理:原理移动性的两种解决方法无法扩展到百万第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n移动节点的注册移动节点的注册广域网归属网络被访问网络1移动用户进入被访问网络时向外部代理注册2外部代理向归属代理注册移动用户的COA:“这个移动用户在我的网络中”436.5 移动管理:原理移动节点的注册广域网归属网络被访问第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n移动节点的间接选路移动节点的间接选路广域网归属网络被访问网络3241通信者将数据报指向移动用户的归属地址，并将数据报发送到网络中。归属代理首先截获数据报,并将其封装在一个目的地址为COA的数据报内，然后将这些数据报转发给外部代理。外部代理收到数据报,从中取出通信者的原始数据报，然后转发给移动用户。移动用户直接响应通信者446.5 移动管理:原理移动节点的间接选路广域网归属被访问第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n移动节点的直接选路移动节点的直接选路广域网归属网络被访问网络4241通信者向归属代理请求,然后收到移动用户的外部地址通信者 将数据报发给外部代理外部代理收到数据报,然后转发给移动用户移动用户直接响应通信者3456.5 移动管理:原理移动节点的直接选路广域网归属被访问第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n直接选路带来的问题直接选路带来的问题q对通信者来说是非透明的:通信者必须从归属代理那里得到转交地址COAn如果移动用户从一个被访问网络移动到另一个网络会怎样呢?466.5 移动管理:原理直接选路带来的问题46第六章 无线网络和移动网络6.5 移动管理:原理n解决方案解决方案广域网1在会话开始时被访问的外部网络锚外部代理24新外部代理35通信者代理通信者新外部网络476.5 移动管理:原理解决方案广域网1在会话开始时被访问第六章 无线网络和移动网络6.6 移动IPn支持移动性的因特网体系结构与协议统称支持移动性的因特网体系结构与协议统称为移动为移动IP（RFC3220）n移动标准的组成移动标准的组成q代理发现q向归属代理注册q数据报的间接路由486.6 移动IP支持移动性的因特网体系结构与协议统称为移动I第六章 无线网络和移动网络6.6 移动IPn数据报的间接路由数据报的间接路由永久地址:128.119.40.186转交地址:79.129.13.2dest:128.119.40.186通信者发送的数据报dest:79.129.13.2dest:128.119.40.186归属代理向外部代理发送的数据报:原始数据报封装在一个新数据报内dest:128.119.40.186外部代理向移动用户发送的数据报496.6 移动IP数据报的间接路由永久地址:128.119.第六章 无线网络和移动网络6.6 移动IPn代理发现代理发现q代理通告:外部/归属代理通过在链路上广播 一个ICMP 报文(类型字段=9)的方式提供通告服务q代理请求506.6 移动IP代理发现50第六章 无线网络和移动网络6.6 移动IPn向归属代理注册向归属代理注册 被访问网络:79.129.13/24 归属代理 HA:128.119.40.7 外部代理 COA:79.129.13.2 COA:79.129.13.2.ICMP 代理 通告 移动代理 MA:128.119.40.186 注册请求 COA:79.129.13.2 HA:128.119.40.7 MA:128.119.40.186 Lifetime:9999 identification:714.注册请求 COA:79.129.13.2 HA:128.119.40.7 MA:128.119.40.186 Lifetime:9999 identification:714 encapsulation format.注册回答 HA:128.119.40.7 MA:128.119.40.186 Lifetime:4999 Identification:714 encapsulation format.注册回答 HA:128.119.40.7 MA:128.119.40.186 Lifetime:4999 Identification:714.time 516.6 移动IP向归属代理注册 被访问网络:79.12第六章 无线网络和移动网络6.8 无线和移动性:对高层协议的影响n在逻辑上，影响应该是很小在逻辑上，影响应该是很小 q最大努力服务模型并没有改变 qTCP 和 UDP能够(也确实)运行在在无线,移动网络中n 但性能方面的差别是明显的但性能方面的差别是明显的:q数据报丢失/延迟：由于比特错误(丢包以及因数据链路层的重发机制引起的延迟)和切换qTCP把数据报的丢失当成是因拥塞所致,因此会不必要地降低其拥塞窗口q延迟会影响通信的实时性q无线链路的带宽有限526.8 无线和移动性:对高层协议的影响在逻辑上，影响应该第六章 无线网络和移动网络课后思考题n复习题 2、4、7、8n习 题 3、4、5、7n讨论题 353课后思考题53