ch09 Wireless Network-01.md

目录

几种无线网络的比较

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第9章 无线网络和移动网络

CSMA/CA是无限局域网MAC层应该考虑的问题

一，无线局域网 WLAN

1. 无线局域网的组成

无线局域网 WLAN (Wireless Local Area Network) 可分为两大类：

§有固定基础设施的 WLAN

§无固定基础设施的 WLAN

所谓“固定基础设施”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。

2. IEEE 802.11

ØIEEE 802.11 是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准。

ØIEEE 802.11 是个相当复杂的标准。

但简单地说，802.11 就是无线以太网的标准：

  • 它使用星形拓扑，其中心叫做接入点 AP (Access Point)

  • 在MAC层使用 CSMA/CA 协议

  • 凡使用 802.11 系列协议的局域网又称为 Wi-Fi (Wireless-Fidelity，意思是“无线保真度”。

    Wi-Fi:使用 802.11 系列协议的无线局域网

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\[基本服务集 BSS = \begin{cases} 一个基站 &\text 也被称为接入点 AP 【功能与网桥类似】\\[2ex] 若干个移动站 \\[2ex] \end{cases} \\[2ex] 所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信\\[2ex]但在和本 BSS 以外的站通信时 都要通过本 BSS 的基站 \\[2ex]不同的基本服务集通过他们的AP连入DS【主干分配系统】进行相互连接\\[2ex]就构成了拓展服务集ESS\\[2ex]拓展服务集通过门户可用与非802.11局域网进行连接 \]

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。

基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。当网络管理员安装 AP 时，必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个信道。

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)

上图中A，B通信借助于接入点和分配系统DS

ESS 还可通过叫做门户 (portal) 为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的互联网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。

网桥：实现不同的局域网的转换

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漫游： A→A’的过程

移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（到 A‘ 的位置），仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。

A（连AP1）→A‘（连AP2）的过程中，无线基础设施可以保证A与B的连接不断开，通信一直保持

3. 与接入点 AP 建立关联

Ø一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点建立关联(association)

Ø建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路

Ø只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧

graph LR B[移动站] -->A[与移动站关联的AP] A[与移动站关联的AP] --> B[移动站] C[其他站点] -->A[与移动站关联的AP] A[与移动站关联的AP] --> C[其他站点]

重建关联 (reassociation) 和分离 (dissociation)

若移动站使用重建关联 (reassociation) 服务，就可把这种关联转移到另一个接入点。

当使用分离 (dissociation) 服务时，就可终止这种关联。

移动站与 AP 建立关联的方法

被动扫描：移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧 (beacon frame)。信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等）。
主动扫描：移动站主动发出探测请求帧 (probe request frame)，然后等待从 AP 发回的探测响应帧 (probe response frame)。

4. 热点(hot spot)

现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都能够向公众提供有偿或无偿接入 Wi-Fi 的服务。这样的地点就叫做热点现在也出现了无线因特网服务提

由许多热点和 AP 连接起来的区域叫做热区(hot zone)。热点也就是公众无线入网点。

供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)这一名词。用户可以通过无线信道接入到 WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。

接入安全

无线局域网用户在和附近的接入点AP建立关联时，一般还要键入用户密码

初期的接入加密方案称为 WEP (Wired Equivalent Privacy，意思是有线等效的保密）

现在的接入加密方案为 WPA (WiFi Protected Access，意思是“无线局域网受保护的接入”) 或 WPA2 。

5. 移动自组网络

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移动自组网络又称为自组网络 (ad hoc network)

自组网络是没有固定基础设施（即没有 AP）的无线局域网

这种网络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

自组网络的服务范围通常是受限的，而且一般也不和外界的其他网络相连接

移动自组网络也就是移动分组无线网络

移动自组网络的应用前景

携带了移动站的作战人员可利用临时建立的移动自组网络进行通信

作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群组网

在抢险救灾时，迅速组建移动自组网络实现通信

6. 9.1.3 802.11 局域网的 MAC 层协议:CSMA/CA协议

无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议

因为：

  • “碰撞检测”要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度，在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。

  • 即使能够实现碰撞检测的功能，并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候，在接收端仍然有可能发生碰撞。

6.1 无线局域网的特殊问题

隐蔽站问题(hidden station problem)

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这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)

当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，

因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

暴露站问题(exposed station problem)

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B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。

其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据，这就是暴露站问题(exposed station problem)

Ø无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。

Ø改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。

6.2 CSMA/CA 协议

无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议

改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免 CA (Collision Avoidance)功能

802.11 就使用 CSMA/CA 协议。在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议

1.检测到信道空闲，在等待一小段时间后发送整个帧

2.否则执行CSMA/CA协议的退避算法。一旦信道忙就冻结退避计时器。信道空闲，退避计时器就倒计时

3.当退避计时器减小到零时，站点就发送整个的帧并等待确认

4.发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了；若发送第二帧，就要从步骤2开始

7.2 发送细节

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源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。

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若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）

A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧

二，无线个人区域网WPAN

简介

Ø无线个人区域网 WPAN

Ø个人区域网 PAN (Personal Area Network)

在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点 AP。整个网络的范围大约在 10 m 左右。

无线个人区域网 WPAN和个人区域网 PAN (Personal Area Network)并不完全等同，因为 PAN 不一定都是使用无线连接的

1. WPAN 和 WLAN 并不一样

  • WPAN 是以个人为中心来使用的无线个人区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术

  • WLAN 却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网

1. 最早使用的 WPAN：蓝牙系统

Ø最早使用的 WPAN 是 1994 年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是 IEEE 802.15.1 。

Ø蓝牙的数据率为 720 kb/s，通信范围在 10 米左右。

Ø蓝牙使用 TDM 方式和扩频跳频 FHSS 技术组成不用基站的皮可网(piconet)。

蓝牙系统中的皮可网和扩散网：

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Piconet 直译就是“微微网”，表示这种无线网络的覆盖面积非常小。

每一个皮可网有一个主设备(Master)和最多7个工作的从设备(Slave)。

通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网(scatternet)。

这种主从工作方式的个人区域网实现起来价格就会比较便宜。

2. 低速 WPAN

Ø低速 WPAN 主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是 2 ~ 250 kb/s

Ø低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee

ØZigBee 技术主要用于各种电子设备之间的无线通信，其主要特点是通信距离短，传输数据速率低，但成本低廉

ØZigBee 技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10 ~ 80 m），传输数据速率低，并且成本低廉。

ZigBee的特点

  • 功耗非常低
    在工作时，信号的收发时间很短；而在非工作时，ZigBee 结点处于休眠状态，非常省电。对于某些工作时间和总时间之比小于 1% 的情况，电池的寿命甚至可以超过 10 年。

  • 网络容量大
    一个 ZigBee 的网络最多包括有 255 个结点，其中一个是主设备，其余则是从设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过 64000 个结点。

3. 高速 WPAN

Ø高速 WPAN 用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持11 ~ 55 Mb/s的数据率，标准是 802.15.3 。

Ø使用高速WPAN可以不用连接线就能把PC机和在同一间屋子里的打印机、扫描仪、外接硬盘等设备连接起来。

  • 高速 WPAN 用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持11 ~ 55 Mbit/s 的数据率，标准是 802.15.3。

  • IEEE 802.15.3a 工作组还提出了更高数据率的物理层标准的超高速 WPAN，它使用超宽带 UWB 技术。

  • UWB 技术工作在 3.1 ~ 10.6 GHz 微波频段，有非常高的信道带宽。超宽 带信号的带宽应超过信号中心频率的 25% 以上，或信号的绝对带宽超过 500 MHz。

  • 超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持 100 ~ 400 Mbit/s 的数据率，可用于小范围内高速传送图像或 DVD 质量的多媒体视频文件。

三，无线城域网WMAN

1. 无线城域网 WMAN

Ø2002 年 4 月IEEE通过了 802.16 无线城域网的标准。欧洲的 ETSI 也制订类似的无线城域网标准 HiperMAN。

ØWMAN 可提供“最后一英里”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的）。

Ø在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为无线本地环路。

WiMAX

ØWiMAX 常用来表示无线城域网 WMAN，这与Wi-Fi 常用来表示无线局域网 WLAN 相似。

ØIEEE 的 802.16 工作组是无线城域网标准的制订者，而 WiMAX 论坛则是 802.16 技术的推动者。

Øhttp://labs.chinamobile.com

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无线城域网服务范围的示意图

四，蜂窝移动通信网

1. 简介

蜂窝移动网络的发展非常迅速，到目前为止，世界上先后已有超过了30种不同的标准

第一代（1G）蜂窝无线通信是为话音通信设计的模拟 FDM 系统

第二代（2G）蜂窝无线通信提供低速数字通信（短信服务），其代表性体制就是最流行的 GSM 系统

2.5G 技术是从 2G 向第三代（3G）过渡的衔接性技术，如 GPRS 和 EDGE 等

第三代（3G） 移动通信和计算机网络的关系非常密切，它使用 IP 的体系结构和混合的交换机制（电路交换和分组交换），能够提供移动宽带多媒体业务（话音、数据、视频等，可收发电子邮件，浏览网页，进行视频会议等），如 CDMA2000，WCDMA 和 TD-SCDMA

从3G开始以后的各代蜂窝移动通信都是以传输数据业务为主的通信系统，而且必须兼容2G的功能（即能够通电话和发送短信），这就是所谓的向后兼容。

第四代（4G）正式名称是 IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced)，意思是高级国际移动通信。
4G 的一个重要技术指标就是要实现更高的数据率。目标峰值数据率是：固定的和低速移动通信时应达到 1 Gbit/s，在高速移动通信时 （如在火车、汽车上）应达到 100 Mbit/s。

4G 现有两个国际标准：

  1. LTE (Long-Term Evolution)：

    • 又分为时分双工 TD-LTE 和频分双工 FDD-LTE 两种。

    • 把带宽增加到 20 MHz，采用了高阶调制64QAM和MIMO技术

  2. LTE-A (LTE-Advanced)：

    • LTE 的升级版，俗称为 3.9G。

    • 带宽高达 100 MHz

2. 移动 IP

  • 移动IP(Mobile IP)又称为移动 IP 协议，是由IETF开发的一种技术。移动 IP 对现在流行的在移动中上网有着重要的意义

  • 这种技术允许计算机移动到外地时，仍然保留其原来的 IP 地址

  • 移动 IP 要解决的问题：使用户的移动性对上层的网络应用是透明的

几种无线网络的比较

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1.无线局域网都由哪几部分组成?无线局域网中的固定基础设施对网络的性能有何影响?接入点AP是否就是无线局域网中的固定基础设施?

解答:

无线局域网可分为两大类

  • 第一类是有固定基础设施的

  • 第二类是无固定基础设施的

第一类无线局域网的最小构件是基本服务集BSS( Basic Service Set)。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以外的站通信时都必须通过本BSS的基站。BSS的基站也叫做接入点AP( Access Point)。一个基本服务集可以是孤立的,也可通过接入点AP连接到一个分配系统DS( Distribution System), 然后再连接到另一个基本服务集,这样就构成了一个扩展的服务集ESS( Extended Service Set)

第二类无固定基础设施的无线局域网中没有接入点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。本题只讨论第一类无线局域网的问题

无线局域网中的固定基础设施对网络性能有很大的影响。实际上,接入点AP是无线局域网中最为重要的构件。如果这个固定基础设施出故障,那么在该基础设施覆盖的地理范围内所有要通过AP进行转接的通信都要中断。接入点AP的功率大小对它能够覆盖的地理面积有很大的影响。如果需要覆盖较大的地理范围,接入点AP就必须能够输出较大的功率

接入点AP当然是无线局域网中的固定基础设施,但无线局域网中的固定基础设施不仅仅是接入点AP,互连AP和路由器以及互连几个AP的有线以太网也属于基础设施。但基础设施中最重要的当然就是接入点AP。

2. Wi-Fj与无线局域网WLAN是否为同义词?请简单说明一下。

凡使用IEEE802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi( Wireless-fidelity,意思是“无线保真度”)。因此,在许多文献中,WiFi几乎成为了无线局域网WLAN的同义词。

从理论上讲,不采用IEEE802.11协议的无线局域网就不能称为Wi-Fi,但实际上现在流行的无线局域网都是采用IEE802.11系列协议的,因此Wi-Fi与无线局域网WLAN可以认为是事实上的同义词。

3. 无线局域网的MAC协议有哪些特点?为什么在无线局域网中不能使用CSMA/CD协议而必须使用 CSMA/CA协议?

解答:无线局域网的MAC协议是 CSMA/CA(载波监听多点接入/碰撞避免)。

其特点是: 当一个站要发送数据时,就要检测信道。如果信道忙,那么就要按照协议推后再发送(即按照指数退避算法推迟发送)。如果检测到信道空闲了一段时间(DIFS),那么这个站就允许发送数据。接收站如果正确收到此帧(CRC检验正确),就响应确认帧。发送方如果收到确认帧就表示没有发生碰撞。如果发送方没有收到确认帧,那么就要重传这个帧,直到收到确认为止,或经过给定次数的重传后丢弃。
802.11使用的退避算法和以太网的稍有不同。第i次退避是在时隙{0,1,,2-1}中随机地选择一个。这样做是为了使不同站点选择相同退避时间的概率减少。这就是说,第1次退避(i=1)要推迟发送的时间是在时隙{0,1,,7中(共8个时隙)随机选择一个,而第2 次退避是在时隙{0,1,…,15}中(共16个时隙)随机选择一个,当时隙编号达到255时(这对应于第6次退避)就不再增加了。
下面是必须执行指数退避算法的三种情况(1)在发送第一个帧之前检測到信道处于忙态(2)在每一次的重传后; (3)在成功地传送之后,还要继续发送下一帧唯一的不需要执行指数退避算法的一种情况是,当要发送新的分组,同时检测到信道空闲的时间超过了DIFS。

在无线局域网中不能使用 CSMA/CD协议的理由是

1)要在局域网中实现碰撞检測,就必须在发送数据的同时也进行接收。这对有线以太网来说是很容易的事。但在无线局域网的适配器上,接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度,因此若要实现碰撞检测,那么在硬件上需要的花费就过大。因此,实用的无线局域网在发送数据时,都不能同时接收数据,因此不可能实现碰撞检测。
2)以太网的碰撞检测是假定了所有的站点都能够听到其他站点是否在发送数据。但在无线局域网的工作环境中,这个假定是不能成立的。当无线局域网中的一个站点要发送数据时,如果检测到信道空闲,那么在这个站点的信号覆盖范围内,信道的实际情况未必是空闲的。

有线的以太网在发送数据时,如果检测到碰撞,就立即停止发送。但无线局域网无法实现碰撞检测,因此无线局域网的一个站点在发送数据时,只能是把它发送完毕。如果没有收到确认,就表明刚才发送的数据帧出了差错(也许是发生了碰撞,也许是其他的原因),这时就重传前面的数据帧。显然,这样对信道资源的浪费就较大。为了减少碰撞的概率,无线局域网就采用碰撞避免的策略。当然,这里的“避免”也只是“尽量减少碰撞的概率”,而并非能够保证发生碰撞的概率是零。

4. 为什么无线局域网的站点在发送数据帧时,即使检测到信道空闲也仍然要等待小段时间?为什么在发送数据帧的过程中,不像以太网那样继续对信道进行检测?

解答:无线局域网的站点在发送数据帧时,即使检测到信道空闲也仍然要等待一小段时间。这是为了避免和其他发送数据的站发生碰撞。

在有些情况下,如①收到RTS帧,要响应CTS帧:②收到CTS后发送数据帧:③收到数据帧后发送ACK,应当不需要等待一段时间。但由于从发送状态转换到接收状态(或反过来)总是需要耽误一定的时间(这段时间不可能是零),因此802.11就规定了一个最短的等待时间SIFS。在上述这些情况下,等待SIFS时间就不会发生碰撞,因为其他的站如果要发送数据,将要等待更长的时间(DIFS),结果这些站就必定发现信道忙,因而不会发送数据,最终避免了碰撞。

在发送数据帧的过程中,站点不能像以太网那样继续对信道进行检测。这是因为在无线局域网的适配器上,接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度,因此若要实现碰撞检测, 那么在硬件上需要的花费就过大。所以,实用的无线局域网在发送数据时,都不能同时接收数据,因此不可能实现碰撞检测。此外,即使检测到信道空闲,那么在这个站点的信号覆盖范围内,信道的实际情况未必是空闲的。因此在无线局域网中,在发送数据帧的过程中,站点不能像以太网那样继续对信道进行检测

5.试解释无线局域网中的名词:BSS,ESS,AP,BSA,DCF,PCF和NAV

解答: BSS( Basic Service Set),基本服务集,是无线局域网的最小构件。一个基本服务集BSS 包括一个基站和若干个移动站。

posted @ 2021-02-02 09:11  TR_Goldfish  阅读(238)  评论(0)  编辑  收藏  举报