计算机网络第九章：无线网络与移动网络学习总结

计算机网络第九章：无线网络与移动网络学习总结

1. 无线网络基础

无线网络为用户提供了极大的灵活性和移动性，但其底层物理链路与有线网络有着显著差异。

1.1 无线链路特征

无线链路的物理特性导致其性能与有线链路大相径庭：

• 信号衰减 (Signal Attenuation) ：
  • 信号强度随距离增加而显著衰减，通常遵循平方反比定律（自由空间）或更高的幂次定律（有障碍物）。
  • 障碍物（墙壁、建筑物、树木）会吸收或反射信号，导致信号强度进一步降低。
• 多径传播 (Multipath Propagation) ：
  • 无线信号从发射机到接收机可能通过多条路径到达，这些路径长度不同，导致信号到达时间不同。
  • 不同路径的信号可能相互叠加（建设性干涉）或抵消（破坏性干涉），引起信号强度波动，即衰落 (Fading)。
  • 多径效应还会导致符号间干扰 (Inter-Symbol Interference, ISI)，即前一个符号的"尾巴"干扰到后一个符号。
• 干扰 (Interference) ：
  • 来自其他无线设备（如微波炉、蓝牙设备、其他Wi-Fi网络）的信号会与目标信号相互干扰，降低信噪比。
  • 同频干扰：使用相同频率的相邻小区或AP之间的干扰。

1.2 隐蔽站 (Hidden Terminal) 与 暴露站 (Exposed Terminal) 问题

这是无线网络中特有的MAC层问题，影响信道效率和公平性。

• 隐蔽站问题 (Hidden Terminal Problem) ：
  • 描述：当一个站点A无法听到另一个站点C的传输，但它们都向同一个中间站点B传输时，A和C可能会同时向B发送数据，导致B处发生碰撞。A和C都不知道对方的存在，因此无法避免碰撞。
  • 影响：降低吞吐量，增加重传。
  • 解决方案：RTS/CTS 预约机制。
• 暴露站问题 (Exposed Terminal Problem) ：
  • 描述：当站点B正在向站点A传输数据时，站点C在B的传输范围内，因此C能听到B的传输。如果C想要向站点D传输数据，C会认为信道忙而延迟发送，即使C到D的传输并不会干扰B到A的传输。
  • 影响：不必要的信道利用率降低。
  • 解决方案：较难完全解决，RTS/CTS在一定程度上能缓解，但主要还是通过合理的信道规划。

1.3 码分多址 CDMA 原理 (Code Division Multiple Access)

CDMA 是一种多址接入技术，允许多个用户在同一时间、同一频率上共享信道，通过为每个用户分配独特的码片序列 (Chip Sequence) 来区分信号。

• 基本原理 ：
  1. 数据编码：每个用户的数据比特（1或0）与该用户的唯一码片序列进行异或（XOR）运算。比特1对应码片序列本身，比特0对应码片序列的反码。
  2. 信号叠加：所有用户的编码信号在信道上同时传输并线性叠加。
  3. 信号分离 ：接收端通过将接收到的叠加信号与目标用户的码片序列进行内积 (Inner Product) 运算，来提取出目标用户的数据。
• 码片序列特性 ：
  • 正交性：不同用户的码片序列之间应相互正交，即它们的内积为0。这确保了在理想情况下，一个用户的信号不会干扰另一个用户。
  • 自相关性：一个码片序列与自身的内积应尽可能大，与自身移位后的内积应尽可能小，以便于同步和抗多径干扰。
• 优点：抗干扰能力强，频谱利用率高，安全性相对较好。

2. 无线局域网 IEEE 802.11 (WiFi)

IEEE 802.11 是目前最广泛使用的无线局域网标准，通常称为 Wi-Fi。

2.1 体系结构

• 基本服务集 (Basic Service Set, BSS) ：
  • 基础设施模式 (Infrastructure Mode)：包含一个接入点 (Access Point, AP) 和一个或多个无线工作站 (Station, STA)。所有STA通过AP进行通信，AP连接到有线骨干网。
  • 自组织模式 (Ad-hoc Mode)：也称为独立BSS (Independent BSS, IBSS)。不包含AP，STA之间直接通信。适用于临时、小规模网络。
• 扩展服务集 (Extended Service Set, ESS) ：
  • 由多个BSS组成，这些BSS通过一个分布系统 (Distribution System, DS)（通常是以太网）连接起来。
  • 用户可以在ESS内移动，从一个AP切换到另一个AP，而不会中断连接。

2.2 MAC 层协议：CSMA/CA

由于无线网络的特殊性（如隐蔽站问题、无法进行碰撞检测），802.11 采用了带冲突避免的载波监听多点接入 (CSMA/CA) 协议，而非 CSMA/CD。

• 基本思想 ：
  1. 载波监听 (Carrier Sense)：站点在发送数据前先监听信道，判断信道是否空闲。
  2. 冲突避免 (Collision Avoidance)：通过一些机制（如随机退避、RTS/CTS）来尽量减少冲突的发生。
  3. 确认机制 (Acknowledgement)：由于无法检测到冲突，发送方必须收到接收方的确认帧 (ACK) 才能确定数据发送成功。若未收到ACK，则认为发生冲突或传输失败，需要重传。

2.3 帧间间隔 (Interframe Spacing)

802.11 定义了不同长度的帧间间隔，用于优先级控制：

• 短帧间间隔 (Short Interframe Space, SIFS) ：
  • 最短的帧间间隔。
  • 用于高优先级帧，如 ACK、CTS、数据帧的片段确认等。
  • 确保在数据传输成功后，接收方能尽快发送ACK，从而保持信道的控制权。
• 分布式帧间间隔 (Distributed Interframe Space, DIFS) ：
  • 比 SIFS 长。
  • 用于发送数据帧或管理帧。
  • 当站点发现信道空闲时，需要等待一个 DIFS 时间，然后才能进入随机退避阶段。

2.4 预约机制：RTS/CTS

RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) 机制用于解决隐蔽站问题，并减少长数据帧传输时的冲突概率。

• 流程 ：
  1. 发送方（A）在发送实际数据前，先发送一个短的 RTS 帧给接收方（B），声明自己将要发送数据，并告知数据帧的长度。
  2. 接收方（B）收到RTS后，如果准备好接收，则回复一个短的 CTS 帧。
  3. 所有听到 RTS 或 CTS 的站点都会设置一个 网络分配向量 (Network Allocation Vector, NAV)，这是一个定时器，指示它们在一段时间内（RTS/CTS帧中指定的数据传输时间）不要发送数据，从而避免冲突。
  4. 发送方（A）收到CTS后，开始发送数据帧。
  5. 接收方（B）收到数据帧后，回复一个 ACK 帧。
• 优点：用短的RTS/CTS帧的碰撞代替长数据帧的碰撞，减少了信道资源的浪费。

2.5 802.11 帧格式

802.11 帧格式比以太网帧复杂，特别是其地址字段。一个802.11数据帧最多可以有4个地址字段。

• 地址字段的使用场景 ：
  • Address 1 (接收方地址) ：始终是下一个接收帧的无线设备MAC地址。
    • 在基础设施模式下，如果帧从STA发往AP，Address 1是AP的MAC地址。
    • 如果帧从AP发往STA，Address 1是目标STA的MAC地址。
    • 在自组织模式下，Address 1是最终目的STA的MAC地址。
  • Address 2 (发送方地址) ：始终是上一个发送帧的无线设备MAC地址。
    • 在基础设施模式下，如果帧从STA发往AP，Address 2是源STA的MAC地址。
    • 如果帧从AP发往STA，Address 2是AP的MAC地址。
    • 在自组织模式下，Address 2是源STA的MAC地址。
  • Address 3 (目的地址/源地址) ：用于在分布系统 (DS) 中寻址。
    • 当帧从无线网络进入有线DS时（To DS = 1, From DS = 0），Address 3是最终目的MAC地址（有线网络中的设备）。
    • 当帧从有线DS进入无线网络时（To DS = 0, From DS = 1），Address 3是原始源MAC地址（有线网络中的设备）。
    • 在自组织模式下（To DS = 0, From DS = 0），Address 3通常是最终目的MAC地址。
  • Address 4 (源地址/目的地址) ：仅在无线桥接或无线分布系统 (WDS) 中使用（To DS = 1, From DS = 1），表示原始源MAC地址或最终目的MAC地址，用于在两个AP之间转发帧。

3. 蜂窝移动网络

蜂窝移动网络是广域无线网络，支持用户在大范围内的移动性。

3.1 体系结构

• 基站 (Base Station, BS) ：
  • 负责无线电通信，覆盖一个地理区域，称为小区 (Cell)。
  • 包含收发器、天线等设备，与移动台 (Mobile Station, MS) 进行无线通信。
  • 将无线信号转换为有线信号，并连接到基站控制器 (Base Station Controller, BSC)。
• 移动交换中心 (Mobile Switching Center, MSC) ：
  • 蜂窝网络的核心，负责呼叫建立、路由、切换管理、移动性管理、计费等。
  • 连接多个BSC，并与其他MSC以及公共交换电话网 (PSTN) 连接。
  • 包含归属位置寄存器 (Home Location Register, HLR) 和 拜访位置寄存器 (Visitor Location Register, VLR)，用于存储用户位置信息。

3.2 移动性管理

移动性管理是蜂窝网络的核心功能，确保移动用户在移动过程中仍能接收到数据和电话。

• 归属代理 (Home Agent, HA) ：
  • 位于移动节点的归属网络 (Home Network) 中。
  • 存储移动节点的永久IP地址 (Permanent IP Address)。
  • 负责拦截发送给移动节点永久IP地址的数据包，并将其隧道 (Tunnel) 转发到移动节点的当前位置（即转交地址）。
• 外地代理 (Foreign Agent, FA) ：
  • 位于移动节点当前所在的拜访网络 (Foreign Network) 中。
  • 为移动节点提供一个转交地址 (Care-of Address, COA)。
  • 接收来自HA的隧道数据包，并将其解封装后转发给移动节点。
  • 移动节点也可以直接获取一个COA（共定位COA）。

3.3 移动 IP 标准

移动 IP (Mobile IP) 是一种允许移动设备在不改变其永久IP地址的情况下，在不同IP子网之间漫游并保持连接的标准。

• 永久地址 (Permanent IP Address) ：
  • 也称为归属地址 (Home Address)。
  • 移动节点在归属网络中的固定IP地址，即使移动节点离开归属网络，其通信伙伴仍然使用此地址发送数据。
• 转交地址 (Care-of Address, COA) ：
  • 移动节点在拜访网络中的临时IP地址。
  • 可以是外地代理的IP地址（FA COA），也可以是移动节点自己从拜访网络获取的IP地址（共定位COA）。
  • 移动节点将其COA注册到HA，HA将发往永久地址的数据包隧道转发到COA。

3.4 切换 (Handoff/Handover) 过程

切换是指移动台在通话或数据传输过程中，从一个基站（或AP）的覆盖范围移动到另一个基站（或AP）的覆盖范围时，能够无缝地将通信链路从前一个基站（或AP）转移到后一个基站（或AP）的过程。

• 目的：保持通信的连续性，避免掉线。
• 类型 ：
  • 硬切换 (Hard Handoff)：先断开与旧基站的连接，再建立与新基站的连接。存在短暂中断，通常用于2G/3G网络。
  • 软切换 (Soft Handoff)：先建立与新基站的连接，再断开与旧基站的连接。在一段时间内，移动台同时与多个基站保持连接。无中断，通常用于3G/4G/5G网络。
• 过程 ：
  1. 测量：移动台持续测量当前基站和相邻基站的信号强度。
  2. 决策：当移动台检测到当前基站信号变弱，而某个相邻基站信号变强并达到一定阈值时，网络（通常是BSC或MSC）会决定进行切换。
  3. 执行：网络为移动台分配新基站的资源，并通知移动台切换到新基站。
  4. 完成：移动台与新基站建立连接，旧基站释放资源。

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重点突破

典型例题

1. CDMA 码片序列计算

设站点 A 的码片序列为 C A = ( + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , + 1 , − 1 , + 1 , − 1 ) C_A = (+1, -1, -1, +1, +1, -1, +1, -1) CA=(+1,−1,−1,+1,+1,−1,+1,−1)。

(1) 若 A 发送数据比特 1，发送的信号序列是什么？

• Solution ：
  当发送数据比特 1 时，发送的信号序列就是其码片序列本身。
  因此，发送的信号序列为 S A = C A = ( + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , + 1 , − 1 , + 1 , − 1 ) S_A = C_A = (+1, -1, -1, +1, +1, -1, +1, -1) SA=CA=(+1,−1,−1,+1,+1,−1,+1,−1)。

(2) 若 A 发送数据比特 0，发送的信号序列是什么？

• Solution ：
  当发送数据比特 0 时，发送的信号序列是其码片序列的反码（所有元素取反）。
  因此，发送的信号序列为 S A = − C A = ( − 1 , + 1 , + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , − 1 , + 1 ) S_A = -C_A = (-1, +1, +1, -1, -1, +1, -1, +1) SA=−CA=(−1,+1,+1,−1,−1,+1,−1,+1)。

(3) 假设接收端收到的叠加信号为 S S S，如何通过内积运算判断 A 是否发送了数据以及发送了什么数据？

• Analysis ：

  接收端收到的是所有发送方信号的叠加。为了提取站点 A 的数据，接收端需要将收到的叠加信号 S S S 与站点 A 的码片序列 C A C_A CA 进行内积运算。

  内积运算的定义为：对于两个向量 X = ( x 1 , x 2 , . . . , x N ) X = (x_1, x_2, ..., x_N) X=(x1,x2,...,xN) 和 Y = ( y 1 , y 2 , . . . , y N ) Y = (y_1, y_2, ..., y_N) Y=(y1,y2,...,yN)，它们的内积为 X ⋅ Y = ∑ i = 1 N x i y i X \cdot Y = \sum_{i=1}^{N} x_i y_i X⋅Y=∑i=1Nxiyi。

  设码片序列的长度为 N N N (本例中 N = 8 N=8 N=8)。

• Solution ：

  接收端计算接收到的叠加信号 S S S 与站点 A 的码片序列 C A C_A CA 的内积：
  R e s u l t = S ⋅ C A Result = S \cdot C_A Result=S⋅CA

  • 如果站点 A 发送了比特 1，那么其贡献到叠加信号中的部分是 C A C_A CA。
    C A ⋅ C A = ∑ i = 1 N ( C A ) i ( C A ) i = ∑ i = 1 N ( + 1 ) 2 = N C_A \cdot C_A = \sum_{i=1}^{N} (C_A)_i (C_A)i = \sum{i=1}^{N} (+1)^2 = N CA⋅CA=∑i=1N(CA)i(CA)i=∑i=1N(+1)2=N。
    （如果其他站点的信号与 C A C_A CA 正交，则它们的内积为 0，不会影响结果。）
    所以，如果 R e s u l t = N Result = N Result=N，则站点 A 发送了数据比特 1。
  • 如果站点 A 发送了比特 0，那么其贡献到叠加信号中的部分是 − C A -C_A −CA。
    ( − C A ) ⋅ C A = ∑ i = 1 N ( − ( C A ) i ) ( C A ) i = − ∑ i = 1 N ( C A ) i 2 = − N (-C_A) \cdot C_A = \sum_{i=1}^{N} (-(C_A)_i) (C_A)i = -\sum{i=1}^{N} (C_A)_i^2 = -N (−CA)⋅CA=∑i=1N(−(CA)i)(CA)i=−∑i=1N(CA)i2=−N。
    所以，如果 R e s u l t = − N Result = -N Result=−N，则站点 A 发送了数据比特 0。
  • 如果站点 A 没有发送数据，或者发送了与 C A C_A CA 不相关的信号（在理想正交情况下），则 R e s u l t = 0 Result = 0 Result=0。

  在本例中， N = 8 N=8 N=8。

  • 若 S ⋅ C A = 8 S \cdot C_A = 8 S⋅CA=8，则 A 发送了比特 1。
  • 若 S ⋅ C A = − 8 S \cdot C_A = -8 S⋅CA=−8，则 A 发送了比特 0。
  • 若 S ⋅ C A = 0 S \cdot C_A = 0 S⋅CA=0，则 A 没有发送数据或其信号被完全抵消。

2. CSMA/CA 协议流程

描述一个站点想要发送数据帧时，从监听信道到收到 ACK 的完整步骤（包括退避算法的触发条件）。

• Analysis ：

  CSMA/CA 协议通过"先听后发"、"随机退避"和"确认重传"机制来避免冲突。理解其完整流程对于掌握无线MAC层至关重要。

• Solution ：

  一个站点想要发送数据帧时，其 CSMA/CA 协议的完整步骤如下：

  1. 监听信道 (Carrier Sense)：站点首先监听信道，判断信道是否空闲。
  2. 等待 DIFS ：
     • 如果信道空闲，站点必须继续等待一个 DIFS (Distributed Interframe Space) 时间。
     • 如果在 DIFS 期间信道保持空闲，则进入下一步。
     • 如果在 DIFS 期间信道变为忙碌，站点必须冻结其退避计数器，并从步骤 1 重新开始监听。
  3. 随机退避 (Random Backoff) ：
     • 在 DIFS 结束后，如果信道仍然空闲，站点会启动一个随机退避计时器 。退避时间在一个竞争窗口 (Contention Window, CW) 内随机选择。
     • 退避计时器在信道空闲时递减。
     • 如果在退避过程中信道变为忙碌，站点会冻结退避计时器，并等待信道再次空闲一个 DIFS 时间后，再恢复递减计时器。
     • 当退避计时器减到 0 时，站点立即发送数据帧。
  4. 发送数据帧：站点发送数据帧。
  5. 等待 SIFS 和 ACK ：
     • 发送方在发送数据帧后，会等待一个 SIFS (Short Interframe Space) 时间。
     • 如果在 SIFS 结束后，发送方收到接收方发来的 ACK 帧，则认为数据发送成功，本次传输结束。
  • 重传与退避窗口调整 ：
    • 如果在 SIFS 结束后，发送方没有收到 ACK 帧（可能由于数据帧丢失、ACK 帧丢失或发生冲突），则认为本次传输失败。
    • 此时，发送方会增加竞争窗口 (CW) 的大小（通常是加倍），然后从步骤 1 重新开始整个流程，即再次监听信道，等待 DIFS，然后进行新的随机退避。
    • 竞争窗口的增大是为了在冲突发生后，给后续的重传提供更大的随机退避范围，从而降低再次冲突的概率。竞争窗口有最大值限制。

易错点分析

1. CSMA/CD vs CSMA/CA：为何无线网无法实现碰撞检测 (CD)，必须使用碰撞避免 (CA)？

• CSMA/CD (Collision Detection)：

  • 要求站点在发送数据的同时能够监听信道，如果检测到冲突（信号失真），则立即停止发送，并进行退避重传。
  • 在有线网络中可行：以太网使用双绞线，发送和接收使用不同的引脚，可以同时进行。当发送方发送信号时，如果接收到与自己发送信号不同的信号，就表明发生了碰撞。

• 无线网络无法实现碰撞检测的原因：

  1. 半双工特性 (Half-Duplex Transceivers)：无线电收发器通常是半双工的，即无法在同一时间、同一频率上同时发送和接收信号。当一个站点正在发送数据时，它无法同时监听信道以检测是否有其他站点也在发送。
  2. 信号衰减和隐蔽站问题 (Signal Attenuation & Hidden Terminal) ：
     • 即使能够同时发送和接收，由于无线信号的衰减，一个站点可能无法检测到远处发生的碰撞。例如，站点 A 正在向 B 发送，站点 C 也在向 B 发送，A 和 C 之间距离很远，彼此听不到对方，但它们在 B 处发生了碰撞。A 无法检测到 C 的传输，也无法检测到 B 处的碰撞。
     • 这种"隐蔽站"问题使得发送方无法通过监听自身传输来判断是否发生碰撞。
  3. 接收信号强度远大于碰撞信号强度：当一个站点发送信号时，其自身的发送信号强度远大于它可能接收到的其他站点的信号强度（包括碰撞信号）。这使得检测微弱的碰撞信号变得极其困难。

• 结论 ：由于上述原因，无线网络必须采用 CSMA/CA (Collision Avoidance) 机制，通过预约 (RTS/CTS) 、随机退避 和确认重传 (ACK) 等手段来尽量避免冲突，并在冲突发生后通过超时重传进行恢复。

2. 地址字段：802.11 帧中 Address 1 (接收端), Address 2 (发送端), Address 3 (路由器/AP) 的顺序变化，特别是自组织网络 vs 基础设施模式。

802.11 帧的四个地址字段的含义和使用取决于帧的类型以及 To DS (To Distribution System) 和 From DS (From Distribution System) 这两个控制位。

• To DS 和 From DS 位的含义：

  • To DS = 1：表示帧正从无线介质发往有线分布系统（例如，从STA到AP）。
  • From DS = 1：表示帧正从有线分布系统发往无线介质（例如，从AP到STA）。
  • To DS = 0, From DS = 0：表示帧在无线介质内部传输（例如，自组织模式下STA之间，或WDS中的AP之间）。
  • To DS = 1, From DS = 1：表示帧在无线分布系统 (WDS) 中的AP之间传输。

• 地址字段使用场景总结：

To DS	From DS	场景	Address 1 (接收方)	Address 2 (发送方)	Address 3 (过滤地址)	Address 4 (WDS)
0	0	自组织网络 (Ad-hoc)	目的STA MAC	源STA MAC	N/A	N/A
0	1	基础设施模式 (AP -> STA)	目的STA MAC	AP MAC	源STA MAC	N/A
1	0	基础设施模式 (STA -> AP)	AP MAC	源STA MAC	目的STA MAC	N/A
1	1	无线分布系统 (WDS)	接收AP MAC	发送AP MAC	原始源MAC	最终目的MAC

• 易错点 ：
  • Address 1 和 Address 2 始终是无线介质上的"下一跳"和"上一跳"的MAC地址。 它们是直接参与无线传输的设备的MAC地址。
  • Address 3 和 Address 4 用于指示帧的原始源和最终目的，特别是在帧跨越无线和有线边界时。
  • 在自组织模式下，由于没有AP和分布系统，通常只使用 Address 1 和 Address 2。Address 3 和 Address 4 不使用或用于其他目的（如广播）。
  • 在基础设施模式下，当帧在无线和有线之间转换时，Address 3 变得重要。例如，STA发送数据给有线网络中的服务器，Address 1 是 AP，Address 2 是 STA，Address 3 是服务器。

3. 移动性：区分"漫游"(Roaming) 与 "切换"(Handoff)。

这两个术语都与移动性有关，但描述的是不同层面的移动行为。

• 切换 (Handoff/Handover)：

  • 定义 ：指移动设备在同一个网络（例如，同一个蜂窝运营商的网络，或同一个 Wi-Fi ESS）内移动时，从一个基站（或AP）的覆盖范围无缝地转移到另一个基站（或AP）的覆盖范围的过程。
  • 目的 ：保持通信的连续性，避免通话中断或数据连接中断。
  • 发生层面 ：通常发生在数据链路层 （在无线介质上切换物理连接）和网络层（更新路由信息）。
  • 示例：你在打电话时，从一个手机信号塔的区域移动到相邻的另一个手机信号塔的区域，但仍然是同一个运营商的服务。或者你在公司大楼里从一个Wi-Fi AP的覆盖范围走到另一个AP的覆盖范围。

• 漫游 (Roaming)：

  • 定义 ：指移动设备离开其归属网络 (Home Network) ，进入另一个网络 (Foreign Network)，但仍能享受通信服务的过程。这通常涉及不同运营商之间的协议和计费。
  • 目的 ：提供跨网络的服务可用性。
  • 发生层面 ：主要发生在网络层 （IP地址管理，如移动IP中的HA/FA机制）和应用层（用户认证、计费）。
  • 示例：你出国旅行，使用本国手机卡在国外使用当地运营商的网络打电话或上网。或者你使用某运营商的Wi-Fi服务，但在另一个运营商的Wi-Fi热点区域也能连接上网（如果两个运营商有漫游协议）。

• 核心区别：

  • 切换 关注的是物理连接的无缝转移 ，发生在同一网络内部。
  • 漫游 关注的是跨网络的服务可用性 ，发生在不同网络之间。

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