计算机网络第七版 第九章

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1、第 9 章 无线网络和移动网络 第 9 章 无线网络和移动网络 n9.1 无线局域网 WLAN n9.2 无线个人区域网 WPAN n9.3 无线城域网 WMAN n9.4 蜂窝移动通信网 n9.5 两种不同无线上网 9.1 无线局域网 WLAN n9.1.1 无线局域网的组成 n9.1.2 802.11 局域网的物理层 n9.1.3 802.11 局域网的 MAC 层协议 n9.1.4 802.11 局域网的 MAC 帧 9.1.1 无线局域网的组成 n无线局域网 WLAN (Wireless Local Area Network)可分为两大类： n有固定基础设施的 WLAN n无固定基础设

2、施的 WLAN n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。 1. IEEE 802.11 nIEEE 802.11 是一个有固定基础设施的无线局域 网的国际标准。 nIEEE 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： n它使用星形拓扑，其中心叫做接入点 AP (Access Point) n在MAC层使用 CSMA/CA 协议 n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”。 1. IEEE 802.11 基本服务集 BSS 扩展的服务集 E

3、SS A B 漫游 接入点AP1接入点AP2 互联网 分配系统 DS A 基本服务集 BSS 门户 至其他 802.x 局域网 IEEE 802.11 的基本服务集 BSS 和扩展服务集 ESS 一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站， 一个站无论要和本BSS的站进行通信，还是要和其他 BSS的站进行通信，都必须通过本BSS的基站。 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS A B 漫游 接入点AP1接入点AP2 互联网 分配系统 DS A 基本服务集 BSS 门户 至其他 802.x 局域网 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

4、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。 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS A B 漫游 互联网 分配系统 DS A 基本服务集 BSS 门户 至其他 802.x 局域网 接入点AP1 接入点AP2 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)。 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS A B 漫游 接入点AP1接入点AP2 互联网 分配

5、系统 DS A 基本服务集 BSS 门户 至其他 802.x 局域网 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。 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS A B 漫游 接入点AP1接入点AP2 互联网 分配系统 DS A 基本服务集 BSS 门户 至其他 802.x 局域网 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到 另一个基本服务集（到 A 的位置）， 仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS A B 漫游 接入点AP1接入点AP2 互联网 分配系

6、统 DS A 基本服务集 BSS 门户 至其他 802.x 局域网 建立关联(association) n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) 。 n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。 n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。 移动站与 AP 建立关联的方法 n被动扫描 n移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。 n信标帧中包含有若干系统参数（

7、如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等）。 n主动扫描 n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)。 热点(hot spot) n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。 n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。 n现在也出现了无线互联网服务提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)这一名 词。

8、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互联网。 2. 移动自组网络 n移动自组网络又称为自组网络(ad hoc network) 。 n自组网络是没有固定基础设施（即没有 AP）的无 线局域网。 n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。 n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。 n移动自组网络也就是移动分组无线网络。 2. 移动自组网络 自组网络 A E D CB F 转发结点 转发结点 转发结点 源结点 目的结点 三个主要问题：路由选择协议，多播，安全。 移动自组网络的应用前景 n在军事领域中，携带了移动站

9、的战士可利用临时 建立的移动自组网络进行通信。 n这种组网方式也能够应用到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。 n当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组 网络进行及时的通信往往很有效的， 无线传感器网络 WSN n无线传感器网络WSN (Wireless Sensor Network) 是 由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。 n无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集、处理和 传输，一般并不需要很高的带宽，但是在大部分时间必 须保持低功耗，以节省电池的消耗。 n由于无线传感结点的存储容量受限，因此对协议栈的大 小有严格的限制。 n无线传感器网络还对网络安

10、全性、结点自动配置、网络 动态重组等方面有一定的要求。 传感器结点的形状和组成 存储器 CPU 传感器 硬件 电池 无线 收发器 (a) 形状(b) 组成 无线传感器网络主要的应用领域 n无线传感器网络主要的应用领域就是组成各种的 物联网IoT (Internet of Things) ，例如： n环境监测与保护（如洪水预报、动物栖息的监控） ； n战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监 控； n医疗中对病房的监测和对患者的护理； n在危险的工业环境（如矿井、核电站等）中的安全 监测； n城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。 移动自组网络不同于移动 IP n移动 IP 技术使漫

11、游的主机可以用多种方式连接 到互联网。 n移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联 网中一直在使用的各种路由选择协议。 n移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自 治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且 可以不和互联网相连。 几种不同的接入 n固定接入(fixed access)在作为网络用户期间，用 户设置的地理位置保持不变。 n移动接入(mobility access)用户设置能够以车辆 速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是 连续的。 n便携接入(portable access)在受限的网络覆盖面 积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信 ，提供有限的切换能

12、力。 n游牧接入(nomadic access)用户设备的地理位置 至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位 置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站 9.1.2 802.11 局域网的物理层 n802.11标准中物理层相当复杂。根据物理层的不同（ 如工作频段、数据率、调制方法等），对应的标准也不 同。 n最早流行的无线局域网是802.11b，802.11a和802.11g 。2009年颁布了标准802.11n n802.11 的物理层有以下几种实现方法： n直接序列扩频 DSSS n正交频分复用 OFDM n跳频扩频 FHSS （已很少用） n红外线 IR （已很少用） 几种常用的

13、 802.11 无线局域网 标准频段数据速率物理层优缺点 802.11b (1999年) 2.4 GHz 最高11 Mbit/s 扩频 最高数据率较低，价格最低，信号传 播距离最远，且不易受阻碍。 802.11a (1999年) 5 GHz 最高54 Mbit/s OFDM 最高数据率较高，支持更多用户同时 上网，价格最高，信号传播距离较短 ，且易受阻碍。 802.11g (2003年) 2.4 GHz 最高54 Mbit/s OFDM 最高数据率较高，支持更多用户同时 上网，信号传播距离最远，且不易受 阻碍，价格比802.11b贵。 802.11n (2009年) 2.4 / 5 GHz 最

14、高 600 Mbit/ s MIMO OFDM 使用多个发射和接收天线达到更高的 数据传输率。当使用双倍带宽(40 MHz)时速率可达600 Mbit/s。 9.1.3 802.11局域网的 MAC 层协议 1. CSMA/CA 协议 n无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主 要有两个原因： n“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。 n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。 无线局域网的特

15、殊问题 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。 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) C 的作用范围 CD A 的作用范围 AB 无线局域网的特殊问题 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) C 的作用范围 ADCB ？ B 的作用范围 CSMA/CA 协议 n无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改 进的 CSMA 协议。 n改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免CA (Collision Avoidance)功能。 n802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议。 n下面先介绍 802.11 的 MAC 层。 802.11 的 MAC 层 MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中 的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 MAC 层 无争用服务（选用） 争用服务 （必须实现） 分布协调功能 DCF (Distributed Coordinati