无线网络和移动网络课件

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1、无线网和移动网,1,计算机网络工程Computer Network Engineering,江西财经大学信息管理学院凌传繁E-mail :Tel:13065136092,无线网和移动网,2,第7讲 无线网和移动网Wireless and Mobile Networks,无线网和移动网,3,无线网和移动网,背景: 无线电话用户的数量超过了有线电话用户的数量! 计算机网络: 膝上电脑、掌上电脑、 PDA等，任何时间任何地点接入因特网的需求 两个重要的(但不同的)挑战 经无线链路通信 处理移动用户，改变与网络连接点,无线并不总是移动，有限的移动性也并要求一定使用无线！,无线网和移动网,4,无线网络的

2、要素,无线网和移动网,5,无线网络的要素,无线网和移动网,6,无线网络的要素,无线网和移动网,7,部分无线链路标准的特性,无线网和移动网,8,无线网络的要素,无线网和移动网,9,无线网络的要素,自组织模式 无基站 在链路覆盖的范围内结点仅能传输到另外的结点 结点将它们组织成为一个网络：在它们自己中选路,无线网和移动网,10,无线链路的特征,不同于有线链路. 衰减的信号强度：当无线电信号传播通过物质时，信号削弱(路径损失) 来自其他源的干扰: 标准的无线网络频率 (如2.4 GHz)由其他设备共享 (如电话); 设备(发动机) 干扰 多径传播: 无线电信号反射离开物体，以稍微不同的时间到达目的地

3、 . 使得通信跨越 (甚至点对点)无线链路 非常 “困难”,无线网和移动网,11,无线网络的特性,多个无线发送方和接收方产生另外的问题 (不同于多路访问):,隐终端问题 B, A 彼此听到 B, C彼此听到 A, C彼此不能听到 意味着A, C不知道它们在B处互相干扰,信号衰退: B, A彼此听到 B, C彼此听到 A, C不知道它们在B处互相干扰,无线网和移动网,12,码分多址(CDMA),用于几种无线广播信道中(蜂窝, 卫星等)的标准 独特的”编码“分配给每个用户; 即编码集合分割 所有用户共享相同频率，但每个用户具有自己的”码片 “序列 (即编码)以对数据编码 编码信号 = (原始数据)

4、 X (码片序列 ) 解码: 编码的信号和码片序列 的内积 允许多个用户”共存“并以最小的干扰同时传输 (如果编码是 “正交的”),无线网和移动网,13,CDMA编码/解码,时隙 1,时隙 0,Zi,m= di.cm,时隙 0 信道输出,时隙 1 信道输出,信道输出 Zi,m,发送方,编码,数据比特,时隙1,时隙0,时隙 0 信道输出,时隙 1 信道输出,接收方,编码,接收的输入,无线网和移动网,14,CDMA: 两个发送方的干扰,发送方,接收方,无线网和移动网,15,IEEE 802.11 无线 LAN,802.11b 2.4-5 GHz无执照无线电频谱 高达11 Mbps 在物理层的直接序

5、列扩频 (DSSS) 所有主机使用相同的码片序列 广泛设置，使用基站,802.11a 5-6 GHz范围 高达 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz范围 高达54 Mbps 对多路访问都使用CSMA/CA 都具有基站和自组织版本,无线网和移动网,16,802.11 LAN 体系结构,无线主机使用基站通信 基站 = 接入点 (AP) 基本服务集 (BSS) (又称为 “单元”)在基础设施模式中包含： 无线主机 接入点(AP)：基站 自组织模式：仅有主机,BSS 1,BSS 2,hub, switch or 路由器,无线网和移动网,17,802.11：信道, 关联,802.11b：2

6、.4GHz-2.485GHz频谱划分为11个不同的频率的信道 AP管理：为AP选择频率 可能干扰：信道能够与临近AP选择相同的信道! 主机：必须与AP关联 扫描信道，监听包括该AP的SSID（服务集标识）和MAC地址的信标帧 选择AP去关联 可能执行鉴别 通常运行DHCP以得到在AP子网中的IP地址,无线网和移动网,18,IEEE 802.11: 多路访问,避免碰撞: 2+ 结点同时传输 802.11: CSMA 在传输前感知 不与其他结点正在进行的传输相碰撞 802.11: 无碰撞检测! 当传输时由于接收的信号变弱(衰退)，难以接收(感知碰撞) 在任何场合不能感知所有碰撞：隐终端，衰退 目标

7、: 避免碰撞: CSMA/CA (Collision Avoidance),无线网和移动网,19,IEEE 802.11 MAC协议: CSMA/CA,802.11发送方 (1)如果感知信道空闲则 在DIFS (Distributed InterFrame Space，分布协调功能帧间间隔，最长的IFS)后，传输整个帧 (无碰撞检测) (2)如果感知信道忙，则 启动随机回退时间 定时器倒计时直到信道空闲 当定时器超时传输 如果无ACK, 增加随机回退间隔 802.11接收方 - 如果针接收OK 在SIFS(短帧间间隔，Short InterFrame)后返回ACK (由于隐终端问题，需要ACK

8、),发送方,接收方,无线网和移动网,20,避免碰撞,思想: 允许发送方“预约”信道，而不是数据帧的随机访问：避免长数据帧的碰撞 发送方首先使用CSMA向BS传输小请求发送 (RTS)分组 RTS仍可能与其他碰撞(但它们较短) BS为响应RTS广播允许发送(CTS) RTS为所有站点听到 发送方传输数据帧 其他站点推迟传输,使用小预约分组，避免数据帧完全碰撞！,无线网和移动网,21,碰撞避免: RTS-CTS交换,AP,A,B,时间,推迟,无线网和移动网,22,802.11帧: 编址,地址2:无线主机或AP 传输该帧的MAC 地址,地址1:无线主机或接收该帧AP的MAC 地址,地址3: 与AP连

9、接的路由器接口的MAC地址,地址4: 仅用于自组织模式,无线网和移动网,23,H1,R1,802.11帧: 编址,无线网和移动网,24,802.11帧: 其他,预约传输时间(RTS/CTS) 的长度,帧序号 (用于可靠的ARQ),帧类型 (RTS, CTS, ACK, 数据),无线网和移动网,25,集线器或 交换机,AP 2,AP 1,H1,BBS 2,BBS 1,802.11:在相同子网中的移动,H1停留在相同的IP子网中: IP 地址能够维持相同 交换机: 哪个AP与H1关联? 交换机将看到来自H1的帧并 “记住”哪个交换机端口能被用于到达 H1,无线网和移动网,26,覆盖半径,802.1

10、5: 个人域网络,小于10 m直径 替代电缆 (鼠标, 键盘，耳机) 自组织: 无基础设施 主/从设备: 从设备(向主设备)请求发送许可 主设备同意请求 802.15: 由蓝牙规格参数演化而来 2.4-2.5 GHz 无线电波段 高达 721 kbps,无线网和移动网,27,公共电话网和因特网,蜂窝网络体系结构的组件,将cells与广域网相连 管理呼叫建立 处理移动,移动交换中心MSC,覆盖地理区域 基站 (BS)类比802.11 AP 移动用户通过BS与网络相连 空中接口: 在移动用户和BS之间的物理和链路层协议,发射区cell,无线网和移动网,28,蜂窝网: 第一跳,共享移动用户到BS无线

11、电频谱的两种技术 FDMA/TDMA结合: 将频谱划分为频道，再将每个频道划分为时隙 CDMA: 码分多址,无线网和移动网,29,蜂窝标准: 简要概述,2G系统:语音信道 IS-136 TDMA: FDMA/TDMA结合 (北美) GSM (移动通信全球系统): FDMA/TDMA结合 广泛部署 IS-95 CDMA: 码分多址,IS-136,GSM,IS-95,GPRS,EDGE,CDMA-2000,UMTS,TDMA/FDMA,不要淹死在字母汤的碗里：仅使用它们作为参考,无线网和移动网,30,Cellular 标准:简要概述,2.5 G系统: 语音和数据信道 提供给那些等不及3G服务的人:

12、 2G扩展 通用分组无线电服务 (GPRS) 从 GSM演化而来 数据在多个信道发送(如果可能的话) Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE) 也从GSM演化而来, 使用增强调制 数据率高达 384K CDMA-2000 (阶段1) 数据率高达 144K 从 IS-95演化而来,无线网和移动网,31,Cellular 标准:简要概述,3G系统: 语音/数据 通用移动电信服务 (UMTS) GSM下一步, 但使用 CDMA CDMA-2000 . 由于更多(并且更为有趣)蜂窝网主题 设计到移动性,无线网和移动网,32,What is 移动?,

13、移动谱, 从 网络 的角度:,无线用户，使用相同的接入点,移动用户，在维持进行中的连接时通过多个接入点(像移动电话一样),移动用户，使用DHCP与网络连接/断连,无线网和移动网,33,移动: 词汇,归属网络: 移动用户的永久的“家” (如 128.119.40/24),永久地址: 在归属网络中的地址，总能被用于到达移动用户，如 128.119.40.186,归属代理: 当移动用户在远地，代表它执行移动功能的实体,广域网,通信者,无线网和移动网,34,移动: 词汇（续）,转交地址: 在被访网络中的地址.(如 79,129.13.2),广域网,被访网络:移动用户当前驻留的网络 (如 79.129.

14、13/24),永久地址: 保持不变 (如128.119.40.186),归属代理: 在被访网络 中代表移动用户执行移动功能的实体,通信者: 要与移动用户通信,无线网和移动网,35,你怎样与云游的朋友联系？,搜索所有的电话簿? 给她父母打电话? 期待她主动联系你?,我想知道Alice 现在到达了何处?,设想朋友经常改变地址，你怎样找到她?,无线网和移动网,36,移动: 方法,让选路处理: 路由器使用通常的选路表交换，通告移动用户在驻留地的节点永久地址 选路表指示移动用户位于的地方 对端用户无改变 让端系统处理: 间接选路: 从通信者到移动用户的通信经过归属代理, 然后向远地转发 直接选路: 通信

15、者得到移动用户的外部地址, 直接向移动用户发送,无线网和移动网,37,移动: 方法,让选路处理: 路由器使用通常的选路表交换，通告移动用户在驻留地的节点永久地址 选路表指示移动用户位于的地方 对端用户无改变 让端系统处理: 间接选路: 从通信者到移动用户的通信经过归属代理, 然后向远地转发 直接选路: 通信者得到移动用户的外部地址, 直接向移动用户发送,对数以百万 计移动用户 无扩展性,无线网和移动网,38,移动: 注册,End result: 外部代理 knows about 移动用户 归属代理 knows location of 移动用户,广域网,归属网络,被访网络,无线网和移动网,39,

16、移动经间接选路,wide area network,归属网络,被访网络,无线网和移动网,40,间接选路:解释,移动用户使用两个地址: 永久地址: 由通信者所用(因此移动用户位置对通信者是透明的) 转交地址: 由归属代理所用，以将数据报转发给移动用户 外部代理功能可以由移动用户自己做 三角形选路: 通信者-归属网络-移动用户 当通信者和移动用户 位于相同网络时，低效,无线网和移动网,41,间接选路: 在网络间移动,假定移动用户移动到另外的网络 注册到新的外部代理 新的外部代理向归属代理注册 归属代理更新移动用户的转交地址 分组继续向移动用户转发(但具有新的转交地址) 移动、改变外部网络是透明的：进行中的连接能被维护！,无线网和移动网,42,经直接选路移动,wide area network,归属网络,被