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1、第6章 无线与移动计算,6.1 无线与移动计算的问题 6.2 移动计算网络 6.3 无线应用协议(WAP) 6.4 移动计算中的移动数据库 6.5 移动中间件 6.6 移动通信程序设计 6.7 移动计算研究的现状和发展,6.1 无线与移动计算的问题,移动计算包括三个要素，即通信、计算和移动，这三个方面既相互独立又相互联系。移动计算概念提出之前，人们对它们已经研究了很长时间，移动计算则是第一次把它们结合起来进行研究的。在移动计算中，可以用一个三维空间来表示三个要素之间的关系。它们可以相互转化，例如，通信系统的容量可以通过计算处理(信源压缩、信道编码、缓存、预取)得到提高。,移动性可以给计算和通信
2、带来新的应用，但同时也带来了许多问题。在移动计算中，最大的问题就是如何面对无线移动环境带来的挑战。在无线移动环境中，信号要受到各种各样的干扰和衰弱的影响，多径和移动给信号带来的时域和频域弥散、有限频带资源的利用、较大的传输时延等等问题，使得所有的应用都必须建立在一个不可靠或者说是一个有可能发生中断的物理连接上。 在这样的环境下，如果仍采用已有的建立在有线网络基础上的计算体系和技术，显然是不明智的或是有缺陷的。那么，应怎样实现移动计算？移动计算正在做哪些研究呢？,移动性带来的问题，是移动计算中的最大问题。移动计算概念的提出对传统的计算环境和无线移动网络都有很大影响，它引出了很多在移动通信网络和计
3、算机网络中从未遇到的问题。 第一，信道可靠性问题和系统配置问题。在有线连接的计算机网络中，计算机都采用频谱较宽的铜缆或光缆连接，连接可靠，误比特性及时延特性好。可靠的信道就可以很好地支持各种业务。当系统建立在一个采用无线方式连接起来的网络上时，情况就大不一样了。,首先，恶劣的通信环境造成很高的错误传输概率，为此采用的纠错和重传技术又会加剧时延特性的恶化。其次，有限的无线带宽，限制了数据的传输速率。各种应用必须建立在一个不可靠的、随时有可能断开的物理连接上。在有线计算环境中，用户终端很少移动，系统配置基本上采用静态方式；而在移动计算网络环境下，移动终端位置的移动要求系统能够实时进行配置和更新。,
4、第二，对宽带业务的支持问题。为了真正实现在移动中进行各种计算，必须要对宽带数据业务进行支持。目前的无线移动蜂窝网络基本只能支持话音和低速的数据业务。为了解决这个问题，除了增加无线信道的带宽外，还必须研究如何在较低数据速率下适应移动特性，以及如何提供预连接服务、智能业务服务和资源的预分配技术等。 第三，在移动计算中，还存在一个移动管理的问题。现有的移动管理主要针对话音业务，如何拓展现有的移动管理技术到宽带数据业务，更好地支持预连接智能业务和预分配资源是一个正在研究的课题。,第四，如何把一些在固定计算网络中的成熟技术移植到移动计算网络中的问题。移动计算网络是建立在无线通信环境下的多用户数据网络，数
5、据通信的突发特性，使得分组交换技术在其中得到了广泛的应用。例如，缓存(Caching)和预取(Prefetching)技术在计算机系统中已经广为应用。现已证明，它们可以大大提高系统的性能，减少系统的业务量。那么如何适应无线移动的特点，使它们更好地提高移动计算的效率，也是目前正在研究的问题。,6.2 移动计算网络,为了支持计算的移动性，需要人们在计算的各个层次上增加对移动性的支持。移动计算涵盖的研究内容非常广泛，我们在这里主要介绍一下与移动计算网络有关的研究内容。在移动计算网络中，主要研究如何支持节点的移动性和移动性管理问题。,在这个移动计算网络环境下，主机或其他终端可以在移动中对有线网络中的各
6、种资源进行访问，也可以与其他移动的终端进行通信，如同在固定的有线环境中一样。 无线移动环境带来的特殊性是对移动计算的最大挑战。要支持计算的移动性，需要在系统的各个层面增加对移动性的支持。其中，一个可靠、支持高数据速率的物理和数据链路对计算的移动性至关重要。有关移动计算网络的研究主要是围绕着它进行的。 根据支持节点的移动范围的大小，基本上可以分为两种解决方案：广域解决方案和局域解决方案。,6.2.1 无线蜂窝数字通信网络和卫星通信网络 广域方案主要是依靠现有的无线蜂窝数字通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理网。,1 无线蜂窝数字通信网络 传统的以话音业务为主的无线数字蜂窝系统只能支持低速的数
7、据业务，满足不了日益增长的宽带多媒体业务的需求。为了在现有蜂窝系统的基础上增加对无线数据业务(计算能力)的支持，需要做两方面的工作：一是在物理层上提供更可靠的高比特速率传输，二是在高层上支持数据业务的交换。GPRS(General Packet Radio Service)和CDPD(Cellular DigitalPacket Data)就是在这样的背景下提出的。,由于以前的蜂窝系统主要针对语音业务设计，采用面向连接的电路交换方式，这样的系统结构要支持具有突发特性的数据业务，支持分组交换，必须要做一些修改。因此，在支持GPRS这种新服务的原有GSM系统的基础上增加了两个新的元素：SGSN(S
8、erving GPRS Support Node)和GGSN(Gateway GPRS Support Node)。,数据业务的路由和转发就是在这两个GSN的协助下实现的。SGSN负责移动终端的移动和认证管理；GGSN是与外部网络的逻辑接口，具有路由的功能。所有与路由数据传输有关的信息存储在归属位移寄存器(HLR，Home Location Register)中。对用户A到用户B的数据业务，源SGSN-S把它从BTS(基站收发信基)发送到BSC(基站控制器)，BSC接收后对它进行封装，然后路由到GGSN，在检查分组的目的地址后通过现有的分组交换网络送到目的GGSN，再送到目的SGSN-D，在S
9、GSN中进行解封装，,再利用GSM系统的基站传送到目的移动终端。GPRS系统可以提供移动性的管理和服务质量(QoS)的支持，它采用了隧道协议(GTP)和分组数据协议，目前可支持9150 kb/s的数据速率。,另一种基于蜂窝系统的支持数据业务的网络是CDPD，它是一个采用无连接网络协议(CLNP)和带冲突检测的数字检测接入协议的接入网络。它有一套与AMPS、IS95、IS136无关的独立的移动管理数据库。在支持CDPD的蜂窝移动终端上，在进行话音和数据业务的传输时，采用不同的移动管理过程。,2卫星通信网络 新一代的宽带卫星进入太空，消除了成本和距离之间的硬性关系，建立了真正的普遍服务。宽带卫星具
10、有如下优点： (1) 覆盖范围广。卫星通信波的覆盖面为一个锥形体与地球表面的交集面，一个地球同步卫星的通信波大致可以覆盖地球表面的1/3，大的国家用一颗通信卫星就能成功地进行通信，这样的通信面积，如果在地面网络中实现需要非常庞大的工程和很高的造价。这是卫星通信与一般的地面通信的最大区别，地面通信难以到达的地方(如沙漠、海洋、高山等)，通过卫星都能进行有效的通信。,(2) 可以进行多点广播。卫星上发射的波在锥形体范围内所有的地面接收站都能够接收到通信信号，对于一些重复性的信号(如数据、声音、图像等)就可以通过卫星信号广播给所有的地面卫星小站，这样通过广播的方式大大增大了卫星信道的使用率，避免了相
11、同数据的重复发送造成的信道拥挤。卫星信号的广播特性也是大多数地面通信系统不具有的。,(3) 通讯费用固定。卫星信号传输费用与两地球站之间的距离无关。因为只要它们用同一个卫星转发器服务，该转发器发送的信号可被不同距离的所有地球站接收，其传输费用总是固定不变的。广播式通信比采用大量实体的通信线路和交换机要经济得多。 (4) 通信速度快。卫星工作于宽频带，故一颗卫星就能提供至少120 000路电话或多于200路电视的传输能力，装有10个转发器的卫星，其总通信能力可达500 000 000 bit/s。,高速卫星通信系统示意简图如图6.1所示。卫星通信利用卫星上的微波天线来接收地球发送站发出的无线电信
12、号，然后，又将该信号转发回地球接收端，下行链路信号可以被辐射范围内的任何地球站接收。同时，用户PC可以通过本地ISP有线连接到传输平台，保证了在无线不能覆盖的区域仍能共享信息。通常经过卫星通信传送的信号可以是声音、数据或图像。,图6.1 高速卫星通信系统示意简图,卫星通信网络系统应当具有很高的安全性。在进行网络设计时，通常采用如下的各种网络安全方案。 VLAN划分：为了保证卫星主站网络主机不会受到未经授权的访问，根据系统安全控制原则将不同的主机安全级别划分到不同的VLAN，从而将其从物理上隔离开来，保证主机不会受到任何侵犯。 访问控制列表：通过建立访问控制列表，对不同的主机提供基于应用层上的安
13、全访问控制策略(例如根据IP地址、协议类型、TCP端口号、TCP请求建立连接主机等)，保证不同的主机只能获得特定的访问应用。,AAA安全认证：AAA为身份认证、授权、记账的简称，身份认证提供对用户身份鉴别，授权为通过身份认证的用户提供特定的访问权限，记账功能对用户的网络访问行为作出记录。 动态访问列表：动态访问列表可以用来防御伪装IP地址的攻击，在授权给用户获得网络访问权限的访问列表有效之前，用户必须先通过Telnet获得身份认证，然后建立授权用户访问网络的访问控制列表，在用户会话终止以后，动态访问列表自动失效。,TCP拦截技术：TCP拦截技术可以防止主机受到洪水般TCP连接请求的攻击，它能根
14、据指定的连接溢出时间、最大TCP连接数等指标，自动复位未连接成功的TCP连接请求。 基于状态过滤：能根据TCP报头的序列号进行报文过滤，即只接收顺序到达的数据包，未经顺序到达的数据包将丢弃，从而保证用户连接中不会出现其他非用户数据包。,6.2.2 无线局域网 一个在地域范围上受限制但速率更高的移动解决方案是无线局域网。对于计算机用户来说，无线技术并不是一个新名词，人们在20多年前就建立起了第一个无线连接。无线局域网是一种能支持较高数据速率(211 Mb/s)、采用微蜂窝的、微微蜂窝结构的、自主管理的计算机局部网络。它可采用无线电或红外线作为传输媒质，采用扩展频谱技术，移动的终端可通过无线接入点
15、来实现对Internet的访问。在无线局域网这个领域中有这样两个主要标准：IEEE 802.11和HIPERLAN。,无线技术的部署进展非常缓慢，主要有下面三点原因。首先，无线数据的原始传输速率太低，无法满足一个共享式局域网上的主流用户的需要。尽管吞吐量的确在逐步增加，但是网络速度仍然大幅度地落后于有线局域网的速度。其次，专用的、非标准的解决方案统治了市场，设备之间的互操作性很低，给那些拥有多个厂商提供产品的用户带来了很多困难。第三，与有线解决方案相比，这些低速的专用解决方案的价格非常昂贵。,1IEEE 802.11b IEEE 802.11b只规定了开放式系统互联参考模型(OSI/RM)的物
16、理层和MAC层，它的主要特点如下： 支持较高的数据速率，111 Mb/s； 能够支持有中心和无中心两种拓扑结构； 能够支持多优先级；能支持时间受限业务和数据业务；具有节能管理和安全认证；可采用无线电或红外线传输介质；在世界范围的ISM频段使用，可采用直扩或跳频两种扩频技术。 无线的接入协议采用载波检听/碰撞避免(CSMA/CA)协议。为了避免碰撞或其他原因造成的传输失败，采用ACK应答机制。为了支持多优先级引入多个不同的(IFS、SIFS、PIFS、DIFS)帧间隔。为了支持实时业务又引入超帧结构。,电气和电子工程师协会(IEEE)在1999年批准了802.11b标准，它可以提供最高每秒11B位(Mb/s)的数据传输速率-近似于很多以太网工作小组所使用的10 Mb/s连接。无线局域网首次开始适用于大部分工作环境和办公室应用。很多厂商随后立即开始支持802.11b标准，于是迅速地降低了成本，带来了更多的需求和更加广泛的厂商支持。另外，802.11b标准确保了用户可以获得设备互操作能力。无线以太网兼容性联盟(WECA)是一个非盈利性的国际组织，它的宗旨是检验基于802.11
