無線網絡和移動網絡

🐇無線網絡WLAN
無線局域網的組成
無線局域網WLAN(Wireless Local Area Network)可分爲兩大類：

• 有固定的基礎設施的WLAN (所謂"固定基礎設施"是指預先建立起來的、能夠覆蓋一定地理範圍的一批固定基站)
• 無固定基礎設施的WLAN

🌱IEEE 802.11是一個有固定基礎設施的無線局域網的國際標準，簡單來說802.11就是無線以太網的標準：

• 使用星型拓撲，其中心叫做接入點AP(Access Point)
• 在MAC層使用CSMA/CA協議

凡使用802.11系列協議的局域網又稱爲Wi-Fi(Wireless-Fidelity，意思是"無線保真度")
IEEE802.11的基本服務集BSS和擴展服務集ESS

一個基本服務集BSS包括一個基站和若干個移動站，所有的站在本BSS以內都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信時，都要通過本BSS的基站

基本服務集內的基站叫做接入點AP(Access Point)其作用和網橋相似，當網絡管理員安裝AP時，必須爲該AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID和一個信道.

一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點AP連接到一個主幹分配系統DS(Distribution System)，然後再接入到另一個基本服務集，構成擴展的服務集ESS

ESS還可通過叫做門戶爲無線用戶提供到非802.11無線局域網(例如，到有線連接的互聯網)的接入，門戶的作用就相當於一個網橋

移動站A從某一個基本服務集漫遊到另一個基本服務集(到A’的位置)，仍可保持和另一個移動站B進行通信.

🌱建立關聯(association)
一個移動站若要加入到一個基本服務集BSS，就必須選擇一個接入點AP，並與此接入點建立聯繫，建立聯繫表示這個移動站加入了選定的AP所屬的子網，並和這個AP之間創建了一個虛擬線路.只有關聯的AP才向這個移動站發送數據幀，而這個移動站也只有通過關聯的AP才能向其他站點發送數據幀，而這個移動站也只有通過關聯的AP才能向其他站點發送數據幀.
🌱移動站與AP建立關聯的方法

• 被動掃描
  移動站等待接收收入站週期性發送的信標幀(beacon frame)，信標幀中包含有若干系統參數(如服務集標識符SSID以及支持的速率等)

• 主動掃描
  移動站主動發出探測請求幀(probe request frame)，然後等待從AP發回的探測響應幀.
  移動自組網絡
  移動自組網絡又稱爲自組網絡(ad hoc network)，自組網絡是沒有固定基礎設施(即沒有AP)的無線局域網，這種網絡是由一些處於平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡.自組網絡的服務範圍通常是受限的，而且一般也不和外加的其他網絡相連接，移動自組網絡也就是移動分組無線網絡.
  
  三個主要問題：路由選擇協議，多播，安全.
  🍹無線傳感器網絡WSN
  無線傳感器網絡WSN是由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡.無線傳感器網路的應用時進行各種數據的採集、處理和傳輸，一般並不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持低功耗，以節省電池的消耗.由於無線傳感結點的存儲容量受限，因此對協議棧的大小有嚴格的限制，無線傳感器網絡還對網絡安全性、結點自動配置、網絡動態重組等方面有一定的要求.
  無線傳感器網絡主要的應用領域就是組成各種的物聯網loT(Internet of Things).
  移動自組網絡不同於移動IP
  移動IP技術使漫遊的主機可以用多種連接到互聯網.
  移動IP的核心網絡功能仍然是基於在固定互聯網中一直在使用的各種路由選擇協議.
  移動自組網絡是將移動性擴展到無線領域中的自治系統，它具有自己特定的路由選擇協議，並且可以不和互聯網相連.
  🍹幾種不同的接入

• 固定接入(fixed access)：在作爲網絡用戶期間，用戶設置的地理位置保持不變

• 移動接入(mobility access)：用戶設置能夠以車輛速度移動時進行網絡通信，當發生切換是，通信仍然是連續的.

• 便攜接入(portable access)：在受限的網絡覆蓋面積中，用戶設備能夠在以步行速度移動時進行網絡通信，提供有限的切換能力.

• 遊牧接入(nomadic access)：用戶設備的地理位置至少在進行網絡通信時保持不變，如用戶設備移動了位置，則再次進行通信時可能還要尋找最佳基站.
  幾種常用的802.11無線局域網
  802.11局域網的MAC層協議
  無線局域網不能簡單地搬用CSMA/CD協議，這裏主要有兩個原因：

• "碰撞檢測"要求一個站點在發送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但接收到的信號強度往往會小於發送信號的強度，在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大.

• 即使能夠實現碰撞檢測的功能，並且在發送數據時檢測到信道是空閒的時候去，在接收端仍然有可能發生碰撞.
  這種未能檢測出媒體上已存在的信號問題叫做隱蔽站問題
  
  (當A和C檢測不到無線信號時，都以爲B是空閒的，因而都向B發送數據，結果發生碰撞)
  其實B向A發送數據並不影響C和D發送數據，這就是暴露站問題
  
  (B向A發送數據，而C又想和D通信，C檢測到媒體上有信號，於是就不敢向D發送數據)
  🌱CSMA/CA協議
  無線局域網不能使用CSMA/CD，而只能使用改進的CSMA協議.改進的辦法是叭CSMA增加一個碰撞避免CA(Collision Avoidance)功能.802.11就使用CSMA/CA協議，而在使用CSMA.CA的同時，還增加使用停止等待協議.
  802.11的MAC層
  MAC層通過協調功能來確定在基本服務集BSS中的移動站在什麼時間能夠發送數據或接收數據.
  
  三種IFS
  所有的站在完成發送後，必須再等待一段很短的時間(繼續監聽)才能發送下一幀，這段時間的通稱是幀間間隔IFS.幀間間隔長度取決於該站發送的幀的類型，高優先級幀需要等待的時間較短，因此可優先獲得發送全.若低優先級幀還沒來得及發送而其他站的高優先級幀已發送到媒體，則媒體變爲忙態，因爲低優先級幀就只能再推遲發送了，這樣就減少了發生碰撞的機會.
  幀間間隔愈短，優先級愈高.

• 🍍短幀間間隔(SIFS:Short IFS)
  長度爲28μs，最短的幀間間隔，用來分隔開屬於一次對話的各幀，一個站應當能夠在這段時間內從發送方式切換到接收模式.高優先級，使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長的MAC幀分片後的數據幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點AP發送出的任何幀.
  

• 🍍點協調功能幀間間隔(PIFS:PCF IFS)
  中等優先級，用於PCF非競爭式傳輸功能時，站點傳送幀所必需等待的時間.

• 🍍分佈協調功能幀間間隔(DIFS:DCF IFS)
  低優先級，長度爲128μs，用於DCF競爭式傳輸功能時，站點傳送幀前所必須等待的時間.在DCF方式中，DIFS用來發送數據幀和管理幀.
  
  PCF以超幀(Super Frame)爲週期進行數據幀的發送

• 無競爭階段CFP：傳送實施業務，PCF起作用，對媒體的訪問完全由PC控制

• 競爭階段CP：傳送非實時業務，DCF其所用，所以站點競爭對媒體的訪問.
  
  SIFS<PIFS<DIFS
  輪詢表Polling list
  站點在開始通信之前，必須先利用Association控制幀與AP建立連接，在此幀中就可標識是否加入輪詢表中(CF-Polling Request=1?)
  不在輪詢表內的站點只能在競爭期中以DCF的規則傳送幀.
  輪詢表較長時可能必須經過幾個無競爭期才能輪詢一遍.在一個無競爭期中如果已完成輪詢一遍而尚有剩餘時間，則可以根據流量分佈或不同的QoS要求挑幾個比較重要的站點給更多的傳送機會，也可以提早結束無競爭期.
  分佈式協調功能DCF
  競爭模式
  所有802.11設備都必須支持
  利用載波監聽多點接入CSMA/CA算法，讓各個站點通過爭用信道來獲取發送權.
  一個站點有一個MAC幀要發送，它監聽媒體.如果媒體空閒，站點可以發送.否則，該站點必須等到當前發送已完成才能發送.
  爲確保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相當於優先級模式的時延，用幀間間隔IFS實現.
  CSMA/CA協議的原理
  欲發送數據的站先檢測信道，在802.11標準中規定了在物理層的空中接口進行物理層的載波監聽.
  通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數值就可判斷是否有其他的移動站在信道上發送數據.
  當源站發送它的第一個MAC幀時，若檢測到信道空閒，則在等待一段時間DIFS後就可發送.
  爲什麼信道空閒還要再等待
  避免站點同時檢測到信道空閒一起發送，造成衝突(DCF退避過程講述)
  這是考慮到可能有其他的站有高優先級的幀要發送.
  如有就要讓高優先級幀先發送.
  假定沒有高優先級幀要發送
  源站發送了自己的數據幀.
  目的站若正確收到此幀，則經過時間間隔SIFS後，向源站發送確認幀ACK.
  若源站在規定時間內沒有收到確認幀ACK(由重傳計時器控制這段時間)，就必須重傳此幀，知道收到確認爲止，或者經過若干次的重傳失敗後放棄發送.
  虛擬載波監聽
  虛擬載波監聽的機制是讓源站將它要佔用信道的時間(包括目的站發回確認幀所需的時間)通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發送數據.
  這樣就大大減少了碰撞的機會.
  "虛擬載波監聽"是模擬其他站監聽信道(其實並沒有)，而是由於其他站收到了"源站的通知"纔不發送數據.
  虛擬載波監聽的效果
  這種效果好像是其他站都監聽了信道.
  所謂"源站的通知"就是源站在其MAC幀首部中的第二個字段"持續時間"中填入了在本幀結束後還要佔用信道多少時間(以毫秒爲單位)，包括目的站發送確認幀所需的時間.
  DCF競爭過程
  
  當信道從忙態變爲空閒時，任何一個站都要發送數據幀時，不僅都必須等待一個IFS間隔，而且還要進入競爭窗口，再等待一端由二進制指數退避算法計算的隨機退避時間後，再次重新嘗試接入到信道.
  避免多個站點同時傳輸引起的衝突！
  爭用窗口
  信道從忙態變爲空閒時，任何一個站都要發送數據幀時，不僅都必須等待一個DIFS的間隔，而且還要進入爭用窗口，並計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道.
  在信道從忙態轉爲空閒時，爲了避免幾個站同時發送數據(一旦發送就要把一幀發完，不能中途停止)，各站就要執行退避算法.這樣做就減少了發生碰撞的概率.
  802.11使用二進制指數退避算法.
  退避計時器
  站點每經歷一個時隙的時間就檢測一次信道.
  這可能發生兩種情況：
  若檢測到信道空閒，退避計時器就繼續倒計時.
  若檢測到信道忙，就凍結退避計時器的剩餘時間，重新等待信道變爲空閒，並再經過時間DIFS後，從剩餘時間開始繼續倒計時.如果退避計時器的時間減小到零，就開始發送整個數據幀.
  凍結退避計時器剩餘時間的做法是爲了使協議對所有站點更加公平
  802.11的退避機制
  
  
  
  退避算法的使用情況
  僅在下面的情況下才不使用退避算法：
  檢測到信道是空閒的，並且這個數據幀是要發送的第一個數據幀.
  除此之外的所有情況，都必須使用退避算法：

• 在發送第一個幀之前檢測到信道處於忙態.

• 在每一次的重傳後.

• 在每一次的成功發送後.
  CSMA/CA算法歸納
  若站點最初有數據要發送(而不是發送不成功再進行重傳)，且檢測到信道空閒，在等待DIFS後，就發送整個數據幀.
  否則，站點執行CSMA/CA協議的退避算法.一旦檢測到信道忙，就凍結退避計時器.只要信道空閒，退避計時器就進行倒計時.
  當退避計時器時間減少到零時(這時信道只可能是空閒的)，站點就發送整個的幀並等待確認.
  發送站若收到確認，就知道已發送的幀被目的站正確收到了.這時如果要發送第二幀，就要從上面的步驟二開始，執行CSMA/CA協議的退避算法，隨機選定一端退避時間，若源站在規定時間內沒有收到確認幀ACK(由重傳計時器控制這段時間)，就必須重傳此幀(再次使用CSMA/CA協議爭用接入信道)，直到收到確認爲止，若經過若干次的重傳失敗後放棄發送.
  🌱對信道進行預約
  主要思想：允許傳送端預留信道，而不是隨機訪問(避免了長數據幀的碰撞)
  傳送端先發送了一個請求發送幀(RTS:Request To Sent)給基站，RTS仍可能發生碰撞(但是RTS包很小)
  基站廣播允許發送幀(CTS:Clear To Send)
  傳送端傳送數據，其他站點推遲發送.
  通過小的預留包(RTS/CTS)來避免數據幀衝突！
  收到CTS(允許發送幀)的其他站點，不可以傳送任何數據，接着傳送端會發出數據幀，接收端收完數據幀後再恢復ACK，所以暫停傳送的站點在接收到ACK後就可以解除封鎖了.
  站點接收到RTS(請求發送幀)控制幀，但沒收到CTS控制幀可以自由地傳送資料，不需要暫停傳送.
  802.11允許要發送數據的站對信道進行預約
  
  使用RTS幀和CTS幀會使整個網絡的通信效率有所下降，但與數據幀相比，開銷不算大.
  相反，若不使用這種控制幀，則一旦發生碰撞而導致數據幀重發，則浪費的時間就更多.
  對信道進行預約解決隱蔽站點問題
  
  
  🍹CSMA/CA協議設有三種情況供用戶選擇：
  (1)使用RTS幀和CTS幀
  (2)只有當數據幀的長度超過某一數值時才使用RTS幀和CTS幀(顯然，當數據幀本身就很短時，再使用RTS幀和CTS幀只能增加開銷)
  (3)不使用RTS幀和CTS幀
  RTS Threshold的默認值是2347
  雖然經過了精心的設計，但碰撞仍會發生.
  
  RTS/CTS
  
  
  
  CSMA/CA協議的基本流程圖
  
  802.11局域網的MAC幀
  802.11幀共有三種類型：控制幀、數據幀和管理幀
  
  802.11數據幀的三大部分

• MAC首部，共30字節.幀的複雜性都在幀的首部.

• 幀主體，也就是幀的數據部分，不超過2312字節.這個數值比以太網的最大長度長很多，不過802.11幀的長度通常都是小於1500字節.

• 幀檢驗序列FCS是尾部，共4個字節.
  
  幀控制Frame Control：在工作站之間發送的控制信息
  協議版本：目前爲0
  類型/子類型：幀的類型，data，control，management
  更多分片：字段置爲1時表明這個幀屬於一個幀的多個分片之一，後面還有另一個fragment
  重試Retry：1表明當前幀時重傳幀
  功率管理：表示站的模式，1省電，0激活
  WEP：表示數據經過WEP算法加密
  持續期：表示下一個幀發送的持續時間信息(以μs爲單位)
  序列號控制Sequence Control：4比特用來標識分段，一遍進行分段號重組；12比特序列號給幀編號.
  關於802.11數據幀的地址
  802.11數據幀最特殊的地方就是有四個地址字段.
  地址4用於自組網絡，此處只討論前三種地址.
  
  
  
  總結：
  地址1：目的地址
  地址2：源地址
  地址3：下一跳地址
  爲了提高傳輸效率，在信道質量較差時，需要把一個較長的幀劃分爲許多較短的分片.
  802.11x的發展歷程
  
  802.11n

• 高帶寬

• 廣覆蓋

• 密接入

• 易穿透

• 高穩定

• 易兼容
  802.11ac
  幀聚合技術
  802.11MAC層協議耗費了相當的效率用作鏈路的維護，從而大大降低了系統的吞吐量.
  802.11n引入幀聚合技術，提高MAC層效率.
  在802.11ac中，爲了進一步提高效率和可靠性，增加了MPDU幀的大小和A-MPDU幀的大小，並且只支持A-MPDU.
  
  WiFi6-802.11ax
  WiFi6是802.11ax.
  
  5G和WiFi6
  

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🐇無線個人區域網WPAN
無線個人區域網WPAN就是在個人工作地方把屬於個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網絡，不需要使用接入點AP.
整個網絡的範圍大約在10m左右.
WPAN可以是一個人使用，也可以是若干人共同使用.
無線個人區域網WPAN和個人區域網PAN並不完全等同，因爲PAN不一定都是使用無線連接的.
WPAN和WLAN並不一樣
WPAN是以個人爲中心來使用的無線個人區域網，它實際上就是一個低功率、小範圍、低速率和價格的電纜替代技術.
WLAN卻是同時爲許多用戶服務的無線局域網，它是一個大功率、中等範圍、高速率的局域網.
低速WPAN
低速WPAN中最重要的就是ZigBee，用於各種電子設備(固定的、便攜的或移動的)之間的無線通信，其主要特點是通信距離短(10-80m)，傳輸數據效率低，並且成本低廉.

• 功耗低
• 網絡容量大
  ZigBee的協議棧
  

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🐇無線城域網WMAN
802.16無線城域網服務範圍的示意圖

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🐇移動IP
移動IP又稱爲移動IP協議，是由IETF開發的一種技術.移動IP對現在流行的在移動中上網有着重要的意義.
這種技術允許計算機移動到外地時，仍然保留其原來的IP地址.
移動IP要解決的問題：使用戶的移動性對上層的網絡應用時透明的.
移動IP使用的基本概念

移動站A必須有一個原始地址，即永久地址，或歸屬地址(home address).移動站原始連接到的網絡叫做歸屬網絡(home network).歸屬網絡中使用的代理叫做歸屬代理(home agent).
當移動站A移動到另一個地點，接入的網絡稱爲被訪網絡(visited network)或外地網絡(foreign network).被訪網絡中使用的代理叫做外地代理(foreign agent).爲移動站A在被訪網絡中創建的臨時地址叫做轉交地址(care-of-address).
網絡層應增加的新功能
(1)移動站到外地代理的協議
(2)外地代理到歸屬代理的登記協議
(3)歸屬代理數據報封裝協議
(4)外地代理拆封協議
三角形路由選擇問題
間接路由選擇：把數據報發往移動站的歸屬網絡，由歸屬代理完成以後的尋址工作，進而完成數據報轉發的方式.
間接路由選擇可能會引起數據報轉發的低效，吻戲那種稱之爲三角形路由選擇問題.意思是：本來在B和A之間可能有一條更有效的路由，但現在要走另外兩條路：先把數據報從B發送到A的歸屬代理，然後再轉發給漫遊到被訪網絡的A.
使用直接路由選擇移動站發送數據報
讓通信者B創建一個通信者代理(correspondent agent)，讓這個通信者代理向歸屬地代理詢問到移動站在被訪問網絡的轉交地址.然後由通信者代理把數據報用隧道技術發送到被訪網絡的外地代理，最後再由這個外地代理拆封，把數據報轉發給移動站，但這是以增加複雜性爲代價的.

無線網絡對高層協議的影響
無線網絡在移動站漫遊時，會經常更換移動用戶到無線網絡的接入點(即到移動站相關聯的基站).這樣，網絡的連接就會發生很短時間的中斷.
由於移動用戶更新相關聯的基站需要一定的時間，這就可能造成TCP報文段的丟失.只要出現TCP博愛文段頻繁丟失，TCP的擁塞控制就會採取措施，減小其擁塞窗口，從而使TCP發送方的報文段發送速率降低.
當無線信道出現嚴重的比特差錯，或由於切換產生了報文段丟失，減小TCP發送方的擁塞窗口對改善網絡性能並不會有任何好處
解決方法
本地恢復：這是指差錯在什麼地方出現，就在什麼地方改正.
讓TCP發送方知道什麼地方使用了無線鏈路.只有當TCP能夠確知，是有線網絡部分發生了擁塞時，TCP才採用擁塞控制的策略.
把含有移動用戶的端到端TCP連接拆成兩個相互串接的TCP連接.
幾種無線網絡的比較