无线网络和移动网络

🐇无线网络WLAN
无线局域网的组成
无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)可分为两大类：

• 有固定的基础设施的WLAN (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)
• 无固定基础设施的WLAN

🌱IEEE 802.11是一个有固定基础设施的无线局域网的国际标准，简单来说802.11就是无线以太网的标准：

• 使用星型拓扑，其中心叫做接入点AP(Access Point)
• 在MAC层使用CSMA/CA协议

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")
IEEE802.11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，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时，都要通过本BSS的基站

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.

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

ESS还可通过叫做门户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

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)，仍可保持和另一个移动站B进行通信.

🌱建立关联(association)
一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须选择一个接入点AP，并与此接入点建立联系，建立联系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.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，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

• 被动扫描
  移动站等待接收收入站周期性发送的信标帧(beacon frame)，信标帧中包含有若干系统参数(如服务集标识符SSID以及支持的速率等)

• 主动扫描
  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.
  移动自组网络
  移动自组网络又称为自组网络(ad hoc network)，自组网络是没有固定基础设施(即没有AP)的无线局域网，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.自组网络的服务范围通常是受限的，而且一般也不和外加的其他网络相连接，移动自组网络也就是移动分组无线网络.
  
  三个主要问题：路由选择协议，多播，安全.
  🍹无线传感器网络WSN
  无线传感器网络WSN是由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络.无线传感器网路的应用时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.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，无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求.
  无线传感器网络主要的应用领域就是组成各种的物联网loT(Internet of Things).
  移动自组网络不同于移动IP
  移动IP技术使漫游的主机可以用多种连接到互联网.
  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.
  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

• 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

• 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，当发生切换是，通信仍然是连续的.

• 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，提供有限的切换能力.

• 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基站.
  几种常用的802.11无线局域网
  802.11局域网的MAC层协议
  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：

• "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.

• 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去，在接收端仍然有可能发生碰撞.
  这种未能检测出媒体上已存在的信号问题叫做隐蔽站问题
  
  (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)
  其实B向A发送数据并不影响C和D发送数据，这就是暴露站问题
  
  (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)
  🌱CSMA/CA协议
  无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议.改进的办法是叭CSMA增加一个碰撞避免CA(Collision Avoidance)功能.802.11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.
  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够发送数据或接收数据.
  
  三种IFS
  所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧，这段时间的通称是帧间间隔IFS.帧间间隔长度取决于该站发送的帧的类型，高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送全.若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因为低优先级帧就只能再推迟发送了，这样就减少了发生碰撞的机会.
  帧间间隔愈短，优先级愈高.

• 🍍短帧间间隔(SIFS:Short IFS)
  长度为28μs，最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧，一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收模式.高优先级，使用SIFS的帧类型有：ACK帧、CTS帧、由过长的MAC帧分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧和在PCF方式中接入点AP发送出的任何帧.
  

• 🍍点协调功能帧间间隔(PIFS:PCF IFS)
  中等优先级，用于PCF非竞争式传输功能时，站点传送帧所必需等待的时间.

• 🍍分布协调功能帧间间隔(DIFS:DCF IFS)
  低优先级，长度为128μs，用于DCF竞争式传输功能时，站点传送帧前所必须等待的时间.在DCF方式中，DIFS用来发送数据帧和管理帧.
  
  PCF以超帧(Super Frame)为周期进行数据帧的发送

• 无竞争阶段CFP：传送实施业务，PCF起作用，对媒体的访问完全由PC控制

• 竞争阶段CP：传送非实时业务，DCF其所用，所以站点竞争对媒体的访问.
  
  SIFS<PIFS<DIFS
  轮询表Polling list
  站点在开始通信之前，必须先利用Association控制帧与AP建立连接，在此帧中就可标识是否加入轮询表中(CF-Polling Request=1?)
  不在轮询表内的站点只能在竞争期中以DCF的规则传送帧.
  轮询表较长时可能必须经过几个无竞争期才能轮询一遍.在一个无竞争期中如果已完成轮询一遍而尚有剩余时间，则可以根据流量分布或不同的QoS要求挑几个比较重要的站点给更多的传送机会，也可以提早结束无竞争期.
  分布式协调功能DCF
  竞争模式
  所有802.11设备都必须支持
  利用载波监听多点接入CSMA/CA算法，让各个站点通过争用信道来获取发送权.
  一个站点有一个MAC帧要发送，它监听媒体.如果媒体空闲，站点可以发送.否则，该站点必须等到当前发送已完成才能发送.
  为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔IFS实现.
  CSMA/CA协议的原理
  欲发送数据的站先检测信道，在802.11标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听.
  通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判断是否有其他的移动站在信道上发送数据.
  当源站发送它的第一个MAC帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间DIFS后就可发送.
  为什么信道空闲还要再等待
  避免站点同时检测到信道空闲一起发送，造成冲突(DCF退避过程讲述)
  这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送.
  如有就要让高优先级帧先发送.
  假定没有高优先级帧要发送
  源站发送了自己的数据帧.
  目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK.
  若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK(由重传计时器控制这段时间)，就必须重传此帧，知道收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送.
  虚拟载波监听
  虚拟载波监听的机制是让源站将它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据.
  这样就大大减少了碰撞的机会.
  "虚拟载波监听"是模拟其他站监听信道(其实并没有)，而是由于其他站收到了"源站的通知"才不发送数据.
  虚拟载波监听的效果
  这种效果好像是其他站都监听了信道.
  所谓"源站的通知"就是源站在其MAC帧首部中的第二个字段"持续时间"中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间(以毫秒为单位)，包括目的站发送确认帧所需的时间.
  DCF竞争过程
  
  当信道从忙态变为空闲时，任何一个站都要发送数据帧时，不仅都必须等待一个IFS间隔，而且还要进入竞争窗口，再等待一端由二进制指数退避算法计算的随机退避时间后，再次重新尝试接入到信道.
  避免多个站点同时传输引起的冲突！
  争用窗口
  信道从忙态变为空闲时，任何一个站都要发送数据帧时，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道.
  在信道从忙态转为空闲时，为了避免几个站同时发送数据(一旦发送就要把一帧发完，不能中途停止)，各站就要执行退避算法.这样做就减少了发生碰撞的概率.
  802.11使用二进制指数退避算法.
  退避计时器
  站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道.
  这可能发生两种情况：
  若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时.
  若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲，并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时.如果退避计时器的时间减小到零，就开始发送整个数据帧.
  冻结退避计时器剩余时间的做法是为了使协议对所有站点更加公平
  802.11的退避机制
  
  
  
  退避算法的使用情况
  仅在下面的情况下才不使用退避算法：
  检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧.
  除此之外的所有情况，都必须使用退避算法：

• 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态.

• 在每一次的重传后.

• 在每一次的成功发送后.
  CSMA/CA算法归纳
  若站点最初有数据要发送(而不是发送不成功再进行重传)，且检测到信道空闲，在等待DIFS后，就发送整个数据帧.
  否则，站点执行CSMA/CA协议的退避算法.一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器.只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时.
  当退避计时器时间减少到零时(这时信道只可能是空闲的)，站点就发送整个的帧并等待确认.
  发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了.这时如果要发送第二帧，就要从上面的步骤二开始，执行CSMA/CA协议的退避算法，随机选定一端退避时间，若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK(由重传计时器控制这段时间)，就必须重传此帧(再次使用CSMA/CA协议争用接入信道)，直到收到确认为止，若经过若干次的重传失败后放弃发送.
  🌱对信道进行预约
  主要思想：允许传送端预留信道，而不是随机访问(避免了长数据帧的碰撞)
  传送端先发送了一个请求发送帧(RTS:Request To Sent)给基站，RTS仍可能发生碰撞(但是RTS包很小)
  基站广播允许发送帧(CTS:Clear To Send)
  传送端传送数据，其他站点推迟发送.
  通过小的预留包(RTS/CTS)来避免数据帧冲突！
  收到CTS(允许发送帧)的其他站点，不可以传送任何数据，接着传送端会发出数据帧，接收端收完数据帧后再恢复ACK，所以暂停传送的站点在接收到ACK后就可以解除封锁了.
  站点接收到RTS(请求发送帧)控制帧，但没收到CTS控制帧可以自由地传送资料，不需要暂停传送.
  802.11允许要发送数据的站对信道进行预约
  
  使用RTS帧和CTS帧会使整个网络的通信效率有所下降，但与数据帧相比，开销不算大.
  相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多.
  对信道进行预约解决隐蔽站点问题
  
  
  🍹CSMA/CA协议设有三种情况供用户选择：
  (1)使用RTS帧和CTS帧
  (2)只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS帧和CTS帧(显然，当数据帧本身就很短时，再使用RTS帧和CTS帧只能增加开销)
  (3)不使用RTS帧和CTS帧
  RTS Threshold的默认值是2347
  虽然经过了精心的设计，但碰撞仍会发生.
  
  RTS/CTS
  
  
  
  CSMA/CA协议的基本流程图
  
  802.11局域网的MAC帧
  802.11帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧
  
  802.11数据帧的三大部分

• MAC首部，共30字节.帧的复杂性都在帧的首部.

• 帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312字节.这个数值比以太网的最大长度长很多，不过802.11帧的长度通常都是小于1500字节.

• 帧检验序列FCS是尾部，共4个字节.
  
  帧控制Frame Control：在工作站之间发送的控制信息
  协议版本：目前为0
  类型/子类型：帧的类型，data，control，management
  更多分片：字段置为1时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一，后面还有另一个fragment
  重试Retry：1表明当前帧时重传帧
  功率管理：表示站的模式，1省电，0激活
  WEP：表示数据经过WEP算法加密
  持续期：表示下一个帧发送的持续时间信息(以μs为单位)
  序列号控制Sequence Control：4比特用来标识分段，一遍进行分段号重组；12比特序列号给帧编号.
  关于802.11数据帧的地址
  802.11数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段.
  地址4用于自组网络，此处只讨论前三种地址.
  
  
  
  总结：
  地址1：目的地址
  地址2：源地址
  地址3：下一跳地址
  为了提高传输效率，在信道质量较差时，需要把一个较长的帧划分为许多较短的分片.
  802.11x的发展历程
  
  802.11n

• 高带宽

• 广覆盖

• 密接入

• 易穿透

• 高稳定

• 易兼容
  802.11ac
  帧聚合技术
  802.11MAC层协议耗费了相当的效率用作链路的维护，从而大大降低了系统的吞吐量.
  802.11n引入帧聚合技术，提高MAC层效率.
  在802.11ac中，为了进一步提高效率和可靠性，增加了MPDU帧的大小和A-MPDU帧的大小，并且只支持A-MPDU.
  
  WiFi6-802.11ax
  WiFi6是802.11ax.
  
  5G和WiFi6
  

---

🐇无线个人区域网WPAN
无线个人区域网WPAN就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点AP.
整个网络的范围大约在10m左右.
WPAN可以是一个人使用，也可以是若干人共同使用.
无线个人区域网WPAN和个人区域网PAN并不完全等同，因为PAN不一定都是使用无线连接的.
WPAN和WLAN并不一样
WPAN是以个人为中心来使用的无线个人区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和价格的电缆替代技术.
WLAN却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网.
低速WPAN
低速WPAN中最重要的就是ZigBee，用于各种电子设备(固定的、便携的或移动的)之间的无线通信，其主要特点是通信距离短(10-80m)，传输数据效率低，并且成本低廉.

• 功耗低
• 网络容量大
  ZigBee的协议栈
  

---

🐇无线城域网WMAN
802.16无线城域网服务范围的示意图

---

🐇移动IP
移动IP又称为移动IP协议，是由IETF开发的一种技术.移动IP对现在流行的在移动中上网有着重要的意义.
这种技术允许计算机移动到外地时，仍然保留其原来的IP地址.
移动IP要解决的问题：使用户的移动性对上层的网络应用时透明的.
移动IP使用的基本概念

移动站A必须有一个原始地址，即永久地址，或归属地址(home address).移动站原始连接到的网络叫做归属网络(home network).归属网络中使用的代理叫做归属代理(home agent).
当移动站A移动到另一个地点，接入的网络称为被访网络(visited network)或外地网络(foreign network).被访网络中使用的代理叫做外地代理(foreign agent).为移动站A在被访网络中创建的临时地址叫做转交地址(care-of-address).
网络层应增加的新功能
(1)移动站到外地代理的协议
(2)外地代理到归属代理的登记协议
(3)归属代理数据报封装协议
(4)外地代理拆封协议
三角形路由选择问题
间接路由选择：把数据报发往移动站的归属网络，由归属代理完成以后的寻址工作，进而完成数据报转发的方式.
间接路由选择可能会引起数据报转发的低效，吻戏那种称之为三角形路由选择问题.意思是：本来在B和A之间可能有一条更有效的路由，但现在要走另外两条路：先把数据报从B发送到A的归属代理，然后再转发给漫游到被访网络的A.
使用直接路由选择移动站发送数据报
让通信者B创建一个通信者代理(correspondent agent)，让这个通信者代理向归属地代理询问到移动站在被访问网络的转交地址.然后由通信者代理把数据报用隧道技术发送到被访网络的外地代理，最后再由这个外地代理拆封，把数据报转发给移动站，但这是以增加复杂性为代价的.

无线网络对高层协议的影响
无线网络在移动站漫游时，会经常更换移动用户到无线网络的接入点(即到移动站相关联的基站).这样，网络的连接就会发生很短时间的中断.
由于移动用户更新相关联的基站需要一定的时间，这就可能造成TCP报文段的丢失.只要出现TCP博爱文段频繁丢失，TCP的拥塞控制就会采取措施，减小其拥塞窗口，从而使TCP发送方的报文段发送速率降低.
当无线信道出现严重的比特差错，或由于切换产生了报文段丢失，减小TCP发送方的拥塞窗口对改善网络性能并不会有任何好处
解决方法
本地恢复：这是指差错在什么地方出现，就在什么地方改正.
让TCP发送方知道什么地方使用了无线链路.只有当TCP能够确知，是有线网络部分发生了拥塞时，TCP才采用拥塞控制的策略.
把含有移动用户的端到端TCP连接拆成两个相互串接的TCP连接.
几种无线网络的比较