无线网络和移动网络 首先简述移动用户、无线链路和网络,以及它们与所连接的更大网络(通常是有线网络)之间的关系。我们将指出以下两方面的差别:一个是在该网络中由通信链路的无线特性所带来的挑战,另一个是由这些无线链路使能的移动性。在无线和移动性之间进行区分非常重要,它使我们能更好地区分、标识和掌握在每个领域中的重要概念。值得注意的是,实际上在许多网络环境中,其中的网络结点是无线的而不是移动的,而有限的移动性也并不要求用无线链路。当然,许多网络环境是那些让用户同时具有无线和移动性的网络环境。例如在下列情况下,一个移动用户维持一个IP语音呼叫和多个进行中的TCP连接,同时又以每小时160公里的速度飞驰在高速公路上。 说明用于考虑无线通信和移动性的环境,该环境为无线(并可能是移动的用户通过位于网络边缘的无线链路连接进更大的网络基础设施中的网络。这种无线链路的特性,还将包括一个对码分多址接入( Code Division Multiple Aces,CDMA)的简要介绍。CDMA是一个在无线网络中经常使用的共享媒体接入协议。 分析IE802.11(WiFi)无线LAN标准的链路级方面，将对蓝牙和其他无线个人域网络做简要描述。在6.4节中,我们概述蜂窝因特网接人,其中包括3G和正在兴起的4C技术,它们能够同时提供语音和高速因特网接入。 移动性,关注于移动用户的定位问题、对移动用户的路由选择以及“切换”( handing off)移动用户(即在网络中从一个接入点动态地移动到另一点的用户)等问题。考察在移动IP标准和CSM中是如何实现这些移动服务的。最后,考虑无线链路和移动性对运输层协议和网络应用程序的影响。 概述 无线网络中能够指出下列要素：
无线主机。如同在有线网络中一样,主机是运行应用程序的端系统设备。无线主机( wireless host)可以是便携机、掌上机、智能手机或者桌面计算机。主机本身可能移动,也可能不移动。 无线链路。主机通过无线通信链路( wireless communication link)连接到一个基站(定义见下文)或者另一台无线主机。不同的无线链路技术具有不同的传输速率和能够传输不同的距离。
无线链路将位于网络边缘的主机连接到更大的网络基础设施中。无线链路有时同样应用在一个网络中以连接路由器、交换机和其他网络设备。
基站。基站( base station)是无线网络基础设施的一个关键部分。与无线主机和无线链路不同,基站在有线网络中没有明确的对应设备。它负责向与之关联的无线主机发送数据和从主机那里接收数据(例如分组)。基站通常负责协调与之相关联的多个无线主机的传输。当我们说一台无线主机与某基站“相关联”时,则是指:①该主机位于该基站的无线通信覆盖范围内;②该主机使用该基站中继它(该主机)和更大网络之间的数据。
基站与更大网络相连,因此这种连接在无线主机和与之通信的其他部分之间起着链路层中继的作用。与基站关联的主机通常被称为以 基础设施模式( infrastructure mode)运行,因为所有传统的网络服务都由网络向通过基站相连的主机提供。在 自组织网络( ad hoc network)中,无线主机没有这样的基础设施与之相连。在没有这样的基础设施的情况下,主机本身必须提供诸如路由选择、地址分配、类似于DNS的名字转换等服务。 当一台移动主机移动超出一个基站的覆盖范围而到达另一个基站的覆盖范围后,它将改变其接入到更大网络的连接点(即改变与之相关联的基站),这一过程称作 切换(hand)。
网络基础设施。这是无线主机希望与之进行通信的更大网络。 这些构件能够以多种不同方式组合以形成不同类型的无线网络。当阅读本章,或阅读/学习本书之外的更多有关无线网络的内容时,对这些无线网络类型进行分类的方法是有用的。在最高层次,我们能够根据两个准则来对无线网络分类:①在该无线网络中的分组是否跨越了一个无线跳或多个无线跳;②网络中是否有诸如基站这样的基础设施。
单跳,基于基础设施。这些网络具有与较大的有线网络(如因特网)连接的基站此外,该基站与无线主机之间的所有通信都经过一个无线跳。
单跳,无基础设施。在这些网络中,不存在与无线网络相连的基站。
多跳,基于基础设施。在这些网络中,一个基站表现为以有线方式与较大网络相连。然而,某种无线结点为了经该基站通信,可能不得不通过其他无线结点中继它们的通信。
多跳,无基础设施。在这些网络中没有基站,并且结点为了到达目的地可能必须在几个其他无线结点之间中继报文。结点也可能是移动的,在多个结点中改变连接关系,一类网络被称为移动自组织网络( mobile ad hoc network, MANET)。如果该移动结点是车载的,该网络是 车载自组织网络( vehicular ad hoc network，VANET)。
无线链路和网络特征 有线和无线网络的重要区别时,应该重点关注链路层。发现有线链路和无线链路间的许多重要区别。
递减的信号强度。电磁波在穿过物体(如无线电信号穿过墙壁)时强度将减弱。即使在自由空间中,信号仍将扩散,这使得信号强度随着发送方和接收方距离的增加而减弱(有时称其为路径损耗( path loss)。 来自其他源的千扰。在同一个频段发送信号的电波源将相互干扰。除了来自发送源的干扰,环境中的电磁噪声(如附近的电动机、微波)也能形成干扰。 多径传播。当电磁波的一部分受物体和地面反射,在发送方和接收方之间走了不同长度的路径,则会出现多径传播( multipath propagation)。这使得接收方收到的信号变得模糊。位于发送方和接收方之间的移动物体可导致多径传播随时间而改变。
,无线链路中的比特差错将比有线链路中更为常见。因此,无线链路协议不仅采用有效的CRC错误检测码,还采用了链路层ARQ协议来重传受损的帧。 考虑了在无线信道上可能出现的损伤后,将注意力转向接收无线信号的主机。该主机接收到一个电磁信号,而该信号是发送方传输的初始信号的退化形式和环境中的背景噪声的结合,其中的信号退化是由于衰减和我们前面讨论过的多路径传播以及其他一些因素所引起的。 信噪比( Signal-to- Noise Ratio,SNR)是所收到的信号(如被传输的信息)和噪声强度的相对测量。SNR的度量单位通常是分贝(dB)。以dB度量的SNR是下列比值的20倍,即接收到的信号的振幅与噪声的振幅的以10为底的对数的比值。
对于给定的调制方案,SNR越高,BER越低。由于发送方通过增加它的传输功率就能够增加SNR,因此发送方能够通过增加它的传输功率来降低接收到差错帧的概率。然而,注意到当该功率超过某个值时,如BER从10-13降低到10-12,可证明几乎不会有实际增益。增加传输功率也会伴随着一些缺点:发送方必须消耗更多的能量(对于用电池供电的移动用户,这一点非常重要),并且发送方的传输 更可能干扰另一个发送方的传输。 对于给定的SNR,具有较高比特传输率的调制技术(无论差错与否)将具有较高的BER。 物理层调制技术的动态选择能用于适配对信道条件的调制技术。SNR(因此BER)可能因移动性或由于环境中的改变而变化。在蜂窝数据系统中以及在802.11WiFi和3G蜂窝数据网络中使用了自适应调制和编 码。
有线和无线链路之间的差异并非仅仅只有较高的、时变的误比特率这一项。在有线广播链路中所有结点能够接收到所有其他结点的传输。而在无线链路中,情况并非如此简单。由于所谓的 隐藏终端问题( hidden terminal problem),环境的物理阻挡也可能会妨碍主机互相听到对方的传输。第二种导致在接收方无法检测的碰撞情况是,当通过无线媒体传播时信号强度的衰减( fading)。 CDMA 当不同主机使用一个共享媒体通信时,需要有一个协议来保证多个发送方发送的信号不在接收方互相干扰。3类媒体访问协议:信道划分、随机访问和轮流。** 码分多址**( Code Division Multiple Access,CDMA)属于信道划分协议一族。它在无线LAN和蜂窝技术中应用很广泛。由于CDMA对无线领域十分重要。 WiFi：802.11无线LAN
标准 频率范围 数据率
802.11b 2.4~2.4835GHz 最高为11Mbps
802.11a 5.1~5.8GHz 最高为54Mbps
802.11g 2.4~2.4835GHz 最高为54Mbps
这3个802.11标准具有许多共同特征。它们都使用相同的媒体访问协议 CSMA/CA。这3个标准都对它们的链路层帧使用相同的帧格式,它们都具有降低传输速率以到达更远距离的能力。并且这3个标准都允许“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。这3个标准在物理层有一些重要的区别。 802.11b无线LAN具有11Mbps的数据率,工作在非许可证的2.4-2.4835GHz的无线频谱上,与2.4CHz电话和微波炉争用频谱。802.11a无线LAN可以以高得多的比特率工作,但它在更高的频率上运行。然而,由于运行的频率更高,802,11aLAN对于给定的功率级别传输距离较短,并且它受多径传播的影响更大。802.11gLAN与802.11bLAN工作在同样的较低频段上,并且与802.11b向后兼容(这样你能够逐步地升级802.11b的客 户),而且与802.11a有相同的高传输速率,使得用户能够更好地享受网络服务。 一个相对新的WiFi标准802.11n[IE802.11n2012],使用多输入多输出(MMO)天线;即在发送侧的两个或多个天线和在接收侧的两个或多个天线之间发送/接收不同的信号[ Diggavi2004]。根据所使用的调制方案,每秒几百兆比特的传输率对于802.11n是 可能的。 802.11体系结构 802.11体系结构的基本构件模块是基本服务集( Basic Service Set,BSs)。一个BBS包含一个或多个无线站点和一个在802.11术语中称为接入点( Access Point,AP)的中央基站( base station)在一个典型的家庭网络中,有一个AP和一台将该BSS连接到因特网中的路由器(通常综合成为一个单元)。 与以太网设备类似,每个802.11无线站点都具有一个6字节的MAC地址,该地址存储在该站适配器(即802.11网络接口卡)的固件中。每个AP的无线接口也具有一个MAC地址。与以太网类似,这些MAC地址由EEE管理,理论上是全球唯一的。 配置AP的无线LAN经常被称作基础设施无线LAN( infrastrueture wireless LAN),其中的“基础设施”是指AP连同互联AP和一台路由器的有线以太网。 IEE802.11站点也能将它们自己组合在一起形成一个自组织网络,即一个无中心控制和与“外部世界”无连接的网络。这里,该网络是由彼此已经发现相互接近且有通信需求的移动设备“动态”形成,并且在它们所处环境中没有预先存在的网络基础设施。当携带便携机的人们聚集在一起时,并且要在没有中央化的AP的情况下交换数据,一个自组织网络就可能形成了。 信道与关联 在802.11中,每个无线站点在能够发送或者接收网络层数据之前,必须与一个AP相关联。所有802.11标准都使用了关联。 当网络管理员安装一个AP时,管理员为该接入点分配一个单字或双字的服务集标识符( Service Set Identifier,SSID)。管理员还必须为该AP分配一个信道号。在这85MHz的频段内,802.11定义了11个部分重叠的信道。当且仅当两个信道由4个或更多信道隔开时，它们才无重叠。特别是信道1、6和11的集合是唯一的3个非重叠信道的集合。这意味着管理员可以在同一个物理网络中安装3个802.11bAP,为这些AP分配信道1、6和11然后将每个AP都连接到一台交换机上。 WiFi丛林( Wifi jungle)是一个任意物理位置,在这里无线站点能从两个或多个AP中收到很强的信号。这些AP中的每一个都可能位于不同的子网中,并被独立分配一个信道。 为了获得因特网接人,无线站点需要加入其中一个子网并因此需要与其中的一个AP相关联( associate)。关联意味着这一无线站点在自身和该AP之间创建一个虚拟线路。特别是,仅有关联的AP才向你的无线站点发送数据帧,并且无线站点也仅仅通过该关联AP向因特网发送数据帧。 802.11标准要求每个AP周期性地发送信标帧( beacon frame),每个信标帧包括该AP的SSD和MAC地址。你的无线站点为了得知正在发送信标帧的AP,扫描1个信道,找出来自可能位于该区城的AP所发出的信标帧。通过信标帧了解到可用AP后,你(或者你的无线主机)选择一个AP用于关联。 802.11标准没有指定选择哪个可用的AP进行关联的算法;该算法被遗留给802.11固件和无线主机的软件设计者。通常,主机选择接收到的具有最高信号强度的信标帧。虽然高信号强度好,信号强度将不是唯一决定主机接收性能的AP特性。特别是,所选择的AP可能具有强信号,但可能被其他附属的主机(将需要共享该AP 的无线带宽)所过载,而某未过载的AP由于稍弱的信号而未被选择。 扫描信道和监听信标帧的过程被称为 被动扫描( passive scanning)。无线主机也能够执行 主动扫描( active scanning),这是通过向位于无线主机范围内的所有AP广播探测帧完成的,如图6-9b所示。AP用一个探測响应帧应答探测请求帧。无线主机则能够在响应的AP中选择某AP与之相关联。 选定与之关联的AP后,无线主机向AP发送一个关联请求帧,并且该AP以一个关联响应帧进行响应。注意到对于主动扫描需要这种第二次请求/响应握手,因为一个对初始探测请求帧进行响应的AP并不知道主机选择哪个(可能多个)响应的AP进行关联,这与DHCP客户能够从多个DHCP服务器进行选择有诸多相同之处。一旦与一个AP关联,该主机希望加人该AP所属的子网中。 因此。该主机通常将通过关联的AP向该子网发送一个DHCP发现报文,以获取在该AP子网中的一个P地址。一旦获得地址,网络的其他部分将直接视你的主机为该子网中的另一台主机。 为了与特定的AP创建一个关联,某无线站点可能要向该AP鉴别它自身。802.11无线LAN提供了几种不同的鉴别和接入方法。一种被许多公司采用的方法是,基于一个站点的MAC地址允许其接入一个无线网络。第二种被许多因特网咖啡屋采用的方法是,应用用户名和口令。在两种情况下,AP通常与一个鉴别服务器进行通信,使用一种诸如RADIUS RFC2865或 DIAMETER RFC3588的协议,在无线终端站和鉴别服务器之间中继信息。分离整别服务器和AP,使得一个鉴别服务器可以服务于多个AP,将(经常是敏感的)鉴别和接入的决定集中到单一服务器中,使AP费用和复杂性较低。 802.11MAC协议 且某无线站点与一个AP相关联,它就可以经该接入点开始发送和接收数据帧。然而因为许多站点可能希望同时经相同信道传输数据帧,因此需要一个多路访问协议来协调传输。这里,站点( station)可以是一个无线站点,或者是一个AP。宽泛地讲有三类多路访问协议:信道划分(包括CDMA)、随机访问和轮流。受以太网及其随机访问协议巨大成功的鼓舞,802.11的设计者为802.11无线LAN选择了一种随机访问协议。这个随机访问协议称作带碰撞避免的CSMA(CSMA with collision avoidance),或简称为 CSMA/CA。与以太网的 CSMA/CD相似, CSMA/CA中的“CSMA"代表“载波侦听多路访问”,意味着每个站点在传输之前侦听信道,并且且侦听到该信道忙则抑制传输。尽管以太网和802.11都使用载波侦听随机接入,但这两种MAC协议有重要的区别。首先,802.11使用碰撞避免而非碰撞检测;其次,由于无线信道相对较高的误比特率,802.11(不同于以太网)使用链路层确认/重传(ARQ)方案。使用以太网的碰撞检测算法,以太网结点在发送过程中监听信道。在发送过程中如果检测到另一结点也在发送,则放弃自己的发送,并且在等待一个小的随机时间后再次发送。与802.3以太网协议不同,802.1MAC协议并未实现碰撞检测。这主要由两个原因所致:
检测碰撞的能力要求站点具有同时发送(站点自己的信号)和接收(检测其他站点是否也在发送)的能力。因为在802.11适配器上,接收信号的强度通常远远小于发送信号的强度,制造具有检测碰撞能力的硬件代价较大。 更重要的是,即使适配器可以同时发送和监听信号(并且假设它一旦侦听到信道忙就放弃发送),适配器也会由于隐藏终端问题和衰减问题而无法检测到所有的碰撞。
由于802.11无线局域网不使用碰撞检测,一旦站点开始发送一个帧,它就究全地发送该帧;也就是说,一旦站点开始发送,就不会返回。正如人们可能猜想的那样,碰撞存在时仍发送整个数据顿(尤其是长数据帧)将严重降低多路访问协议的性能。为了降低碰撞的可能性,802.11采用几种碰撞避免技术。 然而,在考虑碰撞避免之前,首先需要分析802.11的链路层确认(link- laver acknowledgment)方案。当无线LAN中某站点发送一个帧时,该帧会由于多种原因不能无损地到达目的站点。为了处理这种不可忽视的故障情况,802.11MAC使用链路层确认。目的站点收到一个通过CRC校验的帧后,它等待一个被称 作短帧间间隔( Short Inter- Prame Spacing,SIFS)的一小段时间,然后发回一个确认帧。如果发送站点在给定的时间内未收到确认帧,它假定出现了错误并重传该帧,使用CS-MACA协议访问该信道。如果在若干固定次重传后仍未收到确认,发送站点将放弃发送并丢弃该帧。 假设一个站点（无线站点或者AP）有一个帧要发送。
如果初始时某站点监听到信道空闲,它将在一个被称作分布式帧间间隔( Distributed Inter- Frame Space,DFS)的短时间段后发送该帧。 否则,该站点选取一个随机回退值，并且在侦听信道空闲时递减该值。当侦听到信道忙时,计数值保持不变。 当计数值减为0时(注意到这只可能发生在信道被侦听为空闲时),该站点发送整个数据帧并等待确认。 如果收到确认,发送站点知道它的帧已被目的站正确接收了。如果该站点要发送另一帧,它将从第二步开始 CSMA/CA协议。如果未收到确认,发送站点将重新进入第二步中的回退阶段,并从个更大的范围内选取随机值。
然而使用CSMA/CA，站点在倒计时抑制传输，即使它侦听到该信道空闲也是如此，原因及描述： 假设两个站点分别有一个数据帧要发送，但是，由于侦听到第三个站点已经在传输,双方都未立即发送。使用以太网的 CSMA/CD协议中两个站点将会在检测到第三方发送完毕后立即开始发送。这将导致一个碰撞,在CSMA/CD协议中碰撞并非是一个严重的问题,因为两个站点检测到碰撞后都会放弃它们的发送,从而避免了由于碰撞而造成的该帧剩余部分的无用发送。而在802.11中情况却十分不同,因为802.11并不检测碰撞和放弃发送,遭受碰撞的帧仍将被完全传输。因此802.11的目标是无论如何尽可能避免碰撞。在802.11中,如果两个站点侦听到信道忙,它们都将立即进入随机回退,希望选择一个不同的回退值。如果这些值的确不同,一旦信道空闲,其中的一个站点将在另一个之前发送,并且(如果两个站点均未对对方隐藏)“失败站点”将会听到“胜利站点”的信号,冻结它的计数器,并在胜利站点完成传输之前一直抑制传输。通过这种方式,避免了高代价的碰撞。当然,在以下情况下使用802.11仍可能出现碰撞:两个站点可能互相是隐藏的,或者两者可能选择了非常靠近的随机回退值,使来自先开始站点的传输也必须到达第二个站点。
处理隐藏终端：RTS和CTS 802.11MAC协议也包括了一个极好(但为可选项)的预约方案,以帮助在出现隐藏端的情况下 避免碰撞。假设两个无线站点和一个接人点。这两个无线站点都在该AP的覆盖范围内(其覆盖范围显示为阴影圆环),并且两者都与该AP相关联。然而,由于衰减,无线结点的信号有着范围局限。因此,尽管每个无线站点对AP都不隐藏,两者彼此却是隐藏的。 现在我们考虑为什么隐藏终端会导致出现问题。假设站点H1正在传输一个帧,并且在H1传输的中途,站点H2要向AP发送一个帧。由于H2未听到来自H1的传输,它将首先等待一个DIFS间隔,然后发送该帧,导致产生了一个碰撞。从而在H1和H2的整个发送阶段,信道都被浪费了。 为了避免这一问题,IEEE802.11议允许站点使用一个短请求发送( Request to Send,RTS)控制帧和一个短允许发送( Clear to Send,CTS)控制帧来预约对信道的访问。当发送方要发送一个DATA帧 时,它能够首先向AP发送一个RTS帧指示传输DATA帧和确认(ACK)帧需要的总时间。当AP收到RTS帧后,它广播一个CTS帧作为响应。该CTS帧有两个目的:给发送方明确的发送许可,也指示其他站点在预约期内不要发送。 RTS和CTS帧的使用能够在两个重要方面提高性能：
隐藏终端问题被缓解了,因为长DATA帧只有在信道预约后才被传输 因为RIS和CTS軌较短,涉及RIS和CIS帧的碰撞将仅持续短RIS和CIS帧的持续期。一且RTS和CIS帧被正确传输,后续的DATA和ACK帧应当能无碰撞地发送。
尽管 RTS/CTS交换有助于降低碰撞,但它同样引入了时延以及消耗了信道资源。因 此,RTS/CIS交换仅仅用于为长数据帧预约信道。在实际中,每个无线站点可以设置一个 RTS门限值,仅当帧长超过门限值时,才使用RIS/CTS序列。对许多无线站点而言,默 认的RTS门限值大于最大帧长值,因此对所有发送的DATA帧,RTS/CIS序列都被跳过。
使用802.11作为一个点对点链路 如果两个结点每个都具有一个定向天线,它们可以将其定向天线指向对方,并基本上是在一个点对点的链路上运行802.11协议。如果商802.11硬件产品价格低廉,那么使用定向天线以及增加传输功率使得802.11成为一个在数十公里距离中提供无线点对点连接的廉价手段。
IEEE 802.11帧 尽管802.11帧与以太网帧有许多共同特点,但它也包括了许多特定用于无线链路的字段。8021.11帧如下表所示,在该帧上的每个字段上面的数字代表该字段的字节长度;在该帧控制字段中,每个子字段上面的数字代表该子字段的比特长度。
2 2 6 6 6 2 6 0~2312 4
帧控制 持续期 地址1 地址2 地址3 序号控制 地址4 有效载荷 CRC
帧控制字段扩展
2 2 4 1 1 1 1 1 4 1 1
协议版本 类型 子类型 到AP 从AP 更多标识 重试 功率管理 更多数据 WEP Rsvd
有效载荷与CRC字段 帧的核心是有效载荷,它通常是由一个P数据报或者ARP分组组成。尽管这一字段允许的最大长度为2312字节,但它通常小于1500字节,放置一个P数据报或一个ARP分组。如同以太网帧一样,802.11帧包括一个循环冗余校验(CRC),从而接收方可以检测所收到帧中的比特错误。如我们所看到的那样,比特错误在无线局域网中比在有线局域网中更加普遍,因此CRC在这里更加有用。 地址字段 也许802.11帧中最引人注意的不同之处是它具有4个地址字段,其中每个都可以包含一个6字节的MAC地址。但为什么要4个地址字段呢?如以太网中那样,一个源MAC地址字段和一个目的MAC地址字段不就足够了?事实表明,出于互联目的需要3个地址字段,特别是将网络层数据报从一个无线站点通过一个AP送到一台路由器接口。当AP在自组织模式中互相转发时使用第四个地址。由于我们这里仅仅考虑基础设施网络,所以只关注前3个地址字段。802.11标准定义这些字段如下
地址2是传输该帧的站点的MAC地址。因此,如果一个无线站点传输该帧,该站点的MAC地址就被插入在地址2字段中。类似地,如果一个AP传输该帧,该AP的MAC地址也被插入在地址2字段中。 地址1是要接收该帧的无线站点的MAC地址。因此,如果一个移动无线站点传输该帧,地址1包含了该目的AP的MAC地址。类似地,如果一个AP传输该帧地址1包含该目的无线站点的MAC地址 为了理解地址3,回想BSS(由AP和无线站点组成)是一个子网的一部分,并且这个子网经一些路由器接口与其他子网相连。地址3包含这个路由器接口的MAC地址。
序号、持续期和帧控制字段 在802.11网络中,无论何时一个站点正确地收到一个来自于其他站点的帧它就回发一个确认。因为确认可能会丢失,发送站点可能会发送一个给定顿的多个副本。正如我们在rdt2.1协议讨论中所见,使用序号可以使接收方区分新传输的帧和以前顿的重传。因此在802.11帧中的序号字段在链路层与在第3章中运输层中的该字段有着完全相同的目的。 802.11协议允许传输结点预约信道一段时间,包括传输其数据帧的时间和传输确认的时间。这个持续期值被包括在该帧的持续期字段中(在数据帧和RIS及CTS帧中均存在)。
802.11特色 不同的调制技术(提供了不同的传输速率)适合于不同的SNR情况。考虑这样一个例子,一个802.11用户最初离基站20米远,这里信噪比高。在此高信噪比的情况下,该用户能够与基站使用可提供高传输速率的物理层调制技术进行通信,同时维持低BER。这个用户多么幸福啊!假定该用户开始移动,向离开基站的方向走去,随着与基站距离的增加,SNR一直在下降。在这种情况下,如果在用户和基站之间运行的802.11协议所使用的调制技术没有改变的话,随着SNR减小,BER将高得不可接 受,最终,传输的帧将不能正确收到。 由于这个原因,某些802.11实现具有一种速率自适应能力,该能力自适应地根据当前和近期信道特点来选择下面的物理层调制技术。如果一个结点连续发送两个帧而没有收到确认(信道上一个比特差错的隐式指示),该传输速率降低到前一个较低的速率。如果10个帧连续得到确认,或如果用来跟踪自上次降速以来时间的定时器超时,该传输速率提高到上一个较高的速率。这种速率适应机制与TCP的拥塞控制机制具有相同的“探测原理、即当条件好时(反映为收到ACK),增加传输速率,除非某个“坏事”发生了(ACK没有收到);当某个“坏事”发生了,减小传输速率。 功率是移动设备的宝贵资源,因此802.11标准提供了功率管理能力,以使802.11结点的侦听、传输和接收功能以及其他需要“打开”电路的时间量最小化。802.11功率管理按下列方式运行。一个结点能够明显地在睡眠和唤醒状态之间交替。通过将802.11帧首部的功率管理比特设置为1,某结点向接入点指示它将打算睡眠。设置结点中的一个定时器,使得正好在AP计划发送它的信标帧前唤醒结点。因为AP从设置的功率传输比特知道哪个结点打算睡眠,所以该AP知道它不应当向这个结点发送任何帧,先缓存目的地为睡眠主机的任何帧,待以后再传输。在AP发送信标帧前,恰好唤醒结点,并迅速进入全面活动状态。由AP发送的信标帧包含了帧被缓存在AP中的结点的列表。如果某结点没有缓存的帧,它能够返回睡眠状态。否则,该结点能够通过向AP发送一个探询报文明确地请求发送缓存的帧。对于信标之间的100ms时间来说,250us的唤醒时间以及类似的接收信标帧及检查以确保不存在缓存帧的短小时间,没有帧要发送和接收的结点能够睡眠99%的时间，从而节省了能源。 802.11以外的标准：蓝牙和ZigBee
蓝牙 IEEE802.15.1网络以小范围、低功率和低成本运行。它本质上是一个低功率、小范围、低速率的“电缆替代”技术,用于互联笔记本、串行设备、蜂窝电话和智能手机,而802.11是一个大功率、中等范围、高速率的“接入”技术。为此,802.15.1网络有时被称为 无线个人区域网络( Wireless Personal Area Network,WPAN)标准。802.15.1的链路层和物理层基于早期用于个人区域网络的 蓝牙( Bluetooth)规范。802.15.1网络以TDM方式工作于无需许可证的2.4CHz无线电波段,每个时隙长度为625us。在每个时隙内,发送方利用79个信道中的一个进行传输,同时从时隙到时隙以一个已知的伪随机方式变更信道。这种被称作 跳频扩展频谱( Frequency- Hopping Spread Spectrum,FHSs的信道跳动的形式将传输及时扩展到整个频谱。802.15.1能够提供高达4Mbps的数据率。802.15.1网络是自组织网络:不需要网络基础设施(如一个接入点)来互连802.15.1设备。因此,802.15.1设备必须自己进行组织。802.15.1设备首先组织成一个多达8个活动设备的 皮可网( piconet)。这些设备之一被指定为主设备,其余充当从设备。主结点真正控制皮可网,即它的时钟确定了皮可网中的时间,它可以在每个奇数时隙中发送,而从设备仅当主设备在前一时隙与其通信后才可以发送,并且只能发送给主设备。除了从设备,网络中还可以有多达25个的寄放( parked)设备。这些设备仅当其状态被主结点从寄放转换为活动之后才可以进行通信。 ZigBee IEEE的第二个个人区域网络标准是802.14.5,它被称为 ZigBee。 虽然蓝牙网络提供了一种“电缆替代”的超过每秒兆比特的数据率,但 Zigbee 3较之蓝牙仍是以低功率、低数据率、低工作周期应用为目标。尽管我们可能倾向于认为“更大和更快就更好”,但是并非所有的网络应用都需要高带宽和随之而来的高成本(经济和功率方面)。例如,家庭温度和光线传感器、安全设备和墙上安装的开关都是非常简单、低功率低工作周期、低成本设备。 Zigbee因此是非常适合于这些设备的。 ZigBee 定义了20kbp、40kbps、100kbps和250kbps的信道速率,这取决于信道的频率。 ZigBee 网络中的结点具有两个特色。多个所谓“简化功能设备”在单个“全功能设备”控制下作为从设备运行,与蓝牙从设备非常相似。一个全功能设备能够作为一个主设备运行,就像在蓝牙中控制多个从设备那样,并且多个全功能设备还能够配置为一个网状(mesh)网络,其中全功能设备在它们之间发送帧。gBe可以共享许多我们已经在其他链路层协议中遇到的协议机制:信标帧和链路层确认(类似于80.11),具有二进制回退的载波侦听随机访问协议(类似于802.11和以太网),以及时隙的固定、确保的分配(类似于 DOCSIS)。Zigbee网络能够配置为许多不同的方式。我们考虑一种简单的场合、其中单一的全功能设备使用信标帧以一种时隙方式控制多个简化功能设备。图6-17显示了这种情况,其中Z7 igbee网络将时间划分为反复出现的超帧,每个超帧以一个信标帧开始。每个信标帧将超帧划分为一个活跃周期(在这个周期内设备可以传输)和一个非活跃周期(在这个周期内所有设备包括控制器能够睡眠进而保存能量)。活跃周期由16个时隙组成,其中一些由采用 CSMA/CA随机接入方式的设备使用,其中一些由控制器分配给特定的设备,因而为那些设备提供了确保的信道。
蜂窝因特网接入 蜂窝网体系结构概述 将采用 全球移动通信系统(GSM)标准的术语。首字母缩写词SM源于术语“ Groupe Special Mobile",后来才采用了更为英文化的名字,不过这使最初的首字母缩写词得以保留。到了20世纪80年代,欧洲人认识到需要一个泛欧洲的数字蜂窝电话系统,以代替多个不兼容的模拟蜂窝电话系统,从而导致了 GSM标准的出现。欧洲人在20世纪90年代初就成功地部署了GSM技术,自此后GSM成长为移动电话领域的庞然大物,全世界有超过80%以上的蜂窝用户使用GSM。 当人们谈论蜂窝技术时,他们经常将该技术分类为几“代”之ー。最早一代的设计主要用于语音通信。第一代(1G)系统是模拟FDMA系统,其专门用于语音通信。这些1G系统目前几乎绝迹,它们被数字2G系统所替代。初始的2G系统也是为语音而设计,但后来除了语音服务外还扩展了对数据(即因特网)的支持(2.56)。当前正在部署的3G系统也支持语音和数据,但越来越强调其数据能力和更高速的无线接入链路。 2G蜂窝网体系结构:与电话网的语音连接 术语 蜂窝( cellular)是指这样的事实,即由一个蜂窝网覆盖的区域被分成许多称作小 区(cell)的地理覆盖区域，802.11WiFi标准一样,GSM有自己的特殊命名法。每个小区包含一个 收发基站(Base Transceiver Station,BTIS),负责向位于其小区内的移动站点发送或接收信号。一个小区的覆盖区域取决于许多因素,包括BTS的发射功率、用户设备的传输功率、小区中的障碍建筑物以及基站天线的高度。尽管图6-18中显示的是每个小区包含一个位于该小区中间的收发基站,但今天的许多系统将BTS放置在3个小区的交又处,使得具有有向天线的单个BTS能够为三个小区提供服务。 2G蜂窝系统的CSM标准对空中接口使用了组合的 FDMTDM(无线电)。使用纯FDM,信道被划分成许多频段,每个呼叫分配一个频段。第1章也讲过,使用纯TDM,时间被划分为帧,每个帧又被进一步划分为时隙,每个呼叫在循环的帧中被分配使用特定的时隙。在组合的FDM/TDM系统中,信道被划分为若干频率子带;对于每个子带,时间又被划分为帧和时隙。因此,对于一个组合的 FDM/TDM系统,如果信道被划分为F个子带,并且时被划分为7个时隙,那么该信道将能够支持F・T个并发的呼叫。电缆接入网也使用了组合的 FDM/TDM方法。CSM系统由多个200kHz的频带组成,每个頻带支持8个TDM呼叫。CSM以13kbps和12.2kbps的速率编码。 一个CSM网络的基站控制器( Base Station Controller,BSC)通常服务于几十个收发。基站。BSC的责任是为移动用户分配BTS无线信道,执行寻呼( paging)(找出某移动用户所在的小区),执行移动用户的切换。基站控制器及其控制的收发基站共同构成了GSM基站系统( Base Station Systen,BSS)。 在用户鉴别和账户管理(决定是否允许某个移动设备与蜂窝网络连接)以及呼叫建立和切换中,移动交换中心( Mobile switching Center,MSC)起着决定性的作用。单个MSC通常将包含多达5个BSC,因此每个MSC有大约200000个用户。一个蜂窝提供商的网络将有若干MSC,使用称为网关MSC的特殊MSC将提供商的蜂 窝网络与更大的公共电话网相连。 3G蜂窝数据网：因特网扩展到蜂窝用户
3G核心网 3G核心蜂窝数据网将无线电接入网连接到公共因特网。核心网与现有蜂窝语音网(特别是MSC)的组件协作。由于在现有的蜂窝语音网中具有大量的现有基础设施,3G的设计者们所采取的方法非常清楚:不去触动现有核心CSM蜂窝语音网,增加与现有蜂窝语音网平行的附加蜂窝数据功能。 在3G核心网中有两类结点: 服务通用分组无线服务支持结点(Serving Generalized packet radio service Support Node,SCSN)和 网关GPRS支持结点( Gateway GPRS Support Node,GCSN)。(CPRS( General Packet Radio Service)表示通用分组无线服务,这是一种在2G网络中的早期蜂窝数据服务)。一个SGSN负责向位于其连接的无线电接入网中的移动结点交付(或从移动结点获取)数据报。SCSN与该区域蜂窝语音网的MSC进行交互,提供用户认证和切换,维护活跃移动结点的位置(小区)信息,执行位于无线接入网中的移动结点和CCSN之间的数据报转发。CCSN起到网关作用,将多个SCSN连接到更大的因特网。GGSN因此是源于移动结点的一个数据报在进入更大因特网之前遇到的3G基础设施的最后一部分。 3G无线电接入网：无线边缘 3G无线电接入网( radio access network)是我们作为3G用户看见的无线第一跳网络。 无线电网络控制器( Radio Network Controller,RNC)通常控制几个小区的收发基站,类似于我们在2G网络中遇到的基站(但是3G UMTS的正式用语称为一个“结点B",这是 个相当不具描述性名字)。每个小区的无线链路运行在移动结点和收发基站之间,就像在2G网络中那样。RNC既通过MSC与电路交换蜂窝语音网连接,又通过SCSN与分组交换的因特网连接。因此,尽管3G蜂窝语音服务和蜂窝数据服务使用不同的核心网,但它们共享一个相同的第一/最后一跳无线电接人网。 较之2G网络,在3G UMTS中的一个重大变化是不再使用GSM的 FDMA/TDMA方案,UMTS在TDMA时隙中使用称为 直接序列宽带CDMA( Direct Sequence Wideband CDMA DS-WCDMA)的CDMA技术。TDMA时隙又在多个频率上可供使用,即使用了全部三种不同的信道共享方法,并且类似于有线电缆接人网中所采用的方法。这种变化要求一个新的3G蜂窝无线接入网与2G BSS无线电网络并行运行。与VCDMA规范相关的数据服务被称为高速分组接入( High Speed Packet Access,HsPA),其下行数据传输率有望高达14Mbps。
走向4G：TLE 与3G相比有两项重要创新:
演化的分组核( Evolved Packet Core,EPC)。EPC是一个简化的全P核心网络,该网络将分离的电路交换蜂窝语音网与分组交换蜂窝数据网统一起来。它是一个“全IP”网络,是指语音和数据将在IP数据报中承载。IP的“尽力而为”服务模型本质上并不非常适合IP语音(VoIP)流量的严格的性能要求,除非精心管理网络资源避免(并非作出反应)拥塞。因此,EPC的关键任务是管理网络资源以提供这种高质量的服务。EPC也对网络控制和用户数据平面做出了明确划分。EPC允许多种类型的无线电接入网(包括遗留的2G和3无线电接入网)与核心网连接。 LTE无线电接入网( LTE Radio Access Network)。 LTE在下行信道采用频分复用和时分复用结合的方法,称之为正交频分复用( Orthogonal Frequency Division Multi plexing,OFDM)技术(“正交”一词来源于如下事实,所生成的在不同频道上发送的信号,它们相互干扰非常小,即使当信道频率紧密排列时)。在LTE中,每个活跃的移动结点都可以在一个或更多个信道频 率上被分配一个或更多个0.5ms时隙。通过分配越来越多的时隙(无论是用相同的频率还是用不同的频率),移动结点能够获取越来越高的传输速率。在移动结点之间进行时隙(重)分配的频度为每毫秒一次。不同的调制方案也能被用于改变传输速率。LTE无线电网络中的另一项创新是使用复杂的多输入多输出(MMO)天线。当使用20MHz无线频谐时,一个LTE用户的最大数据率能够达到下行方向100Mbps和上行方向50Mbps。
LTE标准并未对移动结点的时隙特殊分配进行强制要求。相反,允许哪个移动结点在某个给定的时隙在给定的频率下传输,这个决定由LTE设备商和/或网络运营商提供的调度算法来做出。使用机会调度,将物理层协议与发送方和接收方之间的信道条件相匹配,基于信道条件选择分组将发往的接收方,使无线电网络控制器能够最大限度地利用无线媒体。此外,用户优先权和服务的契约等级(如银、金或铂金)能够在下行分组传输的调度中使用。除了上面描述的LTE能力,高级的LTE通过分配聚合信道给移动结点允许数百兆下行带宽。 另一种4G无线技术是 WIMAX(全球微波接入互操作),它是一IE802.16标准协议簇,与LTE有着重大差异。 移动管理：原理 宽泛地讲,移动结点是随时间改变它与网络连接位置的结点。因为移动性这一术语在计算机和电话界有许多含义。
从网络层的角度看,用户如何移动?一个物理上移动的用户将对网络层提出一系列不同寻常的挑战,这取决于他(她)在网络连接点之间如何移动。 移动结点的地址始终保持不变有多么重要?对移动电话而言,当你从一个提供商移动电话网络到另一个的过程中,你的电话号码(本质上是你电话的网络层地址)始终保持不变。类似地,便携机在P网络之间移动时是否也必须维持相同的IP地址呢?对这一问题的回答很大程度上取决于所运行的应用程序。一个因特网应用程序需要知道它与之通信的远端实体的P地址和端口号。如果一个移动实体在移动过程中能够保持其P地址不变,从应用的角度,移动性就变得不可见。这种透明性有十分重要的价值,即应用程序不必关心IP地址潜在的变化,并且同样的应用程序代码既可用于移动连接,又可用于非移动连接。移动IP提供了这种透明性,它允许移动结点在网络间移动的同时维持其水久的IP地址。 在另一方面,如果该便携机只是作为一个客户使用客户ー服务器方式的应用(如发送/阅读电子邮件、浏览Web、通过 Telnet与远程主机相连),则使用特定IP地址并不是那么重要。特别是,用户能够得到一个由服务于家庭的ISP临时分配的IP地址即可,而DHCP提供了这种功能。 有哪些可用的有线基融设施的支持?在所有上述情形中,我们都隐含地假设存在个固定的基础设施让移动用户连接,例如家庭的ISP网络、办公室的无线接入网,或者沿高速公路的无线接入网。如果这样的基础设施不存在会怎么样?如果两个用户位于彼此的通信范围内,他们能否在没有其他网络基础设施存在的情况下建立一个网络连接?自组织网络正好提供了这些能力。
在一个网络环境中,一个移动结点(如一台便携机或智能手机)的永久居所被称为归属网络( home network),在归属网络中代表移动结点执行下面讨论的移动管理功能的实体叫归属代理( home agent)。移动结点当前所在网络叫做外部网络( foreign network)或被访网络( visited network),在外部网络中帮助移动结点做移动管理功能的实体称为外部代理( foreign agent)。对于移动的专业人员而言,他们的归属网络可能就是其公司网络,而被访网络也许就是他们正访间的某同行所在的网络。一个通信者( correspondent)就是希望与该移动结点通信的实体。 寻址 为了使用户移动性对网络应用透明,希望一个移动结点在从一个网络移动到另一个网络时保持其地址不变。当某移动结点位于一个外部网络时,所有指向此结点固定地址的流量需要导向外部网络。怎样才能做到这一点呢?外部网络可用的一种方法就是向所有其他网络发通告,告诉它们该移动结点正在它的网络中。这通常可通过交换域内与域间路由选择信息来实现,而且只需对现有路由选择基础设施做很少的改动即可。外部网络只需通告其邻居它有一条非常特别的路由能到达该移动结点的固定地址,即告诉其他网络它有一条正确的路径可将数据报导向该移动结点的固定地址(即基本上是通知其他网络,它有一条可将数据报路由选择到该移动结点的永久地址的正确路径)。 这些邻居将在全网传播该路由选择信息,而且是当作更新路由选择信息和转发表的正常过程的一部分来做。当移动结点离开一个外部网络后又加入另一个外部网络时,新的外部网络会通告一条新的通向该移动结点的特别路由,旧的外部网络将撤销其与该移动结点有关的路由选择信息这种方法立刻解决了两个问题,且它这样做不需对网络层基础设施做重大改动。其他网络知道该移动结点的位置,很容易将数据报路由到该移动结点,因为转发表将这些数据报导向外部网络。然而它有一个很大的缺陷,即扩展性不好。如果移动性管理是网络路由器的责任的话,则路由器将必须维护可能多达数百万个移动结点的转发表表项。 一种替代的方法(并在实际中得到了采用)是将移动性功能从网络核心搬到网络边缘,这是我们在研究因特网体系结构时一再重复的主题。一种自然的做法是由该移动结点的归属网络来实现。与那个流动青年的父母跟踪他们孩子的位置有许多相似之处,在移动结点的归属网络中的归属代理也能跟踪该移动结点所在的外部网络。这当然需要一个移动结点(或一个代表该移动结点的外部代理)与归属代理之间的协议来更新移动结点的位置。 最简单的方法是将外部代理放置在外部网络的边缘路由器上。外部代理的作用之一就是为移动结点创建一个所谓的 转交地址(Care- Of Address,COA),该COA的网络部分与外部网络的网络部分相匹配因此一个移动结点可与两个地址相关联,即其 永久地址( permanent address)与其COA,该COA有时又称为 外部地址( foreign address)。外部代理的第二个作用就是告诉归属代理,该移动结点在它的(外部代理的)网络中且具有给定的COA。该COA将用于将数据报通过外部代理“重新路由选择”到移动结点。 虽然我们已将移动结点与外部代理的功能分开,但是应当注意到移动结点也能承担外部代理的责任。例如,某移动结点可在外部网络中得到一个COA(使用一个诸如DHCP之类的协议),且由它自己把其COA通告给归属代理。 路由选择到移动结点 只有归属代理(而不是全网的路由器)知道该移动结点的位置,故如果只是将一个数据报寻址到移动结点的永久地址并将其发送到网络层基础结构中,这样做已不再满足需要了。还有更多的事情要做。目前有两种不同的方法,我们将称其为间接路由选择与直接路由选择。
移动结点的间接路由选择 在间接路由选择( indirect rouing)方法中,通信者只是将数据报寻址到移动结点的固定地址,并将数据报发送到网络中去,完全不知道移动结点是在归属网络中还是正在访问某个外部网络,因此移动性对于通信者来说是完全透明的。这些数据报就像平常一样首先导向移动结点的归属网络。 除了负责与外部代理交互以跟踪移动结点的COA外,归属代理还有另一项很重要的功能。它的第二项工作就是监视到达的数据报,这些数据报寻址的结点的归属网络与该归属代理所在网络相同,但这些结点当前却在某个外部网络中。归属代理截获这些数据报,然后按一个两步骤的过程转发它们。通过使用移动结点的COA,该数据报先转发给外部代理,然后再从外部代理转发给移动结点。 归属代理需要用该移动结点的COA来设置数据报地址,以便网络层将数据报路由选择到外部网络。在另一方面,需要保持通信者数据报的原样,因为接收该数据报的应用程序应该不知道该数据报经由归属代理转发而来的。让归属代理将通信者的原始完整数据报封装( encapsulate)在一个新的(较大的)数据报中,这两个目标都可以得到满足。这个较大的数据报被导向并交付到移动结点的COA。“拥有”该COA的外部代理将接收并拆封该数据报,即从较大的封装数据报中取出通信者的原始数据报,然后再向移动结点转发该原始数据报。 接下来我们考虑某移动结点如何向一个通信者发送数据报。这相当简单,因为移动结点可直接将其数据报寻址到通信者(使用自己的永久地址作为源地址,通信者的地址作为目的地址)。因为移动结点知道通信者的地址,所以没有必要通过归属代理迁回传送数据报。小结一下对有关间接路由选择：
移动结点到外部代理的协议。当移动结点连接到外部网络时,它向外部代理注册。当一个移动结点离开该外部网络时,它将向外部代理取消注册。 外部代理到归属代理的注册协议。外部代理将向归属代理注册移动结点的COA。当某移动结点离开其网络时,外部代理不需要显式地注销COA,因为当移动结点移动到一个新网络时,随之而来就要注册一个新的COA,这将完成了注销。 归属代理数据报封装协议。将通信者的原始数据报封装在一个目的地址为COA的数据报内,并转发之。 外部代理拆封协议。从封装好的数据报中取出通信者的原始数据报,然后再将该原始数据报转发给移动结点
移动结点的直接路由选择 存在一个低效的问题,即 三角路由选择问题( triangle routing problem)。该问题是指即使在通信者与移动结点之间存在一条更有效的路由,发往移动结点的数据报也要先发给归属代理,然后再发送到外部网络。 直接路由选择( direct routing)克服了三角路由选择的低效问题,但却是以增加复杂性为代价的。在直接路由选择方法中,通信者所在网络中的一个 通信者代理( correspondent agent)先知道该移动结点的COA。这可以通过让通信者代理向归属代理询问得知,这里假设与间接路由选择情况类似,移动结点具有一个在归属代理注册过的最新的COA。与移动结点可以执行外部代理的功能相类似,通信者本身也可能执行通信者代理的功能。通信者代理然后将数据报直接通过隧道技术发往移动结点的COA,这与归属代理使用的隧道技术相类似。 它引入了两个重要的其他设计：
需要一个移动用户定位协议( mobile- user loeation protocol),以便通信者代理向归属代理查询获得移动结点的COA。 当移动结点从一个外部网络移到另一个外部网络时,如何将数据报转发到新的外部网络?在间接路由选择的情况下,这个问题可以容易地通过更新由归属代理维持的COA来解决。然而,使用直接路由选择时,归属代理仅在会话开始时被通信者代理询问一次COA。因此,当必要时在归属代理中更新COA,这并不足以解决将数据路由选择到移动结点新的外部网络的问题。
一种解决方案是创建一个新的协议来告知通信者变化后的COA。另一种方案也是在CSM网络实践中所采用的方案,它的工作方式如下。假设数据当前正转发给位于某个外部网络中的移动结点,并且在会话刚开始时该移动结点就位于该网络中。将首次发现移动结点的外部网络中的外部代理标识为铺外部代理( anchor foreign ager)。当移动结点到达一个新外部网络后,移动结点向新的外部代理注册,并且新外部代理向锚外部代理提供移动结点的新COA。当锚外部代理收到一个发往已经离开的移动结点的封装数据报后,它可以使用新的COA重新封装数据报并将其转发给该移动结点。如果移动结点其后又移到另一个外部网络中,在该被访网络中的外部代理随后将与锚外部代理联系,以便建立到该新外部网络的转发。 移动IP 移动IP体系结构包含了许多我们前面考虑过的要素,包括归属代理、外部代理、转交地址和封装/拆封等概念。当前的标准RFC5944规定到移动结点使用间接路由选择的方法。 移动IP标准由三部分组成:
代理发现。移动P定义了一个归属代理或外部代理用来向移动结点通告其服务的协议,以及移动结点请求一个外部代理或归属代理的服务所使用的协议。 向归属代理注册。移动P定义了移动结点和/或外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销COA所使用的协议 数据报的间接路由选择。该标准也定义了数据报被一个归属代理转发给移动结点的方式,包括转发数据报使用的规则、处理差错情况的规则和几种不同的封装形式RFC2003,RFC2004。
代理发现 到达一个新网络的某移动P结点,不管是连到一个外部网络还是返回其属网络,它都必须知道相应的外部代理或归属代理的身份。的确,这是新外部代理的发现,通过个新的网络地址,才使移动结点中的网络层知道它已进入一个新的外部网络。这个过程被称为 代理发现( agent discovery)。代理发现可以通过下列两种方法之一实现:经代理通告或者经代理请求。借助于 代理通告( agent advertisement),外部代理或归属代理使用一种现有路由器发现协议的扩展协议RFC1256来通告其服务。该代理周期性地在所有连接的链路上广播一个类型字段为9(路由器发现)的ICMP报文。路由器发现报文也包含路由器(即该代理)的P地址,因此允许一个移动结点知道该代理的P地址。路由器发现报文还包括了一个移动性代理通告扩展,其中包含了该移动结点所需的附加信息。在这种扩展中有如下一些较重要的字段:
归属代理比特(H)。指出该代理是它所在网络的一个归属代理。 外部代理比特(F)。指出该代理是它所在网络的一个外部代理。 主册要求比特®。指出在该网络中的某个移动用户必须向某个外部代理注册。特别是,一个移动用户不能在外部网络(如使用DHCP)中获得一个转交地址,并假定由它自己承担外部代理的功能,无需向外部代理注册。M、G封装比特。指出除了“IP中的P”(P-in-IP)封装形式外,是否还要用其他的封装形式。 转交地址(COA)字段。由外部代理提供的一个或多个转交地址的列表。
使用 代理请求( agent solicitation),一个想知道代理的移动结点不必等待接收代理通告,就能广播一个代理请求报文,该报文只是一个类型值为10的ICMP报文。收到该请求的代理将直接向该移动结点单播一个代理通告,于是该移动结点将继续处理,就好像刚收到一个未经请求的通告一样。
向归属代理注册 且某个移动P结点收到一个COA,则该地址必须要向归属代理注册。这可通过外部代理(由它向归属代理注册该COA)或直接通过移动P结点自己来完成。共涉及4个步骤:
当收到一个外部代理通告后,一个移动结点立即向外部代理发送一个移动P注册报文。注册报文承载在一个UDP数据报中并通过端口434发送。注册报文携带以下内容个由外部代理通告的COA、归属代理的地址(HA)、移动结点的水久地址(MA)、请求的注册寿命和一个64比特的注册标识。请求的注册寿命指示了注册有效的秒数。如果注册没有在规定的时间内在归属代理上更新,则该注册将变得无效。注册标识就像一个序号,用于收到的注册回答与注册请求的匹配。 外部代理收到注册报文并记录移动结点的水久IP地址。外部代理知道现在它应该查找这样的数据报,即它封装的数据报的目的地址与该移动结点的永久地址相匹配。外部代理然后向归属代理的434端口发送一个移动P注册报文(同样封装在UDP数据报中)。这一报文包括COA、HA、MA、封装格式要求、请求的注册寿命以及注册标识。 归属代理接收注册请求并检查真实性和正确性。归属代理把移动结点的水久P地址与COA绑定在一起。以后,到达该归属代理的数据报与发往移动结点的数据报将被封装并以隧道方式给COA。归属代理发送一个移动IP注册回答,该响应报文中包含有HAMA、实际注册寿命和被认可的请求报文注册标识。 外部代理接收注册响应,然后将其转发给移动结点。
当某个移动结点离开其网络时,外部代理无需显式地取消某个COA的注册。当移动结点移动到一个新网(不管是另一个外部网络还是其归属网络)并注册一个新COA时上述情况将自动发生。参阅RFC 5944 蜂窝网中的移动性管理 与移动IP类似,CSM采用了一种间接路由选择方法,首先将通信者的呼叫路由选择到移动结点的归属网络,再从那到达被访网络。在CGSM术语中,移动用户的归属网络被称作该移动用户的 归属公共地域移动网络( home Public Land Mobile Network, home PLMN)。由于首字母缩略词PIMN有些拗口,考虑到我们避免缩略词字母表的要求,我们直接将CSMI归属PLMN称为 归属网络( home network)。移动用户向某个蜂窝网提供商订购了服务,该蜂窝网就成为了这些用户的归属网络。被访问的PMN,我们直接称其为 被访网络(vied network),是移动用户当前所在网络。 与移动IP中情况类似,归属网络和被访网络的职责有很大的差别。
归属网络维护一个称作 归属位置注册器( Home Location Register,HLR)的数据库,其中包括它每个用户的水久蜂窝电话号码以及用户个人概要信息。重要的是HLR也包括这些用户当前的位置信息。这就是说,如果一个移动用户当前漫游到另一个提供商的蜂窝网络中,HLR中将包含足够多的信息来获取被访网络中对移动用户的呼叫应该路由选择到的地址。当一个呼叫定位到一个移动用户后,通信者将与归属网络中一个被称作 网关移动服务交换中心( Gateway Mobile services Switching Center,GMSC)的特殊交换机联系。同样,为避免拗口的缩略词,这里用一个术语来称呼GMSC,即归属 MSC( home MSC) 被访网络维护一个称作 访问者位置注册( Visitor Location Register,VLR)的数据库。VLR为每一个当前在其服务网络中的移动用户包含一个表项,VLR表项因此随着移动用户进入和离开网络而出现或消失。VR通常与移动交换中心(MSC)在一起,该中心协调到达或离开被访网络的呼叫建立。在实践中,一个服务商的蜂窝网络将为其用户提供归属网络服务,同时为在其他蜂窝服务商订购服务的移动用户提供被访网络服务。
对移动用户呼叫的路由选择 现在我们描述一个呼叫如何定位到被访网络中的一个移动CSM用户。首先考虑 下面一个简单的例子,这些步骤如下:
通信者拨打移动用户的电话号码。该号码本身并不涉及一个特定的电话线路或位置(毕竟电话号码是固定的,而用户是移动的!),号码中的前几位数字足以全局地判别移动用户的归属网络。呼叫从通信者通过公共交换电话网到达移动用户归属网络中的归属MSC。这是呼叫的第一步。 归属MSC收到该呼叫并查询HLR来确定移动用户的位置。在最简单的情况下HLR返回 移动站点漫游号码( Mobile Station Rouming Number,MSRN),我们称其为 漫游号码( roaming number)。注意到这个号码与移动用户的水久电话号码不同,后者是与移动用户的归属网络相关联的,而漫游号码是短暂的:当移动用户进入一个被访网络后,会给移动用户临时分配一个漫游号码。漫游号码的作用就相当于移动P中转交地址的作用。并且,与COA类似,它也是对通信者和移动用户不可见的。如果HLR不具有该漫游号码它返回被访网络中VLR的地址。在这种情况下,归属MSC需要查询VLR以便获取移动结点的漫游号码。 给定一个漫游号码,归属MSC通过网络到达被访网络的MSC建立呼叫的第二步。 至此,该呼叫已经完成,从通信者到达归属MSC,再从归属MSC到达被访MSC,然后到 达为移动用户提供服务的基站。
GSM中的切换 在一个呼叫过程中，移动站点将其关联从一个基站改变到另一个基站时，出现 切换（handoff）。移动用户的呼叫初始时(在切换前)通过一个基站(我们称其为旧基站)路由选择到该移动用户,而在切换以后它经过另一个基站(我们称其为新基站)路由选择到移动用户。注意到基站之间的切换不仅导致移动用户向/从一个新的基站传输/接收信号,而且导致正在进行的呼叫从网络中的一个交换点到新基站的重路由选择。我们首先假设新旧基站共享同一个MSC,并且重路由选择发生在这个MSC。 有几种原因导致切换的发生,包括: ① 当前基站和移动用户之间的信号减弱,使得该呼叫有被中断的危险; ② 一个蜂窝处理的呼叫太多,变得过载。 可以通过将一些移动用户切换到邻近不太拥塞的蜂窝中,使这个拥塞得到缓解。在与一个基站相关联期间,移动用户周期性地测量来自其当前基站和临近它的可以听得到”的基站的信标信号强度。这些测量以每秒1-2次的率报告给移动用户的当前基站。根据这些测量值、临近蜂窝的移动用户的当前负载以及其他因素,GSM中的切换由旧的基站发起。GSM标准并未明确规定基站在确定是否进行切换时所采用的具体算法。 CSM定义了锚MSC( anchor MSC)的概念。锚MSC是呼叫首次开始时移动用户所访问的MSC,它因此在整个呼叫持续过程中保持不变。在整个呼叫持续期间,不论移动用户进行了多少次MSC间转换,呼叫总是从归属MSC路由选择到锚MSC,然后再到移动用户当前所在的被访问MSC。当移动用户从一个MSC覆盖区到达另一个MSC覆盖区后,正在进行的呼叫被重路由选择,从锚MSC到包含新基站的新被访问MSC。因此,在任何情况下,通信者和移动用户之间至多有3个MSC(归属MSC、锚MSC以及被访问MSC)。 另一种方法则不用维持从锚MSC到当前MSC的单一MSC跳,将直接链接移动用户访问的MSC。每当移动用户移到一个新MSC后,让旧MSC将正在进行的呼叫转发给新MSC。这种MSC链事实上能够出现在IS-41蜂窝网络中,通过使用最少步骤的可选路径来去除在锚MSC和当前访问MSC之间的MSC。 下面通过对比CSM和移动P中的移动性管理。表中的对比指出了尽管IP和蜂窝网络在很多方面有很大的区别,但它们共享数量惊人的公共功能要素和处理移动性的总体方法。
GSM要素 对GSM要素的解释 移动IP要素
归属系统 移动用户水久电话号码所归属的网络 归属网络
网关移动(服务)交换中心或简称归属MSC,归属位置注册器(HLR) 归属MSC:获取移动用户路由地址的联系点。HR归属系统中包含移动用户水久电话号码、个人信息、当前位置和订信息的数据库 归属代理
被访问系统 移动用户当前所在的非归属系统网络 被访网络
被访问移动(服务)交换中心或简称被访问MSC,访问者定位记录(VLR) 被访问MSC:负责建立与MSC相关联的发射区中到从移动结点的呼叫。VR:访问系统中的临时数据摩项,包含每个访问移动用户的订购信息 外部代理
移动站点漫游号码(MSRN),或漫游号码 用于归属MSC和被访问MSC之间电话呼叫的路由地址,对移动用户和通信者均不可见 转交地址
无线和移动性：对高层协议的影响 无线网络在链路层(由于无线信道的诸如衰减、多径、隐终端等特性)和网络层(由于移动用户改变与网络的连接点)与有线网络的对应物有重大的区别。但在运输层和应用层是否也有重大差别呢?很容易认为这些差别是很小的,因为在有线和无线网络中的网络层均为上层提供了同样的尽力而为服务模式。类似地,如果在有线和无线网络中都是使用诸如TCP和UDP的协议提供运输层服务,那么应用层也应该保持不变。在某个方面,即TCP和UDP可以(也确实)运行在具有无线链路的网络中。在另一方面,运输层协议(特别是TCP)通常在有线和无线网络中有时会有完全不同的性能。这里,在性能方面区别是明显的,来研究一下其中 的原因。 在发送方和接收方之间的路径上,一个报文段不论是丢失还是出错,TCP都将重传它。在移动用户情况下,丢失可能源于网络拥塞(路由器缓存溢出)或者切换。在所有情况下,TCP的接收方到发送方的ACK都仅仅表明未能收到一个完整的报文段,发送方并不知道报文段是由于拥塞,或在切换过程中,还是由于检测到比特差错而被丢弃的。在所有情况下,发送方的反应都一样,即重传该报文段。TCP的拥塞控制响应在所有场合也是相同的,即TCP减小其拥塞窗口。由于无条件地降低其拥塞窗口,TCP隐含地假设报文段丢失是由于拥塞而非出错或者切换所致。在无线网络中比特错误比在有线网络中普遍得多。当这样的比特差错或者切换丢失发生时,没理由让TCP发送方降低其拥塞窗口(并因此降低发送速率)。此时路由器的缓存的确可能完全是空的,分组可以在端到端链路中丝毫不受拥塞阻碍地流动。 由于无线信道的高比特差错率和切换丢失的可能性,TCP的拥塞控制反应在无线情况下可能会有问题。有三大类可能的方法用于处理这一问题：
本地恢复。本地恢复方法的目标是在比特差错出现的当时和当地(如在无线链路 中)将其恢复。如802.11ARQ协议。 TCP发送方知晓无线链路。在本地恢复方法中,TCP发送方完全不清楚其报文段跨越一段无线链路。另一种方法是让TCP发送方和接收方知道无线链路的存在,从而将在有线网络中发生的拥塞性丢包和在无线网络中发生的差错/丢包区分开,并且仅对有线网络中的拥塞性丢包采用拥塞控制。 分离连接方法。在分离连接方法中[ Bakre1995],移动用户和其他端点之间的端到端连接被打断为两个运输层连接:一个从移动主机到无线接入点,一个从无线接入点到其他通信端点(我们假定它是有线的主机)。该端到端连接因此是由一个无线部分和一个有线部分级连形成的。经无线段的运输层能够是一个标准的TCP连接,或是一个特别定制运行在UDP上的差错恢复协议。
这里一个重要的考虑是无线链路经常具有相对较低的带宽。因此,运行在无线链路尤其是蜂窝无线链路上的应用程序,必须将带宽作为稀有物品对待。例如,一个为在3G电话上运行的Web浏览器提供服务的Web服务器,就不能像为运行在有线连接的浏览器那样提供含有大量图片的内容。尽管无线链路的确为应用层提出一些挑战,它们具有的移动性同样使得一大批位置知晓和环境知晓应用成为可能。更一般地,无线和移动网络将在未来的泛在计算环境实现中起着重要作用。 小结 无线网络和移动网络使电话发生了革命性变化,同时也对计算机网络界产生了日益深远的影响。伴随着它们对全球网络基础设施的随时、随地、无缝地接入,它们不仅使网络接人变得更加无所不在,而且催生了一组新的、令人兴奋的位置相关服务。考虑到无线网络和移动网络不断增长的重要性,本章关注用于支持无线和移动通信的原理、通用链路技术以及网络体系结构。 以对无线网络和移动网络的介绍开始,描述了由这种网络中通信链路的无线特性所引发的挑战和由这些无线链路带来的移动性之间的重要区别。 首先关注无线通信,考虑了无线链路的特征。 研究了IEEE802.11(WiFi)无线LAN标准、两个IEEE802.15个人区域网络(蓝牙和 Zigbee),以及3G和4G蜂窝因特网接入。 区分了多种形式的移动性,不同的移动性面临不同的挑战,并且看到了不同的解决方案。 考虑了移动结点的定位和路由选择问题,以及对那些动态地从一个网络接入点移到另一个网络接入点的移动用户的切换问题。 分别考察了这些问题在移动P标准和CSM中是如何处理的。 考虑了无线链路和移动性对运输层协议和网络应用的影响。
