第七章無線與移動網絡《計算機網絡與信息安全》第七章無線與移動網絡本章學習目標理解無線網絡組成要素理解無線鏈路與無線網絡特性掌握IEEE802.11無線局域網體系結構掌握CSMA/CA協議了解移動通信網絡體系結構掌握實現網絡移動性的基本原理理解移動IP原理與通信過程了解移動通信網絡移動性原理主要內容第一節

無線網絡第二節

移動網絡第三節

無線局域網IEEE802.11第四節

蜂窩網絡第五節

移動IP網絡第六節其他典型無線網絡簡介2本章重點與難點本章重點無線網絡基本結構無線網絡特性移動網絡基本原理間接路由直接路由IEEE802.11無線局域網網絡體系結構CSMA/CA協議幀結構地址移動IP網絡本章難點CSMA/CA協議交互過程RTS幀與CTS幀的作用幀間間隔時間DIFS、SIFS的作用NAV概念及其設置IEEE802.11幀結構及地址字段的取值間接路由通信過程直接路由通信過程移動IP網絡通信過程移動通信網絡體系結構及特點3李全龍第一節

無線網絡4無線和移動網絡:背景無線（移動）電話用戶多于固定（有線）電話用戶！移動寬帶連接設備多于固定寬帶連接設備！截至2023年6月，我國手機網民規模達10.76億人，較2022年12月增長1109萬人網民使用手機上網的比例已經達到99.8%。兩個重要（但不同）的挑戰無線:通過無線鏈路進行通信移動:處理改變網絡接入點的移動用戶第一節

無線網絡5無線網絡基本結構6第一節

無線網絡無線網絡基本結構無線主機筆記本電腦、智能手機、IoT運行應用程序可以是靜止的（非移動）或移動的無線并不總是意味著移動性!

7第一節

無線網絡無線網絡基本結構基站通常連接到有線網絡中繼-負責在其“區域”中的有線網絡和無線主機之間發送數據包e.g.，手機信號塔，802.11接入點8第一節

無線網絡無線網絡基本結構無線鏈路通常用于將移動設備連接到基站，也可以用作骨干鏈路

多路訪問控制協議（MAC）協議協調鏈路接入

各種傳輸速率、距離和頻段9第一節

無線網絡無線網絡的模式基礎結構模式基站將移動終端連接到有線網絡切換：移動終端更換基站，提供有線網絡連接10第一節

無線網絡無線網絡的模式特定網(adhoc)模式無基站結點只能傳輸到無線鏈路覆蓋范圍內的其他結點結點將自己組織成一個網絡（自組網）：在結點之間路由11第一節

無線網絡典型無線網絡12第一節

無線網絡無線鏈路特性與有線鏈路的重要區別….信號強度衰減：無線電信號在介質中傳播時衰減（路徑損耗）干擾：許多設備（例如WiFi、蜂窩網絡、電機）共享無線網絡頻率（例如2.4GHz）多徑傳播：無線電信號反射自物體表面，在不同時刻到達目的地…使通過（甚至是點對點）無線鏈路進行通信變得更加“困難”13第一節

無線網絡無線鏈路特性多個無線發送器、接收器會產生其他問題（超出多路訪問控制）：隱藏終端問題：B、A彼此可以偵聽到B、C彼此可以偵聽到A、C彼此偵聽不到，即A和C不知道他們的信號在B處會相互干擾信號衰減：B、A彼此可以偵聽到B、C彼此可以偵聽到A、C由于信號衰減，彼此偵聽不到，在B處會相互干擾14第一節

無線網絡李全龍第二節

移動網絡15移動性?無線網絡不一定是移動網絡，但移動網絡一定是無線網絡移動網絡中的移動結點是隨時間改變其與網絡連接位置的結點，并且一定采用無線通信技術。移動結點的地址始終保持不變？可用的有線基礎設施的支持？基礎設施網絡AdHoc網絡16第二節

移動網絡移動互聯網體系結構17第二節

移動網絡移動網絡如何尋址和路由？網絡核心處理：

路由器通過路由表交換，通告來訪移動節點的名稱、地址(如永久的32位IP地址)或號碼(如手機號)。理論上，Internet路由方法可以通過最長前綴匹配原，向移動主機路由信息18第二節

移動網絡移動網絡如何尋址和路由？網絡核心處理：

路由器通過路由表交換，通告來訪移動節點的名稱、地址(如永久的32位IP地址)或號碼(如手機號)。理論上，Internet路由方法可以通過最長前綴匹配原，向移動主機路由信息端系統處理：間接路由（indirectrouting）直接路由（directrouting）19并不適合全球性大規模的Internet第二節

移動網絡間接路由20第二節

移動網絡間接路由移動用戶要使用2個地址：永久地址轉交地址（COA）優點：通信過程“透明”通信方只需向移動用戶永久地址發生消息缺點：存在“三角路由”問題當通信方與移動用戶位于同一網絡時，通信效率低21第二節

移動網絡直接路由22第二節

移動網絡直接路由231234homenetworkvisitednetworkcorrespondentrequests,receivesforeignaddressofmobilecorrespondentforwardstoforeignagentforeignagentreceivespackets,forwardstomobilemobilerepliesdirectlytocorrespondent第二節

移動網絡直接路由克服“三角路由”問題通信過程對通信方不透明通信方需要通過歸屬代理獲得移動用戶的當前COA241234第二節

移動網絡李全龍第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11無線局域網802.11b2.4-2.5GHz免費頻段(unlicensedspectrum)最高速率：11Mbps物理層采用直接序列擴頻(DSSS)技術所有主機使用相同的碼片序列802.11a

5-6GHz頻段最高速率：54Mbps802.11g

2.4-2.5GHz頻段最高速率：54Mbps802.11n:多天線(MIMO)2.4-2.5GHz頻段最高速率：600Mbps均使用CSMA/CA多路訪問控制協議均有基礎設施(基站)網絡模式和特定網(自組網)網絡模式26第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11無線局域網共同特征：都使用相同的介質訪問控制協議CSMA/CA，且鏈路層幀格式相同。都具有降低傳輸速率以傳輸更遠距離的能力。都支持“基礎設施模式”和“自組織模式”兩種模式。27第三節

無線局域網IEEE802.11標準年限頻率范圍數據率距離物理層802.11b19992.4Ghz11Mbps30m擴頻802.11g20032.4Ghz54Mbps30mOFDM802.11n(WiFi4)20092.4,5Ghz600Mbps70mMIMO/OFDM802.11ac(WiFi5)20135Ghz3.47Gpbs70mMIMO/OFDM802.11ax(WiFi6)2020(exp.)2.4,5Ghz14Gbps70mMIMO/OFDM802.11af2014未用TV頻帶(54-790MHz)35–560Mbps1kmMIMO/OFDM802.11ah2017900Mhz347Mbps1kmMIMO/OFDM28IEEE802.11物理層第三節

無線局域網IEEE802.11802.11LAN體系結構無線主機與基站通信基站(basestation)=訪問點(accesspoint-AP)基本服務集BSS(BasicServiceSet),也稱為單元(cell)基礎設施網絡模式:無線主機AP（基站）自組網(adhoc)模式:只有無線主機29第三節

無線局域網IEEE802.11802.11:信道與關聯頻譜劃分為不同頻率的信道每個AP選擇一個頻率(信道)存在干擾可能:相鄰的AP可能選擇相同的信道！主機:必須與某個AP關聯(associate)掃描信道，監聽包含AP名稱(服務集標識符-SSID

)和MAC地址的信標(beacon)幀選擇一個AP進行關聯可能需要進行身份認證典型情形：運行DHCP獲取IP地址等信息BSS30第三節

無線局域網IEEE802.11802.11關聯:被動掃描與主動掃描AP2AP1H1BBS2BBS11231AP2AP1H1BBS2BBS112234被動掃描(scanning):（1）各AP發送信標幀（2）主機(H1)向選擇的AP發送關聯

請求幀（3）AP向主機(H1)發送關聯響應幀主動掃描:（1）主機(H1)主動廣播探測請求幀

(ProbeRequestFrame)（2）AP發送探測響應幀

(ProbeResponseFrame)（3）主機(H1)向選擇的AP發送關聯

請求幀（4）AP向主機(H1)發送關聯響應幀31第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11:多路訪問控制spaceABCABCA’ssignalstrengthC’ssignalstrength避免沖突:2+結點同時傳輸802.11:CSMA–發送數據前監聽信道避免與正在進行傳輸的其他結點沖突802.11:不能像CSMA/CD那樣，邊發送、邊檢測沖突！無線信道很難實現：發射信號強度遠高于接收信號強度無法偵聽到所有可能的沖突：隱藏站、信號衰落目標:避免沖突(avoidcollisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)32第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11MAC協議:CSMA/CA33第三節

無線局域網IEEE802.11基本思想：允許發送端“預約”(reserve)信道，而不是隨機發送數據幀，從而避免長數據幀的沖突發送端首先利用CSMA向BS發送一個很短的RTS(request-to-send)幀RTS幀仍然可能彼此沖突(但RTS幀很短)BS廣播一個CTS(clear-to-send)幀作為對RTS的響應CTS幀可以被所有結點接收消除隱藏站影響發送端可以發送數據幀其他結點推遲發送利用很小的預約幀徹底避免了數據幀沖突！IEEE802.11MAC協議:CSMA/CA34第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11MAC幀35第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11數據幀地址802.11數據幀有4個地址字段地址4用于Ad-hoc或采用無線橋接（無線DS）的情形IEEE802.11幀中的幾個地址分別如何取值？36去往AP來自AP地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址——10AP地址源地址目的地址——第三節

無線局域網IEEE802.11IEEE802.11幀的地址37InternetH1R1

APMAC地址地址1地址2地址3802.11WiFi

幀R1MAC地址H1MAC地址

R1MAC地址目的MAC地址源MAC地址802.3以太網幀H1MAC地址

第三節

無線局域網IEEE802.11李全龍第四節

蜂窩網絡GSM（2G）蜂窩網絡體系結構39第四節

蜂窩網絡單元網絡：第一跳40兩種典型的射頻頻譜共享技術：FDMA/TDMA:頻分+時分CDMA:碼分多址頻帶時隙第四節

蜂窩網絡蜂窩網絡（GSM）的移動性管理間接路由電話號-永久地址漫游號-COAHLR-歸屬代理VLR-外代理41第四節

蜂窩網絡3G網絡能處理圖像、音頻和視頻流等多種媒體，提供包括瀏覽網頁、電話會議和電子商務等多種信息服務。ITU在2000年確定了WCDMA、CDMA2000、和TD-SCDMA三大技術標準。工作頻段為2000MHz，最高業務速率第一階段為2000Kbps。第三代移動通信系統的主要目標如下：全球統一頻譜、統一標準，全球無縫覆蓋第三代移動通信系統框圖：42第四節

蜂窩網絡4G/LTE網絡3G系統主要問題：不能支持較高的通信速率不能真正實現不同頻段不同業務環境間的無縫漫游3GPP組織從2004年開始了LTE（LongTermEvolution，長期演進）的標準化項目3GPP選擇了正交頻分多路復用（OFDM）LTE系統架構演進后的核心網（EPC）演進后的接入網（E-UTRAN）物理層OFDMMIMOCoMP43第四節

蜂窩網絡5G網絡5G是國際電信聯盟（ITU）制定的第5代移動通信標準44指標名稱流量密度連接數密度時延移動性能效用戶體驗速率頻譜效率峰值速率4G

參考值0.1Tbps/Km210萬/km2空口10ms350Km/h1倍10Mbps

(urban/suburban)1倍1Gbps5G

取值10Tbps/Km2100萬/Km2空口1ms500Km/h100倍提升（網絡側）0.1-1Gbps3倍提升（某些場景5倍）20GbpsITU定義的三大應用場景第四節

蜂窩網絡李全龍第五節

移動IP網絡45移動IP網絡RFC3344基于上述移動性管理基本原理:歸屬代理外代理轉交地址COA三個組成部分：間接路由代理發現歸屬代理注冊46第五節

移動IP網絡代理發現代理通告:外代理/歸屬代理通過廣播ICMP消息(typefield=9)通告其提供外代理/歸屬代理服務47第五節

移動IP網絡向歸屬代理注冊48第五節

移動IP網絡間接路由永久地址:128.119.40.186轉交地址:79.129.13.2目的:128.119.40.186通信方發送分組目的:79.129.13.2目的:128.119.40.186歸屬代理發送給外代理的分組：封裝到另一個分組之中（隧道）目的:128.119.40.186外代理→移動用戶分組49通信方第五節

移動IP網絡李全龍第六節

其他典型無線網絡簡介50WiMax全球微波互聯接入（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMax）又稱為IEEE802.16標準。目的是在更大范圍內為用戶提供可以媲美有線網絡的無線通信解決方案。嚴格地講，WiMax不是移動通信系統的標準，而是一種城域網（MAN）技術。按照IEEE802.16標準，網絡運營商部署一個信號塔，可以覆蓋超過數公里的區域，覆蓋區域內任何地點的用戶都可以接入到蜂窩網絡，從而使用戶能夠便捷地在任何地方連接到運營商的寬帶無線網絡，從而接入Internet。WiMax優勢：更遠的傳輸距離，可以達到50公里；更高速的寬帶接入，最高可達300Mbps。WiMax劣勢：不能支持用戶在移動過程中無縫切換。第六節

其他典型無線網絡簡介51個人區域網:藍牙（Bluetooth）直徑小于10m替代線纜（鼠標、鍵盤、耳機）自組網：無基礎設施2.4-2.5GHzISM無線電頻段，高達4Mbps主控制器/客戶設備：主控制器輪詢客戶端，授予客戶傳輸請求覆蓋半徑CCCPPPPMC主設備（masterdevice）客戶設備（clientdevice）停放設備（parkeddevice(inactive)）PM52第六節

其他典型無線網絡簡介個人區域網：藍牙（Bluetooth）TDM：625msec時隙FDM：發送方使用跳頻擴頻（FH