第07章 無線與移動網(wǎng)絡(luò)

第七章無線與移動網(wǎng)絡(luò)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全》第七章無線與移動網(wǎng)絡(luò)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)理解無線網(wǎng)絡(luò)組成要素理解無線鏈路與無線網(wǎng)絡(luò)特性掌握IEEE802.11無線局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)掌握CSMA/CA協(xié)議了解移動通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)掌握實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)移動性原理主要內(nèi)容第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11第四節(jié)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)第五節(jié)

移動IP網(wǎng)絡(luò)第六節(jié)其他典型無線網(wǎng)絡(luò)簡介2本章重點(diǎn)與難點(diǎn)本章重點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)特性移動網(wǎng)絡(luò)基本原理間接路由直接路由IEEE802.11無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)CSMA/CA協(xié)議幀結(jié)構(gòu)地址移動IP網(wǎng)絡(luò)本章難點(diǎn)CSMA/CA協(xié)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(shè)置IEEE802.11幀結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)通信過程移動通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3李全龍第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)4無線和移動網(wǎng)絡(luò):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(shè)備多于固定寬帶連接設(shè)備！截至2023年6月，我國手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)10.76億人，較2022年12月增長1109萬人網(wǎng)民使用手機(jī)上網(wǎng)的比例已經(jīng)達(dá)到99.8%。兩個重要（但不同）的挑戰(zhàn)無線:通過無線鏈路進(jìn)行通信移動:處理改變網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的移動用戶第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)5無線網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)6第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)無線主機(jī)筆記本電腦、智能手機(jī)、IoT運(yùn)行應(yīng)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(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)基站通常連接到有線網(wǎng)絡(luò)中繼-負(fù)責(zé)在其“區(qū)域”中的有線網(wǎng)絡(luò)和無線主機(jī)之間發(fā)送數(shù)據(jù)包e.g.，手機(jī)信號塔，802.11接入點(diǎn)8第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)無線鏈路通常用于將移動設(shè)備連接到基站，也可以用作骨干鏈路

多路訪問控制協(xié)議（MAC）協(xié)議協(xié)調(diào)鏈路接入

各種傳輸速率、距離和頻段9第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)的模式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式基站將移動終端連接到有線網(wǎng)絡(luò)切換：移動終端更換基站，提供有線網(wǎng)絡(luò)連接10第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)的模式特定網(wǎng)(adhoc)模式無基站結(jié)點(diǎn)只能傳輸?shù)綗o線鏈路覆蓋范圍內(nèi)的其他結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)將自己組織成一個網(wǎng)絡(luò)（自組網(wǎng)）：在結(jié)點(diǎn)之間路由11第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)典型無線網(wǎng)絡(luò)12第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線鏈路特性與有線鏈路的重要區(qū)別….信號強(qiáng)度衰減：無線電信號在介質(zhì)中傳播時衰減（路徑損耗）干擾：許多設(shè)備（例如WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、電機(jī)）共享無線網(wǎng)絡(luò)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(dá)目的地…使通過（甚至是點(diǎn)對點(diǎn)）無線鏈路進(jìn)行通信變得更加“困難”13第一節(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)無線鏈路特性多個無線發(fā)送器、接收器會產(chǎn)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(jié)

無線網(wǎng)絡(luò)李全龍第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)15移動性?無線網(wǎng)絡(luò)不一定是移動網(wǎng)絡(luò)，但移動網(wǎng)絡(luò)一定是無線網(wǎng)絡(luò)移動網(wǎng)絡(luò)中的移動結(jié)點(diǎn)是隨時間改變其與網(wǎng)絡(luò)連接位置的結(jié)點(diǎn)，并且一定采用無線通信技術(shù)。移動結(jié)點(diǎn)的地址始終保持不變？可用的有線基礎(chǔ)設(shè)施的支持？基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)16第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)移動互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)17第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)移動網(wǎng)絡(luò)如何尋址和路由？網(wǎng)絡(luò)核心處理：

路由器通過路由表交換，通告來訪移動節(jié)點(diǎn)的名稱、地址(如永久的32位IP地址)或號碼(如手機(jī)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(jī)路由信息18第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)移動網(wǎng)絡(luò)如何尋址和路由？網(wǎng)絡(luò)核心處理：

路由器通過路由表交換，通告來訪移動節(jié)點(diǎn)的名稱、地址(如永久的32位IP地址)或號碼(如手機(jī)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(jī)路由信息端系統(tǒng)處理：間接路由（indirectrouting）直接路由（directrouting）19并不適合全球性大規(guī)模的Internet第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)間接路由20第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)間接路由移動用戶要使用2個地址：永久地址轉(zhuǎn)交地址（COA）優(yōu)點(diǎn)：通信過程“透明”通信方只需向移動用戶永久地址發(fā)生消息缺點(diǎn)：存在“三角路由”問題當(dāng)通信方與移動用戶位于同一網(wǎng)絡(luò)時，通信效率低21第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)直接路由22第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)直接路由231234homenetworkvisitednetworkcorrespondentrequests,receivesforeignaddressofmobilecorrespondentforwardstoforeignagentforeignagentreceivespackets,forwardstomobilemobilerepliesdirectlytocorrespondent第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前COA241234第二節(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)李全龍第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11IEEE802.11無線局域網(wǎng)802.11b2.4-2.5GHz免費(fèi)頻段(unlicensedspectrum)最高速率：11Mbps物理層采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)所有主機(jī)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(xié)議均有基礎(chǔ)設(shè)施(基站)網(wǎng)絡(luò)模式和特定網(wǎng)(自組網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)模式26第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11IEEE802.11無線局域網(wǎng)共同特征：都使用相同的介質(zhì)訪問控制協(xié)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(yuǎn)距離的能力。都支持“基礎(chǔ)設(shè)施模式”和“自組織模式”兩種模式。27第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)年限頻率范圍數(shù)據(jù)率距離物理層802.11b19992.4Ghz11Mbps30m擴(kuò)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(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11802.11LAN體系結(jié)構(gòu)無線主機(jī)與基站通信基站(basestation)=訪問點(diǎn)(accesspoint-AP)基本服務(wù)集BSS(BasicServiceSet),也稱為單元(cell)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)模式:無線主機(jī)AP（基站）自組網(wǎng)(adhoc)模式:只有無線主機(jī)29第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11802.11:信道與關(guān)聯(lián)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(jī):必須與某個AP關(guān)聯(lián)(associate)掃描信道，監(jiān)聽包含AP名稱(服務(wù)集標(biāo)識符-SSID

)和MAC地址的信標(biāo)(beacon)幀選擇一個AP進(jìn)行關(guān)聯(lián)可能需要進(jìn)行身份認(rèn)證典型情形：運(yùn)行DHCP獲取IP地址等信息BSS30第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11802.11關(guān)聯(lián):被動掃描與主動掃描AP2AP1H1BBS2BBS11231AP2AP1H1BBS2BBS112234被動掃描(scanning):（1）各AP發(fā)送信標(biāo)幀（2）主機(jī)(H1)向選擇的AP發(fā)送關(guān)聯(lián)

請求幀（3）AP向主機(jī)(H1)發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)幀主動掃描:（1）主機(jī)(H1)主動廣播探測請求幀

(ProbeRequestFrame)（2）AP發(fā)送探測響應(yīng)幀

(ProbeResponseFrame)（3）主機(jī)(H1)向選擇的AP發(fā)送關(guān)聯(lián)

請求幀（4）AP向主機(jī)(H1)發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)幀31第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11IEEE802.11:多路訪問控制spaceABCABCA’ssignalstrengthC’ssignalstrength避免沖突:2+結(jié)點(diǎn)同時傳輸802.11:CSMA–發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道避免與正在進(jìn)行傳輸?shù)钠渌Y(jié)點(diǎn)沖突802.11:不能像CSMA/CD那樣，邊發(fā)送、邊檢測沖突！無線信道很難實(shí)現(xiàn)：發(fā)射信號強(qiáng)度遠(yuǎn)高于接收信號強(qiáng)度無法偵聽到所有可能的沖突：隱藏站、信號衰落目標(biāo):避免沖突(avoidcollisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)32第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11IEEE802.11MAC協(xié)議:CSMA/CA33第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11基本思想：允許發(fā)送端“預(yù)約”(reserve)信道，而不是隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從而避免長數(shù)據(jù)幀的沖突發(fā)送端首先利用CSMA向BS發(fā)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(yīng)CTS幀可以被所有結(jié)點(diǎn)接收消除隱藏站影響發(fā)送端可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀其他結(jié)點(diǎn)推遲發(fā)送利用很小的預(yù)約幀徹底避免了數(shù)據(jù)幀沖突！IEEE802.11MAC協(xié)議:CSMA/CA34第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11IEEE802.11MAC幀35第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11IEEE802.11數(shù)據(jù)幀地址802.11數(shù)據(jù)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(jié)

無線局域網(wǎng)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(wǎng)幀H1MAC地址

第三節(jié)

無線局域網(wǎng)IEEE802.11李全龍第四節(jié)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)GSM（2G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)39第四節(jié)

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

蜂窩網(wǎng)絡(luò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（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(jié)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)3G網(wǎng)絡(luò)能處理圖像、音頻和視頻流等多種媒體，提供包括瀏覽網(wǎng)頁、電話會議和電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。ITU在2000年確定了WCDMA、CDMA2000、和TD-SCDMA三大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。工作頻段為2000MHz，最高業(yè)務(wù)速率第一階段為2000Kbps。第三代移動通信系統(tǒng)的主要目標(biāo)如下：全球統(tǒng)一頻譜、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，全球無縫覆蓋第三代移動通信系統(tǒng)框圖：42第四節(jié)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)4G/LTE網(wǎng)絡(luò)3G系統(tǒng)主要問題：不能支持較高的通信速率不能真正實(shí)現(xiàn)不同頻段不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游3GPP組織從2004年開始了LTE（LongTermEvolution，長期演進(jìn)）的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目3GPP選擇了正交頻分多路復(fù)用（OFDM）LTE系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)后的核心網(wǎng)（EPC）演進(jìn)后的接入網(wǎng)（E-UTRAN）物理層OFDMMIMOCoMP43第四節(jié)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)5G是國際電信聯(lián)盟（ITU）制定的第5代移動通信標(biāo)準(zhǔn)44指標(biāo)名稱流量密度連接數(shù)密度時延移動性能效用戶體驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)側(cè)）0.1-1Gbps3倍提升（某些場景5倍）20GbpsITU定義的三大應(yīng)用場景第四節(jié)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)李全龍第五節(jié)

移動IP網(wǎng)絡(luò)45移動IP網(wǎng)絡(luò)RFC3344基于上述移動性管理基本原理:歸屬代理外代理轉(zhuǎn)交地址COA三個組成部分：間接路由代理發(fā)現(xiàn)歸屬代理注冊46第五節(jié)

移動IP網(wǎng)絡(luò)代理發(fā)現(xiàn)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(wù)47第五節(jié)

移動IP網(wǎng)絡(luò)向歸屬代理注冊48第五節(jié)

移動IP網(wǎng)絡(luò)間接路由永久地址:128.119.40.186轉(zhuǎn)交地址:79.129.13.2目的:128.119.40.186通信方發(fā)送分組目的:79.129.13.2目的:128.119.40.186歸屬代理發(fā)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(jié)

移動IP網(wǎng)絡(luò)李全龍第六節(jié)

其他典型無線網(wǎng)絡(luò)簡介50WiMax全球微波互聯(lián)接入（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMax）又稱為IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)。目的是在更大范圍內(nèi)為用戶提供可以媲美有線網(wǎng)絡(luò)的無線通信解決方案。嚴(yán)格地講，WiMax不是移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，而是一種城域網(wǎng)（MAN）技術(shù)。按照IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商部署一個信號塔，可以覆蓋超過數(shù)公里的區(qū)域，覆蓋區(qū)域內(nèi)任何地點(diǎn)的用戶都可以接入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，從而使用戶能夠便捷地在任何地方連接到運(yùn)營商的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，從而接入Internet。WiMax優(yōu)勢：更遠(yuǎn)的傳輸距離，可以達(dá)到50公里；更高速的寬帶接入，最高可達(dá)300Mbps。WiMax劣勢：不能支持用戶在移動過程中無縫切換。第六節(jié)

其他典型無線網(wǎng)絡(luò)簡介51個人區(qū)域網(wǎng):藍(lán)牙（Bluetooth）直徑小于10m替代線纜（鼠標(biāo)、鍵盤、耳機(jī)）自組網(wǎng)：無基礎(chǔ)設(shè)施2.4-2.5GHzISM無線電頻段，高達(dá)4Mbps主控制器/客戶設(shè)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(shè)備（masterdevice）客戶設(shè)備（clientdevice）停放設(shè)備（parkeddevice(inactive)）PM52第六節(jié)

其他典型無線網(wǎng)絡(luò)簡介個人區(qū)域網(wǎng)：藍(lán)牙（Bluetooth）TDM：625msec時隙FDM：發(fā)送方使用跳頻擴(kuò)頻（FH