计算机网络-自顶向下方法-中文版课件-第六章-无线网和移动网.TopDownppt.ppt

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1、无线网和移动网1第6章 无线网和移动网Wireless and Mobile Networks计算机网络：自顶向下方法 (原书第三版)陈鸣译，机械工业出版社，2005年Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3rd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2004. 无线网和移动网2第6章 无线网和移动网背景: r无线电话用户的数量超过了有线电话用户的数量!r计算机网络: 膝上电脑, 掌上电脑, PDA, 因特网使能电话希望任何时间连接因特网

2、访问r两个重要的(但不同的)挑战m经无线链路通信m处理移动用户改变与网络连接点无线网和移动网3第6章 概要6.1 概述 无线r6.2 无线链路, 特性mCDMAr6.3 IEEE 802.11 无线局域网 (“wi-fi”)r6.4 蜂窝因特网接入m体系结构m标准 (如 GSM)无线网和移动网4无线网络的要素网络基础设施r膝上机, PDA, IP电话r运行应用程序r可以是固定的 (非移动的) 或移动的m无线并不总意味着移动无线网和移动网5无线网络的要素网络基础设施 r通常与有线网络连接r中继 负责在它的”区域“的有线网络和无线主机之间发送分组m如信元塔 802.11 接入点 无线网和移动网6无

3、线网络的要素网络基础设施 r通常用于连接移动用户到基站r也用作主干链路r多个接入协议协调链路接入r各种数据速率，传输距离无线网和移动网7部分无线链路标准的特性384 Kbps56 Kbps54 Mbps5-11 Mbps1 Mbps802.15802.11b802.11a,gIS-95 CDMA, GSMUMTS/WCDMA, CDMA2000 .11 p-to-p link2G3G室内10 30m室外50 200m中距离室外200m 4Km长距离室外5Km 20Km无线网和移动网8无线网络的要素网络基础设施基础设施模式r基站连接移动用户到有线网络r切换: 移动用户改变与有线网络连接的基站无线

4、网和移动网9无线网络的要素r无基站r在链路覆盖的范围内节点仅能传输到另外的节点r节点将它们组织成为一个网络：在它们自己中选路无线网和移动网10无线链路的特征不同于有线链路.m衰减的信号强度：当无线电信号传播通过物质时，信号削弱(路径损失)m来自其他源的干扰: 标准的无线网络频率 (如2.4 GHz)由其他设备共享 (如电话); 设备(发动机) 干扰m多径传播: 无线电信号反射离开物体，以稍微不同的时间到达目的地. 使得通信跨越 (甚至点对点)无线链路 非常 “困难” 无线网和移动网11无线网络的特性多个无线发送方和接收方产生另外的问题 (不同于多路访问):ABC隐终端问题rB, A 彼此听到r

5、B, C彼此听到rA, C彼此不能听到意味着A, C不知道它们在B的干扰ABCAs signalstrengthspaceCs signalstrength信号衰退:rB, A彼此听到rB, C彼此听到rA, C 不能听到在B的干扰无线网和移动网12码分多址(CDMA)r用于几种无线广播信道中(蜂窝, 卫星等)标准r独特的”编码“分配给每个用户; 即编码集合分割r所有用户共享相同频率，但每个用户具有自己的”码片速率码片速率 “序列 (即编码)以对数据编码r编码信号 = (原始数据) X (码片速率序列 )r解码: 编码的信号和码片速率序列 的内积r允许多个用户”共存“并以最小的干扰同时传输 (

6、如果编码是 “正交的”)无线网和移动网13CDMA编码/解码时隙 1时隙 0d1 = -11 1 111 -1 -1 -1 -Zi,m= di.cmd0 = 11 1 111 -1 -1 -1 -1 1 111 -1 -1 -1 -1 1 111 -1 -1 -1 -时隙 0信道输出时隙 1信道输出信道输出 Zi,m发送方编码数据比特时隙1时隙0d1 = -1d0 = 11 1 111 -1 -1 -1 -1 1 111 -1 -1 -1 -1 1 111 -1 -1 -1 -1 1 111 -1 -1 -1 -时隙 0信道输出时隙 1信道输出接收方编码接收的输入Di = S Zi,m.cmm

7、=1MM无线网和移动网14CDMA: 两个发送方的干扰发送方接收方无线网和移动网15第6章 概要6.1 概述 无线r6.2 无线链路特性mCDMAr6.3 IEEE 802.11 无线局域网 (“wi-fi”)r6.4 蜂窝因特网接入m体系结构m标准 (e.g., GSM)无线网和移动网16IEEE 802.11 无线 LANr802.11bm2.4-5 GHz无执照无线电频谱m高达11 Mbpsm在物理层的直接序列扩频 (DSSS) 所有主机使用相同的码片速率序列 m广泛设置，使用基站r802.11a m5-6 GHz范围m高达 54 Mbpsr802.11g m2.4-5 GHz范围m高达

8、54 Mbpsr对多路访问都使用CSMA/CAr都具有基站和自组织版本无线网和移动网17802.11 LAN 体系结构r无线主机使用基站通信m基站 = 接入点 (AP)r基本服务集 (BSS) (又称为 “单元”)在基础设施模式中包含:m无线主机m接入点(AP): 基站m自组织模式: 仅有主机BSS 1BSS 2Internethub, switchor 路由器APAP无线网和移动网18802.11:信道, 关联r802.11b: 2.4GHz-2.485GHz频谱划分为11个不同的频率 的信道mAP管理为AP选择频率 m可能干扰：信道能够与临近AP选择相同的信道!r主机: 必须与AP关联m扫

9、描信道，监听包括该AP的SSID和MAC地址的信标帧m选择AP去关联m可能执行鉴别 第8章m通常运行DHCP以得到在AP子网中的IP地址无线网和移动网19IEEE 802.11: 多路访问r避免碰撞: 2+ 节点同时传输r802.11: CSMA 在传输前感知m不与其他节点正在进行的碰撞r802.11: 无碰撞检测!m当传输时由于接收的信号变弱(衰退)，难以接收(感知碰撞)m在任何场合不能感知所有碰撞：隐终端，衰退m目标: 避免碰撞: CSMA/C(ollision)A(voidance)ABCABCAs signalstrengthspaceCs signalstrength无线网和移动网2

10、0IEEE 802.11 MAC协议: CSMA/CA802.11发送方1 如果感知信道空闲则 在DIFS (Distributed Inter-帧 Space)后，传输整个帧 (无碰撞检测)2 如果感知信道忙，则启动随机回退时间定时器倒计时直到信道空闲当定时器超时传输如果无ACK, 增加随机回退间隔跳转2802.11接收方- 如果针接收OK 在SIFS后返回后返回ACK (由于隐终端问题，需要ACK) 发送方接收方DIFSdataSIFSACK无线网和移动网21避免碰撞(续)思想: 允许发送方“预约”信道，而不是数据帧的随机访问：避免长数据帧的碰撞r发送方首先使用CSMA向BS传输小请求发送

11、 (RTS)分组mRTS仍可能与其他碰撞(但它们较短)rBS为响应RTS广播允许发送 CTSrRTS为所有站点听到m发送方传输数据帧m其他站点推迟传输使用小预约分组，避免数据帧完全碰撞!无线网和移动网22碰撞避免: RTS-CTS交换APAB时间RTS(A)RTS(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)DATA (A)ACK(A)ACK(A)预约碰撞推迟无线网和移动网23帧控制持续期地址1地址2地址4地址3有效载荷CRC22666260 - 23124序号控制802.11帧: 编址地址2:无线主机或AP 传输该帧的MAC 地址地址1:无线主机或接收该帧AP的MAC 地址地址3: 与AP连接的

12、路由器接口的MAC地址地址4: 仅用于自组织模式无线网和移动网24因特网路由器APH1R1AP MAC地址 H1 MAC地址 R1 MAC地址地址1地址2地址3802.11R1 MAC地址 AP MAC地址dest. 地址source 地址802.3帧802.11帧: 编址无线网和移动网25帧控制持续期地址1地址2地址4地址3有效载荷CRC22666260 - 23124序号控制类型来自AP子类型到AP更多标识WEP更多数据功率管理重试Rsvd协议版本22411111111802.11帧: 其他预约传输时间(RTS/CTS)的长度帧序号(用于可靠的ARQ)帧类型(RTS, CTS, ACK,

13、数据)无线网和移动网26集线器或交换机AP 2AP 1H1BBS 2BBS 1802.11:在相同子网中的移动路由器rH1停留在相同的IP子网中: IP 地址能够维持相同r交换机: 哪个AP与H1关联?m自学习(第5章): 交换机将看到来自H1的帧并 “记住”哪个交换机端口能被用于到达 H1无线网和移动网27M覆盖半径SSSPPPPMS主设备从设备停用设备 (不活动的)P802.15: 个人域网络r小于10 m直径r替代电缆 (鼠标, 键盘，耳机)r自组织: 无基础设施r主/从设备:m从设备(向主设备)请求发送许可m主设备同意请求r802.15: 由蓝牙规格参数演化而来m2.4-2.5 GHz

14、 无线电波段m高达 721 kbps无线网和移动网28第6章 概要6.1 概述 无线r6.2 无线链路, 特性mCDMAr6.3 IEEE 802.11 无线局域网 (“wi-fi”)r6.4 蜂窝因特网接入m体系结构m标准 (e.g., GSM)无线网和移动网29移动用户 交换中心公共电话网和因特网移动用户 交换中心蜂窝网络体系结构的组件q 将cells与广域网相连q 管理呼叫建立(详情见后!)q 处理移动 (详情见后!)移动交换中心MSCq 覆盖地理区域q基站 (BS)类比802.11 APq 移动用户通过BS与网络相连q 空中接口: 在移动用户和BS之间的物理和链路层协议发射区cell有

15、线网络无线网和移动网30蜂窝网: 第一跳共享移动用户到BS无线电频谱的两种技术rFDMA/TDMA结合: 将频谱划分为频道，再将每个频道划分为时隙rCDMA: 码分多址频段时隙无线网和移动网31蜂窝标准: 简要概述2G系统:语音信道rIS-136 TDMA: FDMA/TDMA结合 (北美)rGSM (移动通信全球系统): FDMA/TDMA结合m广泛部署rIS-95 CDMA: 码分多址IS-136GSMIS-95GPRSEDGECDMA-2000UMTSTDMA/FDMA不要淹死在字母汤的碗里：仅使用它们作用参考无线网和移动网32Cellular 标准:简要概述2.5 G系统: 语音和数据

16、信道r提供给那些等不及3G服务的人: 2G扩展r通用分组无线电服务 (GPRS)m从 GSM演化而来m数据在多个信道发送(如果可能的话)rEnhanced Data rates for Global Evolution (EDGE)m也从GSM演化而来, 使用增强调制 m数据率高达 384KrCDMA-2000 (阶段1)m数据率高达 144Km从 IS-95演化而来无线网和移动网33Cellular 标准:简要概述3G系统: 语音/数据r通用移动电信服务 (UMTS)mGSM下一步, 但使用 CDMArCDMA-2000 . 由于更多(并且更为有趣)蜂窝网主题 设计到移动性无线网和移动网34

17、第6章 概要移动r6.5 原则：移动用户的编址与选路r6.6 移动IPr6.7 在蜂窝网中的处理移动r6.8 移动和较高层协议r6.9 小结无线网和移动网35What is 移动?r移动谱, 从 网络 的角度:无移动高度移动性移动无线用户，使用相同的接入点移动用户，在维持进行中的连接时通过多个接入点(像移动电话一样移动用户，使用DHCP与网络连接/断连无线网和移动网36移动: 词汇归属网络: 移动用户的永久的“家”(如 128.119.40/24)永久地址: 在归属网络中的地址，总能被用于到达移动用户，如 128.119.40.186归属代理: 当移动用户在远地，代表它执行移动功能的实体广域网

18、通信者无线网和移动网37移动: 词汇（续）转交地址: 在被访网络中的地址.(如 79,129.13.2) 广域网被访网络:移动用户当前驻留的网络 (如 79.129.13/24)永久地址: 保持不变 (如128.119.40.186)归属代理: 在被访网络 中代表移动用户执行移动功能的实体通信者: 要与移动用户通信无线网和移动网38你怎样与云游的朋友联系？r搜索所有的电话簿?r给她父母打电话?r期待她主动联系你?我想知道Alice 现在到达了何处?设想朋友经常改变地址，你怎样找到她?无线网和移动网39移动: 方法r让选路处理: 路由器使用通常的选路表交换，通告移动用户在驻留地的节点永久地址m选

19、路表指示移动用户位于的地方m对端用户无改变r让端系统处理: m间接选路: 从通信者到移动用户的通信经过 归属代理, 然后向远地转发m直接选路: 通信者得到移动用户的外部地址, 直接向移动用户发送无线网和移动网40移动: 方法r让选路处理: 路由器使用通常的选路表交换，通告移动用户在驻留地的节点永久地址m选路表指示移动用户位于的地方m对端用户无改变r让端系统处理: m间接选路: 从通信者到移动用户的通信经过 归属代理, 然后向远地转发m直接选路: 通信者得到移动用户的外部地址, 直接向移动用户发送对数以百万计移动用户无扩展性无线网和移动网41移动: 注册End result:r外部代理 know

20、s about 移动用户r归属代理 knows location of 移动用户广域网归属网络被访网络1移动用户 contacts 外部代理 on entering 被访网络2外部代理 contacts 归属代理 home: “this 移动用户 is resident in my network”无线网和移动网42移动经间接选路wide area network归属网络被访网络3241通信者使用移动用户的归属地址来寻址归属代理 截取分组，转发给外部代理外部代理接收分组，转发给移动用户移动用户直接回答 通信者无线网和移动网43间接选路:解释r移动用户 使用两个地址:m永久地址: 由通信者所用(

21、因此移动用户位置对通信者是透明的)m转交地址: 由归属代理所用，以将数据报转发给移动用户r外部代理功能可以由移动用户自己做r三角形选路: 通信者-归属网络-移动用户m当通信者和移动用户位于相同网络时，低效无线网和移动网44间接选路: 在网络间移动r假定移动用户移动到另外的网络m注册到新的外部代理m新的外部代理向归属代理注册m归属代理更新移动用户的转交地址m分组继续向移动用户转发(但具有新的转交地址)r移动、改变外部网络是透明的：进行中的连接能被维护！无线网和移动网45经直接选路移动wide area network归属网络被访网络4251通信者请求，接收移动用户的外部地址通信者 转发到外部代理

22、外部代理接收分组，转发到 移动用户移动用户直接响应 通信者3无线网和移动网46经直接选路移动: 解释r克服三角形选路问题r对通信者非透明: 通信者必须从归属代理得到转交地址m如果移动用户改变被访网络会怎样?无线网和移动网47广域网1在会话开始时访问的外部网络锚外部代理24新的外部代理35通信者代理通信者新的外部网络直接选路适应移动r锚外部代理: FA位于首个被访网络中r数据总是首先路由到锚FAr当移动用户移动: 新的FA安排让数据从旧的FA(链接)转发无线网和移动网48第6章 概要移动r6.5 原则：移动用户的编址与选路r6.6 移动IPr6.7 在蜂窝网中的处理移动r6.8 移动和较高层协议

23、r6.9 小结无线网和移动网49移动用户IPrRFC 3220r我们已经看到了许多特性: m归属代理、外部代理s、外部代理注册、转交地址、 封装(分组在一个分组中)r标准的三个部分:m数据报的间接选路m代理发现m对归属代理注册无线网和移动网50移动用户 IP: 间接选路永久地址: 128.119.40.186转发地址: 79.129.13.2dest: 128.119.40.186由通信者发送的分组dest: 79.129.13.2dest: 128.119.40.186由归属代理向外部代理发送的分组：一个分组在另一个分组中dest: 128.119.40.186外部代理到移动用户分组无线网和

24、移动网51移动用户IP: 代理发现r代理通告: 外部/归属代理通过广播ICMP报文通告服务 (类型字段 = 9)R比特: 请求注册H,F比特: 归属和/或外部代理 RBHFMGV 比特 保留 type = 16 类型 = 9 编码 = 0 = 9 检查和 路由器地址 标准ICMP字段 移动代理通告扩展 长度 序号 注册寿命 0或更多的转交地址 0 8 16 24 无线网和移动网52移动用户IP: 注册例子 被访网络: 79.129.13/24 归属代理 HA: 128.119.40.7 外部代理 COA: 79.129.13.2 COA: 79.129.13.2 . ICMP agent ad

25、v. 移动代理 MA: 128.119.40.186 注册请求. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification:714 . 注册请求 COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format . 注册回答 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identi

26、fication: 714 encapsulation format . 注册回答 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 . 时间 无线网和移动网53第6章 概要移动r6.5 原则：移动用户的编址与选路r6.6 移动IPr6.7 在蜂窝网中的处理移动r6.8 移动和较高层协议r6.9 小结无线网和移动网54蜂窝网络体系结构的组成通信者MSCMSCMSCMSCMSC有线公共电话网不同的蜂窝网，由不同提供商运营回想:无线网和移动网55处理蜂窝网中的移动r归属网络: 你注册的蜂窝网络提供商(如Sp

27、rint PCS, Verizon)m归属位置注册器 (HLR):归属网络中的数据库，包含永久蜂窝电话号，配置信息(服务，参数选择，账单), 有关当前位置的信息(能够位于另一个网络)r被访网络:移动用户当前驻留的网络m访问者位置注册 (VLR): 对每个在网中的用户具有表项的数据库m能够是归属网络无线网和移动网56公共交换电话网移动用户归属移动用户交换中心HLR归属网络被访网络通信者移动用户 交换中心VLRGSM:移动用户的间接选路1呼叫选路到归属网络2归属MSC参考HLR, 得到移动用户在被访网络中的移动号码3归属MSC建立到被访网络中的MSC的2nd 呼叫路段4在被访网络中的MSC 完成从

28、基站到移动用户的呼叫无线网和移动网57移动用户 交换中心VLR旧BSS新BSS旧的选路 新的选路GSM: 通用MSC的切换r切换目标：经新基站路由呼叫 (不必中断)r切换的原因:m到/来自新BSS的更强的信号 (持续连接，较少的电池消耗)m负载平衡: 在当前BSS中释放高符合信道mGSM不强制执行切换的原因(策略) ，仅关注如何做(机制)r由旧BSS发起的切换无线网和移动网58移动用户 Switching CenterVLRold BSS13245678GSM:通用MSC的切换new BSS1.旧BSS通知切换迫近，提供了 1+ 新的BSS的列表2. MSC建立一条到新BSS的路径(分配资源)

29、3. 新BSS分配为移动用户使用的无线电信道4. 新BSS通知MSC, 旧BSS: 准备好 5. 旧BSS告诉移动用户: 执行到新BSS的切换6. 移动用户, 新BSS发信号激活新信道7. 移动用户发的信号经新BSS到MSC: 完成切换. MSC重路由呼叫8 MSC-old-BSS资源释放无线网和移动网59归属网络Home MSCPSTN通信者MSC锚MSCMSCMSC(a) 在切换前GSM:MSC间的切换r锚MSC: 在呼叫过程中首次访问的MSCm呼叫保持经过锚MSC选路r当移动用户移动到新MSC时，MSC加到MSC链的末端rIS-41允许选项路径最小化步骤，以缩短多MSC链无线网和移动网6

30、0移动: GSM与移动用户IP对比GSM元素元素 GSM元素的解释元素的解释 移动移动IP元素元素归属系统移动用户永久电话号码属于的网络归属网络网关移动交换中心，或“归属MSC”。归属位置注册器 (HLR)归属MSC: 获得可选路移动用户的地址联系点. HLR: 在归属系统中包含永久电话号码，配置信息，移动用户的当前位置，注册信息的数据库归属代理被访网络移动用户当前驻留的非归属网络的网络被访网络被访移动服务交换中心。访问者位置注册被访MSC: 在蜂窝单元中，负责建立到/来自移动节点的呼叫相关联的. VLR: 在被访系统中临时数据库表项，包含了对每个访问移动用户的注册信息外部代理移动站漫游号(MSRN)，或 “漫游号”在归属MSC和被访MSC间用于电话呼叫段的及选路地址, 不被移动用户和通信者所见转交地址无线网和移动网61第6章 概要移动r6.5 原则：移动用户的编址与选路r6.6 移动IPr6.7 在蜂窝网中的处理移动r6.8 移动和较高层协议r6.9 小结无线网和移动网62无线、移动: 对较高层协议的影响r逻辑上，影响应当最小m尽力而为模型维持不变mTCP和UDP能够(且已经)运行在无线、移动用户上,r 但性能敏感:m由于比特错的丢包/时延 (对链路层重传的丢包与时延), 和切换mTCP将丢包解释为拥塞，将不必要地减小拥塞窗口m对实时流量的时延损伤m无线链路有限的带宽