Bonky Zhu
If someone is able to show me that what I think or do is not right, I will happily change, for I seek the truth, by which no one was ever truly harmed. It is the person who continues in his self-deception and ignorance who is harmed.

计算机网络 – 无线网络和移动网络

WLAN (Wireless Local Area Network)

无线局域网的组成

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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。 配置一个 AP 需要不超过 32 字节的 SSID 和一个信道。( SSID 是Service Set Identifier的缩写,意思是:服务集标识。SSID技术可以将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络,我们搜索到的多个 WI-FI 的名字就是 SSID)

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 (Extended Service Set)。

ESS 还可通过叫做门户 (portal) 为无线用户提供到非无线局域网的接入。(校园网的路由器就是一个带 portal 功能的路由器,验证成功后才可以上网)

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),仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。

与接入点 AP 建立关联(association)

一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS,就必须先选择一个接入点 AP,并与此接入点建立关联。建立关联就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。

移动站与 AP 建立关联的方法

  • 被动扫描,即移动站等待接收 AP 周期性发出的信标帧 (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,即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 (probe response frame)。

beacon 帧的间隔是可以动态调整的,对 AP 来说间隔越短,就会越早被发现。

probe request 帧的间隔也可以调整,一般移动设备厂商都往高了调,并且连接AP以后都倾向于不发了,这样会比较省电,毕竟对于智能手机来说电池真是有点不够用。(所以开着 WIFI 却没有连上可能会很耗电)

热点 (hot spot)

现在许多地方,向公众提供接入 Wi-Fi 的服务。这样的地点就叫做热点。(在iPhone中叫Personal Hotspot)

移动自组网络

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,有自己特定的路由选择协议,并且可以不和因特网相连。(在物联网领域有应用)

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接入无线网的方式

  • 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),便携接入 (portable access),游牧接入 (nomadic access) —— 进行通信的时候用户的位置在切换,可能要切换基站,同时保证通信连续。

802.11 局域网的物理层

802.11 无线局域网可再细分为不同的类型:

标准 发布时间 数据速率 频段
802.11b Wi-Fi 1 1999 最高 11 Mb/s 2.4 GHz
802.11a Wi-Fi 2 1999 最高 54 Mb/s 5 GHz
802.11g Wi-Fi 3 2003 最高 54 Mb/s 2.4 GHz
802.11n Wi-Fi 4 2009 最高 600 Mb/s 2.4 GHz & 5 GHz
802.11ac Wi-Fi 5 2014 最高 1 Gbps 5 GHz
802.11ax Wi-Fi 6 2018 最高 11 Gbit/s 2.4 GHz & 5 GHz

CSMA/CA 协议

无线局域网却不能简单地使用局域网中的 CSMA/CD 协议。主要有两个原因。

  • CSMA/CD 协议在检测冲突 (一定存在冲突) 时,设备必须能够一边接受数据信号,一边传输数据信号。然而,在无线网络中,这是不可能办到的。
  • 即使我们能够实现碰撞检测的功能,并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的,在接收端仍然有可能发生碰撞。

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。

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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。

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改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。

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发送数据或接收数据。DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。

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帧间间隔 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 (InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权。

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 判定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。( 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)
  • 否则,源站发送自己的数据帧。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,直到收到确认。或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

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虚拟载波监听

虚拟载波监听 (Virtual Carrier Sense) 的机制是让源站将它要占用信道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”是表示其他站并没有监听信道,而是 由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

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(以微秒为单位),包括目的站发送确认帧所需的时间。

网络分配向量

当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的 “持续时间” 字段时,就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输,才能使信道转入到空闲状态。

争用窗口

信道从忙态变为空闲时,任何一个站要发送数据帧时, 不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔,而且还要进入争用窗口,并利用退避算法计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。(使用的是二进制指数退避算法,第 i 次退避就在 2^i+2^ 个时隙中随机地选择一个,防止多个站有相同的退避时间)

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退避时间选定后,就相当于设置了一个退避计时器(backoff timer)。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 DFS 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时,就开始发送整个数据帧。

从图可以看出,C 的退避计时器最先减到零,于是 C 立即把整个数据帧发送出去。B 和 D 检测到信道忙,就冻结各自的退避计时器的数值。当 C 发送完数据并经过了时间 DIFS 后,B 和 D 的退避计时器又从各自的剩余时间开始倒计时。直到每个都倒计时完,发送后,信道空闲。

对信道进行预约

A 在向 B 发送之前,先发送一个短的控制帧,叫做请求发送 RTS (Request To Send),它包括源、目的地址和通信所需的时间。若 B 收到 RTS 帧,且媒体空闲,则等待 SIFS 后,就向 A 发送一个叫做允许发送 CTS (Clear To Send)的控制帧,也包括所需的持续时间。A 收到 CTS 帧后,再等待 SIFS 后,就可发送数据帧。

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802.11 局域网的 MAC 帧

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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。

去往 AP 来自 AP 地址 1 地址 2 地址 3 地址 4
0 1 目的地址 AP 地址 源地址 ——
1 0 AP 地址 源地址 目的地址 ——

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无线个人区域网 WPAN

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 10 m 左右。特点;低功率、小范围、低速率和低价格

蓝牙 Bluetooth

标准是 IEEE 802.15.1(由爱立信推出)。通过共享主设备或从设备,可以把多个皮可网链接起 来,形成一个范围更大的扩散网

皮可网 piconet:用蓝牙技术把小范围(10-100m)内蓝牙的设备组成的微型网络,俗称微微网。(和mesh网差不多概念,非常适合物联网的设备的互相交互,即便隔着很远的设备也可以交互)

“e3550444c33042f79fd7dfbf3f49ced4”的副本

ZigBee

可以组网,非常适合物联网(虽然现在蓝牙也提出了 Bluetooth Mesh)

蓝牙网格 Zigbee
市场重点 照明和家庭自动化 家庭自动化,照明,计量
成熟于 2017年 2003年
应用层 原生网格模型 全面的Zigbee群集库(ZCL)
云连接 智能手机(临时)网关 网关
生态系统 没有 亚马逊,宜家,Phillips HUE,三星SmartThings等
补充笔记 信标 (beacon),手机连接 最成熟的

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UWB 技术

UWB 技术工作在 3.1~10.6 GHz 微波频段,有非常高的信道带宽。超宽带技术使用了瞬间高速脉冲,可支持最高可达1000Mbps以上的数据率,可用于小范围内高速传送数据。(优点:大带宽,低功耗)

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看了看,貌似缺点就是价格高?

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无线城域网 WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)

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蜂窝移动通信网

概述

技术 作用 体制
1G 为话音通信设计的模拟 FDM 系统。 (已被淘汰)
2G 蜂窝无线通信提供低速数字通信(短信服务)。 GSM
2.X G 提供接入互联网的技术 GPRS 为 2.5 G,而 EDGE 为 2.75 G
3G 它使用 IP 的体系结构和混合的交换机制(电路交换和分组交换),能够提供移动宽带多媒体业务 CDMA2000(电信),WCDMA(联通)和中TD- SCDMA(移动)
4G 实现了更高的数据率 LTE(TD-LTE 和 FDD-LTE,也称3.9G,不过运营商都称作4G)和 LTE-A
5G 低延迟,高数据率 NSA 和 SA

组成

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移动IP

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。

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