计算机网络——无线网络和移动网络

本章重点

1. 无线局域网的组成，特别是分配系统 DS和接入点 Approach的作用
2. 无线局域网使用的 CSMA/CA协议和无线局域网 MAC帧使用的几种地址
3. 移动用户在移动时怎么保持 IP地址不变
4. 蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择问题

目录

一、无线局域网的组成

二、802.11 局域网的 MAC 层协议

2.1 CSMA/CA 协议

2.2 802.11 局域网的 MAC 帧

三、移动 IP

四、蜂窝移动通信网中的路由选择

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一、无线局域网的组成

无线局域网 WLAN 可分为两大类

• 有固定基础设施的 WLAN
• 无固定基础设施的 WLAN

所谓“固定基础设施”是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站

IEEE802.11 就是无线以太网的标准

• 使用星形拓扑，其中心叫做接入点 AP
• 在MAC层使用 CSMA/CA 协议

凡使用 802.11 系列协议的局域网又称为 Wi-Fi，意思是“无线保真度”

IEEE 802.11 的基本服务集 BSS 和扩展服务集 ESS

• 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，其作用和网桥相似
• 当网络管理员安装 AP 时，必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个信道
• 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，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集 ESS
• ESS 还可通过叫做门户 为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的互联网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥
• 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

建立关联

• 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
• 只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧

移动站与 AP 建立关联的方法

• 被动扫描

1. 移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧
2. 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

1. 移动站主动发出探测请求帧，然后等待从 AP 发回的探测响应帧

 

 

二、802.11 局域网的 MAC 层协议

2.1 CSMA/CA 协议

无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。两个原因

• “碰撞检测”要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但接收到的信号强度往往会远远小于发送信号的强度，在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大
• 即使能够实现碰撞检测的功能，并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候，在接收端仍然有可能发生碰撞

改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免 CA功能。802.11在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议

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

PCF 子层使用集中控制的接入算法把发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生。自组网络就没有PCF子层

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
• 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
• 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会

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

 

2.2 802.11 局域网的 MAC 帧

802.11 帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧

1、802.11数据帧的地址

802.11 数据帧有四个地址字段。地址 4 用于自组网络。我们在这里只讨论前三种地址

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	——

数据报在路由器 R 与移动站 C 之间传送（表中地址都是MAC地址）

数据报流向	去往AP	来自AP	地址1	地址2	地址3	地址4
R接口2 -> AP2	1	0	AP2地址	R接口2地址	C的地址	——
AP2 -> C	0	1	C的地址	AP2地址	R接口2地址	——
C -> AP2	1	0	AP2地址	C的地址	R接口2地址	——
AP2 -> R 接口2	0	1	R接口2地址	AP2地址	C的地址	——

2、序号控制、持续期和帧控制字段

序号控制字段占 16 位，其中序号子字段占 12 位，分片子字段占 4 位

持续期字段占 16 位

帧控制字段共分为 11 个子字段

• 协议版本字段现在是  0
• 类型字段和子类型字段用来区分帧的功能
• 更多分片字段置为 1 时表明这个帧属于一个帧的多个分片之一
• 有线等效保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法

 

 

三、移动 IP

移动 IP又称为移动 IP 协议，是由IETF 开发的一种技术。移动 IP 对现在流行的在移动中上网有着重要的意义

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

移动 IP 要解决的问题：使用户的移动性对上层的网络应用是透明的

基本概念

移动站A必须有一个原始地址，即永久地址，或归属地址。移动站原始连接到的网络叫做归属网络。归属网络中使用的代理叫做归属代理

当移动站A移动到另一个地点，接入的网络称为被访网络或外地网络。被访网络中使用的代理叫做外地代理。为移动站A在被访网络中创建的临时地址叫做转交地址

通信者 B 和移动站 A 的四个重要通信步骤

1. B 发送给 A 的数据报被 A 的归属代理截获了（只有当 A 离开归属网络时，归属代理才能截获发给 A 的数据报）
2. 由于归属代理已经知道了 A 的转交地址（后面要讲到），因此归属代理把 B 发来的数据报进行再封装，新的数据报的目的地址是 A 现在的转交地址。新封装的数据报发送到被访网络的外地代理。这里使用的就是以前讲过的隧道技术或 IP-in-IP
3. 被访网络中的外地代理把收到的封装的数据报进行拆封，取出 B 发送的原始数据报，然后转发给移动站 A。这个数据报的目的地址就是 A 的永久地址。A 收到 B 发送的原始数据报后，也得到了 B 的 IP 地址
4. 如果现在 A 要向 B 发送数据报，那么情况就比较简单。A 仍然使用自己的永久地址作为数据报的源地址，用 B 的 IP 地址作为数据报的目的地址。这个数据报显然没有必要在通过 A 的归属代理进行转发了

 

 

四、蜂窝移动通信网中的路由选择

1. 找到移动用户的归属网络
2. 归属 MSC 向其 HLR 查询现在被叫移动用户的位置。HLR 向归属 MSC 返回被叫移动用户的移动站漫游号 MSRN
3. 归属 MSC 按照所得到的漫游号码 MSRN 进行呼叫的第二段，把通信者发起的呼叫从归属 MSC 传送到被访网络的 MSC，再传送到该移动用户所漫游到的小区的基站

间接路由选择：把数据报发往移动站的归属网络，由归属代理完成以后的寻址工作，进而完成数据报转发的方式

间接路由选择可能会引起数据报转发的低效，文献中称之为三角形路由选择问题。意思是：本来在 B 和 A 之间可能有一条更有效的路由，但现在要走另外两条路：先要把数据报从 B 发送到 A 的归属代理，然后再转发给漫游到被访网络的 A