无线网络

本文内容基于 2025 秋季《计算机网络》课程讲述，如有差错，欢迎指正

无线网络简介#

组成无线网络的元素：

• 无线主机 (Wireless Hosts)：运行应用程序的端系统（如手机、笔记本、物联网设备）
  • 可以是移动的，也可以是静止的
• 基站 (Base Station)：通常连接到有线网络，负责把无线主机与有线网络连接起来（中继功能）
  • 例如：蜂窝网的塔台 (Cell Tower)、WiFi 的接入点 (Access Point, AP)
• 无线链路 (Wireless Link)：主机与基站之间，或主机与主机之间的物理传输媒介
  • 通常是在空间中通过电磁波进行传输，需要多路访问控制技术
  • 各种链路的传输速率和覆盖范围差异很大

• 左上角是WiFi协议，距离较短，传输速率较高
• 右下角是蜂窝网协议，距离较远，传输速率较低（虽然4G/5G速率大幅提升）
• 一些特殊的比如左下角的802.15，比如蓝牙，传输距离很短，速率也较低，但功耗低

无线网络的分类：

• 基于基础设施的无线网络：主机通过基站接入有线骨干网
• 自组织模式：无基站，主机之间自组织形成网络，只能在覆盖范围内通信

还可以根据数据报文是否经过多个无线链路分类：

对于无线网络，我们需要处理好如何通过无线链路传输数据和如何处理移动性这两个核心问题

无线链路特征与多路访问#

无线链路特征#

和有限链路相比，无线链路在传输中会遇到更多问题：

1. 信号衰减：在穿过物体时，或者传播距离增加时，信号强度会下降（路径损耗）
2. 其他信号源的干扰：其他同频段的信号源（如微波炉、蓝牙、其他WiFi网络）会干扰通信
3. 多径传播：无线电波通过反射，从不同路径到达接收端，两路信号叠加会引起干扰

一些定义：

• 信噪比 (SNR)：收到信息强度与噪声强度的相对值
  • 单位：分贝
  • 信噪比越高，越容易提取信息
• 误码率 (BER)：接收方收到的错误比特的比例

当不考虑外界干扰时，误码率可以由物理层性质决定：

• 给定物理层：发送的功率越大，误码率越低
• 给定信噪比：传输速率越高，误码率越高

在实际无线链路中，误码率还受到外界干扰的影响。物理层会根据不同的信噪比，自适应地调整所用的技术，以达到最好的传输效果（误码率不超过阈值情况下的最高速率）

多路访问#

由于无线链路的特征，多个主机共享信道时会遇到一些特殊问题：

• 隐藏终端问题 (Hidden Terminal Problem)：
  • A 和 C 都在 B 的覆盖范围内，但 A 和 C 互不可见（有障碍物或距离太远）
  • A 和 C 同时给 B 发数据，会在 B 处发生冲突，但 A 和 C 都不知道

在这种条件下，由于发送方根本无法检测到冲突，传统的 CSMA/CD 机制无法工作

CDMA#

CDMA （基于编码的多路访问）是一种通过编码技术实现多用户共享同一频率信道的技术。 每个用户被分配一个唯一的码片序列，发送编码后的信号。即使发生冲突，接收方也可以通过解码提取出特定用户的数据（编码正交性）。

• 编码：发送数据 1 时发送码片序列，发送 0 时发送码片序列的反码
• 解码：接收方用同样的码片序列与接收到的混合信号做内积，即可提取出特定用户的数据

CDMA属扩频(spread spectrum)通信中的一种，扩频通信通常有两大类：

1. 直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如CDMA使用码片序列就是这一类
2. 跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)，在蓝牙802.15中使用

802.11 无线局域网#

802.11 无线局域网 (WiFi) 是一个协议族，包含多个协议，不同版本间主要是在物理层的差异，链路层协议大致相同。 它们都使用 CSMA/CA 进行多路访问控制，支持基础设施模式与自组网模式

网络架构#

我们主要考虑基础设施模式下的 WiFi 网络架构：

• 网络由一个或多个基本服务集 (BSS) 组成，每个基本服务集包含一个或多个无线主机和一个接入点 (AP)
• 每个无线主机在能够发送或接收网络层数据之前，必须与一个AP关联
• 管理员为 AP 分配一个服务集标识符 (SSID)，并在频段内选择一个信道
• 主机需要和 AP 关联后，才能通过 AP 访问有线网络，有以下两种方式：
  • 被动扫描：AP 周期性发送信标帧，包含AP的SSID与MAC地址，主机监听并选择
  • 主动扫描：主机主动广播探测请求，AP 回复探测响应（有点类似DHCP）
• 主机选择一个 AP 进行认证和关联，通常还会通过 DHCP 获取 IP

CSMA/CA 多路访问控制#

CSMA/CA 的思想：

• 发送前先监听信道，以避免干扰其他正在发送的节点
• 由于无线链路的信号衰减导致发送端难以检测冲突，因此发送时不再进行冲突检测，而是发送前就尽量避免冲突(collision avoidance)

具体机制：

1. 发送前先监听，若信道空闲，等待 DIFS 时间后发送
2. 如果发送前检测到信道忙，则选择一个随机值作为计时器，信道空闲时计时器递减
3. 计时器减为0时，发送数据帧，并等待ACK
4. 收到ACK后，若马上有下一帧发送，进入步骤2；若未收到ACK，进入步骤2准备重传，并且使用更大的随机值
5. 接收方如果收到1个正确的帧，等到 SIFS 时间后，发送ACK

在传递很大的数据帧时，为了进一步减少冲突概率，一般会使用 RTS/CTS 机制：

预约机制：允许发送者“预约保留”信道，而不是随机访问

1. 发送者先使用CSMA/CA发送一个小报文RTS（request-to-send）给基站
   • 如果发生冲突，发送者会重传RTS，代价较小
2. 基站收到RTS后，广播CTS（clear-to-send）消息
3. 所有站点都会收到CTS，知道信道被预约。发送者开始传输，其他站点推迟传输
4. 发送者传输完毕后，基站发送ACK，其他站点也能收到ACK，知道信道空闲

802.11 帧格式#

WiFi 帧的头部部分有 4 个地址字段 (Addr1 ~ Addr4)，这是因为无线链路只是整个路径的一部分。

• Addr1 (接收端 MAC)：局域网内接收方无线主机或AP的MAC地址
• Addr2 (发送端 MAC)：发送方无线主机或AP的MAC地址
• Addr3 (路由器/网关 MAC)：AP所连的路由器接口MAC地址
• Addr4：仅在自组织模式使用

在后续传输中（假设是上行格式），AP 会把帧转化为后续链路格式（比如以太网）进行传递，此时源MAC和目的MAC分别是 Addr2 和 Addr3

其他字段：

• 帧控制 (Frame Control)：包含协议版本、帧类型等信息
• 序列控制 (Sequence Control)：帧序列号（区分ACK）
• 持续时间 (Duration)：预约的传输时间 (RTS/CTS)

其他功能#

自适应传输速率：

• 根据无线主机的移动，信噪比SNR发生变化
• 基站与无线主机都将动态调整传输速率

功率管理：无线主机在睡眠/唤醒两种状态间切换，睡眠状态下节省能耗

• 主机通知 AP 进入睡眠状态
• AP 缓存发往该主机的数据
• 下一个信标帧会列出有帧缓存的无线主机，如果有帧缓存，主机会唤醒，接收帧

802.15 个人域无线网#

传播直径小于10米，采取自组织方式，从蓝牙技术演化而来

工作在2.4 GHz波段，采用跳频扩频FHSS技术

蜂窝网#

在蜂窝网中，每个基站覆盖某个地理区域，称为小区 (Cell)，用户通过基站与核心网连接。 因为每个小区的形状通常是六边形，所以称为蜂窝网 (Cellular Network)

所有基站会连接到移动交换中心 (Mobile Switching Center, MSC)，MSC 负责管理用户移动性和呼叫连接。 最后，MSC 连接到公共交换电话网 (PSTN) 和互联网

蜂窝网从2G到5G不断演进，它们使用的技术和架构有很大差异：

• 2G (GSM):

  • 在第一跳上组合使用FDMA与TDMA，将信道划分为频段，每个频段划分为时间片
  • 并没有自己的一套网络，数据传输是复用的传统的公共电话网络
  • 基站通过基站控制器 (BSC) 连接到移动交换中心 (MSC)
  • MSC 通过网关 MSC 连接到公共电话网

• 3G：语音与数据分离并存。

  • 和2G相比，不再依赖公共电话网，有单独的一条通道进入到因特网中

• 4G (LTE)：控制平面与数据平面分离

  • 完全抛弃了公共电话网，只留下到因特网的连接
  • 语音、数据都封装在IP报文中，在基站-网关间传输
  • HSS (Home Subscriber Server) 存储用户相关信息，MME (Mobility Management Entity) 负责管理用户状态

蜂窝网会根据用户当前的数据传输状态来决定给用户分配多少资源，虽然不同厂商的策略不同，但总的来说，可以简化为下面的模型：

• IDLE状态：没有数据发送
• DCH：终端拥有单独信道，高速传输（能耗大）
• FACH：终端与其他终端共享信道，低速传输（能耗小）

移动性管理#

网络上的移动性并不是物理上的移动，而是指用户在不同网络间切换时，如何保证通信不中断

关键术语#

• 归属网络：每个移动设备有个长期的归属网络，一般不更换
• 归属代理：归属网络中，代表移动设备执行移动性功能的实体
• 永久地址：移动设备在归属网络中的地址，可以总是访问到该移动设备
• 外部网络：移动设备当前所在的网络
• 外部代理：外部网络中，代表移动设备执行移动性功能的实体
• 转交地址：移动设备在被访网络内的地址（比如 DHCP 分配的地址）

当用户移动到外部网络时，要向外部代理进行注册

• 外部代理为移动设备分配一个转交地址
• 外部代理（或设备自身）通知归属代理，该设备属于自己的网络，并告知转交地址

路由策略#

怎样把数据交付到移动设备上去？有两种基本的策略：

• 通过路由解决：网络中路由器为移动设备的永久地址创建路由表项，学习出路由规则
• 通过代理解决：先把数据交付给某个代理，然后由代理转发给这个移动设备

第一种方式很难处理海量的移动设备，且路由的收敛需要时间。下面我们介绍通过代理的路由方式：

1. 间接路由:
   • 通信者 $\to$ 归属代理 $\to$ 封装数据 $\to$ 外部代理 $\to$ 移动节点
   • 节点直接使用永久地址通信，数据不需要经过归属代理
   • 优点：通信者不需要知道用户移动了，转交过程透明
   • 缺点：三角路由效率低下

2. 直接路由：
   • 通信对端先向归属代理查询转交地址，然后直接发给移动节点
   • 节点使用转交地址通信
   • 优点：解决了三角路由问题，效率更高
   • 缺点：通信者必须从归属代理获取转交地址，用户若再次移动，需要复杂的锚点机制

• 用户再次移动时，第一个访问网络中的外部代理会作为锚点，继续转发数据到新的外部代理
• 通信者数据始终发往锚外部代理，由锚外部代理转发到当前访问网络
• 当设备到达新的访问网络时
  • 向新的外部代理注册（步骤3）
  • 新的外部代理向锚外部代理提供新的转交地址（步骤4）

WIFI 中的移动性#

一般来说，WiFi 网络中的移动性管理比较简单，因为移动主机通常在同一个子网内切换 AP，属于链路层的移动性

• 当移动主机H1离开当前 AP 的覆盖范围，进入另一个 AP 的覆盖。这两个AP连接在同一个交换机的不同端口上
• 移动后，H1仍在同一子网内，IP地址不变
• 交换机通过逆向学习，知道了H1连在了哪个端口

蜂窝网中的移动性#

我们这里以2G 网络为例，介绍蜂窝网中的移动性管理

• 归属位置注册器 (HLR)：一个数据库，记录了用户当前位置、电话号码以及各类用户信息
• 归属MSC：即之前提到的网关MSC
  • 归属MSC + 归属HLR = 归属代理
• 访问位置注册器 (VLR)：一个数据库，记录访问者信息
  • VLR + 被访网络的MSC = 外部代理

2G 网络使用间接路由方式传递数据，通过MSC进行转发

当用户在同一个MSC下的不同基站间移动时，发生基站间的切换（这个过程与WIFI类似，仍然属于同一个子网），这个过程由旧基站发起

当用户在不同MSC间移动时，发生MSC间的切换。这个过程使用的是间接路由，但是也引入了锚点机制：

• 设备向新MSC注册时，新MSC通知锚MSC设备位置信息

后续的3G/4G网络中，移动性管理的基本思想类似。但在4G中，由于引入了间歇性休眠的机制，休眠状态下，从一个基站移动到另一个基站，网络无法获知位置移动

• 解决方案：寻呼（paging），基站定期广播报文，确认设备仍然存在

移动性IP#

移动性IP是一个独立的协议，在传统的IP协议之上实现移动性管理，由三部分组成：

• 报文间接路由：采用报文封装的方法来进行归属代理和外部代理之间的转发
• 代理发现：外部代理通过广播ICMP报文通告代理存在
• 代理注册：移动设备向外部代理注册，外部代理通知归属代理

总结对比#