无线网络和移动网络

基本概念

  • 基站:负责协调与之关联的多个无线主机之间数据的传输。比如蜂窝塔,802.11无线LAN中的接入点。

  • 基础设施模式:与基站关联的主机以此模式运行。

  • 网络基础设施:无线主机希望与之进行通信的更大的网络。

  • 单跳和多跳:

    • 单跳网络:在传统的无线局域网(WLAN)中,每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络,用户如果要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的接入点(AP),这种网络结构被称为单跳网络。
    • 多跳网络:在无线多跳网络中,源结点到目的结点之间的典型路径是由多跳组成的,该路径上的中间结点充当转发结点。
    • 单跳和多跳
      单跳和多跳
  • 信噪比(SNR):所收到的信号和噪声强度的相对测量,信噪比越高,接收方越容易从背景噪声中提取信号。

  • 比特差错率(BER):接收方收到有错传输比特的概率。

无线网络和有线网络的区别

  • 无线网络中信号强度逐渐递减。
  • 无线网络中信号会受到其他源的影响。
  • 无线网络中由于电磁波被反射等影响会出现多径传播。

Ad-Hoc Network

  • Ad-hoc网络是由相互直接通信的各个设备组成的网络,常常绕过集中的接入点。是点到点的网络,没有基站。

IEEE 802.11 wireless LAN(WiFi)

  • 工作的主要频段:2.4GHz 和 5GHz
  • 体系结构(Architecture):
    • BSS(基本服务集):包含一个或多个无线站点和一个接入点(AP)的中央基站,每一个站点和基站都有理论上唯一的6字节的MAC地址存储在该站的适配器(网卡)中。
    • ESS(拓展服务集):由DS(分布式系统)连接多个BSS构成,这个DS可以是交换机,有线网络或无线网络,其作为一个逻辑局域网出现。

IEEE 802.11 services

  • Distribution service and Intergration service
    • Distribution service: 在ESS中如果一个帧要从一个站点到达另一个BSS中另一个站点,则需要使用该服务,如果两个站点在同一个BSS中,则该服务逻辑上使用单个AP.
    • Intergration service: 当一个站点要发送一个帧到达LAN中时,就使用Intergration service。
      DS and IS
      DS and IS
    • IEEE 802.1X是IEEE制定关于用户接入网络的认证标准,在用户接入网络(可以是以太网/802.3或者WLAN网)之前运行。
  • Authentication/Deauthentication
    • 用于建立站点之间的联系,可在association之前使用。
    • 即wifi是否需要输入密码。
  • Privacy
    • 每一个AP都会对传输的数据加密。
  • Association/Reassociation/Disassociation
    • association服务目的是建立站点和AP之间的一条虚拟线路,同时使的在ESS中的AP之间可以互相通信。
    • reassociation服务使得站点可以从一个BSS移动到另一个BSS中,即切换associate的AP
    • disassociation服务终止关联。

主动扫描和被动扫描

  • 被动扫描:
    • 每个AP每个一定时间在自身所在信道中发送一个信标帧(含AP的SSID(服务集标识)和MAC地址)。
    • 设备扫描所有信道获取信标帧,选择一个AP发送关联请求帧
    • AP向设备发送关联响应帧.
  • 主动扫描:
    • 设备发送广播探测帧
    • AP发送探测响应。
    • 设备选择AP发送关联请求帧
    • AP向设备发送关联响应帧

802.11 MAC协议

  • 同一信道可能冲突所以需要一个多路访问协议来协调,选用随机访问协议(CSMA/CA)
    • CSMA/CA是尽可能避免冲突而CSMA/CD是冲突检测,这是因为:
      • 冲突检测能力要求站点具有同时传输和接收数据的能力,而在无线网络中,发送的信号强度远大于接收的信号强度,制造硬件成本过高
      • 即使拥有这样的硬件,但也会因为隐藏终端信号衰减问题无法检测到所有的冲突。
    • 802.11 链路层确认方案,接收方接收完发送方发送的数据帧后,等待一个SIFS(短帧间间隔)发送一个ACK帧,如果发送方在规定时间内未收到则视为发送失败重发,重发超过一定次数则放弃。
    • CSMA/CA协议过程:
      • 某站点监听到信道空闲,等待一个DIFS(分布式帧间间隔),发送帧。
      • 否则选取一个随机回退值,并在侦听到信道空闲时递减该值,信道忙时,保持该值不变。
      • 数值减为0时(此时一定信道空闲),站点开始发送整个数据帧并等待确认。
      • 收到确认则知数据帧已经被成功接收,反之则回到步骤2并选取范围更大的回退值。
    • 如果向CSMA/CD协议中那样一旦检测到信道空闲就开始传输数据,那就很容易出现冲突。
    • 隐藏终端处理
      • 问题描述:A节点可以和B节点相互传输,B可以和C相互传输,但A不能直接和C相互传输,那么可能A,C之间互相听不到对方的传输而导致冲突。
      • 解决方法:使用RTS(请求发送控制帧)和CTS(允许发送控制帧)。发送方在发送数据帧之前要先发送一个RTS来抢占信道,AP收到RTS后会根据情况发送一个CTS,CTS同时通知发送方是否可以发送并且阻碍其他站点的发送。
        过程
        过程
    • 除了SIFS和DIFS还有PIFS,其一般由AP使用,用于抢占信道,AP发送信息的优先级高于一般节点。
    • PCF(Point Coordination Function)
      • 在传输数据最初,AP会利用PIFS抢占信道,进入无竞争期间。
      • AP会轮询并使用CF-Poll帧来请求与其关联的站点发送数据,若没有数据则发送Null frame,并且如果AP采用的是Data+CF-Poll,站点还需在数据帧后加上ACK帧
      • AP接收到数据后会发送一个CF-ACK确认接收到数据,并用CF-Poll请求下一个站点。
      • 在轮询结束后AP会使用 CF-end帧来表示无竞争时期结束,各站点可以通过DIFS来抢占信道,发送信息。
        完整过程
        完整过程

802.11 MAC帧

  • 管理帧:管理站点和AP是否关联,管理认证,同步等,比如信标帧
  • 控制帧:CTS,RTS,ACK,CF-end,CF-ACK
  • 数据帧:(Data) + CF-ACK/CF-Poll/CF-Poll+CF-ACK

网络性能

  • 利用率: $U=\dfrac{Time~for~frame~transmission}{total~time~for~a~frame}$
  • 相对传播时间:$a=\dfrac{propagation~time}{transimission~time}$
  • 点对点的连接网络:
    • 设传输时间为1,则传播时间为a.
    • $U=\dfrac{1}{1+a}$
  • 令牌环:
    • 设传输时间为1,则传播时间为a.同时设$T_1$为平均传输一个帧的时间,$T_2$为平均传输完成一个帧后将令牌传给下一个节点的时间,则$U=\dfrac{T_1}{T_1+T_2}$
    • 如果$a<1$即传播时间小于传输时间,则当第一个bit传播完成后,还未传输完成,所以$T_2=a/N(N为节点个数)$,所以$U=\dfrac{1}{1+a/N}$
    • 如果$a>1$即传播时间大于传输时间,则传输完成后还需要$a-1$的时间才能完成传播,所以$T_2 = a-1+a/N$,所以$U=\dfrac{1}{a+a/N}$
  • 时隙ALOHA:
    • 设一个节点成功的概率为p,则在一个时隙中有一个节点成功传输的概率$Pr = Np(1-p)^{N-1}$,求得$p = 1/N$的时候取得最大值为$Pr_{max} = (1-1/N)^{N-1}$,当$N\rightarrow \infty,Pr = 1/e$
  • ALOHA:
    • 设每个节点在每时隙传输的概率为p,一个时隙正好是一个帧传输的时间。
    • 设有一节点在$t_0$时开始传输,则其传输成功的条件是其他节点既不在$[t_0-1,t_0]$时隙中传输也不在$[t_0,t_0+1]$时隙中传输,所以任意一个时刻有一个节点成功传输的概率$Pr = Np(1-p)^{N}(1-p)^{N-1} = Np(1-p)^{2N-1}$,求得$p = 1/2N$时最大值为$Pr_{max} = 1/2(1-1/2N)^{2N-1}$,当$N\rightarrow \infty,Pr = 1/2e$
  • CSMA/CD:
    CSMA/CD
    CSMA/CD
    • 每一个冲突时隙的长度为2a(最坏情况)
    • 设在一个时隙传输的概率为p
    • 则一个节点成功传输的概率$Pr =Np(1-p)^{N-1}$,最大值为$(1-1/N)^{N-1}$
    • 因为有冲突我们考虑冲突次数的期望,考虑在一个冲突间隔中冲突时隙的个数恰为k个的概率$Pr_k=(1-A)^kA$(k个冲突后一个成功),则期望为$\sum_{k=0}^{\infty}Pr_k = \dfrac{1-A}{A}$
    • 所以$U=\dfrac{1}{1+a+2a\times\dfrac{1-A}{A}}$,当$N\rightarrow\infty,Pr\rightarrow1/e,U =\dfrac{1}{1+(2e-1)a}$

802.11 帧

TBD