无线网络和移动网络

无线网络的分类根据：1. 分组是否跨越多个无线跳，2. 是否有基站这样的基础设施

• 单跳 + 有基础设施：普通的室内 Wifi，3G，4G 网络
• 单跳 + 无基础设施：蓝牙，具有自组织模式的 802.11
• 多跳 + 有基础设施：无线网状网络。结点为了与某基站通信，需要通过其他无线结点做中继。
• 多跳 + 无基础设施：移动自组织网络（MANET），车载自组织网络（VANET）。

无线链路的网络特征：信号强度递减，其他信号源干扰，多路径传播。

CDMA，码分多址，对每一个数据比特都进行编码，如 1 编码为（1,1,-1,1,1,1,-1,-1）（实际要长得多），0编码相反。编码后发送到无线链路，每个比特发送都需要 1 比特时隙时间。当无干扰时，接收方通过编码序列（1,1,-1,1,1,1,-1,-1）可以得到原数据比特。当有干扰时，CMDA 认为链路信号是叠加的，不同设备使用不同的编码，信号叠加后，如果编码是精心挑选的，接收方仍可通过编码序列恢复算法恢复特定设备的原数据比特。

WiFi，也称 IEEE 802.11 无线 LAN，从 90 年代研发的许多无线 LAN 标准和技术中胜出。现有几套相关标准：b，a，g。

• 802.11b，2.4GHz，85MHz 频段，最大速率 11Mbps
• 802.11a，5GHz，700Mhz 频段，最大速率 54Mbps
• 802.11g，2.4Ghz，85MHz 频段，最大速率 54Mbps
• 802.11n，多输出多输入（MIMO），可达几百 Mbps
• 其他，如 802.11i，使用更安全的加密算法 AES 设计加密协议

这三个标准都是用相同的媒体访问协议 CSMA/CA，使用相同的帧格式，都具有降低传输速率以到达更远距离的能力，都允许“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。但物理层有重要区别。

802.11b 频段和 2.4G 电话与微波炉一样；802.11a 频率高，所以传输距离短，受多径传播影响更大。g 是 b 的速率升级版，向后兼容。

802.11b/g 定义了 11 个部分重叠的信道，仅当 2 个信道间隔 4 个信道以上时才无重叠。

802.11 要求每个 AP 周期性地发送信标帧（beacon frame），包含 AP SSID 和 MAC 地址。设备接收到信标帧后，一般选最高信号强度用于关联。

802.11 的链路层协议，CSMA/CA，带碰撞避免（CA）的载波侦听多路访问，每个站点在传输之前侦听信道，一侦听到该信道则抑制传输。因为无线设备实现碰撞检测因物理特性原因效果不好。

以太网使用碰撞检测；802.11 使用碰撞避免，并使用确认重传（ARQ）来保证较高误比特率下的效率。

802.11 帧：

帧控制 2 | 持续期 2 | 地址1 6 | 地址2 6 | 地址3 6 | 序号控制 2 | 地址 4 | 有效载荷 0~2312 | CRC 4

地址 2：传输该帧的站点的 MAC 地址

地址 1：要接收该帧的站点的 MAC 地址

地址 3：当设备和路由器中间隔着 AP 时，用于定位目的 MAC 地址

当设备移动时，会从一个 BSS 移动到另一个 BSS。如果 BSS 属于同一个子网（此时接入点 AP 是交换机），则 IP 地址不变，TCP 连接保持连接。如果不属于同一个子网（此时接入点 AP 是路由器）

802.11 还有几个特性：

1. 速率适应：当结点离基站近时，信噪比高，使用高速率；远时信噪比低，发送失败率高，此时用低速率。速率变化的条件是一个结点连续发送两个帧而没有收到确认，则降低速率；如果连续 10 个帧收到确认，则提高速率。策略和 TCP 相似。

2. 功率管理：结点想要休眠时，会发送帧通知接入点，接入点会缓存休眠结点的所有帧，以后再传输。结点会在信标帧发送前唤醒自己（250us 就能唤醒，而信标帧 100ms 发送一次），然后接入点会在信标帧发送的同时把缓存的帧一并发过来。结点无发送接收帧的情况下，99% 时间都在休眠。

蓝牙，802.15.1 无线个人区域网络（WPAN），2.4 GHz，时隙长度 625us，79 个信道。时隙之间以一个已知的伪随机方式变更信道，称为跳频扩展频谱（FHSS）。速度可达 4Mbps。蓝牙是自组织网络，会建立可多达 8 个设备的皮可网（piconet），其中一个被指定为主设备，其余为从设备。主设备控制皮客网，时钟以主设备为准，奇数时隙中发送，从设备收到后在下一个时隙会回复主设备。蓝牙还可以有多达 255 个寄放设备。

ZigBee，802.14.5，比蓝牙更低功耗，低速率，低成本。ZigBee 定义了 20kbps，40kbps，100kbps，250kbps 的信道速率。

蜂窝因特网，称为 GSM，1G 是模拟 FDMA 系统，专门用于语音通信，2G 是 FDM/TDM，扩展了对数据（因特网）的支持（2.5 G）。3G 4G 提高速率。

移动 IP，是指移动结点在切换不同的接入点时，通讯保持连接无需断开的解决方案。每个移动结点都有一个归属网络（home network），归属网络中执行移动管理功能的实体叫归属代理（home agent）。移动结点当前所在的网络叫外部网络（foreign network），或被访网络（visited network）。与该结点通信的实体叫通信者（correspondent）。

外部代理的作用就是为移动结点创建一个转交地址（Care-Of Address，COA），COA 用于将数据报通过外部代理重新路由选择到移动结点。即封装一层转发过去。

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链路层

链路层协议的任何设备称为结点（node）

沿着通信路径连接相邻结点的通信信道称为链路（link）

链路层协议功能：

• 成帧（framing）。把数据报（segment）封装成帧。

• 链路接入。媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）用于协调多个结点共享单个广播链路时候的帧传输。

• 可靠交付。通过确认和重传保证无差错移动每个网络层的数据报。对于差错率低的链路，如光线，同轴电缆等，则不提供可靠交付，由上层保证可靠交付。

• 差错检测和纠正。（通过校验和）

链路层使用更复杂的 CRC 差错检测是因为其使用了专门的硬件实现。

有两种网络链路：点对点（point-to-point link）链路和广播链路（boardcast link）。

点对点链路使用点对点协议（point-to-point protocol, PPP）和高级数据链路控制协议（high-level data link control, HDLC）。

广播链路涉及协调多个发送和接收结点对一个共享广播信道的访问，也就是多路访问问题（multiple access problem）。对应的协议叫多路访问协议（multiple access protocol）。

多路访问协议可分为三大类：信道划分协议（channel partitioning protocol），随机接入协议（random access protocol），轮流协议（taking-turns protocol）。

信道划分协议：
时分多路复用（Time Devision Multiple，TDM）将时间平均分为多个片，每个信道一个片。优点是公平，简单，缺点是只有一个分组时速度仍然是 R/N，造成资源浪费。
频分多路复用（Frequency Devision Multiple，FDM），把频率分片，优缺点和 TDM 一样。
码分多址（Code Division Mupltiple Access，CDMA），不同节点分配不同的精心选择的编码，使得不同结点可以同时传输。

随机接入协议：
节点总是以全速 R 进行发送，当发生碰撞时，结点会反复等待一个随机时延然后重发，直到无碰撞通过为止。

轮流协议：
轮询协议（polling protocol），其中一个结点指定为主结点，主节点以循环方式轮询（poll）每个结点。优点避免碰撞和随机时延，缺点引入了轮询时延。
令牌传递协议（token-passing protocol）。一个称为令牌（token）的小点的特殊帧在结点之前以某种固定次序进行交换。当结点需要发送帧时，才会持有该令牌，否则会立刻传递给下一个。优点是效率高，缺点是不能兼容单点故障。

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MAC 地址与硬件设备绑定，不会发生变化。

主机和路由器接口除了 IP 地址还有 MAC 地址的原因是：

• 局域网是为任意网络层协议涉及的，不仅用于 IP 和因特网。

• IP 是变化的，则 IP 地址必须存在 RAM，且在上电时初始化

• 保持各层独立。

ARP（地址解析协议，Address Resolution Protocol），IP 转 MAC 地址的转换协议。每台主机或路由器在其内存中具有一个 ARP 表（ARP table），这张表包含 IP 地址到 MAC 地址的映射关系。因为涉及 IP，所以这是一个网络层协议。

如果表中没有对应 IP 地址的记录，则发送一个 ARP 分组（ARP packet）来查询。ARP packet 的目标地址是 MAC 广播地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF。子网的所有其他适配器都会收到。如果查询的 IP 地址和自己的 IP 地址匹配，则回复一个相应 ARP packet。

网络层跨网传输时，数据报会首先发送到路由器对应的 MAC 地址，再由路由器转发出去。

以太网是目前为止最流行的有线局域网技术，其他技术还有 FDDI 和 ATM。

以太网一开始在 70 年代是通过同轴电缆总线来互相连接，到了 90 年代后期进化为集线器，使用星行拓扑结构；21 世纪早期进化为交换机（switch）。交换机是“无碰撞的”，是储存转发分组的交换机。

以太网帧结构：

前同步码（8） | 目的地址（6） | 源地址（6） | 类型（2） | 数据（46~1500） | CRC（4）

前同步码用于唤醒适配器，并与发送方时钟同步，是固定的值。前 7 字节 10101010，最后 1 字节 10101011。类型字段用于记录网络层协议。

以太坊是无连接的。

交换机两个功能：过滤（filtering）决定是否要转发这个帧，转发（forwarding）决定帧应该被导向到哪个接口。过滤和转发通过交换机表（switch table）完成。

交换机表内容包含：mac 地址，输出接口，表项建立的时间

当一个帧到达交换机，交换机会查找该帧的目的地址对应的表项。这可能有三种情况：

1. 没有对应项，此时向所有接口转发（即广播）该帧，后续处理属于自学习功能。

2. 有表项，但输出接口和收到的接口一致。此时丢弃。

3. 有表项，且接口不一致。此时转发。

自学习：交换机表一开始可能是空的，但经过一定时间后，交换机可以自行建立出一个可行的交换机表。

交换机可以消除碰撞，兼容不同链路，并且使安全性管理功能称为可能。

交换机和路由器比较：交换机即插即用，性能好，但是是扁平的，单局域网的，不能阻止广播风暴；路由器是分层次的，允许以丰富的拓扑结构构建因特网，但速度慢一些。

虚拟局域网（Virtual Local Network，VLAN）可以提供交换机局域网没有的，流量隔离，不同局域网共享一个交换机，管理用户的功能。

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