计网学习笔记五 wireless && mobile networks

Posted on by hackdl

老师把无线网络用一节课一遍过了…感觉没能学透，便课后自己总结，看书，找资料补充，把无线网络大概摸了个七七八八。虽然不算精细，但还能看！内容包括WLAN总概，WiFi—WLAN的实现，802.11规定的帧结构，以及蜂窝网络。

强烈推荐一本书：《802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide》， 2nd Edition by Matthew S. Gast；这本书有效地帮助了这节课的复盘。

还有推荐一个知乎的博主徐工徐方鑫，在这方面的知识能学到很多！

无线局域网的组成

无线网络在近些年来一直是个非常流行的东西。现在的移动用户数量已经大大超过了有线用户数量，比例大于5:1。

实现无线网络的挑战性

从有线到无线是网络构建上一个伟大的设想，挑战性主要集中在wireless和mobility两个点上。

这两个是不同的概念！不要混为一谈！两个概念不等价，虽然很紧密。

  • wireless无线：如何使用无线链路进行通信

  • mobility移动性：如何处理改变网络连接点的移动用户，即用户可以随时改变接入节点（mobile的节点链路不一定是无线的，有线网络也有着随时拔线插线的问题，这也是一个移动性问题）

组成无线网络的元素

根据无线网络中所处位置的不同，我们可以将组成元素分为三类：

  • wireless hosts无线终端：

    • 包括笔记本电脑、手机
    • 负责运行应用程序
    • 可以是固定的，亦可以是移动的

  • base station基站：

    • 例子有cell towers, 802.11 AP
    • 一头连到有线网络，一头负责无线终端的中继
    • 家里的AP就相当于一个小基站
    • 中国有铁塔公司，专门负责基站铁塔建造

  • wireless link无线链路：

    • 用来连接移动终端和基站
    • 有很多区别，局域网（WLAN)和广域网（4、5G）
    • 可以通过多跳来中继，不用拉电缆

各种无线标准

因为无线通信受距离影响极大，所以根据距离的不同有不同的无线协议标准。（距离很长很长就进行长波通信，如渔船潜艇；再长就到卫星通信）

两种应用模式

  • 传统的infrastructure mode：

    • 使用基站做无线通信
    • 可以随时handoff（快速切换）

  • 新兴的ad-hoc mode：

    • 无线自组织网络，不用AP，就直接互联；（p2p连接，无基站）
    • 军用，如舰队，因为使用infrastructure mode要有舰船做通信舰，被打掉通信就无了；还有军用无人机队协同作战也是采用ad-hoc mode。

    下图展示了两种模式在通信中所处单跳和多跳环境时的不同之处：

无线链路因为其无线信号传播的性质，和有线链路有几个不同之处：信号易衰减，多路传播自干扰，以及不同源干扰。

信号衰减

信号在传输过程中受到的损伤可以分为衰减、噪声和失真几种。在课上主要学习了信号的衰减的量化指标 和 噪声指标相应的的量化关系。

无线信号在路径上通过介质传播时，强度会因为反射，衍射，吸收，地形轮廓(城市，农村，植被)，湿度等因素不断减弱。这也被称为路径损耗（Path loss）。这个损耗的指标用一个叫自由空间损耗（FSPL）的值来衡量，它是一个“增益负值”，可以表示信号总发送功率和接收功率之间的比值关系，单位为分贝。
$$
FSPL = P_L = 10lg(frac{P_{recv}}{P_{tran}})=10lg(frac{4pi{d2}}{lambda{2}}) = 20lg{d} + 20lg{f} + 32.44
$$
可以看看这篇文章，写了有关FSPL的推导：802.11协议精读15：链路模型（基于Free-Space Path Loss）。上图即为自由空间损耗模型。

除了衰减，信号在传输过程中也会受到一定的噪声干扰，噪声是指 在传送和接收之间的某处插入的不希望有的信号。在计网课上并没有详细阐述噪声的类型，但给出了信噪比（SNR）和误码率（BER）之间的量化关系。

信噪比是表征信号质量的重要指标之一。绝对信号功率是影响信号质量的重要因素，但并不代表信号质量——也就是说并不是绝对信号功率越强，信号质量越好。而 SNR 作为信号功率和噪声功率的比值表示，可以有效预测通信系统中信号的质量，可以说SNR是越高信号质量越好的；同时，噪声叠加会导致解码器解码错误，错误衡量的指标就是 BER 。总的来说，SNR越高，BER则越低。

下图展示了SNR和BER在不同调制编码方式（物理层）下的关系：

可以看到：

  • 在同一调解方式下，SNR越高，则BER越低；
  • 即使在同一SNR下，随着调解深度增加，BER也会跟着升高。

所以我们要对SNR和BER做出一定的权衡。

  • 同一调解方式下可以通过升高SNR来获取比较好的BER，但是，SNR是不能无限升高的，尽管可以通过增强信号来增加SNR，但过高会导致放出的能量过大，对人体有害。

  • 给定了SNR，可以选择一个调制编码方式（物理层）来选取相对的BER（越先进即越深的调制编码越容易受干扰，因为一个信号中带的bit较多）

  • SNR会根据移动性来变换，动态切换调制编码方式（可以看看拿着手机的时候，自己的网速会跟着自己的移动而变化）

这里有一篇文章值得看一看：无线通信中的SNR、SINAD和SINR

自干扰

无线信号不是按照一个确定的直线方向进行传播的，就像上面所给出的自由空间损耗模型；信号在传播时会接触到不同的表面而产生反射，这些反射会导致信号传播的时差，从而到达目的地时会产生叠加，形成自干扰。如下图：

其它发射源干扰

如果在同一时间有其他设备与你一起共享无线网络频段(如2.4 GHz的信道叠加)，就会产生一定的干扰；除此之外，一些无线设备(如蓝牙鼠标、键盘，甚至USB3.0等)也会干扰你的信号。

这篇文章讲了对WIFI网络信号的影响因素：What affects Wi-Fi networks？里面提到了各种各样的发射源干扰。

无线网络特点（Network）

把目光从无线链路放到无线网络上，无线网络也有一些总体的特点：

  • 传播媒介是broadcast的：任何在邻近的接收端都能收到信号，以及对发送端造成干扰；

  • 半双工：即不能同时收发信号；尽管在近些年来研究发现全双工是可以实现的，但是在商业成本上过高。可以看看这篇回答：为什么有线网络可以全双工，而无线网络只能半双工呢?

  • 发送端发送的信号并不总是以接收端接收到为结束；

  • 产生的问题：多址接入问题，隐藏终端问题（Hidden terminal problem）

WiFi–IEEE 802.11 WLAN

WiFi我们平时常常挂在嘴边，但它和802.11协议簇有什么关系呢？简单来说，IEEE 802.11是无线局域网的实现标准，Wi-Fi是对IEEE 802.11标准的产品实现，IEEE 802.11的标准并不等同于Wi-Fi。

Wi-Fi是Wi-Fi联盟的商标。Wi-Fi联盟是一个为了推动IEEE 802.11标准的商业组织，其主要目的是在全球范围内发展基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。IEEE 802.11提出的标准较为理论化，在实际生产中，各个厂家对于Wi-Fi产品的实现不尽相同，Wi-Fi联盟很好地解决了符合IEEE 802.11标准的各Wi-Fi产品生产和设备兼容问题。

也就是说，IEEE 802.11侧重无线局域网理论层面，包括物理层、MAC层相关技术标准制定；Wi-Fi联盟侧重产品层面，对符合IEEE 802.11标准要求的产品制定规范以达到设备兼容的目的。

IEEE802.11 WLAN的组成结构

组成元素对应的术语如下：

  • Station(STA): device with IEEE 802.11 conformant MAC and physical layer
  • Access Point (AP): Provides access to the distribution system via the wireless medium
  • Basic Service Set (BSS)：A single cell coordinated by one access point (base station)
  • Extended Service Set (ESS)：Multiple BSSs interconnected by Distribution System (DS)

    • DS can be a switch, wired network, or wireless network
    • An ESS appears as a single logical LAN
    • Portals (routers) provide access to Internet
  • Distribution System (DS): A system used to interconnect a set of BSSs and integrated LANs to create an ESS

PS：IBSS为 Independent Basic Service Set，可以说是在ad-hoc mode下的BSS。WDS为wireless distribution system。

Host连接到WLAN的过程

我们以802.11b协议为标准来做一个简单的举例。

  1. 802.11b的频段在2.4GHz-2.485GHz 之间，共划分为了11个信道，AP管理员可以选择一个干扰比较少的信道来提升通信效率；
  2. 需要进行无线通信的host必须与AP进行连接，在连接前host会扫描信道，侦听包含AP名称(SSID)和 MAC的信标帧（beacon frame）（即扫描有啥WIFI可以连接）；
  3. host选择一个AP进行连接，连接可能需要经过认证（authentication ）；
  4. host将通常使用 DHCP 来获取 AP 子网中的 IP 地址。

来看看其中的一些过程以及产生的问题：

Host侦听SSID和建立连接

Host的侦听过程发生在host将无线信号接入到已经扫描到的channels的过程中，过程可以分为passive和active两类：

Passive Scanning（左图）：AP们会不断地往周围发出信标帧，间隔为100ms；Host扫描（本地网卡在每一个信道上进行轮换扫描）接收到后，发出一个选择AP的request帧，AP们收到request帧后，被选择的对应AP返回一个response帧给Host，连接建立；

Active Scanning（右图）：首先Host会在不同的channel上周期性广播一个probe-request帧（这个帧有两种格式，见链接），然后等待AP们收到该帧后返回的probe-response帧（带着各个的SSID）；Host接收到后，发出一个选择AP的request帧，AP们收到request帧后，被选择的对应AP返回一个response帧给Host，连接建立；

这两篇blog给出了详细的阐述：802.11中的主动扫描与被动扫描，wifi的主动扫描和被动扫描

还有一个好回答！能学到东西：有关WIFI中的扫描SSID的问题？

多址接入产生的问题

如图，多址接入会产生隐藏终端、信号衰减、暴露终端等问题。其中比较重要的是隐藏终端hidden terminal问题。

什么是 hidden terminal problem？这里有太长不看的锻炼英语能力的阐释：The Hidden Terminal Problem；用我们的话来说，就是存在两个或以上的STA，这些STA在距离上离得非常远（超出彼此传输范围），谁也不知道谁的存在，但他们却要同时向接收端（AP）发送数据，就像上图A和C被一座大山挡着了一样。

这个问题会让A和C在发送的时候都会认为当前信道空闲，导致数据在B处产生了collision。

那么该如何解决呢？采用了 IEEE 802.11 RTS/CTS 协议！

  1. A要发送数据了！先往B发送一个RTS（Request to Send ）帧；
  2. RTS帧在传播出去的过程中，起到了通知A附近的STA“我在发送，勿扰”的作用；
  3. B接收到了RTS，给A返回一个CTS（Clear to Send）帧；
  4. CTS帧在传播出去的过程中，起到了通知B附近的STA“我要接收数据了，勿扰”的作用（尤其是C，让它不要再往B发送数据，表示信道繁忙）；
  5. A发送数据，B接收到后返回ACK，传输完成。

PS：RTS/CTS exchange is a required function, but can be disabled.

隐藏终端是由于监听到的信道空闲而不是真的空闲，故引发冲突。而暴露终端是由于监听到的信道忙而不是真的忙，故其可以传输而不传输。

还是继续来一篇好文章，深入解释：802.11协议精读5：隐藏终端和暴露终端

802.11协议结构

PS：最下面一层是物理层即编码方式的选择。

帧间间隙

在详细阐述两种802.11MAC类型以及对应的协议机制前，我们先来引入关于帧间间隙的概念：

在802.11使用的CSMA/CA协议中，发一个帧之前，都需要 “等待” 一个相应的帧间间隔，比如发送数据之前至少要等待DIFS时间，发送ACK之前需要等待SIFS时间。这种机制可以有效地避免传输冲突。而不同类型的traffic需要不同的优先级，我们可以根据优先级来分配帧间间隙，那么有哪些帧间间隙？对应各类优先级？

  • SIFS (Short Inter_Frame_Space)：短帧间间隙，发送ACK，、LLC（链路层控制）的控制信息数据包、轮询回应、CTS……时使用，基本都为控制信号；
  • PIFS(point coordination function IFS)：点协调帧间间隙，被中心控制器使用（中心节点），发送轮询信息时使用；
  • DIFS（Distributed coordination function IFS）：分布式帧间间隙，用于所有普通异步通信信息（就是最普通的发信息啦）

两种MAC类型

无线的MAC主要有两类：PCF和DCF（也就是两个MAC子层）。其中DCF是指分布式协调功能，分布式控制，用于传输异步数据；PCF是指点协调功能，集中式控制，用于发送实时数据，优先级仅次于控制帧。

下面是IEEE给出的DCF和PCF定义：

IEEE 802.11 defines two MAC sub-layers:

  1. Distributed Coordination Function (DCF) – DCF uses CSMA/CA as access method as wireless LAN can’t implement CSMA/CD. It only offers asynchronous service.
  2. Point Coordination Function (PCF) – PCF is implemented on top of DCF and mostly used for time-service transmission. It uses a centralized, contention-free polling access method. It offers both asynchronous and time-bounded service.

Both DCF and PCF are 802.11 medium access types that are the mechanisms for the implementation of CSMA/CA in WLAN.

在当前的802.11协议中，除了初始定义的DCF和PCF工作模式外，在802.11e中还定义了EDCA，HCCA（DCF被扩展为EDCA模式，PCF模式被扩展为HCCA模式）。

PCF和DCF和两种无线应用模式的关系（DCF and PCF in Wifi-networks）：PCF只在infrastructure module中使用，因为PCF需要一个站点作为point coordinator.

DCF 分布式协调MAC

DCF使用CSMA/CA机制进行数据传输。在DCF模式下存在两种子模式：Basic模式与RTS/CTS模式。其中Basic模式就是CSMA/CA机制的使用模式，而RTS/CTS模式在前文我们以有所讲解。

CSMA/CA机制

由于无线信道只有一个冲突域的特性，所以需要设置一种随机接入机制，以避免多个节点同时访问网络所带来的冲突问题，在WiFi协议中，该随机接入机制即是CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）。

CSMA/CA和以太网中使用的CSMA/CD都是基于CSMA机制，但在细节方面有着许多的不同。CSMA/CA主要是要“避免”冲突的出现。来看一个时序图：

可以看到两个STA的竞争信道的步骤为：

  1. 如果当前信道idle，先等待DIFS；
  2. 然后进行backoff过程，backoff采用的是BEB机制；
  3. backoff数值减至0而expired后，STA2发送数据帧；
  4. STA2成功发完数据，AP校验完确定接收后，等待SIFS向STA2发送ACK；
  5. STA2接收到ACK，传输完成，开始下一次DIFS；这时STA1的backoff值是继承上次没减完的值，这是为了保证公平性。

如果没有收到ACK，则如图：总共等待EIFS时间后重新开始信道竞争。（EIFS=SIFS+ACK+DIFS时间）

PS：当一个站要发送数据帧时，仅在下面的情况下才不使用退避算法:检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。

PCF 点协调MAC

在PCF中，必须要有一个coordinator来保证无竞争媒介接入。在802.11中，coordinators须为AP，所以PCF只能在infrastructure mode中使用（但不是全程使用，由于PCF是以DCF作为基础扩展的，所以 infrastructure mode中往往是PCF和DCF交替提供服务）；当PCF使用起来的时候，媒介上的时间段被划分为contention-free周期（PCF控制访问）和contention周期（DCF控制访问）。

PCF的过程如下：

  1. 无线网络配置好由coordinator控制的具有time-sensitive的多个STA；
  2. coordinator“抓住”媒介，“锁住”全部的异步通信量，以轮询方式对STAs进行轮询；
  3. 收到轮询时，STA可以等待SIFS后进行data响应；
  4. 如果coordinator收到响应，就再等待PIFS后发出下一个轮询；
  5. 如果在预期的周转时间内没有收到响应，coordinator将发出下一个轮询；
  6. 重复步骤直到当前周期结束，开始下一周期；

PS：新的标准中PCF已经被废弃。

802.11MAC的逻辑图如下：

结合文章802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA和802.11协议精读4：PCF工作模式来看，还有一个问题的回答802.11协议中为什么DCF比PCF应用更广泛？，能很好地理解。

802.11帧结构的特别地方

PS：对802.11帧各个字段的详细阐述：IEEE 802.11 Mac Frame

看到这个帧结构时是不是会觉得莫名奇怪？先撇开其它不谈，为什么802.11帧会有四个地址？

课上给出了一定的解释：

课上说，前三个地址使得无线帧可以“转换”成有线帧，即从802.11转换到802.3。

那dest的地址字段不用填了？明明在802.3的LAN中就只有两个地址字段（src和dest）……而802.3中的bridge和switch对host来说是透明的，也不见得要填它们的MAC啊……虽然第三讲中有“当主机想要向外网通信时，需要用寻找的MAC是第一跳路由器的MAC”，但对于WLAN来说，还是讲得不清不楚啊！自己动手，丰衣足食！

在stackexchange上找到了同样有疑惑的老哥：Four layer-2 addresses in 802.11 frame header，回答里面提到，当802.11设备向接收设备发送数据时，这些设备中的一个(或两个)可能不是流量的实际源或目的地。面对这种情景我们可以构建四个地址，这是一点准备工作；

  • Transmitter Address (TA)
  • Receiver Address (RA)
  • Source Address (SA)
  • Destination Address (DA)

查阅帧结构发现：

四个地址字段和frame control字段中的DS位有关：

  • Address 1 to 4 – These are 6 bytes long fields which contain standard IEEE 802 MAC addresses (48 bit each). The meaning of each address depends on the DS bits in the frame control field.

DS位又和分布式系统有关……

  • To DS: It is a 1 bit long field which when set indicates that destination frame is for DS(distribution system).
  • From DS: It is a 1 bit long field which when set indicates frame coming from DS.

蝙蝠书给出了一个对应不同功能填写地址字段的表：

Function ToDS FromDS Address 1 (receiver) Address 2 (transmitter) Address 3 Address 4
IBSS 0 0 DA SA BSSID Not used
To AP (infra.) 1 0 BSSID SA DA Not used
From AP (infra.) 0 1 DA BSSID SA Not used
WDS (bridge) 1 1 RA TA DA SA

可以说，在802.11中，transmitter并不一定就是帧的creator，同样，receiver并不一定就是最终解包的processor。根据功能的不同，地址字段的填写也不同。课上的情况其实就是二和三行的情况，Address3填写的是路由器的MAC地址，这一点和“当主机想要向外网通信时，需要用寻找的MAC是第一跳路由器的MAC”是相同的。（下图为二三行分别对应情形）

保持移动性

host可以保持在不同的BSS之间移动过程中IP不变；这个过程需要网络层的 Mobile IP 协议（RFC3344）来实现，在这里先不展开阐述（因为这课是自底向上……）；

而在链路层中，移动性的实现需要交换机来协助完成：交换机需要记住host是在哪个AP！记忆行为就通过交换机的自学习机制来实现。

802.11中的高级功能

802.11中有一些为适应无线网络的特点而做出来的功能，如rate adaptation和power management

Rate adaptation

Rate adaptation允许在无线网络中以不同的速率进行传输，传输的速率取决于所处的网络条件。在无线网络中，信号强度是有强有弱的，rate adaptation技术的出现可以让传输速率根据信号强度而跟随变动。信号强时采用高速调制方式，弱时则相反。

在IEEE上的有关 rate adaptation 的算法论文综述：Rate adaptation algorithms for IEEE 802.11 networks: A survey and comparison

Power management

power management 指在不工作时关闭电源或将系统切换到低电源状态的功能。在WLAN中（infrastructure mode），基本思想是AP缓存下行数据，并周期性向对应的节点其广播缓存区情况，从而节点可以知道自己是否被数据缓存了。在休眠结束后，被缓存数据的节点就会进行数据请求，反之就继续休眠。广播缓存区情况内容包含在信标帧中，AP的周期性广播也是广播信标帧。

蜂窝网络

在前面我们知道了一台host是如何接入WiFi的，但大多数WiFi的覆盖范围只有10~100m左右，当我们在户外的时候无法访问WiFi时，该如何接入无线Internet呢？

我们可以将蜂窝电话扩展到蜂窝网络，使它既支持语音电话，又能支持无线Internet接入。下面我们简要介绍一下。

蜂窝网络的组成

接入方式

多个移动设备接入基站时，无线射频的划分有两种方式：组合FDMA/TDMA， 以及CDMA。2G就是采用了组合FDMA/TDMA的对空接口，下面是自顶向上的阐述：

2G(voice)网络结构

3G (voice+data)网络结构


4G和5G就不是一张两张图能够概括的了…还有很长的路要走！

最后来一个移动通信的演化图^^

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