現在，我們首先討論移動用戶、無線鏈路和網路，以及它們與所連接的更大網路(通常是有線網路)之間的關系，

我們將指出以下兩方面的差別：

1. 在該網路中由通信鏈路的無線特性所帶來的挑戰，
2. 這些無線鏈路使能的移動性，

一、概述

無線網路的要素：

• 無線主機，如同在有線網路中 一樣，主機是運行應用程式的端系統設備，無線主機(wire- less host)可以是便攜機、掌上 機、智能手機或者桌面計算機，主機本身可能移動，也可能不移動，
• 無線鏈路，主機通過無線通信鏈路(wireless communication link) 連接到一個基站或者另一臺無線主機，不同的無線鏈路技術具有不同的傳輸速率和能夠傳輸不同的距離，

我們聚焦無線鏈路在網路邊緣的應用，

• 基站，基站(base station)是無線網路基礎設施的一個關鍵部分，與無線主機和無線鏈路不同，基站在有線網路中沒有明確的對應設備，它負責向與之關聯的無線主機發送資料和從主機那里接收資料(例如分組)，基站通常負責協調與之相關聯的多個無線主機的傳輸，當我們說一臺無線主機與某基站“相關聯”時，則是指：①該主機位于該基站的無線通信覆寫范圍內；②該主機使用該基站中繼它(該主機)和更大網路之間的資料，蜂窩網路中的蜂窩塔和802. 11無線LAN中的接入點(access point)都是基站的例子，

與基站關聯的主機通常被稱為以基礎設施模式(infrastructure mode)運行，因為所有傳統的網路服務(如地址分配和路由選擇)都由網路向通過基站相連的主機提供，在自組織網路(ad hoc network)中，無線主機沒有這樣的基礎設施與之相連，在沒有這樣的基礎設施的情況下，主機本身必須提供諸如路由選擇、地址分配、類似于DNS的名字轉換等服務，

• 網路基礎設施，這是無線主機希望與之進行通信的更大網路，

根據兩個準則對無線網路分類：

①在該無線網路中的分組是否跨越了一個無線跳或多個無線跳；

②網路中是否有諸如基站這樣的基礎設施，

• 單跳，基于基礎設施，這些網路具有與較大的有線網路(如因特網)連接的基站， 此外，該基站與無線主機之間的所有通信都經過一個無線跳，你在教室、咖啡屋或圖書館中所使用的802. 11網路，以及我們將很快學習的4GLTE資料網路都屬于這種型別，我們日常的絕大部分時間是在與單跳、基于基礎設施的無線網路打交道，

• 單挑，無基礎設施，在這些網路中，不存在與無線網路相連的基站，然而，如我們將要見到的那樣，在這種單跳網路中的一個節點可以協調其他節點的傳輸，藍牙網和具有自組織模式的802. 11網路是單跳、無基礎設施的網路，

• 多跳，基于基礎設施，在這些網路中，一個基站表現為以有線方式與較大網路相連，然而，某種無線節點為了經該基站通信，可能不得不通過其他無線節點中繼它們的通信，某些無線傳感網路和所謂無線網狀網路(wireless mesh network)就屬于這種型別，

• 多跳，無基礎設施，在這些網路中沒有基站，并且節點為了到達目的地可能必須在幾個其他無線節點之間中繼報文，節點也可能是移動的，在多個節點中改變連接關系，一類網路被稱為移動自組織網路(mobile ad hoc network, MANET)，如果該移動節點是車載的，該網路是車載自組織網路(vehicular ad hoc network，VANET)，

二、無線鏈路和網路特征

有線和無線網路的重要區別應該關注鏈路層：

• 遞減的信號強度，電磁波在穿過物體(如無線電信號穿過墻壁)時強度將減弱，即使在自由空間中，信號仍將擴散，這使得信號強度隨著發送方和接收方距離的增加而減弱(有時稱其為路徑損耗(path loss))，
• 來自其他源的干擾，在同一個頻段發送信號的電波源將相互干擾，例如，2. 4GHz無線電話和802. 11b無線LAN在相同的頻段中傳輸，因此，802. 11b無線LAN用戶若同時利用2.4GHz無線電話通信，將會導致網路和電話都不會作業得特別好，除了來自發送源的干擾，環境中的電磁噪聲(如附近的電動機、微波)也能形成干擾，
• 多徑傳播，當電磁波的一部分受物體和地面反射，在發送方和接收方之間走了不同長度的路徑，則會出現多徑傳播(multipath propagation)，這使得接收方收到的信號變得模糊，位于發送方和接收方之間的移動物體可導致多徑傳播隨時間而改變，

無線鏈路更容易出現位元差錯，因此，不僅使用有效的CRC錯誤檢測碼，還采用鏈路層ARQ協議來重傳受損的幀，

我們將注意力轉向無線信號的主機，

信噪比（SNR）是所接收到的信號和噪聲強度的相對測量，

三種不同的調制技術的位元差錯率(BER) (大致說來，BER是在接收方收到的有錯傳輸位元的概率)與SNR之比，這些調制技術用于對資訊進行編碼以在理想信道上傳輸，關于物理層的特征，這些特征對于理解較高層無線通信協議是重要的：

• 對于給定的調制方案，SNR越高，BER越低，因此可以增加傳輸功率來降低接收到差錯位元率，一些缺點：發送方必須消耗更多的能量，并且發送方的傳輸更可能干擾另一個發送方的傳輸，

• 對于給定的SNR，具有較高位元傳輸率的調制技術(無論差錯與否)將具有較高的BER，

• 物理層調制技術的動態選擇能用于適配對信道條件的調制技術，

隱藏終端問題：

當通過無線媒體傳播時信號強度的衰減(fading)：

• 碼分多址（CDMA）

在CDMA協議中，要發送的每個位元都通過乘以一個信號(編碼)的位元來進行編碼，這個信號的變化速率(通常稱為碼片速率，chipping rate) 比初始資料位元序列的變化速率快得多，一個簡單的、理想化的CDMA編碼/解碼情形，假設初始資料位元到達CDMA編碼器的速率定義了時間單元；也就是說，每個要發送的初始資料位元需要1位元時隙時間，

三、WiFi：802.11無線LAN

• IEEE 802.1無線LAN (也稱為WiFi)，

802.11設備作業在兩個不同的頻率段上：

• 2.4 ~ 2. 485GHz (稱之為2.4GHz頻段)

• 5.1~5.8GHz (稱之為 5GHz頻段)，

2.4GHz頻段是一種無須執照的頻段，在此頻段上，使用2. 4GHz的電話和微波爐等802. 11設備可能會爭用該頻段 的頻譜，

在5GHz頻段，對于給定的功率級802. 11 LAN有更短的傳輸距離，并且受多徑傳播的影響更多，

802.11 體系結構

802.11體系結構的基本構件模塊是基本服務集(Basic Service Set，BSS)，一個BSS包含一個或多個無線站點和一個在 802.11術語中稱為接入點(Access Point，AP)的中央基站(base station)，上圖展示了兩個BSS中的AP，它們連接到一個互聯設備上(如交換機或者路由器)，互聯設備又連接 到因特網中，在一個典型的家庭網路中，有一個AP和一臺將該BSS連接到因特網中的路由器 (通常綜合成為一個單元)，

與以太網設備類似，每個802.11無線站點都具有一個6位元組的MAC地址，該地址存盤在該站配接器(即802. 11網路介面卡)的韌體中，每個AP的無線介面也具有一個MAC地址，與以太網類似，這些MAC地址由IEEE管理，理論上是全球唯一的，

配置AP的無線LAN經常被稱作基礎設施無線LAN(infrastructure wireless LAN)，其中的“基礎設施”是指AP連同互聯AP和一臺路由器的有線以太網，上圖顯示了IEEE 802. 11站點也能將它們自己組合在一起形成一個自組織網路，即一個無中心控制和與“外部世界”無連接的網路，這里，該網路是由彼此已經發現相互接近且有通信需求的移動設備“動態”形成，并且在它們所處環境中沒有預先存在的網路基礎設施，當攜帶便攜機的人們聚集在一起時(例如，在一個會議室、一列火車或者一輛汽車中)，并且要在沒有中央化的AP的情況下交換資料，一個自組織網路就可能形成了，隨著要通信的便攜設備的繼續激增，人們對自組織網路產生巨大的興趣，然而現在我們只關注基礎設施無線LAN，

• 信道與關聯

當網路管理員安裝一個AP時，管理員為該接入點分配一個單字或雙字的服務集識別符號(ServiceSetIdentifier，SSID)，(例如，當你在iPhone上選擇設定WiFi時，將顯示某范圍內每個AP的SSID) 管理員還必須為該AP分配一個信道號，為了理解信道號，回想前面講過的802. 11運行在2.4-2. 4835GHz的頻段中，在這個85MHz的頻段內，802. 11定 義了11個部分重疊的信道，當且僅當兩個信道由4個或更多信道隔開時它們才無重疊， 特別是信道1、6和11的集合是唯一的3個非重疊信道的集合，這意味著管理員可以在同 一個物理網路中安裝3個802. lib AP，為這些AP分配信道1、6和11，然后將每個AP都連接到一臺交換機上，

WiFi叢林(WiFi jungle)是一個任意物理位置，在這里無線站點能從兩個或多個AP中收到很強的信號，例如，在紐約城的許多咖啡館中，無線站點可以從附近許多AP中選取一個信號，其中一個AP可能由該咖啡館管理，而其他AP 可能位于咖啡館附近的住宅區內，這些AP中的每一個都可能位于不同的子網中，并被獨立分配一個信道，

802.11標準要求每個AP周期性地發送信標幀(beaconframe)，每個信標幀包括該AP的SSID和MAC地址，你的無線站點為了得知正在發送信標幀的AP，掃描11個信道，找出來自可能位于該區域的AP所發出的信標幀(其中一些AP可能在相同的信道中傳輸，即這里有一個叢林！)，通過信標幀了解到可用AP后，你(或者你的無線主機)選擇一個AP用于關聯，

掃描信道和監聽信標幀的程序被稱為被動掃描(passive scanning)，無線主機也能夠執行主動掃描(active scanning)，這是通過向位于無線主機范圍內的所有AP廣播探測幀完成的，AP用一個探測回應幀應答探測請求幀，無線主機則能夠在回應的AP中選擇某AP與之相關聯，

選定與之關聯的AP后，無線主機向AP發送一個關聯請求幀，并且該AP以一個關聯回應幀進行回應，注意到對于主動掃描需要這種第二次請求/回應握手，因為一個對初始探測請求幀進行回應的AP并不知道主機選擇哪個(可能多個)回應的AP進行關聯，這與DHCP客戶能夠從多個DHCP服務器進行選擇有諸多相同之處，一旦與一個AP關聯，該主機希望加入該AP所屬的子網中， 因此，該主機通常將通過關聯的AP向該子網發送一個DHCP發現報文，以獲取在該AP子網中的一個IP地址，一旦獲得地址，網路的其他部分將直接視你的主機為該子網中的另一臺主機，

802.11 MAC結構

一旦某無線站點與一個AP相關聯，它就可以經該接入點開始發送和接收資料幀， 然而因為許多無線設備或AP自身可能希望同時經過相同信道傳輸資料幀，因此需要一個多路訪問協議來協調傳輸，下面，我們將無線設備或AP稱為站點，它們共 享多個接入信道，寬泛地講有三類多路訪問協議：信道劃分(包括CDMA)、隨機訪問和輪流，受以太網及其隨機訪問協議巨大成功的激勵，802.11的設計者為802.11無線LAN選擇了一種隨機訪問協議，這個隨機訪問協議稱作帶碰撞避免的CSMA( CSMA with collision avoidance)，或簡稱為CSMA/CA，

與以太網的CSMA/CD相似，CSMA/CA中的“CSMA”代表“載波偵聽多路訪問”，意味著每個站點在傳輸之前偵聽信道，并且一旦偵聽到該信道忙則抑制傳輸，盡管以太網和802. 11都使用載波偵聽隨機接入，但這兩種MAC協議有重要的區別，

• 首先，802. 11 使用碰撞避免而非碰撞檢測，
• 其次，由于無線信道相對較高的誤位元率，802. 11(不同于以太網)使用鏈路層確認/重傳(ARQ)方案，

與802.3以太網協議不同，802. 11 MAC協議并未實作碰撞檢測，這主要由兩個重要的原因所致：

• 檢測碰撞的能力要求站點具有同時發送(站點自己的信號)和接收(檢測其他站點是否也在發送)的能力，因為在802. 11配接器上，接收信號的強度通常遠遠小于發送信號的強度，制造具有檢測碰撞能力的硬體代價較大，
• 更重要的是，即使配接器可以同時發送和監聽信號(并且假設它一旦偵聽到信道忙就放棄發送)，配接器也會由于隱藏終端問題和衰減問題而無法檢測到所有的碰撞，

分析802.11的鏈路層確認(link-layer acknowledgment)方案，當無線LAN中某站點發送一個幀時，該幀會由于多 種原因不能無損地到達目的站點，為了處理這種不可忽視的故障情況，802. 11 MAC使用鏈路層確認，目的站點收到一個通過CRC校驗的幀后，它等待一個被稱作短幀間間隔(Short Inter-Frame Spacing，SIFS) 的一小段時間，然后發回一個確認幀，如果發送站點在給定的時間內未收到確認幀，它假定出現了錯誤并重傳該幀，使用CSMA/CA協議訪問該信道，如果在若干固定次重傳后仍未收到確認，發送站點將放棄發送并丟棄該幀，

描述：

1. 如果某站點最初監聽到信道空閑，它將在一個被稱作分布式幀間間隔(Distributed Inter-Frame Space，DIFS)的短時間段后發送該幀，
2. 否則，該站點選取一個隨機回退值并且在偵聽信道空閑時遞減該值，當偵聽到信道忙時，計數值保持不變，
3. 當計數值減為0時(注意到這只可能發生在信道被偵聽為空閑時)，該站點發送整個資料幀并等待確認，
4. 如果收到確認，發送站點知道它的幀已被目的站正確接收了，如果該站點要發送另一幀，它將從第二步開始CSMA/CA協議，如果未收到確認，發送站點將重新進入第二步中的回退階段，并從一個更大的范圍內選取隨機值，

與CSMA/CD：

兩個站點分別有一個資料幀要發送，但是，由于偵聽到第三個站點已經在傳輸，雙方都未立即發送，使用以太網的CSMA/CD協議中, 兩個站點將會在檢測到第三方發送完畢后立即開始發送，這將導致一個碰撞，在 CSMA/CD協議中碰撞并非是一個嚴重的問題，因為兩個站點檢測到碰撞后都會放棄它們的發送, 從而避免了由于碰撞而造成的該幀剩余部分的無用發送，而在802. 11中情況卻十分不同，因為802.11并不檢測碰撞和放棄發送，遭受碰撞的幀仍將被完全傳輸，因此802.11的目標是無論如何盡可能避免碰撞，在802.11中，如果兩個站點偵聽到信道忙，它們都將立即進入隨機回退，希望選擇一個不同的回退值，如果這些值的確不同，一旦信道空閑，其中的一個站點將在另一個之前發送，并且 (如果兩個站點均未對對方隱藏)“失敗站點”將會聽到“勝利站點”的信號，凍結它的計數器，并在勝利站點完成傳輸之前一直抑制傳輸，通過這種方式，避免了髙代價的碰撞，當然，在以下情況下使用802. 11仍可能出現碰撞：兩個站點可能互相是隱藏的，或者兩者可能選擇了非常靠近的隨機回退值，使來自先開始站點的傳輸也必須到達第二個站點，

處理隱藏終端：RTS和CTS

這兩個無線站點都在該AP的覆寫范圍內(其覆寫范圍顯示為陰影圓環)，并且兩者都與該AP相關聯，然而，由于衰減，無線節點的信號范圍局限在陰影圓環內部，因此，盡管每個無線站點對AP都不隱藏，兩者彼此卻是隱藏的，

假設站點H1正在傳輸一個幀，并且在H1傳輸的中途，站點H2要向AP發送一個幀，由于H2未聽到來自H1的傳輸，它將首先等待一個DIFS間隔，然后發送該幀，導致產生了一個碰撞，從而在H1和H2的整個發送階段，信道都被浪費了，

為了避免這一問題，IEEE 802. 11協議允許站點使用一個短請求發送(Request to Send，RTS)控制幀和一個短允許發送(Clear to Send，CTS)控制幀來預約對信道的訪問，當發送方要發送一個data幀時，它能夠首先向AP發送一個RTS幀，指示傳輸DATA幀和確認(ACK)幀需要的總時間，當AP收到RTS幀后，它廣播一個CTS幀作為回應，該CTS幀有兩個目的：給發送方明確的發送許可，也指示其他站點在預約期內不要發送，

因此，在傳輸DATA幀 前，H1首先廣播一個RTS幀，該幀能被其范圍內包括AP在內的所有站點聽到， AP然后用一個CTS幀回應（廣播），該幀也被其范圍內包括H1和H2在內的所有站點聽到，站點H2聽到CTS后，在CTS幀中指明的時間內將抑制發送，RTS、CTS、 DATA和ACK幀如圖，

兩個方面提高性能：

• 隱藏終端問題被緩解了，因為長DATA幀只有在信道預約后才被傳輸，
• 因為RTS和CTS幀較短，涉及RTS和CTS幀的碰撞將僅持續短RTS和CTS幀的持續期，一旦RTS和CTS幀被正確傳輸，后續的DATA和ACK幀應當能無碰撞地發送，

盡管RTS/CTS交換有助于降低碰撞，但它同樣引入了時延以及消耗了信道資源，因此，RTS/CTS交換僅僅用于為長資料幀預約信道，在實際中，每個無線站點可以設定一個 RTS門限值，僅當幀長超過門限值時，才使用RTS/CTS序列，對許多無線站點而言，默認的RTS門限值大于最大幀長值，因此對所有發送的DATA幀，RTS/CTS序列都被跳過（很沒面子…），

使用802.11作為一個點對點鏈路

如果兩個節點每個都具有一個定向天線，它們可以將其定向天線指向對方，并基本上是在一個點對點的鏈路上運行802. 11協議，如果商用802. 11硬體產品價格低廉，那么使用定向天線以及增加傳輸功率使得802. 11成為一個在數十公里距離中提供無線點對點連接的廉價手段，

IEEE 802.11幀

我們查看該幀中各欄位以及幀控制欄位中一些重要的子欄位，

• 有效載荷與CRC欄位，

幀的核心是有效載荷，它通常是由一個IP資料報或者ARP分組組成，盡管這一欄位允許的最大長度為2312位元組，但它通常小于1500位元組，放置一個IP資料報或一個ARP分組，如同以太網幀一樣，802.11幀包括一個回圈冗余校驗(CRC)，從而接收方可以檢測所收到幀中的位元錯誤，如我們所看到的那樣，位元錯誤在無線局域網中比在有線局域網中更加普遍，因此CRC在這里更加有用，

• 地址欄位，

也許802. 11幀中最引人注意的不同之處是它具有4個地址欄位，其中每個都可以包含一個6位元組的MAC地址，但為什么要4個地址欄位呢?如以太網中那樣，一個源MAC 地址欄位和一個目的MAC地址欄位不就足夠了?事實表明，出于互聯目的需要3個地址欄位，特別是將網路層資料報從一個無線站點通過一個AP送到一臺路由器介面，當AP在自組織模式中互相轉發時使用第四個地址，由于我們這里僅僅考慮基礎設施網路，所以只關注前3個地址欄位，802. 11標準定義這些欄位如下:

地址2是傳輸該幀的站點的MAC地址（源MAC地址），

地址1是要接收該幀的無線站點的MAC地址（目的MAC地址），

為了理解地址3，回想BSS(由AP和無線站點組成)是個子網的一部分，并且這個子網經一些路由器介面與其他子網相連，地址3包含這個路由器介面的MAC地址，

• 序號、持續期、幀控制欄位，

在802. 11網路中，無論何時一個站點正確地收到一個來自于其他站點的幀，它就回發一個確認，因為確認可能會丟失，發送站點可能會發送一個給定幀的多個副本， 正如我們在rdt2. 1協議討論中所見，使用序號可以使接收方區分新傳輸的幀和以前幀的重傳，因此在802. 11幀中的序號欄位在鏈路層與運輸層中的該欄位有著完全相同的目的，

802.11協議允許傳輸節點預約信道一段時間，包括傳輸其資料幀的時間和傳輸確認的時間，這個持續期值被包括在該幀的持續期欄位中(在資料幀和RTS及CTS幀中均存在)，

型別和子型別欄位用于區分關聯、RTS、CTS、ACK和資料幀，To(到)和Form(從)欄位用于定義不同地址欄位的含義，(這些含義隨著使用自組織模式或者基礎設施模式而改變，而且在使用基礎設施模式時，也隨著是無線站點還是AP在發送幀而變化，)最后，WEP欄位指示了是否使用加密，

在相同的IP子網中的移動性

為了增加無線LAN的物理范圍，公司或大學經常會在同一個IP子網中部署多個BSS，這自然就引出了在多個BSS之間的移動性問題，即無線站點如何在維持進行中的TCP會話 的情況下，無縫地從一個BSS移動到另一個BSS？

我們現在看一個同一子網中的不同BSS之間的移動性的特定例子，具有一臺主機H1的兩個互聯的BSS，該主機從BSS1移動到BSS2，因為在這個例子中連接兩個BSS的互聯設備不是一臺路由器，故在兩個BSS中的所有站點(包括AP)都屬于同一個IP子網，因此，當H1從BSS1移動到BSS2時，它可以保持自己的IP地址和所有正在進行的TCP連接，如果互聯設備是一臺路由器，則H1必須在它移動進入的子網中獲得一個新地址，這種地址的變化將打斷(并且最終終止)在H1的任何進行中的TCP連接，

但是H1從BSS1移動到BSS2時具體會發生哪些事呢？隨著H1逐步遠離API， H1檢測到來自API的信號逐漸減弱并開始掃描一個更強的信號，H1收到來自AP2的信標幀(在許多公司和大學的設定中它與API有相同的SSID)，H1然后與API解除關聯，并與AP2關聯起來，同時保持其IP地址和維持正在進行的TCP會話，

從主機和AP的角度，這就處理了切換問題，但交換機又會發生什么樣的情況呢？交換機如何知道主機已經從一個AP移動到另一個AP呢？交換機是“自學習”的，并且自動構建它們的轉發表，這種自學習的特征很好地處理了偶爾的移動(例如，一個雇員從一個部門調轉到另一個部門)，然而，交換機沒有被設計用來支持用戶在不同BSS間高度移動，同時又希望保持TCP連接，為理解這一問題，回想在移動之前，交換機在其轉發表中有一個表項，對應H1的MAC地址與到達H1所通過的出交換機埠，如果H1初始在BSS1中，則發往H1的資料報將經API導向H1，然而，一 旦H1與BSS2關聯，它的幀應當被導向AP2，一種解決方法(真有點不規范)是在新的關聯形成后，讓AP2以H1的源地址向交換機發送一以太網廣播幀，當交換機收到該幀 后，更新其轉發表，使得H1可以通過AP2到達，

802.11中的高級特色

兩種高級能力，

802.11速率適應

不同的調制技術(提供了不同的傳輸速率)適合于不同的SNR情況，考慮這樣一個例子，一個802. 11用戶最初離基站20米遠，這里信噪比高，在此高信噪比的情況下，該用戶能夠與基站使用可提供高傳輸速率的物理層調制技術進行通信，同時維持低BER，這個用戶多么幸福啊！假定該用戶開始移動，向離開基站的方向走去，隨著與基站距離的增加，SNR—直在下降，在這種情況下，如果在用戶和基站之間運行的802. 11協議所使用的調制技術沒有改變的話，隨著SNR減小，BER將高得不可接受，最終，傳輸的幀將不能正確收到，

由于這個原因，某些802. 11實作具有一種速率自適應能力，該能力自適應地根據當前和近期信道特點來選擇下面的物理層調制技術，如果一個節點連續發送兩個幀而沒有收到確認(信道上一個位元差錯的隱式指示)，該傳輸速率降低到前一個較低的速率，如果10個幀連續得到確認，或如果用來跟蹤自上次降速以來時間的定時器超時，該傳輸速率提高到上一個較高的速率，這種速率適應機制與TCP的擁塞控制機制具有相同的“探測”原理，即當條件好時(反映為收到ACK), 增加傳輸速率，除非某個“壞事”發生了(ACK沒有收到);當某個“壞事”發生了，減小傳輸速率，因此，802. 11的速率適應和TCP的擁塞控制類似于年幼的孩子，他們不斷地向父母要求越來越多(如幼兒要糖果，青 少年要求推遲睡覺)，直到父母親最后說“夠了!”，孩子們不再要求了(僅當以后情況已經變好了才會再次嘗試)，

功率管理

功率是移動設備的寶貴資源，因此802. 11標準提供了功率管理能力，以使802. 11節點的偵聽、傳輸和接收功能以及其他需要“打開”電路的時間量最小化，802. 11功率管理按下列方式運行，一個節點能夠明顯地在睡眠和喚醒狀態之間交替(像在課堂上睡覺的學生！)，通過將802.11幀首部的功率管理位元設定為1，某節點向接入點指示它將打算睡眠，設定節點中的一個定時器，使得正好在AP計劃發送它的信標幀前喚醒節點(前面講 過AP通常每100ms發送一個信標幀)，因為AP從設定的功率傳輸位元知道哪個節點打算睡眠，所以該AP知道它不應當向這個節點發送任何幀，先快取目的地為睡眠主機的任何幀，待以后再傳輸，

在AP發送信標幀前，恰好喚醒節點，并迅速進入全面活動狀態(與睡覺的學生不 同，這種喚醒僅需要250us)，由AP發送的信標幀包含了幀被快取在AP中的節點的串列，如果某節點沒有快取的幀，它能夠回傳睡眠狀態，否則，該節點能夠通過向AP發送一個探詢報文明確地請求發送快取的幀，對于信標之間的100ms時間來說，250us的喚醒時間以及類似的接收信標幀及檢查以確保不存在快取幀的短小時間，沒有幀要發送和接收的節點能夠睡眠99%的時間，從而大大節省了能源，

個人網路：藍牙和ZigBee

• 藍牙

IEEE 802. 15. 1網路以低功率和低成本在小范圍內運行，它本質上是一個低功率、小范圍、低速率的“電纜替代”技術，用于計算機與其無線鍵盤、滑鼠或其他外部設備如蜂窩電話、揚聲器、頭戴式耳機及其他設備的互聯，而802. 11是一個較高功率、中等范圍、較高速率的“接入”技術，為此，802. 15. 1網路有時被稱為無線個人域網路(Wireless Personal Area Network，WPAN)，802. 15. 1的鏈路層和物理層基于早期用于個人域網路的藍牙(Bluetooth)，802. 15. 1 網路以 TDM方式作業于無須許可證的2. 4GHz無線電波段，每個時隙長度為625us在每個時隙內，發送方利用79個信道中的一個進行傳輸，同時從時隙到時隙以一個已知的偽隨機方式變更信道，這種被稱作跳頻擴展頻譜(Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS)的信道跳動的形式將傳輸及時擴展到整個頻譜，802. 15. 1能夠提供高達4Mbps的資料率，

802.15. 1網路是自組織網路：不需要網路基礎設施(如一個接入點)來互連 802. 15. 1設備，因此，802. 15. 1設備必須自己進行組織，802. 15. 1設備首先組織成一個多達8個活動設備的皮可網（picnet）這些設備之一被指定為主設備，其余充當從設備，主節點真正控制皮可網，即它的時鐘確定了皮可網中的時間，它可以在多達8個活動設備的皮可網(piconet)每個奇數時隙中發送，而從設備僅當主設 備在前一時隙與其通信后才可以發送，并且只能發送給主設備，除了從設備，網路中還可以有多達255個的寄放(parked) 設備，這些設備僅當其狀態被主節點從寄 放轉換為活動之后才可以進行通信，

• ZigBee

IEEE標準化的第二個個人域網路是802.14. 5，它被稱為ZigBee，雖然藍牙網路提供了一種“電纜替代” 的超過每秒兆位元的資料率，但ZigBee較之藍牙其服務目標是低功率、低資料率、低作業周期的應用，盡管我們可能傾向于認為“更大和更快就更好”，但是并非所有的網路應用都需要高帶寬和隨之而來的高成本(經濟和功率成本)，例如，家庭溫度和光線傳感器、安全設備和墻上安裝的開關都是非常簡單、低功率、低作業周期、低成本設備，ZigBee因 此是非常適合于這些設備的，ZigBee定義了 20kbps、40kbps. 100kbps和250kbps的信道 速率，這取決于信道的頻率，

ZigBee網路中的節點具有兩個特色，多個所謂“簡化功能設備”在單個“全功能設備”控制下作為從設備運行，與藍牙從設備非常相似，一個全功能設備能夠作為一個主設備運行，就像在藍牙中控制多個從設備那樣，并且多個全功能設備還能夠配置為一個網狀(mesh)網路，其中全功能設備在它們之間發送幀，ZigBee可以共享許多我們已經在其他鏈路層協議中遇到的協議機制：信標幀和鏈路層確認(類似于802.11)，具有二進制回退的載波偵聽隨機訪問協議(類似于802. 11和以太網)，以及時隙的固定、確保的分配(類 似于 DOCSIS)，

ZigBee網路能夠配置為許多不同的方式，我們考慮一種簡單的場合，其中單一的全功能設備使用信標幀以一種時隙方式控制多個簡化功能設備，其中ZigBee網路將時間劃分為反復出現的超幀，每個超幀以一個信標幀開始，每個信標幀將超幀劃分為一個活躍周期(在這個周期內設備可以傳輸)和一個非活躍周期(在這個周期內所有設備包括控制器能夠睡眠進而保存能量)，活躍周期由16個時隙組成，其中一些由采用CSMA/CA隨機接入方式的設備使用，其中一些由控制器分配給特定的設備，因而為那些設備提供了確保的信道，

四、蜂窩因特網接入

• 4G蜂窩移動與無線LAN的比較

許多蜂窩移動電話的運營者正在部署4G蜂窩移動系統，在2015年，已部署的LTE系統的平均下載速率，范圍從美國和印度的10Mbps到新西蘭的接近40Mbps，這些4G系統部署在需要許可證的無線頻帶中，運營者向政府支付可觀的費用來獲得使用頻譜的許可證，4G系統以一種與現在僅蜂窩電話接入的相似方式，允許用戶在移動中從遙遠的戶外位置接入因特網，在許多場合中，用戶可以同時接入無線LAN和4G，對于4G系統具有的更為受限和更為昂貴的能力，許多移動設備在兩者都可用時，默認使用WiFi而不是使用4G，無線邊緣網路接入將主要經過無線LAN還是經過蜂窩系統仍是一個懸而未決的問題：

• 新興的無線LAN基礎設施將可能變得幾乎無所不在，作業于54Mbps和更高速 率的IEEE 802. 11無線LAN已經得到了廣泛部署，幾乎所有便攜計算機、平板電腦和智能手機出廠時都配有802. 11 LAN的能力，而且，新興的因特網裝置(例如無線照相機和相框)也具有低功率的無線LAN能力，

• 無線LAN的基站也能處理移動電話裝置，許多電話已經能夠直接或使用類 Skype IP語音服務與蜂窩電話網路或IP網路連接，因此繞過運j營者的蜂窩語音和4G資料服務，

當然，許多其他的專家相信4G不僅將取得巨大的成功，而且也將使我們作業和生活的方式發生引人注目的革命，WiFi和 4G很可能都會成為流行的無線技術，讓漫游無線設備自動選擇在其當前所處物理位置提供最好服務的接入技術，

蜂窩網體系結構概述

全球移動通信系統(GSM)標準，

歐洲人在20世紀90年代初就成功地部署了GSM技術，自此后GSM成長為移動電話領域的龐然大物，全世界有超過80%的蜂窩用戶使用GSM， 當人們談論蜂窩技術時，經常將該技術分類為幾“代”之一，最早一代的設計主要用于語音通信，第一代 (1G)系統是模擬FDMA系統，其專門用于語音通信，這些1G系統目前幾乎絕跡，它們被數字2G系統所替代，初始的2G系統也是為語音而設計，但后來除了語音服務外還擴展了對資料(即因特網)的支持(2.5G)， 3G系統也支持語音和資料，但更為強調資料能力和更高速的無線電接入鏈路，今天正在部署的4G系統基于LTE技術，其特征為全IP核心網路，并且以幾兆位元速率提供了話音和資料集成，

術語蜂窩(cellular)是指這樣的事實，即由一個蜂窩網覆寫的區域被分成許多稱作小區(cell)的地理覆寫區域，GSM有自己的特殊命名法，每個小區包含一個收發基站(Base Transceiver Station，BTS)，負責向位于其小區內的移動站點發送或接收信號，一個小區的覆寫區域取決于許多因素，包括BTS的發射功率、用戶設備的傳輸功率、小區中的障礙建筑物以及基站天線的高度，今天的許多系統將BTS放置在3個小區的交叉處，使得具有有向天線的單個 BTS能夠為三個小區提供服務，

2G蜂窩系統的GSM標準對空中介面使用了組合的FDM/TDM(無線電)，使用純FDM，信道被劃分成許多頻段，每個呼叫分配一個頻段，使用純 TDM，時間被劃分為幀，每個幀又被進一步劃分為時隙，每個呼叫在回圈的幀中被分配使用特定的時隙，在組合的FDM/TDM系統中，信道被劃分為若干頻率子帶；對于每個子帶，時間又被劃分為幀和時隙，因此，對于一個組合的FDM/TDM系統，如果信道被劃分為F個子 帶，并且時間被劃分為T個時隙，那么該信道將能夠支持F ?T個并發的呼叫，電纜接入網也使用了組合的FDM/TDM方法，GSM系統由多個200kHz的頻帶組成，每個頻帶支持8個TDM呼叫，GSM以13kbps和12. 2kbps的速率編碼，

一個GSM網路的基站控制器(Base Station Controller，BSC)通常服務于幾十個收發基站，BSC的責任是為移動用戶分配BTS無線信道，執行尋呼(paging) (找出某移動用戶所在的小區)，執行移動用戶的切換，基站控制器及其控制的收發基站共同構成了GSM基站系統(Base Station System，BSS)，

在用戶鑒別和賬戶管理(決定是否允許某個移動設備與蜂窩網路連接)以及呼叫建立和切換中，移動交換中心(Mobile switching Center，MSC)起著決定性的作用，單個MSC通常將包含多達5個BSC，因此每個MSC有大約200 000個用戶，一個蜂窩提供商的網路將有若干MSC，使用稱為網關MSC的特殊MSC將提供商的蜂窩網路與更大的公共電話網相連，

3G蜂窩資料網：將因特網擴展到蜂窩用戶

我們的智能手機需要運行完整的TCP/IP協議堆疊(包括物 理層、鏈路層、網路層、運輸層和應用層)，并能夠經過蜂窩資料網連接進入因特網，隨著一代(和半代)繼承一代，以及引入許多具有新首字母縮略詞的新技術和服務，蜂窩數 據網的主題是一個相當令人眼花繚亂的競爭和不斷演化的標準集合，這個標準集合相當令 人迷惑，更糟糕的是，沒有單一的官方機構對2.5G、3G、3.5G或4G技術提出要求，難以理清這些競爭性標準之間的差異，在我們下面的討論中，我們將關注由第三代合作伙伴專案(3rd Generation Partnership Project，3GPP)研發的通用移動通信服務(Universal Mo- bile Telecommunications Service, UMTS)3G和4G標準，

• 3G核心網

3G核心蜂窩資料網將無線電接入網連接到公共因特網，核心網與現有蜂窩語音網(特別是MSC) 的組件協作，由于在現有的蜂窩語音網中具有大量的現有基礎設施(有利可圖的服務!)，3G資料服務的設計者們所采取的方法非常清楚：不去觸動現有核心GSM蜂窩語音網，增加與現有蜂窩語音網平行的附加蜂窩資料功能，如果將新的資料服務直接增加到現有的蜂窩語音網上，這種方法同樣會引發遇到過的挑戰—因特網中新的(IPv6)和舊的(IPv4)集成的技術，

在3G核心網中有兩類節點：服務通用分組無線服務支持節點(Serving Generalized packet radio service Support Node，SGSN)和網關 GPRS 支持節點(Gateway GPRS SupportNode，GGSN) ， (GPRS (General Packet Radio Service)表示通用分組無線服務，這是一種在2G網路中的早期蜂窩資料服務；這里我們討論的是在3G網路中GPRS的演化版本，) 一個SGSN負責向位于其連接的無線電接入網中的移動節點交付(或從移動節點獲取)資料報，SGSN與該區域蜂窩語音網的MSC進行互動，提供用戶認證和切換，維護活躍移動節點的位置(小區)資訊，執行位于無線接入網中的移動節點和GGSN之間的資料報轉發，GGSN起著網關的作用，將多個SGSN連接到更大的因特網，GGSN因此是源于移動節點的一個資料報在進入更大因特網之前遇到的3G基礎設施的最后一部分，對外部而言，GGSN看起來像任何其他網路路由器，從外面看來，GGSN網路中3G節點的移動性隱藏在GGSN背后，

• 3G 無線電接入網:無線邊緣

3G無線電接入網(radio access network)是我們作為3G用戶看見的無線第一跳網路，無線電網路控制器(Radio Network Controller，RNC)通常控制幾個小區的收發基站，類似于我們在2G網路中遇到的基站(但是3G UMTS的正式用語稱為一個“節點B”，這是一個相當不具描述性名字!)，每個小區的無線鏈路運行在移動節點和收發基站之間，就像在2G網路中那樣，RNC既通過MSC與電路交換蜂窩語音網連接，又通過SGSN與分組交換的因特網連接，因此，盡管3G蜂窩語音服務和蜂窩資料服務使用不同的核心網，但它們共享一個相同的第一/最后一跳無線電接入網，

較之2G網路，在3G UMTS中的一個重大變化是不再使用GSM的FDMA/TDMA方案, UMTS在 TDMA時隙中使用稱為直接序列寬帶CDMA ( Direct Sequence Wideband CDMA, DS-WCDMA)的CDMA技術[Dahlman 1998]，TDMA時隙又在多個頻率上可供使用，即有趣地使用了我們在前面第6章指出的全部三種不同的信道共享方法，并且類似于有線電纜接入網中所采用的方法，這種變化要求一個新的3G蜂窩無線接入網與2G BSS無線電網路并行運行，與WCDMA規范相關的資料服務被稱為高速分組接入(HighSpeedPacketAccess，HSPA)，其下行資料傳輸率有望高達14Mbpso 有關3G網路的細節能夠在3GPP Web站點上找到，

走向4G：LTE

4G系統體系結構:一個全IP核心網

• 一種統一的全IP網路體系結構，

語音和資料都承載在IP資料報中，來自/去往無線設備(用戶設備，4G的術語為UE)，到分組網關(P-GW) — 該P-GW將4G邊緣網路連接到 網路的其他部分，使用了4G，蜂窩網路來源于電話的最后痕跡已經蕩然無存，讓位給統一的IP服務了!

• 4G資料平面與控制平面清晰分離，
• 無線電接入網與全IP核心網之間的清晰分離，
  • eNodeB是2G基站和3G無線電網路控制器(又稱為節點B)的邏輯后代，并且此時還起著關鍵作用，它的資料平面作用是在UE和P-GW之間(經過LTE無線電接入網)轉發資料報，UE資料報在eNodeB被封裝，并且通過4G網路的全IP強化分組核(EPC)以隧道形式傳輸到P-GW，eNodeB與P-GW之間的隧道類似于IPv6資料報隧道，這些分組在兩個IPv6端點之間通過一 個使用IPv4路由器的網路傳輸，這些隧道可能與保證服務質量(QoS) 相關，例如，4G網路可能確保語音流量在UE和P-GW之間歷經不超過100ms時延，分組丟失率小于1%；TCP流量也許能夠確保300ms時延以及小于0. 0001%的分組丟失率，
  • 分組資料網路網關(Packet Data Network Gateway，P-GW)給UE分配IP地址，并且保證QoS實施，作為隧道端點，當向或從UE轉發資料報時，它也執行資料報封裝/解封裝，
  • 服務網關(S-GW)是資料平面移動性錨點，即所有UE流量將通過S-GW傳遞， 該S-GW也執行收費/記賬功能以及法定的流量攔截，
  • 移動性管理物體 ( Mobility Management Entity，MME) 代表位于它所控制單元中的UE，執行連接和移動性管理，它從HHS接收UE訂購資訊，
  • 歸屬用戶服務(Home Subscriber Server, HSS) 包含了包括漫游接入能力、服務質 量組態檔和鑒別資訊的UE資訊，

LTE無線電接入網

LTE在下行信道采用頻分復用和時分復用結合的方法，稱之為正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術，(正交一詞來源于如下事實，所生成的在不同頻道上發送的信號，它們相互干擾非常小，即使當信道頻率緊密排列時)，在LTE中，每個活躍的移動節點都可以在一個或更多個信道頻率上被分配一個或更多個0. 5ms時隙，下圖顯示了在4個頻率上分配8個時隙的情況，通過分配越來越多的時隙(無論是用相同的頻率還是用不同的頻率)，移動節點能夠獲取越來越高的傳輸速率，在移動節點之間進行時隙(重)分配的頻度為每毫秒一次，不同的調制方案也能用于改變傳輸速率，

LTE標準并未對向移動節點特殊分配時隙進行強制要求，相反，允許哪個移動節點在某個給定的時隙在給定的頻率下傳輸，這個決定由LTE設備商和/或網路運營商提供的調度演算法來做岀，使用機會調度，將物理層協議與發送方和接收方之間的信道條件相匹配，基于信道條件選擇分組將發往的接收方，使無線電網路控制器能夠最大限度地利用 無線媒體，此外，能夠使用用戶優先權和服務的契約等級(如銀、金或鉗金)調度下行分組傳輸，除了上面描述的LTE能力，高級LTE通過向移動節點分配聚合信道提供了數百兆下行帶寬，

五、移動管理：原理

現在我們將注意力轉向這些無線鏈路帶來的移動性，

• 從網路層的角度看，用戶如何移動？

一個物理上移動的用戶將對網路層提出一系列不同尋常的挑戰，這取決于他(她)在網路連接點之間如何移動，在圖中的移動程度譜的一端，用戶也許帶著一臺裝有無線網路介面卡的便攜機在一座建筑物內走動，從網路層的角度來看，該用戶并沒有移動，而且，如果該用戶不論在何處都與同一個接入點相關聯，從鏈路層角度來看該用戶甚至也沒有移動，

在該移動程度譜的另一端，考慮一下該用戶在一輛寶馬或特斯拉轎車內以150km/h的時速沿高速公路急速行駛時穿過多個無線接入網，并希望在整個旅程中保持一個與遠程應用的不間斷的TCP連接，這個用戶無疑是移動的！在這兩種極端之間的情況是，一個用戶帶著一臺便攜機從一個地方(如辦公室或宿舍)到另一個地方(如咖啡店、教室)，并且想在新地方連入網路，該用戶也是移動的 (雖然比“寶馬”駕駛員的移動性差一些!)，只不過不需要在網路接入點之間移動時維持一個不間斷的連接，

• 移動節點的地址始終保持不變有多么重要?

對移動電話而言，當你從一個提供商 移動電話網路到另一個的程序中，你的電話號碼(本質上是你電話的網路層地址) 始終保持不變，類似地，便攜機在IP網路之間移動時是否也必須維持相同的IP地址呢?

對這一問題的回答很大程度上取決于所運行的應用程式，對于那個在高速公路上飛馳，同時又希望維持對一個遠程應用的不間斷的TCP連接的寶馬或特斯拉司機而言，維持相同的IP地址將會帶來便利，一個因特網應用程式需要知道它與之通信的遠端物體的IP地址和埠號，如果一個移動物體在移動過 程中能夠保持其IP地址不變，從應用的角度，移動性就變得不可見，這種透明性有十分重要的價值，即應用程式不必關心IP地址潛在的變化，并且同樣的應用程式代碼既可用于移動連接，又可用于非移動連接，在下一節我們將會看到移動IP提供了這種透明性，它允許移動節點在網路間移動的同時維持其永久的IP地址，

在另一方面，一個不太喜歡新潮的移動用戶也許只想關閉辦公室便攜機，將 其帶回家，然后開機，再在家中作業，如果該便攜機在家時只是作為一個客戶，使用客戶-服務器方式的應用(如發送/閱讀電子郵件、瀏覽Web、通過Telnet與 遠程主機相連)，則使用特定IP地址并不是那么重要，特別是，用戶能夠得到一 個由服務于家庭的ISP臨時分配的IP地址即可，

為了闡述允許移動用戶在不同網路間移動程序中維持正在進行的連接所涉及的問題，我們考慮一個人類的類比例子，一位20歲左右的青年從家里搬出，成為流動的人，在一些宿舍或公寓居住，并經常改換住址，如果一個老朋友想與他聯系，這位朋友怎樣 才能找到這個流動的朋友呢？ 一種常用的方法是與他的家庭取得聯系，因為一位流動的 青年通常會將其目前的地址告訴家里(即使沒有其他原因，哪怕只是為了讓父母寄錢來幫他付房租)，其家庭由于有一個永久地址，因此成為其他想與該流動青年聯系的人可 采用的第一步，這些朋友后來與他的通信也許是間接的(如先將郵件發送到其父母家, 再轉發給該流動的青年)，也許是直接的(如該朋友用得到的地址直接將郵件發送給其流動的朋友)，

在一個網路環境中，一個移動節點(如一臺便攜機或智能手機)的永久居所被稱為歸屬網路(homenetwork)，在歸屬網路中代表移動節點執行下面討論的移動管理功能的物體叫歸屬代理(home agent)，移動節點當前所在網路叫作外部網路(foreign network)或被訪網路(visitednetwork)，在外部網路中幫助移動節點做移動管理功能的物體稱為外部代理(foreign agent)，對于移動的專業人員而言，他們的歸屬網路可能就是其公司網路，而被訪網路也許就是他們正訪問的某同行所在的網路，一個通信者(correspondent)就是希望與該移動節點通信的物體，我們注意到代理被配置在路由器上但它們也能在網路中其他主機或服務器上執行，

尋址

將移動性功能從網路核心搬到網路邊緣，這是我們在研究因特網體系結構時一再重復的主題，一種自然的做法是由該移動節點的歸屬網路來實作，與那個流動青年的父母跟蹤他們孩子的位置有許多相似之處，在移動節點的歸屬網路中的歸屬代理也能跟蹤該移動節點所在的外部網路，這當然需要一個移動節點(或一個代表該移動節點的外部代理)與歸屬代理之間的協議來更新移動節點的位置，

概念上最簡單的方法是將外部代理放置在外部網路的邊緣路由器上，外部代理的作用之一就是為移動節點創建一個所謂的轉交地址(Care-Of Address，COA)，該COA的網路部分與外部網路的網路部分相匹配，因此一個移動節點可與兩個地址相關聯，即其永久地址(permanent address)(類比于流動青年的家庭地址)與其COA，該COA有時又稱為外部地址(foreign address)(類比于流動青年當前居住的房屋地址)，移動節點的固定地址是128.119.40.186，當被訪網路為79.129.13/24時，該移動節點具有的COA為79.129.13.2，外部代理的第二個作用就是 告訴歸屬代理，該移動節點在它的(外部代理的)網路中且具有給定的C0A，我們很快就會看到，該 COA將用于將資料報通過外部代理“重新路由選擇”到移動節點，

路由選擇到移動節點

我們現在已看到一個移動節點是如何得到一個COA的，歸屬代理又是如何被告知該地址的，但讓歸屬代理知道該COA僅能解區域分問題，資料報應怎樣尋址并轉發給移動節點呢？因為只有歸屬代理(而不是全網的路由器)知道該移動節點的位置，故如果只是將一個資料報尋址到移動節點的永久地址并將其發送到網路層基礎結構中，這樣做已不再 滿足需要了，還有更多的事情要做，目前有兩種不同的方法，我們將稱其為間接路由選擇與直接路由選擇，

• 間接路由選擇，（三角路由問題）

• 直接路由選擇，（移動問題）

• 新方案，

假設資料當前正轉發給位于某個外部網路中的移動節點，并且在會話剛開始時該移動節點就位于該網路中步驟1，我們將首次發現移動節點的外部網路中的外部代理標識為錨外部代理(anchor foreign agent)，當移動節點到達一個新外部網路后，移動節點向新的外部代理注冊(步驟3) ，并且新外部代理向錨外部代理提供移動節點的新COA (步驟4)，當錨外部代理收到一個發往已經離開的移動節點的封裝資料報后，它可以使用新的COA重新封裝資料報并將其轉發給該移動節點(步驟5)，如果移動節點其后又移到另一個外部網路中，在該被訪網路中的外部代理隨后將與錨外部代理聯系，以便建立到該新外部網路的轉發，

六、移動IP

移動IP標準由三部分組成：

• 代理發現，移動IP定義了一個歸屬代理或外部代理用來向移動節點通告其服務的協議，以及移動節點請求一個外部代理或歸屬代理的服務所使用的協議，
• 向歸屬代理注冊，移動IP定義了移動節點和/或外部代理向一個移動節點的歸屬代理注冊或注銷COA所使用的協議，
• 資料報的間接路由選擇，該標準也定義了資料報被一個歸屬代理轉發給移動節點的方式，包括轉發資料報使用的規則、處理差錯情況的規則和幾種不同的封裝形式，

我們暫不考慮安全性來討論，

代理發現

到達一個新網路的某移動IP節點，不管是連到一個外部網路還是回傳其歸屬網路, 它都必須知道相應的外部代理或歸屬代理的身份，的確，這是新外部代理的發現，通過一個新的網路地址，才使移動節點中的網路層知道它已進入一個新的外部網路，這個程序被稱為代理發現(agent discovery)，代理發現可以通過下列兩種方法之一實作：經代理通告或者經代理請求，

借助于代理通告(agent advertisement)，外部代理或歸屬代理使用一種現有路由器發現協議的擴展協議來通告其服務，該代理周期性地在所有連接的鏈路上廣播一個型別欄位為9(路由器發現)的ICMP報文，路由器發現報文也包含路由器(即該代理)的IP地址，因此允許一個移動節點知道該代理的IP地址，路由器發現報文還包括了一個移動性代理通告擴展，其中包含了該移動節點所需的附加資訊，在這種擴展中有如下一些較重要的欄位：

• 歸屬代理位元（H），指出該代理是它所在網路的一個歸屬代理，
• 外部代理位元（F），指出該代理是它所在網路的一個外部代理，
• 注冊要求位元（R），指出在該網路中的某個移動用戶必須向某個外部代理注冊，特別是，一個移動用戶不能在外部網路(如使用DHCP)中獲得一個轉交地址，并假定由它自己承擔外部代理的功能，無須向外部代理注冊，
• M、G封裝位元，指出除了“IP中的IP" (IP-in-IP)封裝形式外，是否還要用其他的封裝形式，
• 轉交地址（COA），由外部代理提供的一個或多個轉交地址的串列，在下面的例子中，COA將與外部代理關聯，外部代理將接收發給該COA的資料報，然后再轉發到適當的移動節點，移動用戶在向其歸屬代理注冊時將選擇這些地址中的 一個作為其COA，

使用代理請求(agent solicitation)，—個想知道代理的移動節點不必等待接收代理通告，就能廣播一個代理請求報文，該報文只是一個型別值為10的ICMP報文， 收到該請求的代理將直接向該移動節點單播一個代理通告，于是該移動節點將繼續處理， 就好像剛收到一個未經請求的通告一樣，

向歸屬代理注冊

一旦某個移動IP節點收到一個COA，則該地址必須要向歸屬代理注冊， 這可通過外部代理(由它向歸屬代理注冊該COA)或直接通過移動IP節點自己來完成， 我們下面考慮前一種情況，共涉及4 個步驟，

（1）當收到一個外部代理通告后，一個移動節點立即向外部代理發送一個移動IP注冊報文，注冊報文承載在一個UDP資料報中并通過埠434發送，注冊報文攜帶以下內容：一個由外部代理通告的COA、歸屬代理的地址(HA)、移動節點的永久地址(MA)、請求的注冊壽命和一個64位元的注冊標識，請求的注冊壽命指示了注冊有效的秒數，如果注冊沒有在規定的時間內在歸屬代理上更新，則該注冊將變得無效，注冊標識就像一個序號，用于收到的注冊回答與注冊請求的匹配，

（2）外部代理收到注冊報文并記錄移動節點的永久IP地址，外部代理知道現在它應該查找這樣的資料報，即它封裝的資料報的目的地址與該移動節點的永久地址相匹配，外部代理然后向歸屬代理的434埠發送一個移動IP注冊報文(同樣封裝在UDP資料報中)， 這一報文包括COA、HA、MA、封裝格式要求、請求的注冊壽命以及注冊標識，

（3）歸屬代理接收注冊請求并檢查真實性和正確性，歸屬代理把移動節點的永久IP地址與COA系結在一起，以后，到達該歸屬代理的資料報與發往移動節點的資料報將被封裝并以隧道方式給COA，歸屬代理發送一個移動IP注冊回答，該回應報文中包含有HA、MA、實際注冊壽命和被認可的請求報文注冊標識，

（4）外部代理接收注冊回應，然后將其轉發給移動節點，

七、管理蜂窩網中的移動性

與移動IP類似，GSM采用了一種間接路由選擇方法，首先將通信者的呼叫路由選擇到移動節點的歸屬網路，再從那到達被訪網路，在 GSM術語中，移動用戶的歸屬網路被稱作該移動用戶的歸屬公共地域移動網路(home Public Land Mobile Network，home PLMN)，由于首字母縮略詞PLMN有些拗口，考慮到我們避免縮略詞字母表的要求，我們直接將GSM歸屬PLMN稱為歸屬網路(home network)，移動用戶向某個蜂窩網提供商訂購了服務，該蜂窩網就成為了這些用戶的歸屬網路(即該提供商就按月提供的蜂窩服務收取用戶的費用)，被訪問的PLMN，我們直接稱其為被訪網路(visited network)，是移動用戶當前所在網路，

歸屬網路和被訪網路的職責有很大的差別：

• 歸屬網路維護一個稱作歸屬位置注冊器(Home Location Register，HLR)的資料庫，其中包括它每個用戶的永久蜂窩電話號碼以及用戶個人概要資訊，重要的是，HLR也包括這些用戶當前的位置資訊，這就是說，如果一個移動用戶當前漫游到另一個提供商的蜂窩網路中，HLR中將包含足夠多的資訊來獲取被訪網路中對移動用戶的呼叫應該路由選擇到的地址，當一個呼叫定位到一個移動用戶后，通信者將與歸屬網路中一個被稱作網關移動服務交換中心(Gateway Mobile services Switching Center，GMSC)的特殊交換機聯系，同樣，為避免拗口的縮略詞，我們這里用一個更具描述性的術語來稱呼GMSC，即歸屬MSC (home MSC)，
• 被訪網路維護一個稱作訪問者位置注冊(Visitor Location Register，VLR)的資料庫，VLR為每一個當前在其服務網路中的移動用戶包含一個表項，VLR表項因此隨著移動用戶進入和離開網路而出現或消失，VLR通常與移動交換中心(MSC)在一起，該中心協調到達或離開被訪網路的呼叫建立，

對移動用戶呼叫的路由選擇

（1）通信者撥打移動用戶的電話號碼，該號碼本身并不涉及一個特定的電話線路或位置(畢竟電話號碼是固定的，而用戶是移動的)，號碼中的前幾位數字足以全域地判別移動用戶的歸屬網路，呼叫從通信者通過公共交換電話網到達移動用戶歸屬網路中的歸屬MSC，這是呼叫的第一步，

（2）歸屬MSC收到該呼叫并查詢HLR來確定移動用戶的位置，在最簡單的情況下，HLR回傳移動站點漫游號碼(MobileStationRoamingNumber，MSRN)，我們稱其為漫游號碼(roaming number)，注意到這個號碼與移動用戶的永久電話號碼不同，后者是與移動用戶的歸屬網路相關聯的，而漫游號碼是短暫的：當移動用戶進入一個被訪網路后，會給移動用戶臨時分配一個漫游號碼，漫游號碼的作用就相當于移動IP中轉交地址的作用，并且，與COA類似，它也是對通信者和移動用戶不可見的，如果HLR不具有該漫游號碼，它回傳被訪網路中VLR的地址，在這種情況下，歸屬MSC需要查詢VLR以便獲取移動節點的漫游號碼，但是HLR是如何首先得到漫游號碼或VLR地址的呢？移動用戶到另一個被訪網路后這些值將發生怎樣的變化？當一個移動電話切換或進入一個由新的VLR所覆寫的被訪網路中以后，移動用戶必須向被訪網路注冊，這是通過在移動用戶和VLR之間交換信令報文來實作的，被訪VLR隨后又向移動用戶的HLR發送一個位置更新請求報文，這一報文告知HLR可以用來聯系移動用戶的漫游號碼，或者VLR地址(它可以用來隨后查詢以獲取移動號碼)，作為這個交換的一部分，VLR同樣從HLR那里獲取移動用戶的信 息，以及確定被訪網路應該給予移動用戶什么 樣的服務(如果有的話)，

（3）給定一個漫游號碼，歸屬MSC通過網路到達被訪網路的MSC建立呼叫的第二步， 至此，該呼叫已經完成，從通信者到達歸屬MSC，再從歸屬MSC到達被訪MSC，然后到達為移動用戶提供服務的基站，

GSM中的切換

在一個呼叫程序中，移動站點將其關聯從一個基站改變到另一個基站時出現切換(hand- off)，移動用戶的呼叫初始時(在切換前)通過一個基站(我們稱其為舊基站)路由選擇到該移動用戶，而在切換以后它經過另一個基站(我們稱其為新基站)路由選擇到移動用戶，注意到基站之間的切換不僅導致移動用戶向/從一個新的基站傳輸/接收信號，而且導致正在進行的呼叫從網路中的一個交換點到新基站的重路由選擇，我們首先假設新舊基站共享同一個MSC，并且重路由選擇發生在這個MSC，

有幾種原因導致切換的發生，包括：①當前基站和移動用戶之間的信號減弱，使得該呼叫有被中斷的危險；②一個蜂窩處理的呼叫太多，變得過載，可以通過將一些移動用戶切換到鄰近不太擁塞的蜂窩中，使這個擁塞得到緩解，

（1）舊基站(BS)通知被訪問MSC即將要進行一個切換，通知移動用戶將要切換到的BS(或可能的BS集)，

（2）被訪問MSC發起建立到新BS的路徑，分配承載重路由選擇的呼叫所需的資源，以及用信令告知新BS一個切換即將出現，

（3）新BS分配并激活一個無線信道供移動用戶使用，

（4）新BS發出信令回傳被訪問MSC和舊BS，即已經建立了被訪問MSC到新BS的路徑并且移動用戶應當被告知即將發生的切換，新BS提供移動用戶與新的BS相關聯所需要的所有資訊，

（5） 移動用戶被告知它應當進行一個切換，注意到此時為止，移動用戶完全不知網路已經為切換做好所有底層作業(如在新BS中分配一個信道，分配一條從被訪問MSC到新 BS的路徑)，

（6）移動用戶和新BS交換一個或多個報文，以完全激活新BS中新的信道，

（7）移動用戶向新BS發送一個切換完成報文，該報文隨后向上轉發給被訪問MSC，該被訪問MSC然后重路由選擇到移動用戶的正在進行的呼叫，使其經過新BS，

（8）沿著到舊BS的路徑分配的資源隨后被釋放，

當移動用戶移動到一個不同于舊BS的、 與不同的MSC關聯的BS中時，并且當這種MSC之間的切換多次發生時，考慮這些情況下 將發生什么，GSM定義了錨MSC(anchor MSC)的概念，錨MSC是呼叫首次開始時移動用戶所訪問的MSC，它因此在整個呼叫持續程序中保持不變，在整個呼叫持續期間，不論移動用戶進行了多少次MSC間轉換，呼叫總是從歸屬MSC路由選擇到錨 MSC，然后再到移動用戶當前所在的被訪問MSC，當移動用戶從一個MSC覆寫區到達另一個MSC覆寫區后，正在進行的呼叫被重路由選擇，從錨MSC到包含新基站的新被訪問MSC，因此，在任何情況下，通信者和移動用戶之間至多有3個MSC (歸屬MSC、錨MSC 以及被訪問MSC)，

另一種方法則不用維持從錨MSC到當前MSC的單一MSC跳，將直接鏈接移動用戶訪問的MSC，每當移動用戶移到一個新MSC后，讓舊MSC將正在進行的呼叫轉發給新MSC，這種MSC鏈事實上能夠出現在IS-41蜂窩網路中，通過使用最少步驟的可選路徑來去除在錨MSC和當前訪問MSC之間的MSC，

移動IP和GSM移動性之間的共性：

八、無線和移動性：對高層協議的影響

我們已經看到了無線網路在鏈路層(由于無線信道的諸如衰減、多徑、隱終端等特性)和網路層(由于移動用戶改變與網路的連接點)與有線網路的對應物有重大的區別，但在運輸層和應用層是否也有重大差別呢？我們很容易認為這些差別是很小的，因為在有線和無線網路中的網路層均為上層提供了同樣的盡力而為服務模式，類似地，如果在有線和無線網路中都是使用諸如TCP和UDP的協議提供運輸層服務，那么應用層也應該保持不變，在某個方面我們的直覺是對的，即TCP和UDP可以(也確實)運行在具有無線鏈路的網路中，在另一方面，運輸層協議(特別是TCP)通常在有線和無線網路中有時會有完全不同的性能，這里，在性能方面區別是明顯的，我們來研究一下其中的原因，

在發送方和接收方之間的路徑上，一個報文段不論是丟失還是出錯，TCP都將重傳它，在移動用戶情況下，丟失可能源于網路擁塞(路由器快取溢位)或者切換(例如，由于重路由選擇報文段到移動用戶新的網路接入點引入的時延)，在所有情況下, TCP的接收方到發送方的ACK都僅僅表明未能收到一個完整的報文段，發送方并不知道報文段是由于擁塞，或在切換程序中，還是由于檢測到位元差錯而被丟棄的，在所有情況下，發送方的反應都一樣，即重傳該報文段，TCP的擁塞控制回應在所有場合也是相同的，即TCP減小其擁塞視窗，由于無條件地降低其擁塞視窗，TCP 隱含地假設報文段丟失是由于擁塞而非出錯或者切換所致，在無線網路中位元錯誤比在有線網路中普遍得多，當這樣的位元差錯或者切換丟失發生時，沒理由讓TCP發送方降低其擁塞視窗(并因此降低發送速率)，此時路由器的快取的確可能完全是空的，分組可以在端到端鏈路中絲毫不受擁塞阻礙地流動，

由于無線信道的高位元差錯率和切換丟失的可能性，TCP的擁塞控制反應在無線情況下可能會有問題，有三大類可能的方法用于處理這一問題：

• 本地恢復，本地恢復方法的目標是在位元差錯出現的當時和當地(如在無線鏈路中)將其恢復，
• TCP發送方知曉無線鏈路，在本地恢復方法中，TCP發送方完全不清楚其報文段跨越一段無線鏈路，另一種方法是讓TCP發送方和接收方知道無線鏈路的存在，從而將在有線網路中發生的擁塞性丟包和在無線網路中發生的差錯/丟包區分開，并且僅對有線網路中的擁塞性丟包采用擁塞控制，
• 分離連接方法，在分離連接方法中[Badel995]，移動用戶和其他端點之間的端到端連接被打斷為兩個運輸層連接：一個從移動主機到無線接入點，一個從無線接入點到其他通信端點(我們假定它是有線的主機)，該端到端連接因此是由一個無線部分和一個有線部分級連形成的，經無線段的運輸層能夠是一個標準的TCP連接，或是一個特別定制運行在UDP上的差錯恢復協議，

至此，我們學習了無線網路和移動網路的種種，