第 9 章 无线网络和移动网络

一、无线局域网 WLAN

1 无线局域网的组成

无线局域网提供移动接入的功能，可分为两大类：有固定基础设施的和无固定基础设 施的。

（1）IEEE 802.11

IEEE 802.11 是无线以太网的标准，是有固定基础设施的，它使用星形拓扑，其中心接 入点叫做 AP ，在 MAC 层使用CSMA/CA 协议。凡使用 802.11 系列协议的局域网又称 为 Wi-Fi。

IEEE 802. 11 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集 BSS ，一个基本服务集可以 是孤立的，也可通过接入点 AP 连接到一个分配系统 DS ，然后再连接到另一个基本服 务集，这样就构成了一个扩展的服务集 ESS。

（2）移动自组网络

移动自组网络是无固定基础设施的无线局域网，它又称做自组网络；它是由一些处于 平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络，在军用和民用领域都有很好的应用 前景。

【注意】常见名词解释：

①固定接入：在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变；

②移动接入：用户设备能够以车辆速度移动时进行网络通信，当发生地理位置切换时， 通信仍然是连续的；

③便携接入：在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络 通信，提供有限的切换能力；

④游牧接入：用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。

2 802.11 局域网的物理层

根据物理层的不同，对应的标准也不同，如表 9-1 所示是对无线局域网几种标准的简 单比较。

表 9-1 几种常用的 802.11 无线局域网

3 802.11 局域网的 MAC 层协议

（1）CSMA/CA 协议概述

①无线局域网中的特殊问题

a ．隐蔽站问题：因为距离等原因，不能检测出信道上其他站点信号的问题；

b ．暴露站问题：无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个移动站进行 通信。

②CSMA/CA 协议

802.11 局域网使用 CSMA/CA（载波侦听多路访问/碰撞避免）协议，能够尽量减少碰 撞发送的概率。

802. 11 标准还采用虚拟载波监听机制，让源站把它要占用的信道时间（包括目的站发 回确认帧所需的时间）及时通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停 止发送数据，这样大大减少了碰撞的机会。

（2）802.11 的 MAC 层

如图 9-1 所示，802.11 的 MAC 层在物理层的上面，它包括两个子层：

①分布协调功能 DCF：不采用任何中心控制，而是在每一个结点使用CSMA 机制的分 布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权，DCF 向上提供争用服务，所有 的实现都必须有 DCF 功能；

②点协调功能 PCF：使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把发送数据权轮 流交给各个站，从而避免碰撞的产生；对于时间敏感的业务，如分组话音，就应使用提供无争用服务的点协调功能 PCF。

图 9-1 802. 11 的 MAC 层

（3）为了避免碰撞采取的措施

为尽量避免碰撞，802.11 规定所有的站在完成发送后，必须再等待帧间间隔 IFS 后才 能发送下一帧，常见两种帧间间隔为：

①SIFS（短帧间间隔）：长度为 28μs ，它是最短的帧间间隔；

②DIFS（分布协调功能帧间间隔）：它的长度为 128μs ，在 DCF 方式中，DIFS 用来 发送数据帧和管理帧。

（4）CSMA/CA 算法

CSMA/CA 算法归纳如下：

①若站点最初有数据要发送，且检测到信道空闲，在等待时间DIFS 后，就发送整个 数据帧。

②否则，站点执行 CSMA/CA 协议的退避算法。一旦检测到信道忙，就冻结退避计时 器；只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。

③当退避计时器时间减少到零时，站点就发送整个帧并等待确认。

④发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了；若还要发送第二帧， 就从②开始，执行 CSMA/CA 协议的退避算法，随机选定一段退避时间。

（5）对信道进行预约

为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。

4 802.11 局域网的 MAC 帧

802.11 帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧；如图 9-2 所示为 802.11 的几种帧格式。

图 9-2 802. 11 局域网的帧格式

二、无线个人区域网 WPAN

无线个人区域网 WPAN 是指在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连 接起来的自组网络，不需要使用接入点 AP ，整个网络的范围大约在 10m 左右；例如 日常使用的蓝牙系统。

三、无线城域网 WMAN

无线城域网（WMAN）是指在地域上覆盖城市及其郊区范围的分布节点之间传输信息 的本地分配无线网络。

四、蜂窝移动通信网

1 蜂窝无线通信技术简介

蜂窝移动通信又称为小区制移动通信，它把整个的网络服务区划分成许多小区（“蜂

窝”），每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动站的联络与控制，移动站的发送 或接收都必须经过基站进行收发。

2 移动 IP

（1）相关概念

①移动 IP：又称移动 IP 协议，它允许计算机移动到外地，但仍保留原来的 IP 地址；

②永久地址或归属地址：一个移动站 A 必须有的一个原始地址；

③归属网络：移动站原始连接到的网络称作归属网络，且它是不变的；

④被访网络或外地网络：当移动站 A 移动到另一个地点时所接入的网络称为被访网络 或外地网络；

⑤归属代理：通常是连接在归属网络上的路由器；

⑥外地代理：被访网络中使用的代理称作外地代理，它通常就是连接在被访网络上的 路由器；

⑦转交地址：外地代理为移动站 A 创建的临时地址；

⑧同址转交地址：移动站和外地代理是同一个设备时，这时的转交地址称作同址转交 地址。

（2）移动 IP 通信举例

设通信者 B 要与移动站 A 通信，则进行以下步骤：

①B 发送给 A 的数据报被 A 的归属代理截获；

②归属代理知道 A 的转交地址，因此归属代理把 B 发来的数据报进行再封装，新的数 据报的目的地址是 A 现在的转交地址；新封装的数据报发送到被访网络的外地代理；

③被访网络中的外地代理把收到的封装的数据报进行拆封，取出B 发送的原始数据报， 然后转发给移动站A；这个数据报的目的地址就是 A 的永久地址，此时 A 收到 B ，还 得到了 B 的 IP 地址；

④如果现在 A 要向B 发送数据报，那么A 仍然使用自己的永久地址作为数据报的源地 址，用 B 的 IP 地址作为数据报的目的地址即可。

【注意】为了支持移动性，在网络层应当增加以下的一些新功能：

①移动站到外地代理的协议；

②外地代理到归属代理的登记协议；

③归属代理数据报封装协议；

④外地代理拆封协议。

（3）移动 IP 的路由选择

移动 IP 的路由选择有间接路由选择和直接路由选择，后者需要使用通信者代理和锚外 地代理。

3 蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择

（1）相关概念

①归属位置寄存器 HLR 和来访用户位置寄存器 VLR

移动交换中心 MSC 是蜂窝移动通信网中的核心构件，它需要维持 HLR 和 VLR 两个重 要的数据库，HLR 存放签约用户的所有数据信息，VLR 则临时存放着当前漫游到这个 MSC 控制区的用户位置信息。

②移动站漫游号码 MSRN

当移动用户漫游到新的 MSC 控制区时，VLR 给该移动用户分配一个临时的移动站漫 游号码 MSRN 来表示移动用户现在的位置信息。

（2）固定电话用户呼叫移动用户的步骤

如图9-3 所示为固定用户呼叫移动用户的步骤示意图。

图 9-3 固定电话用户呼叫移动用户（间接路由选择）

4 GSM 中的切换

切换是指移动用户与相关联的基站发生了改变，它使得呼叫的传输路由发生变化。

5 无线网络对高层协议的影响

无线网络在移动站漫游时，会经常更换移动用户到无线网络的连接点（即到移动站相 关联的基站），网络的连接就易发生很短时间的中断，此时举例说明对运输层的影响： 在 TCP 连接中，只要出现 TCP 报文段频繁丢失，TCP 的拥塞控制就会采取措施，减小 其拥塞窗口，从而使 TCP 发送方的报文段发送速率降低。

五、两种不同的无线上网

无线上网常见有两种方式，一种是利用蜂窝移动网络，另一种是 Wi-Fi 上网，但两者 费用差距较大。