计算机网络学习笔记6

无线和移动网络概述

无线网络和移动网络相关但不是同一件事。

无线（wireless）：通信链路使用无线电等无线介质，不通过有线链路连接终端
移动性（mobility）：用户改变网络连接点时，仍希望保持通信和服务连续

无线不一定移动，例如固定位置的无线传感器、家庭 WiFi 中长时间不移动的台式机；移动也不一定完全依赖无线，例如设备在不同有线接入点之间移动时也会产生地址和连接维护问题。但在现实中，手机、平板、笔记本等设备通常同时具有无线接入和移动性需求。

无线网络的基本组成：

无线主机：笔记本、手机、IoT 设备等
无线链路：主机和基站/AP 之间的无线信道
基站（base station）：连接无线主机和更大网络的基础设施节点，如蜂窝基站、802.11 AP
网络基础设施：连接基站、核心网、互联网和应用服务器

课堂补充：基站/AP 的角色可以理解为中继。无线主机通常先通过无线链路连到 AP 或蜂窝基站，基站再通过有线或运营商网络把分组转发到互联网。

无线网络分类

按基础设施和跳数可以分为：

类型	是否有基础设施	跳数	例子
基础设施单跳	有 AP/基站	单跳到基站	WiFi、4G/5G
无基础设施单跳	无基站	单跳到其他主机	蓝牙、临时网络
基础设施多跳	有基础设施	多跳到基站	无线 mesh 网络
无基础设施多跳	无基站	多跳转发	MANET、车联网部分场景

本章重点是基础设施无线网络：802.11 WiFi、4G/5G 蜂窝网络，以及移动性管理。

无线链路特征

无线链路和有线链路相比更复杂，主要原因是信号在开放空间传播，容易受距离、障碍物、反射、干扰和移动影响。

信号衰减和干扰

无线信号随距离增大而衰减。接收端收到的信号强度越低，越难从噪声中恢复原始比特。

影响无线传输的因素：

路径损耗：信号能量随传播距离减弱
遮挡：建筑物、墙体、人体等阻挡信号
干扰：同频或邻频设备同时发送
噪声：热噪声、电磁噪声等背景干扰

无线链路常用信噪比 SNR（Signal-to-Noise Ratio）衡量信号相对于噪声的强度。SNR 越高，通常误比特率越低；SNR 越低，误码概率越高。

多径传播

无线信号会被地面、墙壁、建筑物反射，导致同一信号沿多条路径到达接收端。这称为多径传播。

多径会带来：

不同路径信号到达时间不同，造成码间干扰
不同路径信号相位不同，可能相互加强或抵消
移动时路径快速变化，链路质量波动

课堂补充：无线环境中的“多条路径”不是路由层的多路径，而是电磁波传播路径。接收端看到的是多个延迟、相位、强度不同的信号叠加。

隐藏终端和衰落

隐藏终端问题：A 和 C 都能和 B 通信，但 A 与 C 相距较远，彼此听不到。如果 A 和 C 同时向 B 发送，二者在 B 处发生碰撞。

隐藏终端产生的原因：

发送方只能侦听自己附近的信道
接收方附近的干扰，发送方未必能感知
无线信号范围和接收端位置相关

这使得有线以太网中的 CSMA/CD 难以直接用于无线网络。802.11 使用碰撞避免 CSMA/CA，并结合 ACK、RTS/CTS 等机制降低冲突影响。

CDMA

CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是一种信道划分方法。它不是把信道按时间或频率分给用户，而是给每个用户分配一个编码。

基本思想：

每个发送方用自己的码片序列对数据比特编码
多个发送方可以在同一时间、同一频率上发送
接收方用目标发送方的码片序列解码，提取对应数据

如果不同用户的码片序列正交或近似正交，接收端可以从叠加信号中分离出目标用户数据。CDMA 曾广泛用于蜂窝网络，也有助于理解无线多路访问中的“编码划分”思想。

IEEE 802.11 无线局域网

802.11 是 WiFi 的 IEEE 标准族。它定义无线局域网的物理层和 MAC 层。

常见标准：

标准	常见名称	频段	说明
802.11b	WiFi 1	2.4 GHz	最高 11 Mbps
802.11g	WiFi 3	2.4 GHz	最高 54 Mbps
802.11n	WiFi 4	2.4/5 GHz	MIMO，数百 Mbps
802.11ac	WiFi 5	5 GHz	更高吞吐
802.11ax	WiFi 6	2.4/5 GHz	OFDMA、效率提升

所有 802.11 标准都使用 CSMA/CA 思想进行多路访问，并支持基础设施模式和自组织模式。

802.11 架构

802.11 基础设施模式中的主要概念：

AP（Access Point）：接入点，连接无线主机和有线网络
BSS（Basic Service Set）：一个 AP 及其关联无线主机构成的基本服务集
SSID：网络名称
信道：无线工作频段中的一个子频段

一个区域内可能有多个 AP，它们可以使用相同或不同 SSID，也可以工作在不同信道上。

信道和关联

无线主机加入 WiFi 网络时，需要选择 AP 并建立关联。

过程大致为：

主机扫描信道
发现 AP 的信标帧或主动发送探测请求
获得 AP 的 SSID、MAC 地址、安全能力、支持速率等信息
选择一个 AP
执行认证和关联
之后通过 AP 发送和接收数据帧

扫描方式：

被动扫描：主机等待 AP 周期性发送 beacon 帧
主动扫描：主机广播 Probe Request，AP 返回 Probe Response

802.11 多路访问：CSMA/CA

802.11 使用 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，碰撞避免）。

为什么不用 CSMA/CD？

无线发送信号远强于接收信号，发送时难以检测其他弱信号
即使发送端没检测到碰撞，也不代表接收端没有干扰
隐藏终端会导致发送端听不到彼此，却在接收端冲突

802.11 发送方基本流程：

如果侦听到信道空闲持续 DIFS，开始发送
如果信道忙，选择随机回退值
只有在信道空闲时回退计数才递减
回退计数到 0 时发送整个帧
如果收到 ACK，发送成功
如果未收到 ACK，认为失败，增大回退窗口并重试

接收方流程：

正确接收数据帧
等待 SIFS
发送 ACK

SIFS 比 DIFS 短，因此 ACK 优先级高于新数据帧发送。

课堂补充：802.11 的链路层 ACK 很重要。无线误码率较高，且隐藏终端可能让接收端无法正确收到帧；若不在链路层局部恢复，端到端重传代价更大。

为什么回退计数要等到 0

如果多个站点都在等待当前发送结束，信道刚空闲时它们同时发送会再次碰撞。CSMA/CA 让它们各自随机选择回退值，只有回退值最先到 0 的站点发送，其他站点在侦听到新发送后冻结计数器，等待下一次机会。

这体现了无线网络的设计思路：由于碰撞检测困难，一旦数据帧开始发送就可能浪费整个帧时间，因此尽量在发送前避免碰撞。

RTS/CTS

RTS/CTS 是 802.11 中可选的预约机制，主要用于缓解隐藏终端问题。

过程：

发送方先发送短 RTS（Request To Send）帧给 AP
AP 回复 CTS（Clear To Send）帧
听到 CTS 的其他节点推迟发送
发送方发送较长的数据帧
接收方返回 ACK

RTS 帧较短，即使碰撞，浪费也小；CTS 被 AP 广播后，隐藏在发送方之外但能听到 AP 的节点也会静默，从而减少长数据帧碰撞。

课堂补充：RTS/CTS 可以理解为“先预约再发大包”。它不是每次都必须使用，因为小帧使用 RTS/CTS 反而可能增加额外开销。

802.11 帧寻址

802.11 帧可能包含多个地址字段，因为帧要在无线主机、AP、有线网络之间转换。

基础设施模式中，从无线主机 H1 发往有线侧主机 H2 的场景：

地址 1：接收该无线帧的 AP MAC 地址
地址 2：发送该无线帧的 H1 MAC 地址
地址 3：有线网络中最终目的或路由器接口的 MAC 地址

AP 收到 802.11 帧后，会把它转换成 802.3 以太网帧，在有线网络中继续转发。反方向也类似。

同一子网内移动

如果移动主机从同一 IP 子网内的一个 AP 移动到另一个 AP，IP 地址可以保持不变。新的 AP 需要让交换机知道该主机现在从另一个端口可达。

交换机的自学习机制可以帮助完成这一点：当移动主机通过新 AP 发送帧时，交换机从源 MAC 学到新的端口映射，后续帧会转发到新 AP。

蓝牙和个人域网络

蓝牙属于无线个人域网络，适合短距离、低功耗、低成本连接，如耳机、键盘、鼠标、手环等。

蓝牙网络通常范围较小，速率低于 WiFi，但功耗和配对体验更适合外设和 IoT 场景。

蜂窝网络：4G/5G

蜂窝网络通过基站覆盖地理区域，移动设备在不同基站覆盖区之间移动时保持服务。

课堂补充：蜂窝网络的“蜂窝”不是说手机像蜂窝，而是把基站覆盖区域抽象成六边形小区，多个小区拼接起来像蜂窝，用较少基站覆盖大面积区域。

蜂窝网络组成

4G LTE 中常见组件：

UE（User Equipment）：用户设备，如手机、平板、物联网终端
eNodeB：4G 基站，负责无线接入、无线资源管理
MME（Mobility Management Entity）：移动性管理实体，处理控制平面状态、认证、移动性管理
HSS（Home Subscriber Server）：归属用户服务器，保存用户订阅信息和身份认证数据
S-GW（Serving Gateway）：服务网关，承载用户数据面隧道
P-GW（Packet Data Network Gateway）：分组数据网关，连接外部互联网

5G 架构名称和功能划分有所演进，但仍保留无线接入、移动管理、用户身份、数据面网关等基本思想。

归属网络和被访网络

移动网络中有两个重要概念：

归属网络：用户签约的运营商网络，保存用户身份、订阅和认证信息
被访网络：用户漫游时当前接入的运营商网络

例如一个用户签约运营商 A，出国后连接运营商 B 的无线接入，A 是归属网络，B 是被访网络。被访网络需要和归属网络交互，确认用户身份、服务权限和计费关系。

课堂补充：4G/5G 中 SIM 卡提供全球身份信息，IMSI 用于标识用户；HSS 保存归属侧订阅和认证信息。漫游时，被访网络要联系归属网络完成认证和位置登记。

LTE 数据平面和控制平面

LTE 明确区分数据平面和控制平面。

控制平面负责：

用户认证
位置登记
建立承载
基站关联
移动性管理
切换控制

数据平面负责：

用户 IP 分组转发
基站、S-GW、P-GW 之间隧道封装
互联网访问

LTE 数据面常使用 GTP（GPRS Tunneling Protocol）在移动核心网中建立隧道，把用户分组封装在运营商内部网络中转发。

睡眠模式

移动设备受电池限制，不能一直保持高功耗接收状态。蜂窝网络使用睡眠/空闲模式：

空闲时设备关闭部分无线功能，节省电量
网络保留设备大致位置区域
有下行数据或呼叫时，通过寻呼唤醒设备
设备重新建立或恢复无线连接

这在能耗、延迟和网络状态维护之间折中。

迈向 5G

5G 的主要目标包括：

更高峰值速率和频谱效率
更低时延
支持海量机器类通信
网络切片
更灵活的软件化核心网
边缘计算结合

5G 不只是无线空口速率提升，也包括核心网架构、控制平面、数据平面、虚拟化和可编程能力的演进。

移动性管理

移动性关注的是设备改变网络连接点时，通信如何继续进行。

移动性范围可以从弱到强：

设备只在同一 AP 范围内移动，网络连接点不变
设备在同一子网内多个 AP 之间移动，IP 地址不变
设备跨子网移动，IP 地址或路由位置变化
设备在移动过程中保持长连接和实时业务

移动性的挑战

核心问题：

当移动设备从一个网络移动到另一个网络时，通信方如何继续把分组送到它？

天真的做法是让路由器维护每个移动设备当前位置的路由项。但移动设备数量巨大，如果把每台设备的位置都扩散到全网路由表，扩展性极差。

因此移动性通常需要额外机制：

归属网络保存稳定身份和当前位置
被访网络提供当前接入和转发
通过隧道把分组转发到当前位置
在切换时更新隧道端点

间接路由

间接路由中，通信方始终把分组发送到移动设备的归属地址或归属网络。归属网络知道移动设备当前在哪个被访网络，再通过隧道转发给被访网络。

过程：

移动设备进入被访网络并登记
被访网络把当前位置通知归属网络
通信方把分组发往移动设备归属地址
归属网关截获分组
归属网关通过隧道转发到被访网络
被访网络交付给移动设备

优点：

对通信方透明
移动设备改变被访网络时，通信方不必感知
可以维持已有连接

缺点：

可能出现三角路由，路径绕远
归属网络成为额外转发点和潜在瓶颈

课堂补充：间接路由的典型代价是“三角形路由”。通信双方可能距离很近，但分组仍先绕回归属网络，再转发到被访网络。

直接路由

直接路由中，通信方先向归属网络查询移动设备当前位置，然后直接把分组发送到被访网络。

过程：

移动设备向归属网络登记当前位置
通信方向归属网络查询移动设备当前被访网络地址
通信方直接向被访网络发送分组
被访网络交付给移动设备

优点：

避免归属网络中转
路径更短，效率更高

缺点：

对通信方不透明，需要知道移动性机制
设备再次移动时，通信方需要更新位置
连接维护更复杂

移动 IP

移动 IP 是较早提出的 IP 层移动性方案。它包含：

归属代理：位于归属网络，维护移动节点当前位置
外地代理：位于被访网络，帮助移动节点接入
转交地址：移动节点在被访网络中的当前地址
隧道：归属代理把发往归属地址的分组封装转发到转交地址

移动 IP 体现了间接路由思想，但在智能手机和现代蜂窝网络大规模普及后并未成为主流部署方案。4G/5G 在运营商核心网内部使用了更专门的移动性管理机制。

课堂补充：移动 IP 标准较早，约在智能手机大规模普及前提出。它的思想重要，但现实中的蜂窝移动性主要由运营商核心网机制完成，而不是普通互联网路由器普遍运行移动 IP。

4G/5G 中的移动性

4G/5G 网络中，移动性管理主要包括：

基站关联
用户身份认证
位置登记
建立数据面隧道
基站间切换
更新核心网转发状态

基站关联和认证

移动设备接入网络时：

UE 通过无线链路联系基站
UE 提供 IMSI 或临时身份
基站把控制平面消息转发给 MME
MME 联系 HSS 完成认证和授权
网络为 UE 建立控制平面状态

HSS 保存用户身份、订阅信息和认证材料；MME 在被访网络中维护 UE 当前接入状态。

数据面隧道

认证完成后，网络为移动设备建立数据面隧道：

UE 到基站是无线链路
基站到 S-GW 使用运营商内部隧道
S-GW 到 P-GW 继续使用隧道
P-GW 连接外部互联网

对外部服务器而言，移动设备看起来通过 P-GW 的地址或分配的 IP 与互联网通信。移动设备换基站时，核心网主要更新隧道端点，而不必让互联网全网路由变化。

课堂补充：4G/5G 中的 SGW/PGW 隧道承载用户数据。切换基站时，关键是把隧道端点从旧基站更新到新基站，使业务尽量连续。

基站间切换

同一蜂窝网络中，UE 从源基站切换到目标基站的大致流程：

源基站根据无线测量选择目标基站
源基站向目标基站请求切换
目标基站预留无线资源并确认
源基站通知 UE 切换到目标基站
UE 接入目标基站
目标基站通知 MME，UE 已经移动
MME 指示 S-GW 更新数据面隧道端点
源基站转发残留数据并释放资源

切换目标是让用户感受到尽可能小的中断，同时保证旧路径和新路径中的分组不大量丢失或乱序。

移动性对高层协议的影响

从分层抽象看，无线和移动性应该尽量对上层透明：TCP、UDP、HTTP 不必关心底层是以太网、WiFi 还是 LTE。

但性能上仍会受影响：

无线误码导致丢包
切换期间可能短暂中断
链路层重传增加 RTT 抖动
移动路径变化导致时延变化
TCP 可能把无线丢包误判为拥塞，降低拥塞窗口
实时音视频对时延、抖动和切换中断敏感

课堂补充：TCP 的拥塞控制假设丢包常常意味着拥塞。但无线网络中，丢包也可能来自误码或切换。如果 TCP 把链路错误当成拥塞，就会不必要地降低发送速率，浪费本来就稀缺的无线资源。

无线网络安全简述

无线链路是广播介质，更容易被附近攻击者监听、伪造或干扰，因此无线网络通常需要认证和加密。

802.11 安全过程大致包括：

发现 AP 的安全能力
移动设备和认证服务器进行相互认证
派生会话密钥
把会话密钥分发给 AP
移动设备和 AP 用对称密钥加密无线链路通信

企业 WiFi 常见协议栈中，移动设备和认证服务器之间可以使用 EAP，AP 作为中继，后端认证可使用 RADIUS。家庭网络则常使用预共享密码派生会话密钥。

4G/LTE 中，SIM 卡和归属网络保存长期密钥；被访网络通过 MME/HSS 交互完成认证，再派生移动设备和基站之间的会话密钥，保护无线链路。

小结

无线和移动网络核心知识：

无线强调链路介质，移动性强调连接点改变后保持通信
无线链路受路径损耗、噪声、干扰、多径和隐藏终端影响
SNR 越高通常误码率越低，多径和移动会让链路质量快速变化
CDMA 用编码区分多个发送方
802.11 WiFi 通过 AP、SSID、信道、关联构成基础设施无线 LAN
802.11 使用 CSMA/CA，而不是 CSMA/CD
链路层 ACK、随机回退、RTS/CTS 用于提高无线链路可靠性和降低碰撞
802.11 帧包含多个地址字段，以支持无线侧和有线侧转换
蜂窝网络通过基站覆盖区域，4G LTE 包含 UE、eNodeB、MME、HSS、S-GW、P-GW 等组件
归属网络保存用户订阅和身份，被访网络提供当前接入
间接路由对通信方透明但可能三角路由，直接路由效率高但不透明
移动 IP 体现归属代理、外地代理、隧道思想，但现实蜂窝网络使用专门核心网机制
4G/5G 通过控制平面登记、认证、切换，通过数据面隧道承载用户分组
无线误码和移动切换会影响 TCP、实时应用和整体吞吐

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