现在，我们首先讨论移动用户、无线链路和网络，以及它们与所连接的更大网络(通常是有线网络)之间的关系。

我们将指出以下两方面的差别：

1. 在该网络中由通信链路的无线特性所带来的挑战。
2. 这些无线链路使能的移动性。

一、概述

无线网络的要素：

• 无线主机。如同在有线网络中 一样，主机是运行应用程序的端系统设备。无线主机(wire- less host)可以是便携机、掌上 机、智能手机或者桌面计算机。主机本身可能移动，也可能不移动。
• 无线链路。主机通过无线通信链路(wireless communication link) 连接到一个基站或者另一台无线主机。不同的无线链路技术具有不同的传输速率和能够传输不同的距离。

我们聚焦无线链路在网络边缘的应用。

• 基站。基站(base station)是无线网络基础设施的一个关键部分。与无线主机和无线链路不同，基站在有线网络中没有明确的对应设备。它负责向与之关联的无线主机发送数据和从主机那里接收数据(例如分组)。基站通常负责协调与之相关联的多个无线主机的传输。当我们说一台无线主机与某基站“相关联”时，则是指：①该主机位于该基站的无线通信覆盖范围内；②该主机使用该基站中继它(该主机)和更大网络之间的数据。蜂窝网络中的蜂窝塔和802. 11无线LAN中的接入点(access point)都是基站的例子。

与基站关联的主机通常被称为以基础设施模式(infrastructure mode)运行，因为所有传统的网络服务(如地址分配和路由选择)都由网络向通过基站相连的主机提供。在自组织网络(ad hoc network)中，无线主机没有这样的基础设施与之相连。在没有这样的基础设施的情况下，主机本身必须提供诸如路由选择、地址分配、类似于DNS的名字转换等服务。

• 网络基础设施。这是无线主机希望与之进行通信的更大网络。

根据两个准则对无线网络分类：

①在该无线网络中的分组是否跨越了一个无线跳或多个无线跳；

②网络中是否有诸如基站这样的基础设施。

• 单跳，基于基础设施。这些网络具有与较大的有线网络(如因特网)连接的基站。 此外，该基站与无线主机之间的所有通信都经过一个无线跳。你在教室、咖啡屋或图书馆中所使用的802. 11网络，以及我们将很快学习的4GLTE数据网络都属于这种类型。我们日常的绝大部分时间是在与单跳、基于基础设施的无线网络打交道。

• 单挑，无基础设施。在这些网络中，不存在与无线网络相连的基站。然而，如我们将要见到的那样，在这种单跳网络中的一个节点可以协调其他节点的传输。蓝牙网和具有自组织模式的802. 11网络是单跳、无基础设施的网络。

• 多跳，基于基础设施。在这些网络中，一个基站表现为以有线方式与较大网络相连。然而，某种无线节点为了经该基站通信，可能不得不通过其他无线节点中继它们的通信。某些无线传感网络和所谓无线网状网络(wireless mesh network)就属于这种类型。

• 多跳，无基础设施。在这些网络中没有基站，并且节点为了到达目的地可能必须在几个其他无线节点之间中继报文。节点也可能是移动的，在多个节点中改变连接关系，一类网络被称为移动自组织网络(mobile ad hoc network, MANET)。如果该移动节点是车载的，该网络是车载自组织网络(vehicular ad hoc network，VANET)。

二、无线链路和网络特征

有线和无线网络的重要区别应该关注链路层：

• 递减的信号强度。电磁波在穿过物体(如无线电信号穿过墙壁)时强度将减弱。即使在自由空间中，信号仍将扩散，这使得信号强度随着发送方和接收方距离的增加而减弱(有时称其为路径损耗(path loss))。
• 来自其他源的干扰。在同一个频段发送信号的电波源将相互干扰。例如，2. 4GHz无线电话和802. 11b无线LAN在相同的频段中传输。因此，802. 11b无线LAN用户若同时利用2.4GHz无线电话通信，将会导致网络和电话都不会工作得特别好。除了来自发送源的干扰，环境中的电磁噪声(如附近的电动机、微波)也能形成干扰。
• 多径传播。当电磁波的一部分受物体和地面反射，在发送方和接收方之间走了不同长度的路径，则会出现多径传播(multipath propagation)。这使得接收方收到的信号变得模糊。位于发送方和接收方之间的移动物体可导致多径传播随时间而改变。

无线链路更容易出现比特差错，因此，不仅使用有效的CRC错误检测码，还采用链路层ARQ协议来重传受损的帧。

我们将注意力转向无线信号的主机。

信噪比（SNR）是所接收到的信号和噪声强度的相对测量。

三种不同的调制技术的比特差错率(BER) (大致说来，BER是在接收方收到的有错传输比特的概率)与SNR之比，这些调制技术用于对信息进行编码以在理想信道上传输。关于物理层的特征，这些特征对于理解较高层无线通信协议是重要的：

• 对于给定的调制方案，SNR越高，BER越低。因此可以增加传输功率来降低接收到差错比特率。一些缺点：发送方必须消耗更多的能量，并且发送方的传输更可能干扰另一个发送方的传输。

• 对于给定的SNR，具有较高比特传输率的调制技术(无论差错与否)将具有较高的BER。

• 物理层调制技术的动态选择能用于适配对信道条件的调制技术。

隐藏终端问题：

当通过无线媒体传播时信号强度的衰减(fading)：

• 码分多址（CDMA）

在CDMA协议中，要发送的每个比特都通过乘以一个信号(编码)的比特来进行编码，这个信号的变化速率(通常称为码片速率，chipping rate) 比初始数据比特序列的变化速率快得多。一个简单的、理想化的CDMA编码/解码情形。假设初始数据比特到达CDMA编码器的速率定义了时间单元；也就是说，每个要发送的初始数据比特需要1比特时隙时间。

三、WiFi：802.11无线LAN

• IEEE 802.1无线LAN (也称为WiFi)。

802.11设备工作在两个不同的频率段上：

• 2.4 ~ 2. 485GHz (称之为2.4GHz频段)

• 5.1~5.8GHz (称之为 5GHz频段)。

2.4GHz频段是一种无须执照的频段，在此频段上，使用2. 4GHz的电话和微波炉等802. 11设备可能会争用该频段 的频谱。

在5GHz频段，对于给定的功率级802. 11 LAN有更短的传输距离，并且受多径传播的影响更多。

802.11 体系结构

802.11体系结构的基本构件模块是基本服务集(Basic Service Set，BSS)。一个BSS包含一个或多个无线站点和一个在 802.11术语中称为接入点(Access Point，AP)的中央基站(base station)。上图展示了两个BSS中的AP，它们连接到一个互联设备上(如交换机或者路由器)，互联设备又连接 到因特网中。在一个典型的家庭网络中，有一个AP和一台将该BSS连接到因特网中的路由器 (通常综合成为一个单元)。

与以太网设备类似，每个802.11无线站点都具有一个6字节的MAC地址，该地址存储在该站适配器(即802. 11网络接口卡)的固件中。每个AP的无线接口也具有一个MAC地址。与以太网类似，这些MAC地址由IEEE管理，理论上是全球唯一的。

配置AP的无线LAN经常被称作基础设施无线LAN(infrastructure wireless LAN)，其中的“基础设施”是指AP连同互联AP和一台路由器的有线以太网。上图显示了IEEE 802. 11站点也能将它们自己组合在一起形成一个自组织网络，即一个无中心控制和与“外部世界”无连接的网络。这里，该网络是由彼此已经发现相互接近且有通信需求的移动设备“动态”形成，并且在它们所处环境中没有预先存在的网络基础设施。当携带便携机的人们聚集在一起时(例如，在一个会议室、一列火车或者一辆汽车中)，并且要在没有中央化的AP的情况下交换数据，一个自组织网络就可能形成了。随着要通信的便携设备的继续激增，人们对自组织网络产生巨大的兴趣。然而现在我们只关注基础设施无线LAN。

• 信道与关联

当网络管理员安装一个AP时，管理员为该接入点分配一个单字或双字的服务集标识符(ServiceSetIdentifier，SSID)。(例如，当你在iPhone上选择设置WiFi时，将显示某范围内每个AP的SSID) 管理员还必须为该AP分配一个信道号。为了理解信道号，回想前面讲过的802. 11运行在2.4-2. 4835GHz的频段中。在这个85MHz的频段内，802. 11定 义了11个部分重叠的信道。当且仅当两个信道由4个或更多信道隔开时它们才无重叠。 特别是信道1、6和11的集合是唯一的3个非重叠信道的集合。这意味着管理员可以在同 一个物理网络中安装3个802. lib AP，为这些AP分配信道1、6和11，然后将每个AP都连接到一台交换机上。

WiFi丛林(WiFi jungle)是一个任意物理位置，在这里无线站点能从两个或多个AP中收到很强的信号。例如，在纽约城的许多咖啡馆中，无线站点可以从附近许多AP中选取一个信号。其中一个AP可能由该咖啡馆管理，而其他AP 可能位于咖啡馆附近的住宅区内。这些AP中的每一个都可能位于不同的子网中，并被独立分配一个信道。

802.11标准要求每个AP周期性地发送信标帧(beaconframe)，每个信标帧包括该AP的SSID和MAC地址。你的无线站点为了得知正在发送信标帧的AP，扫描11个信道，找出来自可能位于该区域的AP所发出的信标帧(其中一些AP可能在相同的信道中传输，即这里有一个丛林！)。通过信标帧了解到可用AP后，你(或者你的无线主机)选择一个AP用于关联。

扫描信道和监听信标帧的过程被称为被动扫描(passive scanning)。无线主机也能够执行主动扫描(active scanning)，这是通过向位于无线主机范围内的所有AP广播探测帧完成的。AP用一个探测响应帧应答探测请求帧。无线主机则能够在响应的AP中选择某AP与之相关联。

选定与之关联的AP后，无线主机向AP发送一个关联请求帧，并且该AP以一个关联响应帧进行响应。注意到对于主动扫描需要这种第二次请求/响应握手，因为一个对初始探测请求帧进行响应的AP并不知道主机选择哪个(可能多个)响应的AP进行关联，这与DHCP客户能够从多个DHCP服务器进行选择有诸多相同之处。一旦与一个AP关联，该主机希望加入该AP所属的子网中。 因此，该主机通常将通过关联的AP向该子网发送一个DHCP发现报文，以获取在该AP子网中的一个IP地址。一旦获得地址，网络的其他部分将直接视你的主机为该子网中的另一台主机。

802.11 MAC结构

一旦某无线站点与一个AP相关联，它就可以经该接入点开始发送和接收数据帧。 然而因为许多无线设备或AP自身可能希望同时经过相同信道传输数据帧，因此需要一个多路访问协议来协调传输。下面，我们将无线设备或AP称为站点，它们共 享多个接入信道。宽泛地讲有三类多路访问协议：信道划分(包括CDMA)、随机访问和轮流。受以太网及其随机访问协议巨大成功的激励，802.11的设计者为802.11无线LAN选择了一种随机访问协议。这个随机访问协议称作带碰撞避免的CSMA( CSMA with collision avoidance)，或简称为CSMA/CA。

与以太网的CSMA/CD相似，CSMA/CA中的“CSMA”代表“载波侦听多路访问”，意味着每个站点在传输之前侦听信道，并且一旦侦听到该信道忙则抑制传输。尽管以太网和802. 11都使用载波侦听随机接入，但这两种MAC协议有重要的区别。

• 首先，802. 11 使用碰撞避免而非碰撞检测。
• 其次，由于无线信道相对较高的误比特率，802. 11(不同于以太网)使用链路层确认/重传(ARQ)方案。

与802.3以太网协议不同，802. 11 MAC协议并未实现碰撞检测。这主要由两个重要的原因所致：

• 检测碰撞的能力要求站点具有同时发送(站点自己的信号)和接收(检测其他站点是否也在发送)的能力。因为在802. 11适配器上，接收信号的强度通常远远小于发送信号的强度，制造具有检测碰撞能力的硬件代价较大。
• 更重要的是，即使适配器可以同时发送和监听信号(并且假设它一旦侦听到信道忙就放弃发送)，适配器也会由于隐藏终端问题和衰减问题而无法检测到所有的碰撞。

分析802.11的链路层确认(link-layer acknowledgment)方案。当无线LAN中某站点发送一个帧时，该帧会由于多 种原因不能无损地到达目的站点。为了处理这种不可忽视的故障情况，802. 11 MAC使用链路层确认。目的站点收到一个通过CRC校验的帧后，它等待一个被称作短帧间间隔(Short Inter-Frame Spacing，SIFS) 的一小段时间，然后发回一个确认帧。如果发送站点在给定的时间内未收到确认帧，它假定出现了错误并重传该帧，使用CSMA/CA协议访问该信道。如果在若干固定次重传后仍未收到确认，发送站点将放弃发送并丢弃该帧。

描述：

1. 如果某站点最初监听到信道空闲，它将在一个被称作分布式帧间间隔(Distributed Inter-Frame Space，DIFS)的短时间段后发送该帧。
2. 否则，该站点选取一个随机回退值并且在侦听信道空闲时递减该值。当侦听到信道忙时，计数值保持不变。
3. 当计数值减为0时(注意到这只可能发生在信道被侦听为空闲时)，该站点发送整个数据帧并等待确认。
4. 如果收到确认，发送站点知道它的帧已被目的站正确接收了。如果该站点要发送另一帧，它将从第二步开始CSMA/CA协议。如果未收到确认，发送站点将重新进入第二步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。

与CSMA/CD：

两个站点分别有一个数据帧要发送，但是，由于侦听到第三个站点已经在传输，双方都未立即发送。使用以太网的CSMA/CD协议中, 两个站点将会在检测到第三方发送完毕后立即开始发送。这将导致一个碰撞，在 CSMA/CD协议中碰撞并非是一个严重的问题，因为两个站点检测到碰撞后都会放弃它们的发送, 从而避免了由于碰撞而造成的该帧剩余部分的无用发送。而在802. 11中情况却十分不同，因为802.11并不检测碰撞和放弃发送，遭受碰撞的帧仍将被完全传输。因此802.11的目标是无论如何尽可能避免碰撞。在802.11中，如果两个站点侦听到信道忙，它们都将立即进入随机回退，希望选择一个不同的回退值。如果这些值的确不同，一旦信道空闲，其中的一个站点将在另一个之前发送，并且 (如果两个站点均未对对方隐藏)“失败站点”将会听到“胜利站点”的信号，冻结它的计数器，并在胜利站点完成传输之前一直抑制传输。通过这种方式，避免了髙代价的碰撞。当然，在以下情况下使用802. 11仍可能出现碰撞：两个站点可能互相是隐藏的，或者两者可能选择了非常靠近的随机回退值，使来自先开始站点的传输也必须到达第二个站点。

处理隐藏终端：RTS和CTS

这两个无线站点都在该AP的覆盖范围内(其覆盖范围显示为阴影圆环)，并且两者都与该AP相关联。然而，由于衰减，无线节点的信号范围局限在阴影圆环内部。因此，尽管每个无线站点对AP都不隐藏，两者彼此却是隐藏的。

假设站点H1正在传输一个帧，并且在H1传输的中途，站点H2要向AP发送一个帧。由于H2未听到来自H1的传输，它将首先等待一个DIFS间隔，然后发送该帧，导致产生了一个碰撞。从而在H1和H2的整个发送阶段，信道都被浪费了。

为了避免这一问题，IEEE 802. 11协议允许站点使用一个短请求发送(Request to Send，RTS)控制帧和一个短允许发送(Clear to Send，CTS)控制帧来预约对信道的访问。当发送方要发送一个data帧时，它能够首先向AP发送一个RTS帧，指示传输DATA帧和确认(ACK)帧需要的总时间。当AP收到RTS帧后，它广播一个CTS帧作为响应。该CTS帧有两个目的：给发送方明确的发送许可，也指示其他站点在预约期内不要发送。

因此，在传输DATA帧 前，H1首先广播一个RTS帧，该帧能被其范围内包括AP在内的所有站点听到。 AP然后用一个CTS帧响应（广播），该帧也被其范围内包括H1和H2在内的所有站点听到。站点H2听到CTS后，在CTS帧中指明的时间内将抑制发送。RTS、CTS、 DATA和ACK帧如图。

两个方面提高性能：

• 隐藏终端问题被缓解了，因为长DATA帧只有在信道预约后才被传输。
• 因为RTS和CTS帧较短，涉及RTS和CTS帧的碰撞将仅持续短RTS和CTS帧的持续期。一旦RTS和CTS帧被正确传输，后续的DATA和ACK帧应当能无碰撞地发送。

尽管RTS/CTS交换有助于降低碰撞，但它同样引入了时延以及消耗了信道资源。因此，RTS/CTS交换仅仅用于为长数据帧预约信道。在实际中，每个无线站点可以设置一个 RTS门限值，仅当帧长超过门限值时，才使用RTS/CTS序列。对许多无线站点而言，默认的RTS门限值大于最大帧长值，因此对所有发送的DATA帧，RTS/CTS序列都被跳过（很没面子…）。

使用802.11作为一个点对点链路

如果两个节点每个都具有一个定向天线，它们可以将其定向天线指向对方，并基本上是在一个点对点的链路上运行802. 11协议。如果商用802. 11硬件产品价格低廉，那么使用定向天线以及增加传输功率使得802. 11成为一个在数十公里距离中提供无线点对点连接的廉价手段。

IEEE 802.11帧

我们查看该帧中各字段以及帧控制字段中一些重要的子字段。

• 有效载荷与CRC字段。

帧的核心是有效载荷，它通常是由一个IP数据报或者ARP分组组成。尽管这一字段允许的最大长度为2312字节，但它通常小于1500字节，放置一个IP数据报或一个ARP分组。如同以太网帧一样，802.11帧包括一个循环冗余校验(CRC)，从而接收方可以检测所收到帧中的比特错误。如我们所看到的那样，比特错误在无线局域网中比在有线局域网中更加普遍，因此CRC在这里更加有用。

• 地址字段。

也许802. 11帧中最引人注意的不同之处是它具有4个地址字段，其中每个都可以包含一个6字节的MAC地址。但为什么要4个地址字段呢?如以太网中那样，一个源MAC 地址字段和一个目的MAC地址字段不就足够了?事实表明，出于互联目的需要3个地址字段，特别是将网络层数据报从一个无线站点通过一个AP送到一台路由器接口。当AP在自组织模式中互相转发时使用第四个地址。由于我们这里仅仅考虑基础设施网络，所以只关注前3个地址字段。802. 11标准定义这些字段如下:

地址2是传输该帧的站点的MAC地址（源MAC地址）。

地址1是要接收该帧的无线站点的MAC地址（目的MAC地址）。

为了理解地址3，回想BSS(由AP和无线站点组成)是个子网的一部分，并且这个子网经一些路由器接口与其他子网相连。地址3包含这个路由器接口的MAC地址。

• 序号、持续期、帧控制字段。

在802. 11网络中，无论何时一个站点正确地收到一个来自于其他站点的帧，它就回发一个确认。因为确认可能会丢失，发送站点可能会发送一个给定帧的多个副本。 正如我们在rdt2. 1协议讨论中所见，使用序号可以使接收方区分新传输的帧和以前帧的重传。因此在802. 11帧中的序号字段在链路层与运输层中的该字段有着完全相同的目的。

802.11协议允许传输节点预约信道一段时间，包括传输其数据帧的时间和传输确认的时间。这个持续期值被包括在该帧的持续期字段中(在数据帧和RTS及CTS帧中均存在)。

类型和子类型字段用于区分关联、RTS、CTS、ACK和数据帧。To(到)和Form(从)字段用于定义不同地址字段的含义。(这些含义随着使用自组织模式或者基础设施模式而改变，而且在使用基础设施模式时，也随着是无线站点还是AP在发送帧而变化。)最后，WEP字段指示了是否使用加密。

在相同的IP子网中的移动性

为了增加无线LAN的物理范围，公司或大学经常会在同一个IP子网中部署多个BSS。这自然就引出了在多个BSS之间的移动性问题，即无线站点如何在维持进行中的TCP会话 的情况下，无缝地从一个BSS移动到另一个BSS？

我们现在看一个同一子网中的不同BSS之间的移动性的特定例子。具有一台主机H1的两个互联的BSS，该主机从BSS1移动到BSS2。因为在这个例子中连接两个BSS的互联设备不是一台路由器，故在两个BSS中的所有站点(包括AP)都属于同一个IP子网。因此，当H1从BSS1移动到BSS2时，它可以保持自己的IP地址和所有正在进行的TCP连接。如果互联设备是一台路由器，则H1必须在它移动进入的子网中获得一个新地址。这种地址的变化将打断(并且最终终止)在H1的任何进行中的TCP连接。

但是H1从BSS1移动到BSS2时具体会发生哪些事呢？随着H1逐步远离API， H1检测到来自API的信号逐渐减弱并开始扫描一个更强的信号。H1收到来自AP2的信标帧(在许多公司和大学的设置中它与API有相同的SSID)。H1然后与API解除关联，并与AP2关联起来，同时保持其IP地址和维持正在进行的TCP会话。

从主机和AP的角度，这就处理了切换问题。但交换机又会发生什么样的情况呢？交换机如何知道主机已经从一个AP移动到另一个AP呢？交换机是“自学习”的，并且自动构建它们的转发表。这种自学习的特征很好地处理了偶尔的移动(例如，一个雇员从一个部门调转到另一个部门)。然而，交换机没有被设计用来支持用户在不同BSS间高度移动，同时又希望保持TCP连接。为理解这一问题，回想在移动之前，交换机在其转发表中有一个表项，对应H1的MAC地址与到达H1所通过的出交换机端口。如果H1初始在BSS1中，则发往H1的数据报将经API导向H1。然而，一 旦H1与BSS2关联，它的帧应当被导向AP2。一种解决方法(真有点不规范)是在新的关联形成后，让AP2以H1的源地址向交换机发送一以太网广播帧。当交换机收到该帧 后，更新其转发表，使得H1可以通过AP2到达。

802.11中的高级特色

两种高级能力。

802.11速率适应

不同的调制技术(提供了不同的传输速率)适合于不同的SNR情况。考虑这样一个例子，一个802. 11用户最初离基站20米远，这里信噪比高。在此高信噪比的情况下，该用户能够与基站使用可提供高传输速率的物理层调制技术进行通信，同时维持低BER。这个用户多么幸福啊！假定该用户开始移动，向离开基站的方向走去，随着与基站距离的增加，SNR—直在下降。在这种情况下，如果在用户和基站之间运行的802. 11协议所使用的调制技术没有改变的话，随着SNR减小，BER将高得不可接受，最终，传输的帧将不能正确收到。

由于这个原因，某些802. 11实现具有一种速率自适应能力，该能力自适应地根据当前和近期信道特点来选择下面的物理层调制技术。如果一个节点连续发送两个帧而没有收到确认(信道上一个比特差错的隐式指示)，该传输速率降低到前一个较低的速率。如果10个帧连续得到确认，或如果用来跟踪自上次降速以来时间的定时器超时，该传输速率提高到上一个较高的速率。这种速率适应机制与TCP的拥塞控制机制具有相同的“探测”原理，即当条件好时(反映为收到ACK), 增加传输速率，除非某个“坏事”发生了(ACK没有收到);当某个“坏事”发生了，减小传输速率。因此，802. 11的速率适应和TCP的拥塞控制类似于年幼的孩子，他们不断地向父母要求越来越多(如幼儿要糖果，青 少年要求推迟睡觉)，直到父母亲最后说“够了!”，孩子们不再要求了(仅当以后情况已经变好了才会再次尝试)。

功率管理

功率是移动设备的宝贵资源，因此802. 11标准提供了功率管理能力，以使802. 11节点的侦听、传输和接收功能以及其他需要“打开”电路的时间量最小化。802. 11功率管理按下列方式运行。一个节点能够明显地在睡眠和唤醒状态之间交替(像在课堂上睡觉的学生！)。通过将802.11帧首部的功率管理比特设置为1，某节点向接入点指示它将打算睡眠。设置节点中的一个定时器，使得正好在AP计划发送它的信标帧前唤醒节点(前面讲 过AP通常每100ms发送一个信标帧)。因为AP从设置的功率传输比特知道哪个节点打算睡眠，所以该AP知道它不应当向这个节点发送任何帧，先缓存目的地为睡眠主机的任何帧，待以后再传输。

在AP发送信标帧前，恰好唤醒节点，并迅速进入全面活动状态(与睡觉的学生不 同，这种唤醒仅需要250us)。由AP发送的信标帧包含了帧被缓存在AP中的节点的列表。如果某节点没有缓存的帧，它能够返回睡眠状态。否则，该节点能够通过向AP发送一个探询报文明确地请求发送缓存的帧。对于信标之间的100ms时间来说，250us的唤醒时间以及类似的接收信标帧及检查以确保不存在缓存帧的短小时间，没有帧要发送和接收的节点能够睡眠99%的时间，从而大大节省了能源。

个人网络：蓝牙和ZigBee

• 蓝牙

IEEE 802. 15. 1网络以低功率和低成本在小范围内运行。它本质上是一个低功率、小范围、低速率的“电缆替代”技术，用于计算机与其无线键盘、鼠标或其他外部设备如蜂窝电话、扬声器、头戴式耳机及其他设备的互联，而802. 11是一个较高功率、中等范围、较高速率的“接入”技术。为此，802. 15. 1网络有时被称为无线个人域网络(Wireless Personal Area Network，WPAN)。802. 15. 1的链路层和物理层基于早期用于个人域网络的蓝牙(Bluetooth)。802. 15. 1 网络以 TDM方式工作于无须许可证的2. 4GHz无线电波段，每个时隙长度为625us在每个时隙内，发送方利用79个信道中的一个进行传输，同时从时隙到时隙以一个已知的伪随机方式变更信道。这种被称作跳频扩展频谱(Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS)的信道跳动的形式将传输及时扩展到整个频谱。802. 15. 1能够提供高达4Mbps的数据率。

802.15. 1网络是自组织网络：不需要网络基础设施(如一个接入点)来互连 802. 15. 1设备。因此，802. 15. 1设备必须自己进行组织。802. 15. 1设备首先组织成一个多达8个活动设备的皮可网（picnet）这些设备之一被指定为主设备，其余充当从设备。主节点真正控制皮可网，即它的时钟确定了皮可网中的时间，它可以在多达8个活动设备的皮可网(piconet)每个奇数时隙中发送，而从设备仅当主设 备在前一时隙与其通信后才可以发送，并且只能发送给主设备。除了从设备，网络中还可以有多达255个的寄放(parked) 设备。这些设备仅当其状态被主节点从寄 放转换为活动之后才可以进行通信。

• ZigBee

IEEE标准化的第二个个人域网络是802.14. 5，它被称为ZigBee。虽然蓝牙网络提供了一种“电缆替代” 的超过每秒兆比特的数据率，但ZigBee较之蓝牙其服务目标是低功率、低数据率、低工作周期的应用。尽管我们可能倾向于认为“更大和更快就更好”，但是并非所有的网络应用都需要高带宽和随之而来的高成本(经济和功率成本)。例如，家庭温度和光线传感器、安全设备和墙上安装的开关都是非常简单、低功率、低工作周期、低成本设备。ZigBee因 此是非常适合于这些设备的。ZigBee定义了 20kbps、40kbps. 100kbps和250kbps的信道 速率，这取决于信道的频率。

ZigBee网络中的节点具有两个特色。多个所谓“简化功能设备”在单个“全功能设备”控制下作为从设备运行，与蓝牙从设备非常相似。一个全功能设备能够作为一个主设备运行，就像在蓝牙中控制多个从设备那样，并且多个全功能设备还能够配置为一个网状(mesh)网络，其中全功能设备在它们之间发送帧。ZigBee可以共享许多我们已经在其他链路层协议中遇到的协议机制：信标帧和链路层确认(类似于802.11)，具有二进制回退的载波侦听随机访问协议(类似于802. 11和以太网)，以及时隙的固定、确保的分配(类 似于 DOCSIS)。

ZigBee网络能够配置为许多不同的方式。我们考虑一种简单的场合，其中单一的全功能设备使用信标帧以一种时隙方式控制多个简化功能设备。其中ZigBee网络将时间划分为反复出现的超帧，每个超帧以一个信标帧开始。每个信标帧将超帧划分为一个活跃周期(在这个周期内设备可以传输)和一个非活跃周期(在这个周期内所有设备包括控制器能够睡眠进而保存能量)。活跃周期由16个时隙组成，其中一些由采用CSMA/CA随机接入方式的设备使用，其中一些由控制器分配给特定的设备，因而为那些设备提供了确保的信道。

四、蜂窝因特网接入

• 4G蜂窝移动与无线LAN的比较

许多蜂窝移动电话的运营者正在部署4G蜂窝移动系统。在2015年，已部署的LTE系统的平均下载速率，范围从美国和印度的10Mbps到新西兰的接近40Mbps。这些4G系统部署在需要许可证的无线频带中，运营者向政府支付可观的费用来获得使用频谱的许可证。4G系统以一种与现在仅蜂窝电话接入的相似方式，允许用户在移动中从遥远的户外位置接入因特网。在许多场合中，用户可以同时接入无线LAN和4G。对于4G系统具有的更为受限和更为昂贵的能力，许多移动设备在两者都可用时，默认使用WiFi而不是使用4G。无线边缘网络接入将主要经过无线LAN还是经过蜂窝系统仍是一个悬而未决的问题：

• 新兴的无线LAN基础设施将可能变得几乎无所不在。工作于54Mbps和更高速 率的IEEE 802. 11无线LAN已经得到了广泛部署。几乎所有便携计算机、平板电脑和智能手机出厂时都配有802. 11 LAN的能力。而且，新兴的因特网装置(例如无线照相机和相框)也具有低功率的无线LAN能力。

• 无线LAN的基站也能处理移动电话装置。许多电话已经能够直接或使用类 Skype IP语音服务与蜂窝电话网络或IP网络连接，因此绕过运j营者的蜂窝语音和4G数据服务。

当然，许多其他的专家相信4G不仅将取得巨大的成功，而且也将使我们工作和生活的方式发生引人注目的革命。WiFi和 4G很可能都会成为流行的无线技术，让漫游无线设备自动选择在其当前所处物理位置提供最好服务的接入技术。

蜂窝网体系结构概述

全球移动通信系统(GSM)标准。

欧洲人在20世纪90年代初就成功地部署了GSM技术，自此后GSM成长为移动电话领域的庞然大物，全世界有超过80%的蜂窝用户使用GSM。 当人们谈论蜂窝技术时，经常将该技术分类为几“代”之一。最早一代的设计主要用于语音通信。第一代 (1G)系统是模拟FDMA系统，其专门用于语音通信。这些1G系统目前几乎绝迹，它们被数字2G系统所替代。初始的2G系统也是为语音而设计，但后来除了语音服务外还扩展了对数据(即因特网)的支持(2.5G)。 3G系统也支持语音和数据，但更为强调数据能力和更高速的无线电接入链路。今天正在部署的4G系统基于LTE技术，其特征为全IP核心网络，并且以几兆比特速率提供了话音和数据集成。

术语蜂窝(cellular)是指这样的事实，即由一个蜂窝网覆盖的区域被分成许多称作小区(cell)的地理覆盖区域。GSM有自己的特殊命名法。每个小区包含一个收发基站(Base Transceiver Station，BTS)，负责向位于其小区内的移动站点发送或接收信号。一个小区的覆盖区域取决于许多因素，包括BTS的发射功率、用户设备的传输功率、小区中的障碍建筑物以及基站天线的高度。今天的许多系统将BTS放置在3个小区的交叉处，使得具有有向天线的单个 BTS能够为三个小区提供服务。

2G蜂窝系统的GSM标准对空中接口使用了组合的FDM/TDM(无线电)。使用纯FDM，信道被划分成许多频段，每个呼叫分配一个频段。使用纯 TDM，时间被划分为帧，每个帧又被进一步划分为时隙，每个呼叫在循环的帧中被分配使用特定的时隙。在组合的FDM/TDM系统中，信道被划分为若干频率子带；对于每个子带，时间又被划分为帧和时隙。因此，对于一个组合的FDM/TDM系统，如果信道被划分为F个子 带，并且时间被划分为T个时隙，那么该信道将能够支持F ?T个并发的呼叫。电缆接入网也使用了组合的FDM/TDM方法。GSM系统由多个200kHz的频带组成，每个频带支持8个TDM呼叫。GSM以13kbps和12. 2kbps的速率编码。

一个GSM网络的基站控制器(Base Station Controller，BSC)通常服务于几十个收发基站。BSC的责任是为移动用户分配BTS无线信道，执行寻呼(paging) (找出某移动用户所在的小区)，执行移动用户的切换。基站控制器及其控制的收发基站共同构成了GSM基站系统(Base Station System，BSS)。

在用户鉴别和账户管理(决定是否允许某个移动设备与蜂窝网络连接)以及呼叫建立和切换中，移动交换中心(Mobile switching Center，MSC)起着决定性的作用。单个MSC通常将包含多达5个BSC，因此每个MSC有大约200 000个用户。一个蜂窝提供商的网络将有若干MSC，使用称为网关MSC的特殊MSC将提供商的蜂窝网络与更大的公共电话网相连。

3G蜂窝数据网：将因特网扩展到蜂窝用户

我们的智能手机需要运行完整的TCP/IP协议栈(包括物 理层、链路层、网络层、运输层和应用层)，并能够经过蜂窝数据网连接进入因特网。随着一代(和半代)继承一代，以及引入许多具有新首字母缩略词的新技术和服务，蜂窝数 据网的主题是一个相当令人眼花缭乱的竞争和不断演化的标准集合，这个标准集合相当令 人迷惑。更糟糕的是，没有单一的官方机构对2.5G、3G、3.5G或4G技术提出要求，难以理清这些竞争性标准之间的差异。在我们下面的讨论中，我们将关注由第三代合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)研发的通用移动通信服务(Universal Mo- bile Telecommunications Service, UMTS)3G和4G标准。

• 3G核心网

3G核心蜂窝数据网将无线电接入网连接到公共因特网。核心网与现有蜂窝语音网(特别是MSC) 的组件协作。由于在现有的蜂窝语音网中具有大量的现有基础设施(有利可图的服务!)，3G数据服务的设计者们所采取的方法非常清楚：不去触动现有核心GSM蜂窝语音网，增加与现有蜂窝语音网平行的附加蜂窝数据功能。如果将新的数据服务直接增加到现有的蜂窝语音网上，这种方法同样会引发遇到过的挑战—因特网中新的(IPv6)和旧的(IPv4)集成的技术。

在3G核心网中有两类节点：服务通用分组无线服务支持节点(Serving Generalized packet radio service Support Node，SGSN)和网关 GPRS 支持节点(Gateway GPRS SupportNode，GGSN) 。 (GPRS (General Packet Radio Service)表示通用分组无线服务，这是一种在2G网络中的早期蜂窝数据服务；这里我们讨论的是在3G网络中GPRS的演化版本。) 一个SGSN负责向位于其连接的无线电接入网中的移动节点交付(或从移动节点获取)数据报。SGSN与该区域蜂窝语音网的MSC进行交互，提供用户认证和切换，维护活跃移动节点的位置(小区)信息，执行位于无线接入网中的移动节点和GGSN之间的数据报转发。GGSN起着网关的作用，将多个SGSN连接到更大的因特网。GGSN因此是源于移动节点的一个数据报在进入更大因特网之前遇到的3G基础设施的最后一部分。对外部而言，GGSN看起来像任何其他网络路由器，从外面看来，GGSN网络中3G节点的移动性隐藏在GGSN背后。

• 3G 无线电接入网:无线边缘

3G无线电接入网(radio access network)是我们作为3G用户看见的无线第一跳网络。无线电网络控制器(Radio Network Controller，RNC)通常控制几个小区的收发基站，类似于我们在2G网络中遇到的基站(但是3G UMTS的正式用语称为一个“节点B”，这是一个相当不具描述性名字!)。每个小区的无线链路运行在移动节点和收发基站之间，就像在2G网络中那样。RNC既通过MSC与电路交换蜂窝语音网连接，又通过SGSN与分组交换的因特网连接。因此，尽管3G蜂窝语音服务和蜂窝数据服务使用不同的核心网，但它们共享一个相同的第一/最后一跳无线电接入网。

较之2G网络，在3G UMTS中的一个重大变化是不再使用GSM的FDMA/TDMA方案, UMTS在 TDMA时隙中使用称为直接序列宽带CDMA ( Direct Sequence Wideband CDMA, DS-WCDMA)的CDMA技术[Dahlman 1998]。TDMA时隙又在多个频率上可供使用，即有趣地使用了我们在前面第6章指出的全部三种不同的信道共享方法，并且类似于有线电缆接入网中所采用的方法。这种变化要求一个新的3G蜂窝无线接入网与2G BSS无线电网络并行运行。与WCDMA规范相关的数据服务被称为高速分组接入(HighSpeedPacketAccess，HSPA)，其下行数据传输率有望高达14Mbpso 有关3G网络的细节能够在3GPP Web站点上找到。

走向4G：LTE

4G系统体系结构:一个全IP核心网

• 一种统一的全IP网络体系结构。

语音和数据都承载在IP数据报中，来自/去往无线设备(用户设备，4G的术语为UE)，到分组网关(P-GW) — 该P-GW将4G边缘网络连接到 网络的其他部分。使用了4G，蜂窝网络来源于电话的最后痕迹已经荡然无存，让位给统一的IP服务了!

• 4G数据平面与控制平面清晰分离。
• 无线电接入网与全IP核心网之间的清晰分离。
  • eNodeB是2G基站和3G无线电网络控制器(又称为节点B)的逻辑后代，并且此时还起着关键作用。它的数据平面作用是在UE和P-GW之间(经过LTE无线电接入网)转发数据报。UE数据报在eNodeB被封装，并且通过4G网络的全IP强化分组核(EPC)以隧道形式传输到P-GW。eNodeB与P-GW之间的隧道类似于IPv6数据报隧道，这些分组在两个IPv6端点之间通过一 个使用IPv4路由器的网络传输。这些隧道可能与保证服务质量(QoS) 相关。例如，4G网络可能确保语音流量在UE和P-GW之间历经不超过100ms时延，分组丢失率小于1%；TCP流量也许能够确保300ms时延以及小于0. 0001%的分组丢失率。
  • 分组数据网络网关(Packet Data Network Gateway，P-GW)给UE分配IP地址，并且保证QoS实施。作为隧道端点，当向或从UE转发数据报时，它也执行数据报封装/解封装。
  • 服务网关(S-GW)是数据平面移动性锚点，即所有UE流量将通过S-GW传递。 该S-GW也执行收费/记账功能以及法定的流量拦截。
  • 移动性管理实体 ( Mobility Management Entity，MME) 代表位于它所控制单元中的UE，执行连接和移动性管理。它从HHS接收UE订购信息。
  • 归属用户服务(Home Subscriber Server, HSS) 包含了包括漫游接入能力、服务质 量配置文件和鉴别信息的UE信息。

LTE无线电接入网

LTE在下行信道采用频分复用和时分复用结合的方法，称之为正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术。(正交一词来源于如下事实，所生成的在不同频道上发送的信号，它们相互干扰非常小，即使当信道频率紧密排列时)。在LTE中，每个活跃的移动节点都可以在一个或更多个信道频率上被分配一个或更多个0. 5ms时隙。下图显示了在4个频率上分配8个时隙的情况。通过分配越来越多的时隙(无论是用相同的频率还是用不同的频率)，移动节点能够获取越来越高的传输速率。在移动节点之间进行时隙(重)分配的频度为每毫秒一次。不同的调制方案也能用于改变传输速率。

LTE标准并未对向移动节点特殊分配时隙进行强制要求。相反，允许哪个移动节点在某个给定的时隙在给定的频率下传输，这个决定由LTE设备商和/或网络运营商提供的调度算法来做岀。使用机会调度，将物理层协议与发送方和接收方之间的信道条件相匹配，基于信道条件选择分组将发往的接收方，使无线电网络控制器能够最大限度地利用 无线媒体。此外，能够使用用户优先权和服务的契约等级(如银、金或钳金)调度下行分组传输。除了上面描述的LTE能力，高级LTE通过向移动节点分配聚合信道提供了数百兆下行带宽。

五、移动管理：原理

现在我们将注意力转向这些无线链路带来的移动性。

• 从网络层的角度看，用户如何移动？

一个物理上移动的用户将对网络层提出一系列不同寻常的挑战，这取决于他(她)在网络连接点之间如何移动。在图中的移动程度谱的一端，用户也许带着一台装有无线网络接口卡的便携机在一座建筑物内走动。从网络层的角度来看，该用户并没有移动。而且，如果该用户不论在何处都与同一个接入点相关联，从链路层角度来看该用户甚至也没有移动。

在该移动程度谱的另一端，考虑一下该用户在一辆宝马或特斯拉轿车内以150km/h的时速沿高速公路急速行驶时穿过多个无线接入网，并希望在整个旅程中保持一个与远程应用的不间断的TCP连接。这个用户无疑是移动的！在这两种极端之间的情况是，一个用户带着一台便携机从一个地方(如办公室或宿舍)到另一个地方(如咖啡店、教室)，并且想在新地方连入网络。该用户也是移动的 (虽然比“宝马”驾驶员的移动性差一些!)，只不过不需要在网络接入点之间移动时维持一个不间断的连接。

• 移动节点的地址始终保持不变有多么重要?

对移动电话而言，当你从一个提供商 移动电话网络到另一个的过程中，你的电话号码(本质上是你电话的网络层地址) 始终保持不变。类似地，便携机在IP网络之间移动时是否也必须维持相同的IP地址呢?

对这一问题的回答很大程度上取决于所运行的应用程序。对于那个在高速公路上飞驰，同时又希望维持对一个远程应用的不间断的TCP连接的宝马或特斯拉司机而言，维持相同的IP地址将会带来便利。一个因特网应用程序需要知道它与之通信的远端实体的IP地址和端口号。如果一个移动实体在移动过 程中能够保持其IP地址不变，从应用的角度，移动性就变得不可见。这种透明性有十分重要的价值，即应用程序不必关心IP地址潜在的变化，并且同样的应用程序代码既可用于移动连接，又可用于非移动连接。在下一节我们将会看到移动IP提供了这种透明性，它允许移动节点在网络间移动的同时维持其永久的IP地址。

在另一方面，一个不太喜欢新潮的移动用户也许只想关闭办公室便携机，将 其带回家，然后开机，再在家中工作。如果该便携机在家时只是作为一个客户，使用客户-服务器方式的应用(如发送/阅读电子邮件、浏览Web、通过Telnet与 远程主机相连)，则使用特定IP地址并不是那么重要。特别是，用户能够得到一 个由服务于家庭的ISP临时分配的IP地址即可。

为了阐述允许移动用户在不同网络间移动过程中维持正在进行的连接所涉及的问题，我们考虑一个人类的类比例子。一位20岁左右的青年从家里搬出，成为流动的人，在一些宿舍或公寓居住，并经常改换住址。如果一个老朋友想与他联系，这位朋友怎样 才能找到这个流动的朋友呢？ 一种常用的方法是与他的家庭取得联系，因为一位流动的 青年通常会将其目前的地址告诉家里(即使没有其他原因，哪怕只是为了让父母寄钱来帮他付房租)。其家庭由于有一个永久地址，因此成为其他想与该流动青年联系的人可 采用的第一步。这些朋友后来与他的通信也许是间接的(如先将邮件发送到其父母家, 再转发给该流动的青年)，也许是直接的(如该朋友用得到的地址直接将邮件发送给其流动的朋友)。

在一个网络环境中，一个移动节点(如一台便携机或智能手机)的永久居所被称为归属网络(homenetwork)，在归属网络中代表移动节点执行下面讨论的移动管理功能的实体叫归属代理(home agent)。移动节点当前所在网络叫作外部网络(foreign network)或被访网络(visitednetwork)，在外部网络中帮助移动节点做移动管理功能的实体称为外部代理(foreign agent)。对于移动的专业人员而言，他们的归属网络可能就是其公司网络，而被访网络也许就是他们正访问的某同行所在的网络。一个通信者(correspondent)就是希望与该移动节点通信的实体。我们注意到代理被配置在路由器上但它们也能在网络中其他主机或服务器上执行。

寻址

将移动性功能从网络核心搬到网络边缘，这是我们在研究因特网体系结构时一再重复的主题。一种自然的做法是由该移动节点的归属网络来实现。与那个流动青年的父母跟踪他们孩子的位置有许多相似之处，在移动节点的归属网络中的归属代理也能跟踪该移动节点所在的外部网络。这当然需要一个移动节点(或一个代表该移动节点的外部代理)与归属代理之间的协议来更新移动节点的位置。

概念上最简单的方法是将外部代理放置在外部网络的边缘路由器上。外部代理的作用之一就是为移动节点创建一个所谓的转交地址(Care-Of Address，COA)，该COA的网络部分与外部网络的网络部分相匹配。因此一个移动节点可与两个地址相关联，即其永久地址(permanent address)(类比于流动青年的家庭地址)与其COA，该COA有时又称为外部地址(foreign address)(类比于流动青年当前居住的房屋地址)。移动节点的固定地址是128.119.40.186。当被访网络为79.129.13/24时，该移动节点具有的COA为79.129.13.2。外部代理的第二个作用就是 告诉归属代理，该移动节点在它的(外部代理的)网络中且具有给定的C0A。我们很快就会看到，该 COA将用于将数据报通过外部代理“重新路由选择”到移动节点。

路由选择到移动节点

我们现在已看到一个移动节点是如何得到一个COA的，归属代理又是如何被告知该地址的。但让归属代理知道该COA仅能解决部分问题。数据报应怎样寻址并转发给移动节点呢？因为只有归属代理(而不是全网的路由器)知道该移动节点的位置，故如果只是将一个数据报寻址到移动节点的永久地址并将其发送到网络层基础结构中，这样做已不再 满足需要了。还有更多的事情要做。目前有两种不同的方法，我们将称其为间接路由选择与直接路由选择。

• 间接路由选择。（三角路由问题）

• 直接路由选择。（移动问题）

• 新方案。

假设数据当前正转发给位于某个外部网络中的移动节点，并且在会话刚开始时该移动节点就位于该网络中步骤1。我们将首次发现移动节点的外部网络中的外部代理标识为锚外部代理(anchor foreign agent)，当移动节点到达一个新外部网络后，移动节点向新的外部代理注册(步骤3) ，并且新外部代理向锚外部代理提供移动节点的新COA (步骤4)。当锚外部代理收到一个发往已经离开的移动节点的封装数据报后，它可以使用新的COA重新封装数据报并将其转发给该移动节点(步骤5)。如果移动节点其后又移到另一个外部网络中，在该被访网络中的外部代理随后将与锚外部代理联系，以便建立到该新外部网络的转发。

六、移动IP

移动IP标准由三部分组成：

• 代理发现。移动IP定义了一个归属代理或外部代理用来向移动节点通告其服务的协议，以及移动节点请求一个外部代理或归属代理的服务所使用的协议。
• 向归属代理注册。移动IP定义了移动节点和/或外部代理向一个移动节点的归属代理注册或注销COA所使用的协议。
• 数据报的间接路由选择。该标准也定义了数据报被一个归属代理转发给移动节点的方式，包括转发数据报使用的规则、处理差错情况的规则和几种不同的封装形式。

我们暂不考虑安全性来讨论。

代理发现

到达一个新网络的某移动IP节点，不管是连到一个外部网络还是返回其归属网络, 它都必须知道相应的外部代理或归属代理的身份。的确，这是新外部代理的发现，通过一个新的网络地址，才使移动节点中的网络层知道它已进入一个新的外部网络。这个过程被称为代理发现(agent discovery)。代理发现可以通过下列两种方法之一实现：经代理通告或者经代理请求。

借助于代理通告(agent advertisement)，外部代理或归属代理使用一种现有路由器发现协议的扩展协议来通告其服务。该代理周期性地在所有连接的链路上广播一个类型字段为9(路由器发现)的ICMP报文。路由器发现报文也包含路由器(即该代理)的IP地址，因此允许一个移动节点知道该代理的IP地址。路由器发现报文还包括了一个移动性代理通告扩展，其中包含了该移动节点所需的附加信息。在这种扩展中有如下一些较重要的字段：

• 归属代理比特（H）。指出该代理是它所在网络的一个归属代理。
• 外部代理比特（F）。指出该代理是它所在网络的一个外部代理。
• 注册要求比特（R）。指出在该网络中的某个移动用户必须向某个外部代理注册。特别是，一个移动用户不能在外部网络(如使用DHCP)中获得一个转交地址，并假定由它自己承担外部代理的功能，无须向外部代理注册。
• M、G封装比特。指出除了“IP中的IP" (IP-in-IP)封装形式外，是否还要用其他的封装形式。
• 转交地址（COA）。由外部代理提供的一个或多个转交地址的列表。在下面的例子中，COA将与外部代理关联，外部代理将接收发给该COA的数据报，然后再转发到适当的移动节点。移动用户在向其归属代理注册时将选择这些地址中的 一个作为其COA。

使用代理请求(agent solicitation)，—个想知道代理的移动节点不必等待接收代理通告，就能广播一个代理请求报文，该报文只是一个类型值为10的ICMP报文。 收到该请求的代理将直接向该移动节点单播一个代理通告，于是该移动节点将继续处理， 就好像刚收到一个未经请求的通告一样。

向归属代理注册

一旦某个移动IP节点收到一个COA，则该地址必须要向归属代理注册。 这可通过外部代理(由它向归属代理注册该COA)或直接通过移动IP节点自己来完成。 我们下面考虑前一种情况，共涉及4 个步骤。

（1）当收到一个外部代理通告后，一个移动节点立即向外部代理发送一个移动IP注册报文。注册报文承载在一个UDP数据报中并通过端口434发送。注册报文携带以下内容：一个由外部代理通告的COA、归属代理的地址(HA)、移动节点的永久地址(MA)、请求的注册寿命和一个64比特的注册标识。请求的注册寿命指示了注册有效的秒数。如果注册没有在规定的时间内在归属代理上更新，则该注册将变得无效。注册标识就像一个序号，用于收到的注册回答与注册请求的匹配。

（2）外部代理收到注册报文并记录移动节点的永久IP地址。外部代理知道现在它应该查找这样的数据报，即它封装的数据报的目的地址与该移动节点的永久地址相匹配。外部代理然后向归属代理的434端口发送一个移动IP注册报文(同样封装在UDP数据报中)。 这一报文包括COA、HA、MA、封装格式要求、请求的注册寿命以及注册标识。

（3）归属代理接收注册请求并检查真实性和正确性。归属代理把移动节点的永久IP地址与COA绑定在一起。以后，到达该归属代理的数据报与发往移动节点的数据报将被封装并以隧道方式给COA。归属代理发送一个移动IP注册回答，该响应报文中包含有HA、MA、实际注册寿命和被认可的请求报文注册标识。

（4）外部代理接收注册响应，然后将其转发给移动节点。

七、管理蜂窝网中的移动性

与移动IP类似，GSM采用了一种间接路由选择方法，首先将通信者的呼叫路由选择到移动节点的归属网络，再从那到达被访网络。在 GSM术语中，移动用户的归属网络被称作该移动用户的归属公共地域移动网络(home Public Land Mobile Network，home PLMN)。由于首字母缩略词PLMN有些拗口，考虑到我们避免缩略词字母表的要求，我们直接将GSM归属PLMN称为归属网络(home network)。移动用户向某个蜂窝网提供商订购了服务，该蜂窝网就成为了这些用户的归属网络(即该提供商就按月提供的蜂窝服务收取用户的费用)。被访问的PLMN，我们直接称其为被访网络(visited network)，是移动用户当前所在网络。

归属网络和被访网络的职责有很大的差别：

• 归属网络维护一个称作归属位置注册器(Home Location Register，HLR)的数据库，其中包括它每个用户的永久蜂窝电话号码以及用户个人概要信息。重要的是，HLR也包括这些用户当前的位置信息。这就是说，如果一个移动用户当前漫游到另一个提供商的蜂窝网络中，HLR中将包含足够多的信息来获取被访网络中对移动用户的呼叫应该路由选择到的地址。当一个呼叫定位到一个移动用户后，通信者将与归属网络中一个被称作网关移动服务交换中心(Gateway Mobile services Switching Center，GMSC)的特殊交换机联系。同样，为避免拗口的缩略词，我们这里用一个更具描述性的术语来称呼GMSC，即归属MSC (home MSC)。
• 被访网络维护一个称作访问者位置注册(Visitor Location Register，VLR)的数据库。VLR为每一个当前在其服务网络中的移动用户包含一个表项，VLR表项因此随着移动用户进入和离开网络而出现或消失。VLR通常与移动交换中心(MSC)在一起，该中心协调到达或离开被访网络的呼叫建立。

对移动用户呼叫的路由选择

（1）通信者拨打移动用户的电话号码。该号码本身并不涉及一个特定的电话线路或位置(毕竟电话号码是固定的，而用户是移动的)，号码中的前几位数字足以全局地判别移动用户的归属网络。呼叫从通信者通过公共交换电话网到达移动用户归属网络中的归属MSC。这是呼叫的第一步。

（2）归属MSC收到该呼叫并查询HLR来确定移动用户的位置。在最简单的情况下，HLR返回移动站点漫游号码(MobileStationRoamingNumber，MSRN)，我们称其为漫游号码(roaming number)。注意到这个号码与移动用户的永久电话号码不同，后者是与移动用户的归属网络相关联的，而漫游号码是短暂的：当移动用户进入一个被访网络后，会给移动用户临时分配一个漫游号码。漫游号码的作用就相当于移动IP中转交地址的作用。并且，与COA类似，它也是对通信者和移动用户不可见的。如果HLR不具有该漫游号码，它返回被访网络中VLR的地址。在这种情况下，归属MSC需要查询VLR以便获取移动节点的漫游号码。但是HLR是如何首先得到漫游号码或VLR地址的呢？移动用户到另一个被访网络后这些值将发生怎样的变化？当一个移动电话切换或进入一个由新的VLR所覆盖的被访网络中以后，移动用户必须向被访网络注册，这是通过在移动用户和VLR之间交换信令报文来实现的。被访VLR随后又向移动用户的HLR发送一个位置更新请求报文。这一报文告知HLR可以用来联系移动用户的漫游号码，或者VLR地址(它可以用来随后查询以获取移动号码)。作为这个交换的一部分，VLR同样从HLR那里获取移动用户的信 息，以及确定被访网络应该给予移动用户什么 样的服务(如果有的话)。

（3）给定一个漫游号码，归属MSC通过网络到达被访网络的MSC建立呼叫的第二步。 至此，该呼叫已经完成，从通信者到达归属MSC，再从归属MSC到达被访MSC，然后到达为移动用户提供服务的基站。

GSM中的切换

在一个呼叫过程中，移动站点将其关联从一个基站改变到另一个基站时出现切换(hand- off)。移动用户的呼叫初始时(在切换前)通过一个基站(我们称其为旧基站)路由选择到该移动用户，而在切换以后它经过另一个基站(我们称其为新基站)路由选择到移动用户。注意到基站之间的切换不仅导致移动用户向/从一个新的基站传输/接收信号，而且导致正在进行的呼叫从网络中的一个交换点到新基站的重路由选择。我们首先假设新旧基站共享同一个MSC，并且重路由选择发生在这个MSC。

有几种原因导致切换的发生，包括：①当前基站和移动用户之间的信号减弱，使得该呼叫有被中断的危险；②一个蜂窝处理的呼叫太多，变得过载。可以通过将一些移动用户切换到邻近不太拥塞的蜂窝中，使这个拥塞得到缓解。

（1）旧基站(BS)通知被访问MSC即将要进行一个切换，通知移动用户将要切换到的BS(或可能的BS集)。

（2）被访问MSC发起建立到新BS的路径，分配承载重路由选择的呼叫所需的资源，以及用信令告知新BS一个切换即将出现。

（3）新BS分配并激活一个无线信道供移动用户使用。

（4）新BS发出信令返回被访问MSC和旧BS，即已经建立了被访问MSC到新BS的路径并且移动用户应当被告知即将发生的切换。新BS提供移动用户与新的BS相关联所需要的所有信息。

（5） 移动用户被告知它应当进行一个切换。注意到此时为止，移动用户完全不知网络已经为切换做好所有底层工作(如在新BS中分配一个信道，分配一条从被访问MSC到新 BS的路径)。

（6）移动用户和新BS交换一个或多个报文，以完全激活新BS中新的信道。

（7）移动用户向新BS发送一个切换完成报文，该报文随后向上转发给被访问MSC。该被访问MSC然后重路由选择到移动用户的正在进行的呼叫，使其经过新BS。

（8）沿着到旧BS的路径分配的资源随后被释放。

当移动用户移动到一个不同于旧BS的、 与不同的MSC关联的BS中时，并且当这种MSC之间的切换多次发生时，考虑这些情况下 将发生什么。GSM定义了锚MSC(anchor MSC)的概念。锚MSC是呼叫首次开始时移动用户所访问的MSC，它因此在整个呼叫持续过程中保持不变。在整个呼叫持续期间，不论移动用户进行了多少次MSC间转换，呼叫总是从归属MSC路由选择到锚 MSC，然后再到移动用户当前所在的被访问MSC。当移动用户从一个MSC覆盖区到达另一个MSC覆盖区后，正在进行的呼叫被重路由选择，从锚MSC到包含新基站的新被访问MSC。因此，在任何情况下，通信者和移动用户之间至多有3个MSC (归属MSC、锚MSC 以及被访问MSC)。

另一种方法则不用维持从锚MSC到当前MSC的单一MSC跳，将直接链接移动用户访问的MSC。每当移动用户移到一个新MSC后，让旧MSC将正在进行的呼叫转发给新MSC。这种MSC链事实上能够出现在IS-41蜂窝网络中，通过使用最少步骤的可选路径来去除在锚MSC和当前访问MSC之间的MSC。

移动IP和GSM移动性之间的共性：

八、无线和移动性：对高层协议的影响

我们已经看到了无线网络在链路层(由于无线信道的诸如衰减、多径、隐终端等特性)和网络层(由于移动用户改变与网络的连接点)与有线网络的对应物有重大的区别。但在运输层和应用层是否也有重大差别呢？我们很容易认为这些差别是很小的，因为在有线和无线网络中的网络层均为上层提供了同样的尽力而为服务模式。类似地，如果在有线和无线网络中都是使用诸如TCP和UDP的协议提供运输层服务，那么应用层也应该保持不变。在某个方面我们的直觉是对的，即TCP和UDP可以(也确实)运行在具有无线链路的网络中。在另一方面，运输层协议(特别是TCP)通常在有线和无线网络中有时会有完全不同的性能。这里，在性能方面区别是明显的，我们来研究一下其中的原因。

在发送方和接收方之间的路径上，一个报文段不论是丢失还是出错，TCP都将重传它。在移动用户情况下，丢失可能源于网络拥塞(路由器缓存溢出)或者切换(例如，由于重路由选择报文段到移动用户新的网络接入点引入的时延)。在所有情况下, TCP的接收方到发送方的ACK都仅仅表明未能收到一个完整的报文段，发送方并不知道报文段是由于拥塞，或在切换过程中，还是由于检测到比特差错而被丢弃的。在所有情况下，发送方的反应都一样，即重传该报文段。TCP的拥塞控制响应在所有场合也是相同的，即TCP减小其拥塞窗口。由于无条件地降低其拥塞窗口，TCP 隐含地假设报文段丢失是由于拥塞而非出错或者切换所致。在无线网络中比特错误比在有线网络中普遍得多。当这样的比特差错或者切换丢失发生时，没理由让TCP发送方降低其拥塞窗口(并因此降低发送速率)。此时路由器的缓存的确可能完全是空的，分组可以在端到端链路中丝毫不受拥塞阻碍地流动。

由于无线信道的高比特差错率和切换丢失的可能性，TCP的拥塞控制反应在无线情况下可能会有问题。有三大类可能的方法用于处理这一问题：

• 本地恢复。本地恢复方法的目标是在比特差错出现的当时和当地(如在无线链路中)将其恢复。
• TCP发送方知晓无线链路。在本地恢复方法中，TCP发送方完全不清楚其报文段跨越一段无线链路。另一种方法是让TCP发送方和接收方知道无线链路的存在，从而将在有线网络中发生的拥塞性丢包和在无线网络中发生的差错/丢包区分开，并且仅对有线网络中的拥塞性丢包采用拥塞控制。
• 分离连接方法。在分离连接方法中[Badel995]，移动用户和其他端点之间的端到端连接被打断为两个运输层连接：一个从移动主机到无线接入点，一个从无线接入点到其他通信端点(我们假定它是有线的主机)。该端到端连接因此是由一个无线部分和一个有线部分级连形成的。经无线段的运输层能够是一个标准的TCP连接，或是一个特别定制运行在UDP上的差错恢复协议。

至此，我们学习了无线网络和移动网络的种种。