计算机网络技术--无线移动IP网架构以及原理

null移动IP网移动IP网中山大学信息科技学院 电子与通信工程系 张光昭 2001.2移动IP网移动IP网1 移动IP网的基本概念 2 移动IP网的体系结构 3 移动IP 4 无线TCP协议 5 移动Internet的应用1 移动IP网的基本概念1 移动IP网的基本概念1.1 什么叫移动计算机网络？ 1.2 移动计算机网络的发展过程 1.3 移动计算机网络面临的问 1.4 移动计算机网络的发展前景1.1 什么叫移动计算机网络？1.1 什么叫移动计算机网络？移动计算机网络是用户计算机在网内可以随意移动的计算机通信网。 计算机－－便携式，并装有无线通信设备； 通信网－－局部的、跨地区或跨国的； 移动IP网－－运行TCP/IP协议的移动计算机网络。 IP协议－－包括IPv4, IPv6.1.2 移动计算机网络的发展过程1.2 移动计算机网络的发展过程1970年－－美国夏威夷大学建立ALOHA无线计算机网络。 1983年－－美国TELXON公司推出便携式计算机PIC－787。 1986年－－瑞典爱立信公司推出第一个公用移动数据网。 1994年－－出现了基于AMPS的蜂窝数字分组数据系统（CDPD）。 1997年－－出现了基于GSM的通用无线分组业务（GPRS）。 1989年－－加拿大TELESYSTEM公司推出第一套扩频无线局域网产品ARLAN100。 90年代－－出现大量的无线局域网产品，频率范围一般在900MHz, 2.4GHz, 5.8GHz，通信范围在几百米到几十公里，数据传输速率在1~3Mbps，有的可达11Mbps。 1997年－－IEEE802.11无线局域网标准正式公布。1.3 移动计算机网络面临的问题1.3 移动计算机网络面临的问题移动计算机网络的三大特点： 无线通信－－无线信道速率低，误码率高，可用性差，价格贵； 移动性－－用户的动态跟踪、寻址、网络切换时通信性能的稳定性和开销问题； 便携性－－终端要求体积小、轻便，能耗小，显示屏要足够大，计算能力强，人机交互方便。 归结起来是信道问题，网络问题，和终端问题。这三格问题的解决将极大地推动移动计算机网络的发展。1.4 移动计算机网络的发展前景1.4 移动计算机网络的发展前景便携终端的普及：笔记本计算机、掌上电脑、个人数字助理（PDA）日益普及，销售量逐渐超过PC机，便携终端要求上网的呼声越来越高； 无线接入Internet：Internet是当前规模最大、应用最广、信息最丰富的全求性网络，希望能够随时随地无线上网； 宽带移动通信：要求移动网络能够综合传输数据、话音和图像，移动网络必须向宽带化发展。 第3代移动通信正是朝着这个方向发展的全球性宽带移动通信网络，它的成功必将大大推动全球信息化的发展。2 移动IP网的体系结构2 移动IP网的体系结构2.1 移动计算机网络的协议结构 2.2 移动计算机网络的物理层 2.3 移动计算机网络的MAC层 2.4 移动计算机网络的链路层2.1 移动计算机网络的协议结构2.1 移动计算机网络的协议结构移动计算机网络是固定计算机网络的延伸，一方面它要考虑无线信道的特点，另一方面又要考虑与固定计算机网络的兼容。 移动IP网是一种移动计算机网络，不过要求在该网络上运行TCP/IP协议。由于无线信道的特点，无线TCP/IP协议应与有线TCP/IP协议有所差别，但它们必须互相兼容。 这一章先讲与无线信道直接相关的第一和第二层协议，然后再分两章分别介绍无线IP和无线TCP协议。null 网络层 网络层 网络层 网络层链路层物理层物理层链路层物理层物理层链路链路RMRMMHMHMHMHMMMMNSPSMAENSPSMAENSP系统管理应用程序系统管理应用程序系统管理应用程序MIBMIBMIB固定台 路由器 基站 移动台LMSI LMSIMH：移动切换； MM：移动管理； RM：无线管理； MIB：管理信息库； SAME：系统管理应用实体； LMSI：层管理服务接口； NSP：名字服务协议；有线无线nullRM: 无线资源管理，用于移动台定位，信道管理和天线切换/选择及加密。移动台和子网基站的RM进行对等交互。 MM：移动管理，用于用户注册，移动台识别，位置登记等。移动台的MM主要与外地子网的拜访名字服务器进行交互。 MH：移动切换，负责处理移动台在子网间切换及滞留分组的转发。 RM属于链路层，而MM和MH属于网络层。2.2 移动计算机网络的物理层2.2 移动计算机网络的物理层移动计算机网络的物理层主要包括： 无线信道与电磁波传输； 数字调制； 差错控制编码； 无线信道复用； 天线。 有些问题在无线接入网中已讲过，这里不再重复。这里主要讲差错控制编码和数字调制。信道 编码IF混频数字 调制信道 解码混频振荡本振数字 解调微波信道 数字信号输出null（1）差错控制编码 无线信道是一种高误码率的信道，必须对传输过程中产生的差错进行控制才能正确地通信。－－信道编码。 差错类型： 随机差错：互相独立的、互不相关的差错，如高斯白噪声； 突发差错：信道受到突发性强干扰时产生的连续几个码元的差错。 差错控制方式： 前向纠错（FEC）：发端发送能够纠错的码，收端收到后，进行纠错； 自动请求重传（ARQ）：发端发送能够检错的码，收端收到后，进行检错，如发现有错，自动请求重传。null差错控制编码分类： 检错码：能够检测误码的编码； 纠错码：能够具有纠错能力的编码； 纠删码：同时具有纠错和检错能力的编码。 纠错码的编码器/解码器比较复杂，而且编码效率较低。 信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一些监督码元，在两者之间建立某种校验关系，当这种关系因传输错误而受到破坏时，可以被发现并予以纠正。因此，这种检错和纠错能力是以信息量的冗余度来换取的。 null下面介绍几种常用的编码： 1 分组码：将信息码流分成一段段等长度的分组，对每个分组进行编码，每个码组的监督码元只与本分组的信息码元有关，而与其它码组的信息码元无关。这样的编码称为分组码。 一个码组的长度为n, 信息码元长度为k，监督码元长度为r=n-k 的分组码记作(n,k)。 {x(1),x(2),x(3),…..,x(k),a(1),a(2),…..,a(n-k)},信息码元监督码元一个码组null循环码：循环码是一种分组码，它的特点是循环码组中任一许用码组经过循环移位后所得的码组仍为一许用码组。 循环码的最大好处是，它的编码器和解码器都可用带反馈的移位寄存器来实现，而且检错能力较强。 CRC（循环冗余检错码）是最重要的一种循环码，用得十分广泛。 {x(1),x(2),x(3),……,x(k),a(1),a(2),…..,a(n-k)}nullBCH码：BCH码也是一种循环码，它具有纠多个随机错误的能力。 RS码也是一种BCH码，不过，它与二进制BCH码不同，在（n,k）RS码中，输入信息流分成k*m比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成，而不像二进制BCH码中的一个比特。 4 交织码：把i行具有纠错能力的编码排成一个阵列，对行和列分别进行纠/检错，这种编码方式就称为交织码。X(1) X(2) X(3)…..A(1) A(2) … Y(1) Y(2) Y(3) ….B(1) B(2) … ……………………………….. Z(1) Z(2) Z(3) …..C(1) C(2) … D(1) D(2) D(3)…..E(1) E(2) … ………………………………..交织码不仅能纠正随机错码，还能纠正突发性错码。null卷积码：卷积码与分组码不同，在卷积码中编码后的n个码元不仅与当前断的k个信息码元有关，还与前面（N－1）段的信息码元有关。卷积码的纠错能力随着N的增大而增大，而差错率随N的增大而指数下降。 1 2 ……k, 1 2……k, 1 2 …..k, 1 2 ……k, 1 2 …..k,1 2 3 ……….. N….1 2 3 4 ………………..n输入信息流输出序列在信道编码中，往往几种编码方式联合使用，例如，无线编码中常常将RS码、交织码和卷积码联合使用。null（2）数字调制 数字调制是将编码后的数字信号（基带信号）调制在高频载波上。有三种调制方式： 1 幅度键控； 2 频移键控； 3 相移键控。null1 二进制幅度键控（2ASK）2ASK最简单的形式是“通-断”键控（OOK），“1”时通，“0”时断。它可表示为：A为载波幅度， 为载波角频率，1 0 0 1 1 0 1Tsnull2 二进制频移键控（2FSK）2FSK中载波频率随调制信号而变， 对应于“1”， 对应于“0”。1 1 0 0 1 1它的时域表达式为:,对应于“1”,对应于“0”是的反码.null3 二进制相移键控（2PSK或BPSK）2PSK中载波信号的相位随基带信号而变，通常用相位 对应于“1”， 对应于“0”，它的时域表达式为：其中1 1 0 0 1 1 0 1若调制信号g(t)是幅度为1，宽度为 的矩形脉冲，则null4 二进制差分相移键控（2DPSK）2PSK又称为绝对调相，因为它用载波的绝对相位来表示“1”和“0”。 所谓相对调相是用载波相位在两个码元之间的相对变化来表示“1”和“0”。例如，用 的相对相位变化表示“1”，而没有相对相位变化表示“0”。因此，它又称为差分相移键控（DPSK）。它与二进制的差分编码是相对应的。 为了实现DPSK，可先对二进制信息进行差分编码，然后再进行绝对调相。null 0 1 0 0 1 0 1 1 0二进制码：差分码：载波：DPSK：（传号差分码）（用差分码 绝对调相）null5 多进制数字调制在二进制调制中，每个符号代表1位信息，而在M进制调制中，每个符号代表 位信息，因此，在有限频带信道中，可以使信息传输率（比特率）增加，从而提高了频带效率。(a) 多进制幅度键控（MASK）在MASK中，调制幅度可以取M种值，已调信号的表达式为：其中 为载波频率，g(t)为基带波形，nullMPSK信号的相位可以用矢量图表示：0 1 00 11011001 1100 10010 110011 111001 101000 100A)M=2，=0； B）M=4，=0； C）M=4，=/4； D）M=8，=/8(b) 多进制相移键控（MPSK）由于PSK比ASK和FSK具有更低的误码率，因此，它用得更加广泛。 null(c) 幅度与相位相结合的多进制调制 正交幅度调制MASK时，矢量端点在一条轴上分布：-2 -1 1 2MPSK时，矢量端点在一个圆上分布：01 11 00 10若发送信号能量不变，则随M的增大，矢量端点间的距离越来越近，因而使误符号率迅速增加。解决的办法之一是增大信号发送功率。另一种办法是充分利用信号平面（幅-相平面），使矢量端点在信号平面上合理分布，使在不减少端点间距离的情况下，增加信号矢量端点的数目。 A星座图IQnull例如：A）16PSK星座图 B）16QAM星座图 C）16APK星座图比较上面三个星座图，A）为16PSK，B）为16QAM--正交幅度调制，它的星座图为矩形或十字形，显然它的分布优于前者。C）为16APK--幅相键控，它是在300-3400Hz内传送9.6kbps的一种国际标准星座图，显然它优于B）。null(d) 各种数字调制总结 调幅 调频 调相 差分调相二进制调制 2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK多进制调制 MASK MFSK MPSK MDPSK恒包络调制 MSK OQPSK复合调制 MQAM，MQPR2.3 无线计算机网络的MAC层2.3 无线计算机网络的MAC层无线信道是共享信道，即广播信道，任何一点发送，其余各点都能收到。为了防止各点任意发送数据包而造成冲突，必须制定一个协议来控制各点的发送，以提高信道利用率。这个协议就叫做介质访问控制（MAC）协议。ABnull无线信道的MAC协议有两类： 集中控制方式：主要采用轮询方式。由基站控制，逐个移动台询问是否有数据发送，若有就发送，若没有就询问下一个。这样就不会有冲突。 竞争方式： （1）最早的竞争方式是ALOHA方式－－任何一个站，有数据就立即发送，如果遇到冲突就再发送，直到成功为止。显然这种方式信道利用率不高。 （2）改进的ALOHA方式是分时隙的ALOHA方式－－把时间轴分为一个个时隙，任何一个站有数据时要等到下一个时隙开始时才能发送。这样冲突的几率可降低一倍，从而使信道利用率提高一倍。 （3）CSMA方式－－任何一个站有数据发送时，先侦听信道上有无载波，如果没有的话就立即发送，否则继续侦听，直到没有载波时再发送。这样可进一步减少冲突，提高信道利用率。null（4）CSMA/CA：CSMA方式仍可能有冲突，例如：A B CA站向B站发送，由于C站离A站较远收听不到载波，C站就以为信道空闲，也向B站发送数据，这样就在B站产生冲突（站点隐藏问题）。 还有站点暴露问题 ：B站向A站发送数据，C站也可收到，但D站较远可能收不到。如果C站有数据向D站发送，本来是可以发送的，但由于C站侦听信道时，发现已有载波，不能发送，因而造成信道浪费。A BC Dnull为了解决这些问题，可使用“请求发送侦/允许发送侦”（RTS/CTS）方式： 对于隐藏问题：A站向B站发送之前，先发RTS帧，B站响应以CTS帧，因此，C站也能知道A站正在向B站发送数据，从而解决了隐藏问题。 对于暴露问题：A站和B站在RTS/CTS交互过程中，C站可以听到B站的信息，而听不到A站的信息，C站可以分析，D站也可能收不到B站的信息，因此，C站和D站可以照样通信。 在RTS/CTS交互过程中，同样可能产生冲突，但由于RTS/CTS的帧短，不会造成太大损失。 带RTS/CTS的CSMA方式就是一种常用的CSMA/CA方式。2.4 无线计算机网络的链路层2.4 无线计算机网络的链路层链路层的主要作用是保证相邻节点间的可靠数据传输。对于无线链路来说，除了要实现有线链路的所有功能以外，还要完成无线资源的管理（RM），包括移动台的定位，信道管理，天线切换/选择等功能。 链路层也采用HDLC协议和ARQ协议。3 移动IP协议3 移动IP协议3.1 动态寻址和移动透明性的机制 3.2 移动网络层协议 3.3 网络层中增强端－端可靠性 3.4 移动IP协议3.1 动态寻址和移动透明性的机制3.1 动态寻址和移动透明性的机制动态寻址：移动台能被别的用户找寻到。 移动透明性：当移动台从一个子网移动到另一个子网时，通信能够自动地从一个子网切换到另一个子网去。 动态寻址的解决办法：由移动管理（MM）系统完成。 每个移动台设一个“归属地址”和一个“当前地址”，归属地址是不变的，而当前地址是随移动而动态地变化的。 在归属子网设一个“归属名字服务器”，保存该子网所属移动台的有关信息，包括归属地址、移动类型、协议类型和当前地址。 在每个移动子网（外地子网）中设一个“拜访名字服务器”，它存有进入其复盖区域的移动台的有关信息，包括当前地址和归属地址。null当一个工作站要与移动台通信时，首先与其归属子网联系，在其归属名字服务器上查询该移动台的当前地址，然后再用该当前地址与该移动台通信。－－动态寻址原理。 移动透明性的解结办法：由移动切换（MH）管理。 在通信过程中，当移动台由一个子网移动到另一个子网时，移动台的当前地址改变了，它会自动通知信源按新的当前地址发送数据包。同时它要告诉原来的子网将滞流的数据包转发到新的子网中去，从而达到透明的移动。3.2 移动网络层协议3.2 移动网络层协议这里主要讲MM和MH，移动IP将在下一节介绍。 MM（Mobility Management)是移动性管理部分，用于用户注册、移动台识别号加密、位置登记及可用性定时更新。移动台的MM主要和子网中的拜访名字服务器进行交互，交换移动管理信息。 移动管理的目标是建立至移动用户的路由，为此网络必须记住用户的准确位置，一般是通过不断地跟踪记录用户的位置变化，从而使用户的当前位置准确及时地反映到系统中来，而用户终端也参与移动管理，向系统报告自己的位置数据。nullMH（Mobility Handover)是移动切换部分，负责处理移动台在子网间切换及滞留分组的转发等。 移动切换包括：根据测量数据，决定是否切换的决策过程；切换的具体执行。 切换的启动： 相对信号强度比较：选择一个信号强度最大的基站； 有门限值的相对信号强度比较：当信号强度小于某一门限值时才选择一个信号强度最大的基站； 有容限值的相对信号强度比较：当另一基站的信号强度大于当前基站一定的容限值时才切换； 有门限和容限的相对信号强度比较：综合3和4。null软切换： 当移动台从一个子网切换到另一个子网时，通信会产生短时的中断。为了避免这种现象，可采用软切换－－当移动台移到两个子网重叠区时，移动台同时与两个子网的基站建立连接，当与新的基站建立了稳定的通信连接以后，才断开与原基站的连接。 移动切换操作： 虚电路切换－－当正在以有连接方式（虚电路）通信的移动台在子网间切换时，必须重新建立一条新的虚电路。并且滞留在原来虚电路上的数据包必须转发到新的虚电路上去。 数据报切换－－当通信是以数据报的方式进行时，移动台在子网间切换时，只需将数据报头的信宿地址改为新的转发地址，并将滞留在原转发地址的数据报转发到新的转发地址中来。3.3 网络层中增强端－端可靠性3.3 网络层中增强端－端可靠性在计算机通信中，端－端可靠性一般由传输层解决。而在无线计算机通信中，影响端－端可靠性最大的是基站与移动台之间的通信。因此，改善移动台和基站之间的通信可靠性，将大大增强端－端可靠性。 改善移动台与基站之间的通信可靠性有下列方法： 移动台和基站之间的可靠数据报服务－－将数据报编号，并且要求确认和重发。 可靠数据报服务切换－－当移动台从一个子网切换到另一个子网时，数据报编号必须重新设置：复位法，镜像法。 虚电路切换的镜像法：对于网络层有连接的业务可采用镜像法切换虚电路。3.4 移动IP协议3.4 移动IP协议在无线Internet中移动可分为两种情况： 在同一IP子网内不同蜂窝小区间的移动，称为散步（walking)； 在不同的IP子网间的移动，称为漫游（roaming)。 散步时，虽然移动台的IP地址不变，但是，与移动台通信的基站在改变，因此，同样牵涉到网桥和路由的问题。 漫游时，移动台的归属地址不变，但它的当前地址在动态地变化，因此，牵涉到动态寻址和移动透明的问题。这些问题都要在网络层解决－－移动IP协议。null移动IP协议要考虑以下几个原则： 网络层应彻底完成漫游功能，使漫游对传输层完全透明； 必须与原来的Internet兼容； 最佳路由； 安全。null移动寻址问题： 每个移动台有两个IP地址： 归属地址（home address)：移动台原来所属子网分配的IP地址，它是固定不变的； 当前地址（current address)：移动台当前所属子网（外地子网）分配的IP地址，它是随移动台位置的改变而变化的。 网络设两种代理： 归属代理（home agent)：设在移动台原来所属子网； 外地代理（foreign agent)：设在移动台当前所属子网（外地子网）。外地代理的IP地址称为转交地址（care of address) 在归属代理处设个归属名字服务器，登记有所属移动台的归属地址、当前地址和转交地址等信息； 在外地代理处设个拜访名字服务器，登记有其它子网进来的移动台的当前地址和归属地址等信息。null归属子网MM归属代理外地代理固定台外地子网IP主干网转发机制： 当某固定台有信息向某移动台发送时，按常规的信宿地址（归属地址）发送，归属代理截取该数据包后，用隧道的方法转发给外地代理，再由外地代理转发给移动台。移动台隧道null归属 代理计算机移动台外地 代理1 发给移动台 的数据报先 到归属代理2 数据报用隧道 传到外地代理3 数据报再由基 站发给移动台4 由移动台发出的数据报按常规方法 寻址传送，基站是移动台的缺省路由器。由移动台发给任一计算机的数据报都先发给基站的缺省路由器，再用常规的寻址方法，路由到信宿计算机去。4 无线TCP协议4 无线TCP协议4.1 无线环境中的TCP 4.2 移动计算机网络的QoS4.1 无线环境中的TCP4.1 无线环境中的TCPTCP原来是针对有线网络的，它不能适应无线移动环境的高误码率、切换延迟等特点。因此移动计算机网络需要对TCP进行修订和优化。但TCP是用户计算机中使用的协议，移动网络TCP修改后必须能和固定计算机原有TCP兼容。 有线TCP把分组的丢失、延时到达解释为网络拥塞，并启动网络拥塞控制程序进行流量控制。TCP会自动加大重发间隔、缩小发送窗口来适应网络拥塞。当拥塞解除时，TCP使用慢启动方法逐步加大流量。 这些方法对无线移动网络是不合适的。因为分组的丢失主要是由于无线信道差错或切换引起的，而不是网络拥塞。如果启用网络拥塞控制程序会使信道质量进一步下降。null无线TCP的改进： 端－端措施：端－端措施的目的是使TCP快速重发丢失的分组，避免不必要的拥塞控制。一般TCP超时重发间隔较大（约几百毫秒），而越区切换时间较短（约几十毫秒），因此接收方发现有分组丢失时，应尽快通知对方重发，而不要启动拥塞控制机制。因为TCP没有NAK机制，可以采用多次发ACK来表示有分组丢失。 分段连接措施：端－端措施要依靠端－端信号来控制，因为端－端延时较大，效果不太好。如果采取分段连接，将传输层的端－端连接分为两段，第一段是从远端计算机到基站，第二段是由基站到移动台。第一段是有线传输，分组丢失率很小。第二段是无线传输，分组丢失率高。因此只要在第二段采用ARQ技术，就可以大大提高端－端的性能。计算机移动台基站有线信道无线信道TCPTCP1 TCP24.2 移动计算机网络的QoS 4.2 移动计算机网络的QoS 网络上不同的应用有不同的QoS要求，如网络延时、延时抖动和带宽等。QoS参数的协商在传输层完成。当建立端－端连接时就要进行QoS参数协商，预留资源，进行流量控制和接入允许控制。但是，QoS的保证，要靠网络所有层共同努力，协同工作，才能完成任务。 对于移动计算机网络，关键的问题在无线信道，因为无线信道误码率高、分组丢失率高、频带窄，它是QoS的瓶颈。null应用层：适配 （信源编码，RTP， RSVP）PHY：扩频，分集MAC：CSMA/CA TDDLLC：复合重发IP：可靠数据报TCP：嵌入基站无线计算机网络的QoS保障体系参考模型：5 移动Internet的应用5 移动Internet的应用移动计算机网络的应用包括： 无线组网； 无线接入； 移动办公； 移动商务； 遥测遥控； 远程教学； 远程医疗； CSCW； 移动多媒体等。null