技術文章 » 計網學習筆記五 wireless && mobile networks

計網學習筆記五 wireless && mobile networks

2023-04-02 18:01:39

老師把無線網路用一節課一遍過了…感覺沒能學透，便課後自己總結，看書，找資料補充，把無線網路大概摸了個七七八八。雖然不算精細，但還能看！內容包括WLAN總概，WiFi—WLAN的實現，802.11規定的幀結構，以及蜂窩網路。

強烈推薦一本書：《802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide》， 2nd Edition by Matthew S. Gast；這本書有效地幫助了這節課的覆盤。

還有推薦一個知乎的博主徐工徐方鑫，在這方面的知識能學到很多！

無線區域網的組成

無線網路在近些年來一直是個非常流行的東西。現在的移動使用者數量已經大大超過了有線使用者數量，比例大於5:1。

實現無線網路的挑戰性

從有線到無線是網路構建上一個偉大的設想，挑戰性主要集中在wireless和mobility兩個點上。

這兩個是不同的概念！不要混為一談！兩個概念不等價，雖然很緊密。

  • wireless無線：如何使用無線鏈路進行通訊

  • mobility行動性：如何處理改變網路連線點的移動使用者，即使用者可以隨時改變接入節點（mobile的節點鏈路不一定是無線的，有線網路也有著隨時拔線插線的問題，這也是一個行動性問題）

組成無線網路的元素

根據無線網路中所處位置的不同，我們可以將組成元素分為三類：

  • wireless hosts無線終端：

    • 包括筆記型電腦、手機
    • 負責執行應用程式
    • 可以是固定的，亦可以是移動的

  • base station基站：

    • 例子有cell towers, 802.11 AP
    • 一頭連到有線網路，一頭負責無線終端的中繼
    • 家裡的AP就相當於一個小基站
    • 中國有鐵塔公司，專門負責基站鐵塔建造

  • wireless link無線鏈路：

    • 用來連線行動終端和基站
    • 有很多區別，區域網（WLAN)和廣域網（4、5G）
    • 可以通過多跳來中繼，不用拉電纜

各種無線標準

因為無線通訊受距離影響極大，所以根據距離的不同有不同的無線協定標準。（距離很長很長就進行長波通訊，如漁船潛艇；再長就到衛星通訊）

兩種應用模式

  • 傳統的infrastructure mode：

    • 使用基站做無線通訊
    • 可以隨時handoff（快速切換）

  • 新興的ad-hoc mode：

    • 無線自組織網路，不用AP，就直接互聯；（p2p連線，無基站）
    • 軍用，如艦隊，因為使用infrastructure mode要有艦船做通訊艦，被打掉通訊就無了；還有軍用無人機隊協同作戰也是採用ad-hoc mode。

    下圖展示了兩種模式在通訊中所處單跳和多跳環境時的不同之處：

無線鏈路因為其無線訊號傳播的性質，和有線鏈路有幾個不同之處：訊號易衰減，多路傳播自干擾，以及不同源干擾。

訊號衰減

訊號在傳輸過程中受到的損傷可以分為衰減、噪聲和失真幾種。在課上主要學習了訊號的衰減的量化指標 和 噪聲指標相應的的量化關係。

無線訊號在路徑上通過媒介傳播時，強度會因為反射，衍射，吸收，地形輪廓(城市，農村，植被)，溼度等因素不斷減弱。這也被稱為路徑損耗（Path loss）。這個損耗的指標用一個叫自由空間損耗（FSPL）的值來衡量，它是一個「增益負值」，可以表示訊號總傳送功率和接收功率之間的比值關係，單位為分貝。
$$
FSPL = P_L = 10\lg(\frac{P_{recv}}{P_{tran}})=10\lg(\frac{4\pi{d2}}{\lambda{2}}) = 20\lg{d} + 20\lg{f} + 32.44
$$
可以看看這篇文章，寫了有關FSPL的推導：802.11協定精讀15：鏈路模型（基於Free-Space Path Loss）。上圖即為自由空間損耗模型。

除了衰減，訊號在傳輸過程中也會受到一定的噪聲干擾，噪聲是指 在傳送和接收之間的某處插入的不希望有的訊號。在計網課上並沒有詳細闡述噪聲的型別，但給出了訊雜比（SNR）和誤位元速率（BER）之間的量化關係。

訊雜比是表徵訊號質量的重要指標之一。絕對訊號功率是影響訊號質量的重要因素，但並不代表訊號質量——也就是說並不是絕對訊號功率越強，訊號質量越好。而 SNR 作為訊號功率和噪聲功率的比值表示，可以有效預測通訊系統中訊號的質量，可以說SNR是越高訊號質量越好的；同時，噪聲疊加會導致解碼器解碼錯誤，錯誤衡量的指標就是 BER 。總的來說，SNR越高，BER則越低。

下圖展示了SNR和BER在不同調變編碼方式（物理層）下的關係：

可以看到：

  • 在同一調解方式下，SNR越高，則BER越低；
  • 即使在同一SNR下，隨著調解深度增加，BER也會跟著升高。

所以我們要對SNR和BER做出一定的權衡。

  • 同一調解方式下可以通過升高SNR來獲取比較好的BER，但是，SNR是不能無限升高的，儘管可以通過增強訊號來增加SNR，但過高會導致放出的能量過大，對人體有害。

  • 給定了SNR，可以選擇一個調變編碼方式（物理層）來選取相對的BER（越先進即越深的調變編碼越容易受干擾，因為一個訊號中帶的bit較多）

  • SNR會根據行動性來變換，動態切換調變編碼方式（可以看看拿著手機的時候，自己的網速會跟著自己的移動而變化）

這裡有一篇文章值得看一看：無線通訊中的SNR、SINAD和SINR

自干擾

無線訊號不是按照一個確定的直線方向進行傳播的，就像上面所給出的自由空間損耗模型；訊號在傳播時會接觸到不同的表面而產生反射，這些反射會導致訊號傳播的時差，從而到達目的地時會產生疊加，形成自干擾。如下圖：

其它發射源干擾

如果在同一時間有其他裝置與你一起共用無線網路頻段(如2.4 GHz的通道疊加)，就會產生一定的干擾；除此之外，一些無線裝置(如藍芽滑鼠、鍵盤，甚至USB3.0等)也會干擾你的訊號。

這篇文章講了對WIFI網路訊號的影響因素：What affects Wi-Fi networks？裡面提到了各種各樣的發射源干擾。

無線網路特點（Network）

把目光從無線鏈路放到無線網路上，無線網路也有一些總體的特點：

  • 傳播媒介是broadcast的：任何在鄰近的接收端都能收到訊號，以及對傳送端造成干擾；

  • 半雙工：即不能同時收發訊號；儘管在近些年來研究發現全雙工是可以實現的，但是在商業成本上過高。可以看看這篇回答：為什麼有線網路可以全雙工，而無線網路只能半雙工呢?

  • 傳送端傳送的訊號並不總是以接收端接收到為結束；

  • 產生的問題：多址接入問題，隱藏終端問題（Hidden terminal problem）

WiFi--IEEE 802.11 WLAN

WiFi我們平時常常掛在嘴邊，但它和802.11協定簇有什麼關係呢？簡單來說，IEEE 802.11是無線區域網的實現標準，Wi-Fi是對IEEE 802.11標準的產品實現，IEEE 802.11的標準並不等同於Wi-Fi。

Wi-Fi是Wi-Fi聯盟的商標。Wi-Fi聯盟是一個為了推動IEEE 802.11標準的商業組織，其主要目的是在全球範圍內發展基於IEEE 802.11標準的無線區域網技術。IEEE 802.11提出的標準較為理論化，在實際生產中，各個廠家對於Wi-Fi產品的實現不盡相同，Wi-Fi聯盟很好地解決了符合IEEE 802.11標準的各Wi-Fi產品生產和裝置相容問題。

也就是說，IEEE 802.11側重無線區域網理論層面，包括物理層、MAC層相關技術標準制定；Wi-Fi聯盟側重產品層面，對符合IEEE 802.11標準要求的產品制定規範以達到裝置相容的目的。

IEEE802.11 WLAN的組成結構

組成元素對應的術語如下：

  • Station(STA): device with IEEE 802.11 conformant MAC and physical layer
  • Access Point (AP): Provides access to the distribution system via the wireless medium
  • Basic Service Set (BSS)：A single cell coordinated by one access point (base station)
  • Extended Service Set (ESS)：Multiple BSSs interconnected by Distribution System (DS)
    • DS can be a switch, wired network, or wireless network
    • An ESS appears as a single logical LAN
    • Portals (routers) provide access to Internet
  • Distribution System (DS): A system used to interconnect a set of BSSs and integrated LANs to create an ESS

PS：IBSS為 Independent Basic Service Set，可以說是在ad-hoc mode下的BSS。WDS為wireless distribution system。

Host連線到WLAN的過程

我們以802.11b協定為標準來做一個簡單的舉例。

  1. 802.11b的頻段在2.4GHz-2.485GHz 之間，共劃分為了11個通道，AP管理員可以選擇一個干擾比較少的通道來提升通訊效率；
  2. 需要進行無線通訊的host必須與AP進行連線，在連線前host會掃描通道，偵聽包含AP名稱(SSID)和 MAC的信標幀（beacon frame）（即掃描有啥WIFI可以連線）；
  3. host選擇一個AP進行連線，連線可能需要經過認證（authentication ）；
  4. host將通常使用 DHCP 來獲取 AP 子網中的 IP 地址。

來看看其中的一些過程以及產生的問題：

Host偵聽SSID和建立連線

Host的偵聽過程發生在host將無線訊號接入到已經掃描到的channels的過程中，過程可以分為passive和active兩類：

Passive Scanning（左圖）：AP們會不斷地往周圍發出信標幀，間隔為100ms；Host掃描（本地網路卡在每一個通道上進行輪換掃描）接收到後，發出一個選擇AP的request幀，AP們收到request幀後，被選擇的對應AP返回一個response幀給Host，連線建立；

Active Scanning（右圖）：首先Host會在不同的channel上週期性廣播一個probe-request幀（這個幀有兩種格式，見連結），然後等待AP們收到該幀後返回的probe-response幀（帶著各個的SSID）；Host接收到後，發出一個選擇AP的request幀，AP們收到request幀後，被選擇的對應AP返回一個response幀給Host，連線建立；

這兩篇blog給出了詳細的闡述：802.11中的主動掃描與被動掃描，wifi的主動掃描和被動掃描

還有一個好回答！能學到東西：有關WIFI中的掃描SSID的問題？

多址接入產生的問題

如圖，多址接入會產生隱藏終端、訊號衰減、暴露終端等問題。其中比較重要的是隱藏終端hidden terminal問題。

什麼是 hidden terminal problem？這裡有太長不看的鍛鍊英語能力的闡釋：The Hidden Terminal Problem；用我們的話來說，就是存在兩個或以上的STA，這些STA在距離上離得非常遠（超出彼此傳輸範圍），誰也不知道誰的存在，但他們卻要同時向接收端（AP）傳送資料，就像上圖A和C被一座大山擋著了一樣。

這個問題會讓A和C在傳送的時候都會認為當前通道空閒，導致資料在B處產生了collision。

那麼該如何解決呢？採用了 IEEE 802.11 RTS/CTS 協定！

  1. A要傳送資料了！先往B傳送一個RTS（Request to Send ）幀；
  2. RTS幀在傳播出去的過程中，起到了通知A附近的STA「我在傳送，勿擾」的作用；
  3. B接收到了RTS，給A返回一個CTS（Clear to Send）幀；
  4. CTS幀在傳播出去的過程中，起到了通知B附近的STA「我要接收資料了，勿擾」的作用（尤其是C，讓它不要再往B傳送資料，表示通道繁忙）；
  5. A傳送資料，B接收到後返回ACK，傳輸完成。

PS：RTS/CTS exchange is a required function, but can be disabled.

隱藏終端是由於監聽到的通道空閒而不是真的空閒，故引發衝突。而暴露終端是由於監聽到的通道忙而不是真的忙，故其可以傳輸而不傳輸。

還是繼續來一篇好文章，深入解釋：802.11協定精讀5：隱藏終端和暴露終端

802.11協定結構

PS：最下面一層是物理層即編碼方式的選擇。

幀間間隙

在詳細闡述兩種802.11MAC型別以及對應的協定機制前，我們先來引入關於幀間間隙的概念：

在802.11使用的CSMA/CA協定中，發一個幀之前，都需要 "等待" 一個相應的幀間間隔，比如傳送資料之前至少要等待DIFS時間，傳送ACK之前需要等待SIFS時間。這種機制可以有效地避免傳輸衝突。而不同型別的traffic需要不同的優先順序，我們可以根據優先順序來分配幀間間隙，那麼有哪些幀間間隙？對應各類優先順序？

  • SIFS (Short Inter_Frame_Space)：短幀間間隙，傳送ACK，、LLC（鏈路層控制）的控制資訊封包、輪詢迴應、CTS……時使用，基本都為控制訊號；
  • PIFS(point coordination function IFS)：點協調幀間間隙，被中心控制器使用（中心節點），傳送輪詢資訊時使用；
  • DIFS（Distributed coordination function IFS）：分散式幀間間隙，用於所有普通非同步通訊資訊（就是最普通的發資訊啦）

兩種MAC型別

無線的MAC主要有兩類：PCF和DCF（也就是兩個MAC子層）。其中DCF是指分散式協調功能，分散式控制，用於傳輸非同步資料；PCF是指點協調功能，集中式控制，用於傳送實時資料，優先順序僅次於控制幀。

下面是IEEE給出的DCF和PCF定義：

IEEE 802.11 defines two MAC sub-layers:

  1. Distributed Coordination Function (DCF) – DCF uses CSMA/CA as access method as wireless LAN can't implement CSMA/CD. It only offers asynchronous service.
  2. Point Coordination Function (PCF) – PCF is implemented on top of DCF and mostly used for time-service transmission. It uses a centralized, contention-free polling access method. It offers both asynchronous and time-bounded service.

Both DCF and PCF are 802.11 medium access types that are the mechanisms for the implementation of CSMA/CA in WLAN.

在當前的802.11協定中，除了初始定義的DCF和PCF工作模式外，在802.11e中還定義了EDCA，HCCA（DCF被擴充套件為EDCA模式，PCF模式被擴充套件為HCCA模式）。

PCF和DCF和兩種無線應用模式的關係（DCF and PCF in Wifi-networks）：PCF只在infrastructure module中使用，因為PCF需要一個站點作為point coordinator.

DCF 分散式協調MAC

DCF使用CSMA/CA機制進行資料傳輸。在DCF模式下存在兩種子模式：Basic模式與RTS/CTS模式。其中Basic模式就是CSMA/CA機制的使用模式，而RTS/CTS模式在前文我們以有所講解。

CSMA/CA機制

由於無線通道只有一個衝突域的特性，所以需要設定一種隨機接入機制，以避免多個節點同時存取網路所帶來的衝突問題，在WiFi協定中，該隨機接入機制即是CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）。

CSMA/CA和乙太網中使用的CSMA/CD都是基於CSMA機制，但在細節方面有著許多的不同。CSMA/CA主要是要「避免」衝突的出現。來看一個時序圖：

可以看到兩個STA的競爭通道的步驟為：

  1. 如果當前通道idle，先等待DIFS；
  2. 然後進行backoff過程，backoff採用的是BEB機制；
  3. backoff數值減至0而expired後，STA2傳送資料框；
  4. STA2成功發完資料，AP校驗完確定接收後，等待SIFS向STA2傳送ACK；
  5. STA2接收到ACK，傳輸完成，開始下一次DIFS；這時STA1的backoff值是繼承上次沒減完的值，這是為了保證公平性。

如果沒有收到ACK，則如圖：總共等待EIFS時間後重新開始通道競爭。（EIFS=SIFS+ACK+DIFS時間）

PS：當一個站要傳送資料框時，僅在下面的情況下才不使用退避演演算法:檢測到通道是空閒的，並且這個資料框是它想傳送的第一個資料框。除此以外的所有情況，都必須使用退避演演算法。

PCF 點協調MAC

在PCF中，必須要有一個coordinator來保證無競爭媒介接入。在802.11中，coordinators須為AP，所以PCF只能在infrastructure mode中使用（但不是全程使用，由於PCF是以DCF作為基礎擴充套件的，所以 infrastructure mode中往往是PCF和DCF交替提供服務）；當PCF使用起來的時候，媒介上的時間段被劃分為contention-free週期（PCF控制存取）和contention週期（DCF控制存取）。

PCF的過程如下：

  1. 無線網路設定好由coordinator控制的具有time-sensitive的多個STA；
  2. coordinator「抓住」媒介，「鎖住」全部的非同步通訊量，以輪詢方式對STAs進行輪詢；
  3. 收到輪詢時，STA可以等待SIFS後進行data響應；
  4. 如果coordinator收到響應，就再等待PIFS後發出下一個輪詢；
  5. 如果在預期的週轉時間內沒有收到響應，coordinator將發出下一個輪詢；
  6. 重複步驟直到當前週期結束，開始下一週期；

PS：新的標準中PCF已經被廢棄。

802.11MAC的邏輯圖如下：

結合文章802.11協定精讀2：DCF與CSMA/CA和802.11協定精讀4：PCF工作模式來看，還有一個問題的回答802.11協定中為什麼DCF比PCF應用更廣泛？，能很好地理解。

802.11幀結構的特別地方

PS：對802.11幀各個欄位的詳細闡述：IEEE 802.11 Mac Frame

看到這個幀結構時是不是會覺得莫名奇怪？先撇開其它不談，為什麼802.11幀會有四個地址？

課上給出了一定的解釋：

課上說，前三個地址使得無線幀可以「轉換」成有線幀，即從802.11轉換到802.3。

那dest的位址列位不用填了？明明在802.3的LAN中就只有兩個位址列位（src和dest）……而802.3中的bridge和switch對host來說是透明的，也不見得要填它們的MAC啊……雖然第三講中有「當主機想要向外網通訊時，需要用尋找的MAC是第一跳路由器的MAC」，但對於WLAN來說，還是講得不清不楚啊！自己動手，豐衣足食！

在stackexchange上找到了同樣有疑惑的老哥：Four layer-2 addresses in 802.11 frame header，回答裡面提到，當802.11裝置向接收裝置傳送資料時，這些裝置中的一個(或兩個)可能不是流量的實際源或目的地。面對這種情景我們可以構建四個地址，這是一點準備工作；

  • Transmitter Address (TA)
  • Receiver Address (RA)
  • Source Address (SA)
  • Destination Address (DA)

查閱幀結構發現：

四個位址列位和frame control欄位中的DS位有關：

  • Address 1 to 4 – These are 6 bytes long fields which contain standard IEEE 802 MAC addresses (48 bit each). The meaning of each address depends on the DS bits in the frame control field.

DS位又和分散式系統有關……

  • To DS: It is a 1 bit long field which when set indicates that destination frame is for DS(distribution system).
  • From DS: It is a 1 bit long field which when set indicates frame coming from DS.

蝙蝠書給出了一個對應不同功能填寫位址列位的表：

Function ToDS FromDS Address 1 (receiver) Address 2 (transmitter) Address 3 Address 4
IBSS 0 0 DA SA BSSID Not used
To AP (infra.) 1 0 BSSID SA DA Not used
From AP (infra.) 0 1 DA BSSID SA Not used
WDS (bridge) 1 1 RA TA DA SA

可以說，在802.11中，transmitter並不一定就是幀的creator，同樣，receiver並不一定就是最終解包的processor。根據功能的不同，位址列位的填寫也不同。課上的情況其實就是二和三行的情況，Address3填寫的是路由器的MAC地址，這一點和「當主機想要向外網通訊時，需要用尋找的MAC是第一跳路由器的MAC」是相同的。（下圖為二三行分別對應情形）

保持行動性

host可以保持在不同的BSS之間移動過程中IP不變；這個過程需要網路層的 Mobile IP 協定（RFC3344）來實現，在這裡先不展開闡述（因為這課是自底向上……）；

而在鏈路層中，行動性的實現需要交換機來協助完成：交換機需要記住host是在哪個AP！記憶行為就通過交換機的自學習機制來實現。

802.11中的高階功能

802.11中有一些為適應無線網路的特點而做出來的功能，如rate adaptation和power management

Rate adaptation

Rate adaptation允許在無線網路中以不同的速率進行傳輸，傳輸的速率取決於所處的網路條件。在無線網路中，訊號強度是有強有弱的，rate adaptation技術的出現可以讓傳輸速率根據訊號強度而跟隨變動。訊號強時採用高速調變方式，弱時則相反。

在IEEE上的有關 rate adaptation 的演演算法論文綜述：Rate adaptation algorithms for IEEE 802.11 networks: A survey and comparison

Power management

power management 指在不工作時關閉電源或將系統切換到低電源狀態的功能。在WLAN中（infrastructure mode），基本思想是AP快取下行資料，並週期性向對應的節點其廣播快取區情況，從而節點可以知道自己是否被資料快取了。在休眠結束後，被快取資料的節點就會進行資料請求，反之就繼續休眠。廣播快取區情況內容包含在信標幀中，AP的週期性廣播也是廣播信標幀。

蜂窩網路

在前面我們知道了一臺host是如何接入WiFi的，但大多數WiFi的覆蓋範圍只有10~100m左右，當我們在戶外的時候無法存取WiFi時，該如何接入無線Internet呢？

我們可以將蜂窩電話擴充套件到蜂窩網路，使它既支援語音電話，又能支援無線Internet接入。下面我們簡要介紹一下。

蜂窩網路的組成

接入方式

多個移動裝置接入基站時，無線射頻的劃分有兩種方式：組合FDMA/TDMA， 以及CDMA。2G就是採用了組合FDMA/TDMA的對空介面，下面是自頂向上的闡述：

2G(voice)網路結構

3G (voice+data)網路結構

4G和5G就不是一張兩張圖能夠概括的了...還有很長的路要走！

最後來一個行動通訊的演化圖^^