目录导语一、无线网络的基本元素二、无线网络的分类三、无线和有线的本质区别四、移动性带来的挑战本节核心总结必看结语导语大家好呀欢迎来到第7章「无线网络和移动网络」前面6章我们学习的网络不管是以太网还是数据中心基本都是有线的——设备之间用网线、光纤连接安安静静地待在机房里。但现实世界中我们每天用的手机、笔记本、智能手表都是通过无线方式连接网络的。你在地铁上刷抖音、在咖啡厅连WiFi、在户外用5G导航这些都离不开无线网络。无线网络和有线网络有本质区别无线信号会衰减、会被遮挡、会互相干扰用户还会到处移动。这给网络协议带来了全新的挑战。这一章我们会从无线链路的基本特征讲起深入学习WiFi802.11、蜂窝网络4G/5G、移动性管理原理以及无线和移动性对高层协议的影响。准备好了吗让我们走进无线世界一、无线网络的基本元素1. 无线网络的组成一个无线网络通常包含以下基本元素无线主机Wireless Host运行应用程序的终端设备如手机、笔记本、平板、IoT设备。无线主机可以是移动的手机也可以是静止的台式机连WiFi。无线链路Wireless Link连接主机和基站或其他主机的通信链路通过无线电波传输数据。不同的无线技术有不同的传输速率和传输距离。基站Base Station无线网络的核心设备负责协调和中继无线主机的数据。在WiFi中叫接入点Access PointAP在蜂窝网络中叫基站Base StationBS或eNodeB/gNodeB。网络基础设施基站之间通过有线网络以太网、光纤连接组成更大的网络最终连接到因特网。2. 两种网络模式无线网络有两种基本组织模式基础设施模式Infrastructure Mode所有无线主机都通过基站通信基站连接到有线网络。这是最常见的模式——你家里的WiFi路由器就是AP手机通过AP上网。自组织模式Ad Hoc Mode没有基站无线主机之间直接通信自己组织网络。这种模式用于军事应急、车联网V2V、物联网mesh网络等场景。3. 无线主机的移动性无线主机的一个关键特征是移动性Mobility——主机可以在网络中移动从一个基站的覆盖范围走到另一个基站的覆盖范围。这时候需要**切换Handover/Handoff**机制让主机在移动过程中保持网络连接不中断。移动性有不同的程度静止主机不动只是用无线方式连接如台式机连WiFi低速移动在同一个AP覆盖范围内走动如在办公室里走动高速移动在不同基站之间切换如坐高铁时手机从一个基站切换到另一个全球漫游在不同运营商、不同国家的网络之间漫游二、无线网络的分类1. 按覆盖范围分类无线网络可以按覆盖范围从小到大分类类型覆盖范围典型技术用途无线个域网WPAN几米蓝牙、ZigBee、UWB耳机、鼠标、智能家居无线局域网WLAN几十米到几百米WiFi802.11家庭、办公室、咖啡厅无线城域网WMAN几公里WiMAX城市覆盖蜂窝网络几百米到几十公里4G LTE、5G手机移动网络卫星网络全球卫星通信偏远地区、航海、航空2. 本章重点本章重点学习两种最主流的无线技术WiFi802.11无线局域网最常用的无线局域网技术覆盖家庭、办公室、公共场所。7.3节详细讲解。蜂窝网络4G/5G广域移动网络覆盖城市和乡村支持高速移动。7.4节详细讲解。此外还会学习蓝牙个人域网络、移动性管理原理7.5-7.6节、以及无线和移动性对TCP等高层协议的影响7.7节。三、无线和有线的本质区别很多同学会问不就是把网线换成无线电波吗协议应该差不多吧其实差别非常大无线链路有几个有线链路没有的特性1. 信号衰减Path Loss无线电波在空间中传播时信号强度会随距离增加而衰减通常和距离的平方或更高次方成反比。而且墙壁、楼层、人体都会遮挡和吸收信号。这意味着无线链路的质量是动态变化的——你离AP越远信号越弱速率越低。有线链路光纤、双绞线的信号衰减是固定的、可预测的而且几乎不受外界干扰。2. 干扰Interference无线信号在开放空间中传播不同设备的信号会互相干扰。WiFi的2.4GHz频段只有3个不重叠信道邻居家的WiFi、微波炉、蓝牙设备都会干扰你的WiFi信号。有线链路中信号在封闭的线缆中传输几乎不受外界干扰双绞线有绞合抗干扰光纤完全免疫电磁干扰。3. 多径传播Multipath Propagation无线电波遇到障碍物会反射、折射同一个信号可能经过多条路径到达接收方不同路径的信号有不同的延迟会互相叠加或抵消导致信号衰落多径衰落。这就是为什么有时候你站在某个位置WiFi信号特别差走两步就好了。4. 隐藏终端问题Hidden Terminal Problem在无线网络中两个主机可能都能听到基站但互相听不到对方。这时候它们同时发送数据会在基站处冲突但它们自己检测不到冲突——这就是隐藏终端问题。有线以太网的CSMA/CD边发边听在无线环境中不好用因为发送方的信号会淹没接收信号半双工限制而且隐藏终端导致冲突检测不可靠。所以WiFi用的是CSMA/CA冲突避免而不是CSMA/CD。5. 速率自适应无线链路的速率不是固定的而是根据信号质量动态调整。信号好的时候用高阶调制64-QAM、256-QAM达到高速率信号差的时候降速到低阶调制QPSK、BPSK保证可靠传输。WiFi的速率可以从1Mbps到几百Mbps动态变化。四、移动性带来的挑战除了无线链路本身的特性主机的移动性也给网络带来了独特的挑战1. 切换Handover当移动主机从一个基站的覆盖范围走到另一个基站时需要把连接从旧基站切换到新基站。切换过程中要保证数据不丢失、连接不中断或中断时间尽可能短。这需要基站之间协调、提前准备资源、快速完成切换。你在高铁上打电话不掉线就是因为蜂窝网络做了快速切换。2. 位置管理Location Management网络需要知道移动主机当前在哪个位置才能把数据路由过去。这需要位置注册主机到了新区域通知网络和寻呼网络找主机时在区域内广播寻呼消息机制。3. 路由问题移动主机的IP地址通常是归属网络分配的当它漫游到外地时数据怎么路由到它当前的位置有两种方案间接路由数据先发到归属网络的代理再由代理转发到移动主机当前位置类似快递转寄直接路由通信对端直接获取移动主机的当前位置直接发送数据类似直接寄到新地址4. 对高层协议的影响TCP假设丢包是因为拥塞但无线网络中丢包经常是因为信号差、干扰、切换。如果TCP把无线丢包也当成拥塞来处理降低发送速率就会导致无线链路的吞吐量很低。这需要TCP做无线感知的优化或者在链路层做可靠传输如WiFi的ACK重传来对TCP屏蔽无线丢包。本节核心总结必看这一节是第7章的概述核心要点一、无线网络基本元素无线主机手机、笔记本、IoT设备等终端无线链路无线电波传输速率和距离因技术而异基站WiFi叫AP蜂窝叫eNodeB/gNodeB负责协调和中继基础设施模式通过基站vs 自组织模式主机直连二、无线网络分类WPAN蓝牙几米→ WLANWiFi几十米→ WMANWiMAX几公里→ 蜂窝4G/5G几到几十公里→ 卫星全球本章重点WiFi和蜂窝网络三、无线vs有线的本质区别信号衰减随距离和遮挡动态变化干扰开放空间中多设备互相干扰多径传播反射折射导致信号衰落隐藏终端CSMA/CD不可用改用CSMA/CA速率自适应根据信号质量动态调整速率四、移动性挑战切换基站间无缝切换位置管理注册和寻呼路由间接路由归属代理转发vs 直接路由对TCP影响无线丢包≠拥塞需要优化关键概念清单基站Base Station无线网络的协调中继设备接入点APWiFi中的基站基础设施模式通过基站通信自组织模式Ad Hoc主机直接通信隐藏终端问题互相听不到的终端在基站处冲突多径衰落反射信号叠加导致信号质量波动切换Handover移动中从一个基站切换到另一个位置管理跟踪移动主机的当前位置速率自适应根据信号质量调整传输速率结语这一节我们了解了无线网络的基本概念、分类、和有线网络的本质区别以及移动性带来的挑战。可以看到无线网络不是简单地把网线换成无线电波而是有一套全新的问题和解决方案。下一节7.2我们将深入学习无线链路和网络特征——从信号衰减、干扰、多径的物理层原理到隐藏终端、暴露终端的MAC层问题再到无线链路的吞吐量模型。理解了这些底层特征才能理解为什么WiFi和蜂窝网络的协议是那样设计的。让我们继续深入无线世界吧如果你觉得这篇笔记对你有帮助欢迎点赞收藏有问题也欢迎留言讨论我们一起进步