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  • 网络接入技术及其特点

    千次阅读 2017-03-01 23:11:39
    网络接入技术的变迁:PSTN拨号>ISDN拨号>ADSL>Cable-modem>光纤入户>无线接入. PSTN拨号: PSTN(Published Switched Telephone Network,公用电话交换网)技术是利用PSTN通过调制解调器拨号实现用户接入的方式.目前最高...
    网络接入技术的变迁:PSTN拨号>ISDN拨号>ADSL>Cable-modem>光纤入户>无线接入.
    

    PSTN拨号:
    PSTN(Published Switched Telephone Network,公用电话交换网)技术是利用PSTN通过调制解调器拨号实现用户接入的方式.目前最高的速率为56kbps,已经达到仙农定理确定的信道容量极限.用户不用申请即可开户,只要家里有电脑,把电话线接入Modem就可以直接上网.

    ISDN拨号:
    ISDN(Integrated Service Digital Network,综合业务数字网)接入技术俗称"一线通",它采用数字传输和数字交换技术,将电话,传真,数据,图像等多种业务综合在一个统一的数字网络中进行传输和处理.用户采用ISDN拨号方式接入需要申请开户.用户使用ISDN也需要专用的终端设备,主要由网络终端NT1和ISDN适配器组成.网络终端NT1好像有线电视上的用户接入盒一样必不可少,它为ISDN适配器提供接口和接入方式.ISDN适配器和Modem一样可分为内置和外置两类.

    ADSL:
    ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line,非对称数字用户环路)是一种能够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术.ADSL素有"网络快车"之美誉,因其下行速率高,频带宽,性能优,安装方便等特点而深受广大用户喜爱,成为继Modem,ISDN之后的又一种全新的高效接入方式.ADSL需要申请开户,需要配上专用的Modem.


    ADSL属于DSL技术的一种,全称Asymmetric Digital Subscriber Line( 非对称数字用户线路),亦可称作非对称数字用户环路。是一种新的数据传输方式。
    ADSL技术提供的上行和下行带宽不对称,因此称为非对称数字用户线路。
    ADSL技术采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道,从而避免了相互之间的干扰。用户可以边打电话边上网,不用担心上网速率和通话质量下降的情况。理论上,ADSL 可在5 km 的范围内,在一对铜缆双绞线上提供最高1 Mbps的的上行速率和最高8Mbps的下行速率(也就是我们通常说的带宽),能同时提供话音和数据业务。
    一般来说,ADSL 速率完全取决于线路的距离,线路越长,速率越低。
    ADSL技术能够充分利用现有PSTN(Public Switched Telephone Network ,公共交换电话网),只须在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高宽带服务,无需重新布线,从而可极大地降低服务成本。同时ADSL用户独享带宽,线路专用,不受用户增加的影响。

    以上三种方式代表了中国电信互联网接入业务发展过程中的三个阶段.

    Cable-modem:
    Cable-Modem(线缆调制解调器)是近两年开始试用的一种超高速Modem,它利用现成的有线电视(CATV)网进行数据传输,已是比较成熟的一种技术.Cable-Modem与以往的Modem传输机理相同,它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的.Cable Modem连接方式可分为两种:即对称速率型和非对称速率型.

     

    光纤接入:
    光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种,它的特点是传输容量大,传输质量好,损耗小,中继距离长等.光纤宽带就是把要传送的数据由电信号转换为光信号进行通讯,在光纤的两端分别都装有"光猫"进行信号转换.现在的小区宽带一般都是光纤+以太网,光纤一般到小区或到楼,我们通常说的网通,长宽,联通都是指的这个,电信的FTTB(光纤到楼)+LAN也是这类. 

     

     

    无线接入:
    无线接入技术(Wireless Access Technology)也称无线本地环路(Wireless Local Loop),主要功能是以无线技术(大部分是移动通信技术)为传输媒介向用户提供固定的或移动的终端用户.无线用户环路的宗旨和目标是提供与有线接入网相同的业务种类和更广泛的服务范围,无线用户环路由于具有应用灵活,安装快捷等特点,目前已也是接入技术中热门的话题.IEEE802.11和蓝牙技术是针对小的或者更小(微)的无线网络而发展的技术.

     

     

     

    面向企业的一般有FTTB+LAN的接入(中小企业)和DDN(Digital Data Network)的接入(集团大企业).

     

    我们现在常说的"三网融合"中的三网指的就是电信网,计算机网和有线电视网.在现阶段,融合并不是三网物理上的合并,而是指高层业务应用的融合,表现为网络层互联互通.其实我们现在已经实现了一部分"三网融合"的功能了,如上面介绍的网络接入其实是其"上网"高层业务的融合.未来,我们通过任何一条线接入,按需要选择网络和终端,我们都可以打电话,看电视,上网.

     

    到这,我们再介绍一种网络接入技术:电力线通信(Power Line Communication)技术,它是采用电力线传送数据和话音信号的一种通信方式.该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上,用电线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,传送到终端设备.毫无疑问,这种技术也有着诱人的前景和广阔的市场.在美国,英国,德国等也进入了实用阶段.这其实跟现在热炒的"智能电网"说的类似,于是,有人说该"四网融合"也是很有道理的.

     

    我们现在经常用到的其实还是ADSL和FTTB+LAN网络接入技术,。


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      MODEM:采用调制解调技术,直接将计算机中的数字信号转换成可以在电话线上传输的模拟信号,使用时会占用电话信号的频段,带宽很小 
    速度:56K
    
     ISDN(Integrated Services Digital Network的缩写),只是在原有线路上增加了控制信道,和数据信道分开传输,可以在两条数据信道中同时传输计算机数据信号和
    电话线的语音信号,使得上网时候不再占用电话线,但是中国的ISDN采用的是2D1B的日本标准,比欧洲的23D1B带宽要小很多,也就是只有2个数据信道一个控制信道,
    欧洲标准有23个数据信道,一个数据信道的带宽是64K,所以ISDN的带宽在中国也是很小的.速度:64KB/s-128KB/s
    
    ADSL:Asymmetric Digital Subscriber Line)学名叫作非对称数字用户线路,ADSL是DSL(Digital Subscriber Line 数字用户线路)的一个分支,有效传输距离是3-5公里,
    在这一条线上你可以同时传送语音信号和数字信号,速度:上行速率是640Kbps到1Mbps,下行速率是1M到8M。
    
     HFC:(Hybrid Fiber-Coaxial),是光纤和同轴电缆相结合的混合网络。HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成,HFC的主要特点是:
    传输容量大,易实现双向传输,从理论上讲,一对光纤可同时传送150万路电话或2000套电视节目;频率特性好,在有线电视传输带宽内无需均衡;传输损耗小,
    可延长有线电视的传输距离,25公里内无需中继放大;光纤间不会有串音现象,不怕电磁干扰,能确保信号的传输质量.
    
     FTTX: FTTx技术主要用于接入网络光纤化,范围从区域电信机房的局端设备到用户终端设备,局端设备为光线路终端(Optical Line Terminal; OLT)、
    用户端设备为光网络单元(Optical Network Unit; ONU)或光网络终端(Optical Network Terminal; ONT)。根据光纤到用户的距离来分类,如图1所示,
    可分成光纤到交换箱(Fiber To The Cabinet; FTTCab)、光纤到路边(Fiber To The Curb; FTTC)、光纤到大楼(Fiber To The Building; FTTB)及光纤到户
    (Fiber To The Home; FTTH)等4种服务形态。美国运营商Verizon将FTTB及FTTH合称光纤到驻地(Fiber To The Premise; FTTP)。
    上述服务可统称FTTx

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  • 网络接入技术

    千次阅读 2010-05-25 13:11:00
    计算机网络可以分成两大块:...先说下我们个人经历过的网络接入技术的变迁:PSTN拨号>ISDN拨号>ADSL>Cable-modem>光纤入户>无线接入.PSTN拨号:PSTN(Published Switched Telephone Network,公用电话交换网)技术是利用PST

    计算机网络可以分成两大块:骨干网和接入网.接入网即是终端用户和骨干网络之间的连接部分.随着骨干网速度的快速提升,接入技术也有了不断的发展.

    先说下我们个人经历过的网络接入技术的变迁:PSTN拨号>ISDN拨号>ADSL>Cable-modem>光纤入户>无线接入.

    PSTN拨号:
    PSTN(Published Switched Telephone Network,公用电话交换网)技术是利用PSTN通过调制解调器拨号实现用户接入的方式.目前最高的速率为56kbps,已经达到仙农定理确定的信道容量极限.用户不用申请即可开户,只要家里有电脑,把电话线接入Modem就可以直接上网.

    ISDN拨号:
    ISDN(Integrated Service Digital Network,综合业务数字网)接入技术俗称"一线通",它采用数字传输和数字交换技术,将电话,传真,数据,图像等多种业务综合在一个统一的数字网络中进行传输和处理.用户采用ISDN拨号方式接入需要申请开户.用户使用ISDN也需要专用的终端设备,主要由网络终端NT1和ISDN适配器组成.网络终端NT1好像有线电视上的用户接入盒一样必不可少,它为ISDN适配器提供接口和接入方式.ISDN适配器和Modem一样可分为内置和外置两类.

    ADSL:
    ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line,非对称数字用户环路)是一种能够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术.ADSL素有"网络快车"之美誉,因其下行速率高,频带宽,性能优,安装方便等特点而深受广大用户喜爱,成为继Modem,ISDN之后的又一种全新的高效接入方式.ADSL需要申请开户,需要配上专用的Modem.

    以上三种方式代表了中国电信互联网接入业务发展过程中的三个阶段.


    Cable-modem:
    Cable-Modem(线缆调制解调器)是近两年开始试用的一种超高速Modem,它利用现成的有线电视(CATV)网进行数据传输,已是比较成熟的一种技术.Cable-Modem与以往的Modem传输机理相同,它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的.Cable Modem连接方式可分为两种:即对称速率型和非对称速率型.

    光纤接入:
    光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种,它的特点是传输容量大,传输质量好,损耗小,中继距离长等.光纤宽带就是把要传送的数据由电信号转换为光信号进行通讯,在光纤的两端分别都装有"光猫"进行信号转换.现在的小区宽带一般都是光纤+以太网,光纤一般到小区或到楼,我们通常说的网通,长宽,联通都是指的这个,电信的FTTB(光纤到楼)+LAN也是这类. 

    无线接入:
    无线接入技术(Wireless Access Technology)也称无线本地环路(Wireless Local Loop),主要功能是以无线技术(大部分是移动通信技术)为传输媒介向用户提供固定的或移动的终端用户.无线用户环路的宗旨和目标是提供与有线接入网相同的业务种类和更广泛的服务范围,无线用户环路由于具有应用灵活,安装快捷等特点,目前已也是接入技术中热门的话题.IEEE802.11和蓝牙技术是针对小的或者更小(微)的无线网络而发展的技术.

     

    面向企业的一般有FTTB+LAN的接入(中小企业)和DDN(Digital Data Network)的接入(集团大企业).

     

    我们现在常说的"三网融合"中的三网指的就是电信网,计算机网和有线电视网.在现阶段,融合并不是三网物理上的合并,而是指高层业务应用的融合,表现为网络层互联互通.其实我们现在已经实现了一部分"三网融合"的功能了,如上面介绍的网络接入其实是其"上网"高层业务的融合.未来,我们通过任何一条线接入,按需要选择网络和终端,我们都可以打电话,看电视,上网.

     

    到这,我们再介绍一种网络接入技术:电力线通信(Power Line Communication)技术,它是采用电力线传送数据和话音信号的一种通信方式.该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上,用电线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,传送到终端设备.毫无疑问,这种技术也有着诱人的前景和广阔的市场.在美国,英国,德国等也进入了实用阶段.这其实跟现在热炒的"智能电网"说的类似,于是,有人说该"四网融合"也是很有道理的.

     

    我们现在经常用到的其实还是ADSL和FTTB+LAN网络接入技术,这也是以后还会重点说到的.

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  • 第四讲 移动互联网接入技术

    千次阅读 2018-11-06 12:30:00
    综述 ...是计算机网络与无线通信技术相结合的产物,它以无线多址信道作为传输媒介,提供传统有线局域网的功能,能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。 无线局域网常用的实现技术有:...

    综述

    无线通信技术

    数据无线网络分类

     第一部分、无线局域网WLAN

      一、无线局域网的基本概念

      1.什么是WALN

    • WLAN(无线局域网)是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物,它以无线多址信道作为传输媒介,提供传统有线局域网的功能,能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。
    • 无线局域网常用的实现技术有:IEEE的802.11系列协议族、家用射频工作组提出的HomeRF、Bluetooth(蓝牙)以及欧洲的HiperLAN2协议等。以IEEE 802.11协议为基础的无线局域网在标准之争中脱颖而出,成为目前事实上的占主导地位的无线局域网标准。
    • 我们常说的WLAN指的就是符合802.11系列协议的无线局域网技术

      2.无线局域网中用户的关注点

      

      (1)速度

    • 用户的困惑或者需求
      • “产品速度怎么样?能带多少用户?”
    • 应对或者满足需求的方法
      • 一般来说,单路的AP支持802.11g协议的带机数是30~50人。具体数量视环境而定,视频、BT等应用情况下带机数较低,普通上网应用可以满足最多的带机数。实际10-20
      • 采用两套独立硬件架构,相当于2台AP的性能,这样在投资不变的前提下,可以提高至2倍的物理带宽和带机数。

      (2)距离

    • 用户的困惑或者需求
      •  “你这个产品能传多远的距离?”
    • 应对或者满足需求的方法
      • AP的覆盖(100~300米)、网桥传输距离(5~10公里)、穿墙能力(1~4堵墙),具体视环境而定,一般是由设备自身发射功率、灵敏度、天线增益决定的。
    • 技术
      • 标准规定下最高的发射功率17~20dBm
      • 接收灵敏度可扩展至-101dBm
      • 多款高增益天线可供选择

       (3)漫游

    • 用户的需求,有两种情况
      • 你们的设备支持漫游吗?
      • 能不能实现端着笔记本在校园里走,上网不掉线?
    • 应对或者满足需求的方法
      • 产品应支持漫游,能满足上网浏览等移动应用的需要。
    • 技术
      • 802.11ac wave2

       (4)认证融合

    • 用户的困惑或者需求
      • 全校原有的有线网络已经存在完善的认证与计费系统,新建成的无线网络能否与有线网络实现认证与计费的统一,如何保证用户认证方式不变?
    • 应对或者满足需求的方法
      • 若用户已经部署过相应设备或系统,再部署WLAN设备的时候,无需改动任何的有线网络架构,可以随时扩展AP来增加无线用户,并通过AP上面的交换机继续完成全网无线的802.1X认证,整体网络认证统一,用户不论在有线网内还是移动到无线网内,都可以做到同一套用户端软件,同一套用户名认证。

       (5)无线电的辐射与干扰

    • 用户的困惑或者需求:
      • 无线局域网接入点是无线电发射设备,会不会辐射很大,对附近的人身体造成辐射危害?
      • (医疗行业)我们如果在住院大楼或门诊楼部署了无线设备之后,会不会对我们的一些医疗仪器尤其是心脏起搏器造成干扰,导致其工作异常而带来医疗事故?
    • 应对或者满足需求的方法
      • AP产品的发射功率一般只有50mW~200mW,远小于手机的发射功率(200mW-2W)而手机的功率级别已经是国家批准并已经证实不会对人体产生影响。
      • AP的发射功率不会对医疗设备产生影响
    • 技术
      • 功率调整技术

       (6)安全

    •  用户的困惑或需求
      • 安全是无线最重要的问题,无线可能会被截获,有没有办法防止被人截获而攻击我的网络?
    • 应对或者满足需求的方法
      • 由于SSID是无线网络最基本的安全手段,但SSID一般都是在空中明文广播,很容易被截获,导致网络被攻击!
      • 不让AP广播其SSID,只有合法用户输入规定正确的SSID,才能够与AP连接,这样,就可以防止任何的非法用户或者好奇者能够通过截获SSID而进入网络接入层。
    • 技术
      • SSID广播禁止

       (7)多信道干扰

    • 用户的困惑或者需求:
      • 校园网里如果部署了很多AP,会不会互相干扰,导致工作不正常?
    • 应对或者满足需求的方法
      • 如果同一区域AP多了而又不加控制,的确会有影响。在实现无线覆盖时采用2.4GHz频段(不论是使用802.11b还是802.11g),同一区域只有3个互不干扰的子信道,如果不加以很灵活的信道调整,很容易出现干扰(同频干扰或近频干扰)。
      • DCA(动态信道自动调整技术),可以让AP自动探测所在的环境中的信道使用情况,自动找到一个完全或者相对不干扰的信道来工作,大大减少了网络的信道干扰和不稳定,同时可以提供给用户更稳定的带宽。
    • 技术
      • DCA(动态信道自动调整技术)

       3.无线局域网的两种配置实现方案

    • 独立型网络模式(independent BSS)
    • 基础结构型网络模式
      • 基础结构型BSS (infrastructure BSS)
      • 扩展服务集合ESS(Extended Service Set)

       (1)独立性网络模式BSS

         

      (2)基础结构型

      

      (3)拓展服务集合

      

      4.胖AP设备

       胖 AP将WLAN的物理层,用户数据加密、认证、漫游、网络管理等功能集于一身。

       

      (1)胖AP应用

      

      (2)胖AP的局限性

    • 利用胖AP组建大、中型无线网络时,配置工作量大
    • 对网络中的胖AP进行软件升级时,需要手工逐台进行升级,维护工作量大
    • 胖AP上保存着设备配置信息,当设备失窃时造成配置信息泄漏
    • 胖AP难于实现自动无线盲区修补、流氓AP检测等功能

       胖AP适用于小型无线网络部署,不适用于大规模网络部署。

       5.WLAN产品构架的演进

         

      6.胖/瘦AP的比较

       

      二、IEEE 802.11物理层

       1.无线频段的分布

    •  ISM:工业、科学和医疗频段,无需许可证,只需要遵守一定的发射功率,并且不对其它频段造成干扰即可
    • 在美国分为为工业(902-928MHz),科学研究(2.42-2.4835GHz)和医疗(5.725-5.850GHz)三个频段。2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线网络,均可工作在2.4GHz频段
    • 中国的ISM频段有433.05-434.79、2400-2483.5、5725-5850 

       

      2.IEEE 802.11 协议栈

       

    • MAC层分为MAC子层和MAC管理子层
    • 物理层分为三个子层:PLCP(物理层会聚协议)、PMD协议(物理介质相关协议)和物理层管理子层
    • 还定义了一个站管理子层,它的主要任务是协调物理层和MAC层之间的交互

       

      3.802.11n WLAN接入技术

       

      4.WLAN其他重要协议

    • 802.11e:在现有的无线网络中加入服务品质(QoS)特性和多媒体支持。
    • 802.11f:在现有的无线网络中实现不同AP之间漫游的标准。
    • 802.11i:指定 802.11 网络安全机制的 IEEE 标准。802.11i 使用高级加密标准 (AES) 分组密码。 该标准还增强了密钥管理、基于 802.1X 的用户身份验证和头数据完整性。
    • 802.3af:定义了以太网供电(PoE)的实现标准。虽然不是属于无线标准,但在无线中,也是被常常提到的。
    • WAPI:由我国多家公司主导定制的网络安全协议。采用了更先进的ECC算法,在加密算法和系统架构上都比802.11i更先进。

       5.WLAN技术发展演进

    •  更高带宽:802.11a/g速率达到54Mbps,802.11n可达600Mbps(采用MIMO技术)
    • 更广覆盖范围:从802.11a/g的100m到802.11n的500~1000m
    • 更强的障碍物穿透能力:可以使用于多堵墙壁的商务住宅、复杂房间结构的写字楼等环境中

       

      6.2.4GHz 中国信道划分

       

      7.5.8GHz 中国信道划分

    • 公众无线局域网设备可以工作在5.8GHz频段,频率范围为5725 ~ 5850MHz
    • 5.8GHz 频段可用带宽为125MHz,划分为5个信道,每个信道带宽为20MHz

       

      8.物理层实现

    •  定义在2.4Ghz和5.8GHz的ISM频段内,使用FHSS(跳频)和DSSS(扩频)技术。
    • FHSS技术在2.4GHz频段上划分为75个1MHz的子频道,接受方和发送方协商一个调频的模式,数据按照这个序列在各个子频道上进行传送。
    • DSSS技术将2.4GHz频段划分为14个22MHz的信道,临近的信道相互重叠,在14个信道内只有3个信道不互相覆盖。
    • DSSS在每个22MHz信道中传输的数据都被转化成一个带冗余校验的chip数据,它和真实的数据一起进行传输用来提供错误校验和纠错。

       三、IEEE 802.11 MAC子层协议

    • 在MAC层,为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送,防止各站点无序地争用信道,无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测 )相类似的CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突防止)协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来,保证某一时刻只有一个站点发送,实现了网络系统的集中控制
    • 在无线局域网的环境下,MAC协议必须解决两个问题
      • 不能避免隐藏站的问题
      • 存在暴露站问题

      1.IEEE 802.11 MAC实现

    • 数据链路层包括LLC和MAC。
    • IEEE 802.11采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,带冲突避免的载波侦听多路访问)。
    • CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生,即只有当客户端收到返回的ACK信号后,才能确认送出的信号已经正确到达。

      2.CSMA/CA的工作流程

    • 工作站希望在WLAN中传送数据,如果没有探测到网络正在传送数据,则再随机选择一个时间延迟后继续探测,如果WLAN中仍然没有活动的话,就将数据发送出去
    • 接收端的工作站如能收到发送端送出的完整的数据则返回一个ACK数据报,如果这个ACK数据报被接收端收到,则数据发送过程完成。如果该过程没有完成,则发送端等待一个时间后继续重传。
    • 解决了“隐藏终端”问题。

      3.802.11协议结构

      

      (1)点协调功能:PCF

    • PCF用接入点AP 集中控制整个BSS内的活动
    • PCF使用集中控制的接入算法,用类似于探寻的方法把发送数据权轮流交给各个子站,从而避免了碰撞的产生
      • 例如时间敏感的业务(如分组话音)就应该使用无竞争服务的PCF
      • 对某些无线局域网,PCF可以没有

      (2)MAC访问机制:DCF方式

    •  DCF (Distributed Coordination Function)不采用任何中心控制,在每一个节点使用CSMA机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权
    • IEEE 802.11协议规定,所有的实现都必须有DCF功能
    • DCF (Distributed Coordination Function)方式基于CSMA/CA原理,协议中使用物理信道的监听手段与虚拟信道的监听手段

       

      4.物理信道监听与虚拟信道监听

    •  物理信道的监听
      • 站点发送数据帧的前提之一是信道空闲,需要先检测信道(进行载波监听)
      • 在数据帧传送过程中并不监听信道,而是直接送出整个帧
    • 虚拟信道的监听
      • 源站把要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需要的时间)写入到所发送的数据帧的头部“持续时间”字段中,以便使其它所有站在这一段时间都不要发送数据
      • 当站点检测到正在信道中传送的帧中“持续时间”字段时,就调整自己的网络分配向量NAV,NAV指出了信道处于忙状态的持续时间
    • 信道处于忙状态表示:或者由于物理层的载波监听检测到信道忙,或者是由于MAC层的虚拟信道监听指出了信道忙

       (1)虚拟信道监听方法

    • 交互过程中,假设C处于A的无线范围内,但不在B的无线范围内,C收到A发送的RTS就调整自己的网络分配向量NAV,使自己保持安静
    • 假设D收不到A,但收到B发送的CTS,D也调整NAV
    • A发送数据帧之前向发送一个控制帧(请求发送RTS:Request To Send),包括源地址、目的地址和这次通信(包括相应的确认帧)所需要的持续时间
    • 若信道空闲,目的站B响应一个控制帧(允许发送CTS:Clear To Send),也包括这次通信所需要的持续时间
    • A收到CTS后发送数据帧,目的站收到后用确认帧ACK应答,结束协议交互

       

      5.802.11报文分类

    • 数据帧
      • 用户的数据报文
    • 控制帧
      • 协助发送数据帧的控制报文,例如: RTS、CTS,ACK报文
    • 管理帧
      • 负责STA和AP之间的能力级的交互,认证、关联等管理工作

      (1)帧之间的传输关系

       

      (2)退避机制

    • 为了尽量减少冲突,CSMA/CA采用了一种退避机制,当一个站要发送数据帧时,在以下几种情况下必须进行退避:
      • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙状态
      • 每一次的重传
      • 每一次成功发送后再要发送下一帧
    • 只有检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧时才不退避

       (3)帧间间隔

    •  所有站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。
    • 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权。
    • 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。
    •  三种帧间间隔
      • SIFS(短帧间间隔)
      • PIFS(点协调控制帧间间隔),比SIFS长
      • DIFS(分布协调功能帧间间隔),是最长的IFS  

         

      ①帧间间隔SIFS

      

      ②帧间间隔PIFS

      

      ③帧间间隔DIFS

       

      6.CSMA/CA

       

      7.基于RTS / CTS机制的典型报文发送过程

       

      四、IEEE 802.11 帧结构

       

      1.帧控制信息

    •  Version:表示IEEE 802.11的标准版本
    • Type:帧类型,如管理、控制和数据帧
    • SubType:帧子类型,如RTS、CTS、ACK等
    • To DS:当帧发送给Distribution System(DS),置为1
    • From DS:当帧来自于DS时,置为1
    • MF:More Fregment,表示当有更多分段属于相同帧时置为1
    • Retry:表示该分段是先前传输分段的重发帧
    • Pwr:电源管理模式
    • More:表示发送方有很多帧缓存在站中,需要发送
    • W:WEP,主体帧加密类型
    • O:利用严格顺序服务类处理发送帧的顺序

       2.帧的其他字段

    •  Duration:用于网络分配向量(NAV)计算
    • Address Fields(1-4):包括四个地址(其中前三个用于源地址、目标地址、发送方地址和接收方地址,地址4用于自组网络),取决于帧控制字段(To DS和From DS位)
    • Sequence Control:由分段号和序列号组成,用于表示同一帧中不同分段的顺序,并用于识别数据包副本
    • Data:发送或接收的信息
    • CRC:包括32位的循环冗余校验(CRC)

       管理帧的格式与数据帧的格式非常类似

      管理帧少一个基站地址,因此管理帧被严格限制在一个BSS中

      控制帧较短,只有一个或两个地址,没有Data域,也没有Sequence域,对于控制帧,关键信息在SubType域中

      五、IEEE 802.11 服务

      1. IEEE 802.11的服务

    • 标准无线LAN必须提供9种服务,分为两类
    • 5种分发服务:涉及到对BSS的成员关系的管理,并且会影响到BSS之外的站。分发服务由基站提供
      • 处理站的移动性
      • 当移动站进入BSS时,通过这些服务与基站关联起来
      • 当移动站离开BSS时,通过这些服务与基站断开联系
    • 4种站服务:只与一个BSS内部的活动有关系,在BSS内部进行,在关联过程完成之后这些服务才能用到

      2.分发服务1——关联服务

      关联(Association):移动站利用该服务连接到基站上。典型情况下,当一个移动站进入到一个基站的无线电距离范围之内时,该服务被用到

      关联阶段分为两个步骤:

      • 移动站向AP发送关联请求
      • AP 向移动站返回关联响应

      

      3.分发服务2——分离服务

      分离(Disassociation):不管是移动站还是基站,都可能会解除关联关系,一个站在离开或关闭之前,先使用该服务;基站在停下来进行维护之前也用到该服务

      4.分发服务3——重新关联服务

      重新关联(Resassociation):利用该服务,一个站可以改变它的首选基站,该服务支持移动站从一个BSS移动到另一个BSS, 移动站从一个AP移动到另一个AP时,需要重新进行认证和关联

         

      5.分发服务4——分发(Distribution):决定了如何路由那些发送给基站的帧。如果帧的目标对于基站来说是本地的,则该帧将直接发送到空中,否则的话,它们必须通过DS转发

      6.分发服务5——融合(Integration):如果一个帧需要通过一个非IEEE 802.11的网络来发送,并且该网络使用了不同的编址方案或者不同的帧格式,则通过这项服务可以将IEEE 802.11格式的帧翻译成目标网络所要求的帧格式

       7.站服务1——认证服务

      认证(Authentication):任何一个移动站必须首先证明自己的身份之后才允许发送数据。典型情况下,当基站接受了一个移动站的关联请求后,基站将发送一个特殊的质询帧以确定该移动站是否知道原先分配给它的密钥(口令);移动站加密质询帧送回给基站,如果结果正确,移动站就被完全接纳。

      

      8.其他站服务

    •  解除认证(Deauthentication):如果一个原先已经认证的移动站要离开网络,需要解除认证。
    • 私密性(Privacy):如果在无线LAN上发送的信息需要保密的话,必须要被加密,该服务管理加密和解密
    • 数据投递(Data delivery):用于传送和接收数据,IEEE 802.11的传输过程不保证可靠性,因此上面的层必须处理检错和纠错工作

       9.无线接入过程的三个阶段

       STA(工作站)启动初始化、开始正式使用AP传送数据帧前,要经过三个阶段才能够接入:

    • 1)      扫描阶段(SCAN)
    • 2)      认证阶段 (Authentication)
    • 3)      关联(Association)

       (1)扫描阶段(SCAN)

        若无线站点设成Infrastructure模式(通过接入点通信),802.11 MAC 使用Scanning来搜索AP, 有两种方式

      • 主动扫描方式 (特点:能迅速找到):STA依次在11个信道发出Probe Request帧,寻找与STA有相同SSID的AP,若找不到相同SSID的AP,则一直扫描下去
      • 被动扫描方式(特点:找到时间较长,但STA节电):STA被动等待AP每隔一段时间定时送出的Beacon信标帧,该帧提供AP及所在BSS相关信息:“我在这里”

       (2)认证阶段 (Authentication)

        当STA找到与其有相同SSID的AP,在SSID匹配的AP中,根据收到的AP信号强度,选择一个信号最强的AP,然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。AP一般提供如下认证方法:

      • 开放系统身份认证(open-system authentication)
      • 共享密钥认证(shared-key authentication)
      • WPA PSK认证( Pre-shared key)
      • 802.1X EAP认证

       (3)关联(Association)

         当AP向STA返回认证响应信息,身份认证获得通过后,进入关联阶段。

      • STA向AP发送关联请求
      • AP 向STA返回关联响应

        至此,接入过程才完成,STA初始化完毕,可以开始向AP传送数据帧。

       10.用户接入管理

        802.11MAC层负责客户端与AP之间的通信,功能包括扫描、接入、认证、加密、漫游和同步等功能

         

     第二部分、无线个域网WPAN

    一、无线个域网的基本概念及分类

      1.基本概念

      

    • WPAN是为了实现活动半径小(如几米)、业务类型丰富、面向特定群体的连接而提出的新型无线网络技术
    • WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围更小的无线网络

      

      2.特点

    • ①高数据速率并行链路:>100Mbps
    • ②邻近终端之间的短距离连接:典型为1~10m 
    • ③标准无线或电缆桥路与外部因特网或广域网的连接
    • ④典型的对等式拓扑结构
    • ⑤中等用户密度

      3.分类

      

      4.低速WPAN

    • 低速WPAN主要为近距离网络互连而设计,采用IEEE 802.15.4标准
    • 其结构简单、数据率低、通信距离近、功耗低、成本低,被广泛用于工业监测、办公和家庭自动化及农作物监测等
    • IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE 802.15工作组。

      5.高速WPAN

    • 高速WPAN适合大量多媒体文件、短时的视频和音频流的传输,能实现各种电子设备间的多媒体通信。
    • 超宽带WPAN的目标包括支持IP语音、高清电视、家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高速传输,具备近距离的高速率、较远距离的低速率、低功耗、共享环境下的高容量、高可扩展性等。

    二、蓝牙技术与IEEE 802.15.1标准

      1.蓝牙技术

     

    • 蓝牙技术是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。能在手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑及相关外设等众多设备之间进行无线信息交换,其工作于2.4GHz ISM频段,数据速率为1Mbps,采用时分双工(TDD)传输方案
    • 1998年5月,爱立信、IBM、因特尔、诺基亚和东芝联合宣布了“蓝牙”计划,使不同厂家的便携式设备利用无线技术在近距离范围内相互操作;1999年7月,蓝牙SIG推出了蓝牙协议1.0版
    • 源于蓝牙V1.1版的IEEE 802.15.1标准于2002年4月获批为正式标准,与蓝牙V1.1完全兼容。该标准是用于WPAN的无线媒体接入控制层和物理层规范

     

      2.蓝牙技术组网方式1

      

      3.蓝牙技术组网方式2

      

      4.蓝牙系统组成

      

      5.物理层的主要特性

    • 蓝牙是一个低功率的系统,工作在2.4GHz的ISM频段,频段被分成79个信道,每个1MHz,覆盖半径为10m
    • 采用GFSK调制
    • 使用跳频扩频技术,每秒1600跳,在一个微微网中所有节点同步调频,主节点规定调频的序列
    • 支持64Kb/s实时语音,具有一定的组网能力
    • 2004年蓝牙工作组推出2.0版本,带宽提高3倍,功耗降低一半

      6.蓝牙的协议栈

      

      7.MAC层的主要特性

    • 微微网采用调频分时机制,采用TDM系统,主/从模式
    • 微微网支持两种逻辑信道  
      • 面向连接的同步信道,用于实时数据
      • 无连接的异步信道,用于无时间规律的分组交换数据,采用确认重传机制
    • 协议与接口
      • 链路管理协议(LMP)负责物理链路的建立与管理
      • 逻辑链路控制及适配协议(L2CAP)负责对高层协议的复用、数据报分割和重新组装,处理与服务质量有关的需求
      • 规定了一个标准化的控制接口(HCI)

    三、UWB技术

      1.UWB技术

    • UWB(Ultra Wide Band:超宽带):起源于20世纪60年代对微波网络冲击响应研究,是一种使用1GHz以上带宽的无线通信技术,又称为脉冲无线电(IR)技术,UWB不需要载波,而是用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据,需占用很宽的频谱范围,有效传输距离在10m以内,传输速率可达几百Mbps甚至更高。
    • UWB是一种基于IEEE 802.15.3的超高速、短距离无线接入技术,具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、消耗电能低、保密性好等优势。
    • 通常把相对带宽(信号带宽与中心频率之比)大于25%,而且中心频率大于500MHz的宽带称为超宽带(注意:窄带<1%,宽带1%-25%,超宽带>25%)。

      2.UWB的技术标准

      UWB采用基带传输而不是载波传输,脉冲信号的时域极窄(纳秒级),频域极宽(数Hz到数GHz,可超过10GHz),其中低频部分可以实现穿墙通信

    • UWB技术主要有两种相互竞争的标准
    • MBOA标准,主张采用多频带方式来实现UWB技术
    • DS-UWB标准,主张采用单频方式实现UWB技术

      3.UWB的特点

    • UWB技术使用了瞬间高速脉冲,因此信号的频带就很宽,可支持100-400Mb/s的数据率,可用于小范围内高速传送图像或DVD质量的多媒体视频文件
    • UWB只在需要传输数据时才发送脉冲,信号的功率谱密度极低,发射系统比现有的传统无线电技术功耗低得多,民用UWB设备功率是传统移动电话功率的1/100,是蓝牙设备功率的1/20,因此UWB设备在电池寿命和电磁辐射上具有一定优越性
    • 由于UWB脉冲非常短、频段非常宽,能避免多路传输的信号干扰问题,与其它无线通信技术间产生干扰的可能性大幅度降低,可与其它技术共存
    • UWB信号用传统的接收机无法接收和识别,必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能解调,增加了系统的安全性

    四、Zigbee技术与IEEE 802.15.4标准

        1.IEEE 802.15.4

    • IEEE 802.15.4标准主要针对低速无线个域网制定,该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为目标。Zigbee标准是在IEEE 802.15.4标准基础上发展而来的,IEEE 802.15.4定义了Zigbee协议栈的最低两层(物理层和MAC层),而网络层和应用层则有Zigbee联盟定义。
    • Zigbee技术主要用于各种电子设备(固定的、便携的或移动的)之间的无线通信,其主要特点是通信距离短(10-100m),传输数据速率低、功耗低并且成本低廉。

      2.Zigbee的协议栈

      

      3.Zigbee的组网方式

      

      4.Zigbee的网络结构

      

    • FFD节点具备控制器功能,能够提供数据交换,是Zigbee网络中的路由器
    • RFD节点只能与处在该星型网的中心的FFD节点交换数据,是Zigbee网络中数量最多的端设备
    • 星型网络中有一个FFD充当该网络的协调器,协调器负责维护整个星型网络的节点信息,同时还可与其它星型网络的协调器交换数据,通过各网络协调器的相互通信,可以得到覆盖更大范围,多达65000个节点的Zigbee簇型网络

      5.Zigbee物理层的主要特性

      

      6.Zigbee MAC层的主要特性

      

      7.Zigbee的技术优点

    • 省电(功耗低)  两节5号电池可用6个月至2年时间
    • 可靠  采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能,信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输,从而保证了信息传输的可靠性
    • 延迟短  针对延迟敏感应用做了优化,通信延迟和从休眠状态激活的延迟都非常短
    • 网络容量大  可支持65000个节点
    • 安全和高保密性  提供数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用通用的AES-128

      8.Zigbee的应用场合

    • 需要数据采集和监控的网点多
    • 要求传输的数据量不大,要求设备成本低
    • 要求数据传输可靠性高、安全性高
    • 设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块
    • 电池供电
    • 地形复杂、监测点多、需要较大的网络覆盖
    • 现有移动网络的覆盖盲区
    • 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统
    • 使用GPS效果差或成本太高的局部区域移动目标的定位应用

      9.Zigbee的应用领域

      

      10.WPAN相关技术比较

       

    第三部分、无线城域网WMAN

    一、无线城域网的基本概念

    • 无线城域网可提供“最后一英里”的宽带无线接入(固定的、移动的和便携的),在许多情况下,无线城域网可替代现有的有线宽带接入,可称为无线本地环路
    • 无线城域网共有两个正式标准
      • 2004年6月通过的IEEE 802.16修订版,即IEEE 802.16d,是固定宽带无线接入空中接口标准(2-66HGz频段)
      • 2005年12月通过的IEEE 802.16增强版本,即IEEE 802.16e,是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准(2-6GHz频段),向下兼容802.16d

      1.WMAN的标准

      

      2.IEEE 802.16网络结构

      

      3.IEEE 802.16系统框图

      

     

    二、WiMAX

      1.WiMAX的定义

    • WiMAX(Worldwide Interoperability forMicrowave Access),即全球微波互联接入,是2001年4月成立的旨在推动IEEE 802.16技术的论坛,目前常用WiMAX表示无线城域网WMAN
    • WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术,能提供面向互联网的高速连接,数据传输距离最远可达50km
    • WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。 WiMAX的技术起点较高,采用了代表未来通信技术发展方向OFDM/OFDMA、MIMO等先进技术,随着技术标准的发展, WiMAX逐步实现宽带业务的移动化,而3G/4G/5G则实现移动业务的宽带化,两种网络的融合程度会越来越高。

      2.WiMAX的协议栈

    • 在IEEE 802.16活动中,主要的工作都围绕空中接口展开
    • 在IEEE 802.16e的网络由用户站(SS)、基站(BS)、认证和业务授权服务器(ASA)组成,ASA服务器实际上是AAA服务器,提供认证、授权和计费等功能
    • IEEE 802.16e中定义了U、IB和A接口,空中接口是指BS和SS之间的接口,IEEE 802.16标准仅规范数据控制平面

      

    三、IEEE 802.16物理层

      1.IEEE 802.16 物理层

      

      2.IEEE 802.16 物理层特性

    • 802.16d OFDM物理层采用256个子载波,OFDMA物理层采用2048个子载波,信号带宽从1.25~20MHz可变。802.16e对OFDMA进行了扩展,可以支持2048点、1024点、512点和128点,以适应不同地理区域从20MHz到1.25MHz的信道带宽差异。采用256点OFDM或2048点OFDMA时, 802.16e先后兼容802.16d,其它情况无法先后兼容。
    • 在多址方式方面,802.16d在上行采用TDMA(时分多址),下行采用TDM(时分复用)支持多用户传输。另一种多址方式是OFDMA,以2048个子载波的情况为例,系统将所有可用的子载波分为32个子信道,每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现,只是跳频的频域单位为一个子信道,时域单位为2或3个符号周期。
    • 需要大段毫米波频谱,工作在10-66GHz频段的毫米波进行直线传播,对建筑物或树这样的障碍物无穿透能力,要求基站和用户站是视距(LOS)链路,限制了基站的覆盖范围。
    • 信号强度随距离增加急剧衰减,信噪比随距离增加而下降,因此采用三种不同的单载波调制方案:对于距离较近的用户采用QAM-64(64相正交幅度调制);中等距离的用户采用QAM-16,距离较远的用户使用QPSK(正交相移键控)。
    • 为了更好使用带宽,IEEE 802.16可支持TDD和FDD两种无线双工方式,TDD实际是对每一帧的时分多路复用,把时隙动态分配给上行和下行流量,中间的防护时间用来切换方向。
    • 采用前向纠错技术,在物理层进行错误纠正。

    四、IEEE 802.16MAC层

     1.IEEE 802.16 MAC层各子层的功能

    • CS子层是MAC层与更高层的接口,汇聚上层不同业务,将收到的外部网络数据换换为MAC业务数据单元,传递到SAP。CS可实现对ATM、IP等协议数据的透明传输
    • CPS子层实现主要的MAC功能,包括系统接入、宽带分配、连接建立和维护等,接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接,同时对物理层上传输和调度的数据实施QOS控制
    • SS子层的主要功能是提供认证、秘钥交换和加解密处理,支持128位、192位及256位加密系统,并采用数字证书认证的方式,保证信息的安全传输。

    2.IEEE 802.16 MAC层介质访问机制

    • 与CSMA/CA不同,IEEE 802.16采取的方式是在物理层将时间资源进行分片,通过时间片区分上下行,帧长度固定(上下行两个部分),上下行的切换点通过MAC层的控制自适应调整,下行在先,上行在后。
    • 上行信道占用多个时隙,完成初始化、竞争、维护和业务传输等操作,占用时隙数目由BS的MAC层统一控制,并根据系统要求动态改变,下行消息通过广播发送,SS接收到消息后在MAC层提取检查消息的连接标识符(CID),判断出发给自己的消息。BS还可以单播和多播的方式向一个或一组SS发送消息
    • 兼顾灵活性和公平性,SS均有几号回发送数据,避免了长期竞争不到信道;每个SS只在属于自己的发送时段才发送数据,可以保证任何时刻,媒体上只有一个数据流传输,这种机制便于进行QOS、业务优先级及带宽等方面的控制。

    3.IEEE 802.16 MAC层链路自适应机制

    • 自动请求重传机制(ARQ),接收端正确接收后发送确认信息ACK,否则发送否认信息NACK
    • 混合自动重传请求(H-ARQ),一种将ARQ与前向纠错编码结合在一起的技术,对于无法纠正的错误,采用停等重传机制
    • 自适应调制编码(AMC),根据信道情况的变化动态调整调制方式和编码方式

    4.IEEE 802.16 MAC层QOS保证机制

    • IEEE 802.16是第一个提出在MAC层提供QOS保证的无线接入标准,为满足高速多媒体业务对延迟、带宽、丢失率等指标的更高要求,定义了一系列严格的QOS控制机制(均基于连接进行),为不同业务提供不同的质量服务
    • 可以根据业务的实际需要动态分配带宽,为了更好控制上行数据的带宽分配,标准定义了四种不同的业务,对应四种上行带宽调制模式
    • 非请求的带宽分配业务:用于恒定比特率的服务
    • 按时轮训业务:周期性分配可变长度上行带宽和位速率可变的实时服务
    • 非实时轮训业务:不定期分配可变长度上行带宽和位速率可变的非实时服务
    • 尽力而为业务:尽可能利用空中资源传送数据,但不会对高优先级的连接造成影响,尽力投递服务

     第四部分、移动自组织MANET

    一、移动自组网的基本概念

    1.移动自组织网络MANET的初衷

      

    2.什么是移动自组网

    • 移动自组网(Mobile AdHoc Network,MANET)是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络
    • MANET它不依赖于预设的基础设施临时组建
    • MANET网络的移动节点利用自身的无线收发设备交换信息,当相互之间不在通信范围内时,可以借助其它中间节点来实现通信。中间节点帮助其它节点中继时,向接收前一个节点发送的分组,然后再向下一个节点转发以实现中继,所以也称为分组无线网或多跳网
    • MANET网络中每个终端可以自由移动、地位相等
    • MANET是一个多跳、临时、无中心网络
    • 可以在任何时候、任何地点快速构建

      

    3.移动自组网发展历史

    • 源自军事领域
    • 20世纪70年代分组无线网(PRNET
    • 1983年的抗毁自适应网络(SURAN
    • 1994年的全球移动信息系统(GloMo
    • IEEE802.11首次提出“ad hoc”
    • IETF1997年成立MANET工作组
    • IRTF2003成立了ANS 研究组
      • MANET:mobile ad hoc network
      • ANS: ad hoc network scalability

    二、移动自组网的特点

    • 无固定基础设施组网,支持动态配置和动态流控、网络协议是分布的
    • 允许节点发生故障、离开网络或加入网络,具备动态搜索、定位和恢复连接能力是MANET得以实现的基本要求,设计实现十分困难,用于固网的很多通信机制都无法用于MANET
    • 拓扑结构动态变化(节点加入和退出频繁、节点本身的移动性),要求路由协议重新配置路由信息的机制反应迅速且开销小,使网络状态变化频繁和不可预测,要做到对网络状态的优化较难
    • 节点能力有限,节点依靠电池提供能量,能量决定节点的生存期,过分消耗节点能力会导致节点退出网络会使网络分割,影响网络的连通性,因此路由选择要综合考虑对能量进行优化
    • 无线链路带宽有限、容量可变,由于多接入、多径衰落、噪声和信号干扰,出现拥塞属于正常情况

    三、移动自组网的协议栈

    • 物理层:包括射频电路、调制和信道编码系统
    • 数据链路层:负责在不可靠无线链路上建立可靠和安全的逻辑链路。功能包括差错控制、安全(加解密)、将网络层的分组组帧以及分组重发,MAC子层负责在一个区域的共享无线信道的移动节点之间分配时间-频率或者编码空间
    • 网络层:负责分组的路由、建立网络服务类型以及在传输与链路层之间传输分组,还负责分组重新路由和移动管理
    • 传输层:提供有效可靠的数据传输服务
    • 操作系统/中间层:处理连接断开、适配支持以及无线设备中的功耗和服务质量管理
    • 应用层:处理固定和移动主机的任务分割、源编码、数字信号处理和移动环境下的场景适应

      

    四、移动自组网的MAC协议

    1.移动自组织网络MAC协议须解决的问题

     

    • 移动自组网没有类似于基站或是接入点(AP)的中心控制设备,因此无法使用集中控制方式
    • 移动自组网的节点移动会导致信道相互改变
    • 移动自组网是多跳网络,必须解决隐藏中端和暴露终端、资源空间重用等问题
    • 移动自组网采用两种MAC协议
      • 异步MAC协议
      • 同步MAC协议

    2.异步MAC协议

    • 异步网络中每个节点都有自己的时间标准,一般不划分时隙,即使划分等长的时隙,其时间起点也不对准。
    • 异步MAC协议可以灵活根据数据分组大小为节点申请资源,而不要受时隙大小的约束

      (1)异步MAC协议-MACA协议

        MACA协议是继CSMA/CA协议后提出的一个较为完善的自组网络接入控制协议,该协议提出的握手机制得到了广泛应用

        在MACA协议中:

      • 发送节点首先向目标节点发起RTS,若目的节点能正确收到RTS,则回复CTS,表示可以接收数据分组。
      • 节点决定是否退避不再通过载波监听结果,而是是否收到并解析了一个RTS或是CTS分组,如果解析到RTS则退避,确保CTS正常到达;如果解析到CTS也退避,但时间长于对RTS的退避,保证节点能收完数据分组;如果同时解析到RTS和CTS,则不能发送业务数据;若没解析到任何信息则发送自己的RTS并等待回复CTS,握手成功后发送数据分组,如果握手失败,则根据BEB算法进行退重发。
      • 暴露终端在避开CTS后可以使用信道,隐藏终端只要避开DATA就可以使用信道。

      (2)异步MAC协议-FAMA协议

    • FAMA协议的宗旨是保证节点在发送之前向获得信道的使用权,从而实现无冲突的数据分组传输过程。也可看做一种动态预约机制,但FAMA中的预约不要求独立控制信道,控制分组与数据分组复用同一个信道,保证数据的无冲突发送
    • FAMA控制分组发送的方式包括
      • 采用RTS-CTS交互而不采用载波监听
      • 采用RTS-CTS交互及非坚持的载波监听
    • FAMA协议簇包括以下几种协议
      • FAMA-NCS协议:非坚持的载波监听机制,发送之前载波监听,CTS帧远大于RTS帧
      • FAMA-NPS协议:非坚持的分组侦听机制,侦听到则退避,否则接入信道
      • FAMA-NTR协议:非坚持载波监听机制与MACA中的RTS-CTS分组结合方式发送请求分组
      • FAMA-PJ协议:只针对全联通网络,不采用握手信号,发送RTS后载波监听和冲突监测

      (3)异步MAC协议-DBTMA协议

    • DBTMA(双忙音监测协议)。为克服隐藏终端的影响而提出忙音多址(BTMA)和闲音多址(ITMA)协议,只适应于集中控制式网络,占用总频带的极小部分发送忙音消息,当中心控制节点监测到业务信道上出现信号载波时,就在忙音信道上向其所属节点广播忙音消息,避免争用信道。
    • 由于忙音信息受噪声、干扰和衰落的影响而未被监测,可以在忙音信道上改发闲音消息,这就是所谓的闲音多址方式。
    • DBTMA对BTMA/ITMA做了改进,形成了适合无中心网络的分布接入机制,除了数据信道和控制信道,DBTMA增加了两个窄带忙音:接收忙音BTr和发送忙音BTt,用于指示节点在信道上接收和发送报文。

        

      (4)异步MAC协议-WTRP协议

    • WTRP(无线令牌环)。通过建立逻辑令牌环实现对无线信道资源的管理和应用,令牌环上的每个节点都有自己的上游节点和后继节点,当节点收到上游节点发送的令牌后,开始在规定的时间内发送数据,让后将令牌传送到后继节点,发送时间超出规定时间则被迫停止发送。
    • WRTP允许动态加入和离开令牌环。

    3.同步MAC协议

    • 由于自组网无基础设施的特性,因而实现全忘精确的时钟同时往往要求节点配备有GPS或其它授时定位系统,或者采用分布式算法实现全网同步,但这两种方法都有各自的局限性
    • 保证节点间的精确同步是MAC协议应用的一个重要问题
    • 同步网络中的物理信道可以进一步划分为帧和时隙,同步MAC协议中节点接入信道同样多是依靠随机竞争方式,只是接入时间一定是在时隙的开始时刻,分组的大小最好与时隙长度成倍数关系,这样可以减少冲突、避免信道的浪费
    • 同步网络MAC协议对时隙分配方式一般分为三种
      • 中心分配方式(自组网不存在中心控制节点,不适用)
      • 固定分配方式(自组网节点数目可变,移动性和拓扑变化性,不适用)
      • 竞争方式

      (1)同步MAC协议-FPRP协议

    • 5次握手机制(Five-Phase Reservation Protocol,FPRP)采用第三种分配方式,是一种应用于同步物理信道、基于竞争接入机制的同步MAC协议。该协议实现了全分布式的无线媒介接入控制,具有对网络结构的变化不敏感、灵活性和适应性高等优点
    • 通过节点间的竞争,实现了自组网中两跳范围内无冲突的广播时隙的可靠分配和调度,该协议针对广播业务设计,不适用于点对点业务
      • 预约请求阶段
      • 冲突报告
      • 预约证实阶段
      • 确认回复阶段
      • 填充/消除阶段

      (2)同步MAC协议(E-TDMA协议)

    • E-TDMA协议在五握手竞争机制的基础上对节点的时隙预约过程进行了改进。
    • E-TDMA可以以跳邻节点预约无冲突的单播、多播个广播业务时隙,E-TDMA协议在继承了EPRP优点的基础上,能够适应网络拓扑结构随机变化和带宽动态变化的要求,不受网络规模的限制,提高了资源分配的灵活性,能确保QOS要求。

      (3)同步MAC协议(RR-ALOHA协议)

    • RR-ALOHA协议通过每帧周期广播FI(Frame Information),使所有的邻节点都知道每一个时隙的信道使用情况,FI是发送节点感知的前一帧的时隙状态信息
    • RR-ALOHA协议可提供如下服务:
      • 为单跳广播服务提供了一条无竞争的可靠的信道
      • 快速预约附加带宽
      • 高带宽利用率的点对点通信
      • 最少转发节点的多跳广播服务

      (4)同步MAC协议(TBMAC协议)

    • TBMAC协议提供一种高概率限时接入信道的接入方式。与其它协议不同,该协议主要考虑的性能指标是业务的接入时间,即保证节点在一定的时间内能接入信道,TBMAC要求尽量减少节点间的冲突,同时在一定的时限内发现冲突,并采取措施防止冲突的再次发生。
    • TBMAC协议将节点覆盖区域划分为若干小区,每个小区分配一个子信道,从未降低冲突产生的概率,为了进一步减小冲突,还可以将小区划分为字小区。
    • TBMAC将接入信道的过程分为两个时段,增加了在一定时段内完成信道接入过程的概率。
      • 无竞争时段
      • 竞争时段
    • TBMAC是基于时分多址的协议,每个节点均可获得一定的带宽。
    • 当小区节点数超过时隙时,易造成拥塞,引起较大的接入时延;邻小区通信时,因为存在多个相邻小区,可能存在与多个邻小区同时通信的情况,信道将产生竞争,造成拥塞。

     

    五、移动自组网的路由协议

       1.路由协议定义

    • 移动自组网路由协议主要包括
      • 路径产生过程:根据集中式或分布式的网络状态信息和用户业务需求生成路径,网络状态信息和用户业务状态信息的收集与分发是该过程的主要内容
      • 路径选择过程:根据网络状态信息和用户业务状态信息选择最恰当的路径
      • 路径维护过程:对所选择路径进行维护
      • 移动自组网路由协议还需要具有以下特点
    • 采用分布式路由算法
      • 具有自适应能力,可适应快速变化的网络拓扑结构
      • 无环路
      • 控制开销少
      • 具有可宽展性,适用于大规模网络

       2.自组网路由协议需要解决的问题

    • 多跳是研究自组网路由协议的前提和基础,网的特性为自组网路由协议涉及提出了新的问题和挑战:
    • 1、网络的自组性
    • 2、动态变化的网络拓扑结构
    • 3、有限的无线传输带宽
    • 4、无线移动终端的局限性
    • 5、单向信道的存在
    • 6、分布式的控制网络
    • 7、有限的网络安全
    • 8、生存时间较短

       3.自组网路由协议的任务

      监控网络拓扑结构的变化

    • 交换路由信息
    • 确定目的节点的位置
    • 产生、维护以及取消路由
    • 选择路由并转发数据

       4.自组网路由协议的要求

    • 收敛迅速:对拓扑结构的变化具有快速反应能力,在计算路由时能够快速收敛,及时获得有效的路由,避免出现目的节点不可达的情况
    • 提供无环路由:相比有线网,自组网更容易产生路由环路,无环路由更加重要
    • 避免无穷计算:链路失效经常发生,必须避免无穷计算,不采用或改进会出现无穷计算算法
    • 控制管理开销小:传输控制管理分组也会消耗一部分带宽资源,需尽量减少控制管理开销
    • 对终端性能无过高要求
    • 支持单向信道:自组网可能经常出现单向信道,支持单向信道是路由算法基本要求
    • 尽量简单实用:简单有助于提高可靠性,有助于减少各种开销,路由应力求简单

       5.按需路由协议

    • 按需路由协议也称为反应式路由协议、源启动按需路由协议。需要路由时由源节点创建,拓扑结构和路由表内容是按需建立的
    • 按需路由包括三个过程
      • 路由发现过程
      • 路由维护过程
      • 路由拆除过程

         

     

    转载于:https://www.cnblogs.com/destinywxy/p/9914592.html

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  • 计算机网络——7.远程接入技术

    千次阅读 2016-03-15 21:41:21
    广域网可分为电路交换(PSTN,ISDN)、租用线路(PPP,HDLC)、分组...本文主要对远程接入进行讲解,包括远程接入的各种方式、广域网的数据封装形式、PPP、PPP的安全、HDCL、帧中继、DSL网络、PPPOE的工作原理、VPN等。

    远程接入技术

    计算机传输骨干网也叫广域网,是连接城域网的高速公路,提供远距离、高带宽、大容量的数据传输业务,广域网是通信公司业务,给用户提供出租的拨号线路。广域网可分为电路交换(PSTN,ISDN)、租用线路(PPP,HDLC)、分组交换(X.25,帧中继,ATM)、数字用户线路(DSL)和虚拟专用网(VPN)。本文主要对远程接入进行讲解,包括远程接入的各种方式、广域网的数据封装形式、DTE/DCE设备、PPP、PPP的安全、HDCL、帧中继、DSL网络、PPPOE的工作原理、VPN等。

    1.      交换网络基础

    1.1   电路交换网络(PSTN,ISDN)

    电路交换网络是在信源与信宿之间建立电路连接完成通信的过程,信道是在通信开始时建立,在通信完成后结束。传统电话通信就是建立在电路交换网之上,电路交换网络使用时分交换技术(time division switching),所谓时分交换指把时间划分为若干个不重叠的时隙,由不同时隙建立不同的子信道。典型电路交换网络有PSTN(public switched telephone network,公共交换电话网)和ISND(integrated service digital network,综合业务数字网)。

     公共交换电话网 (public switchedtelephone network)

    PSTN接入比较方便,有电话就可以用这种方式接入网络。一般传输速度为56Kbits,一般达不到,连接速度慢,打电话与数据通信不可同时进行。现在基本不用,有时在POS机上用。

    综合业务数字网 (integrated servicedigital network)

        ISDN是一种数字电话网络标准,是全数字化的电路,所以它提供的宽带的稳定性及抗干扰性比PSTN强。用户可以在使用网络的同时接打电话以及发传真等。ISDN访问方式分为基本速率访问接口BRI和主速率接口PRI。BRI由2个带宽为64kbits的B信道,1个带宽为16kbits的D信道组成,记为2B+D。PRI由多个B信道和一个带宽为64kbits的D信道组成,而B信道的值,取决于国家的标准。通常ISDN的BRI被规划到企业网络的分支或家庭办公环境,PRI规划到企业总部或者网络流量的中心接入环境中,防止多个分支同时向中心接入点并发流量时产生瓶颈现象。


    报文交换:交换结点采用存储转发式,可用流量控制和差错控制。存储转发有延迟、随机性大,分组交换和报文交换类似,只是传送信息由报文变成了分组(比报文单位小)。

    1.2   分组交换网络

    分组交换也叫“包交换”,将用户传递的数据划分为一定长度,每个部分叫做一个分组。分组有一个头部,指示分组发送到哪。在一条物理电路上采用多态重用技术,就是在一条物理电路上发送多个分组报文。分组交换的物理电路利用率比电路交换的利用率高,采用线路复用技术。典型分组交换有帧中继、X.25和ATM。ATM(异步传输模式)实际上是属于分组交换网络中的一种类型。但是ATM又是属于分组交换网络中一种特殊的交换类型,也称“信元交换”,把固定大小为53字节的分组叫“信元”。ATM正是传递这种信元的网络,所以有时大家也把ATM称作“信元交换”。传输速度高,支持复合类型的数据传递。因为ATM独立于OSI模型,所以与别的网络不兼容。

     数据报

    用于传输小数据,主机可以随时发生数据,每分组独立选择路由,到达顺序不一定和发生顺序相同。收到分组后,要先缓存,然后等到交付主机时,顺序交付。阻塞时,可抛弃分组,所以不可靠。数据中有目的地址,主机承担端到端差错控制和流量控制。

    虚电路

    用于传输大数据,先呼叫,寻找合适路由,建立“路线”后发送数据,数据传送结束后,释放“线路”,电路交换一直占线,虚电路断断续续占同一条路线,分组到达顺序一致,是工作在全双工模式的,数据中无目的地址,网络承担差错控制和流量控制。

     

    流量控制

    协调发送站和接收站工作协调控制,避免过发送而丢失数据。通常会有接收缓冲区,接收站对其处理后,清空缓冲区,然后接收下一批数据。停等协议是发送站要接收到接收站的回应信号,才发下一帧数据,否则等待。即数据的流动由接收站控制。

    差错控制

    差错控制(error control)是在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制,以提高数字消息传输的准确性。

    肯定应答ack:发送站收到肯定应答后,继续发送后面的帧。

    否定应答重发ack:发送站接收到应答后,经校验是错的,重发该帧。

    超时重发:在计时内,没有收到应答信号,认为帧丢失,并重发该帧。

     

    停等式ARQ:数据报文发送完成之后,发送方等待接收方的状态报告,如果状态报告报文发送成功,发送后续的数据报文,否则重传该报文。停等式ARQ,发送窗口和接收窗口大小均为1,发送方每发送一帧之后就必须停下来等待接收方的确认返回,仅当接收方确认正确接收后再继续发送下一帧。该方法所需要的缓冲存储空间最小,缺点是信道效率很低。

    选择性重传ARQ:发信侧不用等待收信侧的应答,持续的发送多个帧,假如发现已发送的帧中有错误发生,那么发信侧将只重新发送那个发生错误的帧。特点是复杂度高,但是不需要发送没必要的帧,所以效率高。


    回退n帧的ARQ:发信侧不用等待收信侧的应答,持续的发送多个帧,假如发现已发送的帧中有错误发生,那么从那个发生错误的帧开始及其之后所有的帧全部再重新发送。

    特点是复杂度低,但是不必要的帧会再重发,所以大幅度范围内使用的话效率是不高的

    混合ARQ:在混合ARQ中,数据报文传送到接收方之后,即使出错也不会被丢弃。接收方指示发送方重传出错报文的部分或者全部信息,将再次收到的报文信息与上次收到的报文信息进行合并,以恢复报文信息。

    分组交换网络中的电路接入方式

    交换虚电路接入,指两个用户之间建立临时逻辑连接,运营商通常采用计时收费标准。

    永久虚电路接入,指两个用户之间建立一条永久的虚电路,用户在使用链路前无需作任何的拨号或者初始化工作,运营商采用月租或年租收费标准。

     

    1.3   其他知识点

    DTE与DCE

    DTE数据终端设备(data terminal equipment)指示具有一定数据处理和收发能力的设备,通常指示用户计算机、路由器等。通常DTE设备属于企业网络用来管理设备。

     

    DCE数据通信设备(data communication equipment )负责DTE和传输线路之间提供时间同步,信号变化和编码功能,并且负责建立、保持和释放链路的连接。通常DCE设备由电信运营商提供,如modem、CSU/DSU都是属于DCE设备。

     同步串口与异步串口

    同步串口与异步串口,属于思科接口分类。同步串口用于同步通信,异步串口用于异步通信。异步通信不需要提供时钟同步,通信用于伺服一些低速链路,如56kbits、64kbits等,通信发送方标记每个字符的开始与结束,这样做的目的在于让目标方知道何时开始接收数据。同步通信有更高的带宽,吸引考虑时钟的同步,在同步串行链路上必须有一端来提供时钟频率,通信是DCE接口提供时钟频率,时钟信号被集成到数据流中,当然也可以独立的发送到目标接口,不再需要标记开始与结束比特来进行标注。

     HDLC

    HDLC高级数据链路控制(high-level data link control)是一个在同步网络上传输数据、面向比特的数据链路层协议,这里所谓的面向位的协议是对应面向字节协议的一种称呼,在面向字节的协议中,用整个字节对控制信息进行编码。面向位的协议使用单个位来表示控制信息,常见的面向位的协议有HDLC、TCP、IP等。最初各个厂商都有自己的HDLC标准,互不兼容。私有化原因是,如果不对其私有化,只能携带一种三层协议,私有化后可以携带不同的三层协议。

     广域网上数据的封装形式

    任何处于OSI第三层的协议要穿过广域网,都用封装相应的数据链路层协议。目标在于方便的把上层数据进行传输,在网络层与物理层之间提供一种数据运载的方式,而这种数据运载的方式以WAN协议进行体现,常见WAN协议有SLIP、PPP、HDLC、X.25、Frame-rely、ATM等。

     SLIP协议

    SLIP串行线路网际协议(serial line Internetprotocol)是PPP的前身,主要作用是为使用TCP/IP协议的数据提供第二层的帧封装,它的实现简单,易于应用。SLIP的唯一作用是将IP数据封装成帧,它仅支持IP报文的成帧,如果使用了非IP协议,那么SLIP不能对其进行第二层的封装SLIP不提供数据在链路上传输的基本安全性保障,不提供身份鉴别与数据加密。工作原理是将IP数据封装成帧进行传输,第三层的IP数据向下传递给SLIP,然后SLIP将其转换成字节,在链路上每次发送一个字节传输这些IP数据,在最后一个字节加上SLIP END标记。

     ATM网络

    现有的电路交换和分组交换都难以胜任宽带的高速交换任务。对于电路交换,当数据传输突发性大时,交换控制复杂,对于分组交换,当数据传输速率很高时,协议数据单元的处理开销很大,实时性不强。ATM(Asynchronous Transfer Mode)异步传输模式,是实现B-ISDN的业务的核心技术之一。ATM是以固定信元大小为基础的一种分组交换和复用技术,有利于宽带高速交换。支持不同速率的各种业务,是为多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。在最底层以面向连接的方式传送。差错控制和流量控制在高层处理。ATM采用面向连接的传输方式,将数据分割成固定长度的信元,通过虚连接进行交换。ATM集交换、复用、传输为一体,在复用上采用的是异步时分复用方式,通过信息的首部或标头来区分不同信道。

     ATM协议包括4个分层:物理层、ATM层、ATM适配层(ATMAdaptationLayer,AAL)和高层。


    2.      PPP点对点协议

    PPP(point to point protocol)点对点协议是为了在点对点连接上传输多协议数据包提供的一种标准方法,它客服了SLIP的所以局限性,被作为一个完整的协议族进性开发。PPP不仅支持IP报文的帧封装,还支持对非IP报文如IPX报文进行封装,并且提供良好的差错控制、安全保障、传输消息管理等功能。PPP协议还可以作为后期应用扩展的一种基础协议,如DSL上的PPPOE协议就是PPP协议的一个扩展。PPP协议由两个主要的部件构成:LCP链路控制协议和NCP网络控制协议。

    LCP作用:主要负责两个网络设备之间链路的创建、维护、安全鉴别、完成通信后链路终止等。

    NCP作用:负责将许多不同的第三层网络协议报文的封装,如TCP/IP、IPX/SPX、NetBEUI等。

    2.1  PPP协议的工作原理

    (1)PPP协议LCP的工作原理

     

    第一步:路由器R1作为发起PPP会话的初始设备,向路由器R2发出configure-request配置请求消息,也是发起方初始化LCP配置的第一步。

    第二步:路由器R2收到R1的配置请求后,处理LCP的请求并回送一个configure-ack配置确认消息,来完成LCP的配置。

    第三步:前两步基本完成了LCP的初始配置。第三步的PPP的对等体,需要完成的是确认是否启用了安全机制,如果启动了安全机制,就进行安全鉴别和安全协商,然后是NCP对不同的三层协议进行封装。

    第四步:路由器R2发起LCP的echo-request响应请求消息,用于链路的环回测试,该消息是周期性间隔发送,起到链路测试的作用。

    第五步:路由器R1收到R2的发来的echo-request响应请求消息后,会回送echo-reply应答消息给路由器R2,来证实链路操作。

    第六步:PPP链路开始正式的数据收发。

    第七步:当完成数据收发后,路由器R2会发出LCP的terminate-request链路终止请求,路由器R1如果确定终止链路则发出terminate-ack确认终止,整个LCP的会话切断。


    (2)PPP协议NCP的工作原理

     

    第一步:这一步并不是NCP的工作过程,是LCP的协商过程,而且是由多个步骤组成,由于NCP必须是工作在LCP阶段之后,所以这里的第一步表示上面的LCP过程。

    第二步:NCP协商从这里开始。路由器R1发起NCP的configure-request配置请求消息。IPCP configure-request表示封装的是IP报文,IPXCP configure-request表示封装的是IPX报文。

    第三步:路由器R2收到路由器R1发来的NCP配置请求消息后,会回应路由器R1一个关于NCP的configure-ack配置确认消息,以完成NCP过程的协商。

    第四步:正式的开始收发IP数据。

    第五步:路由器R1完成数据传输后,会向路由器R2发NCP的IPCPterminate-request的IP链路终止请求,此时的R2应该还会回应一个IPCP terminate-ack终止IP链路的确认消息。

    如果不需要NCP连接,可以通过IPCP terminate-request 和IPCP terminate-ack来终止NCP阶段,但是LCP链路将仍然保持打开,因为可能还有其他类型的数据需要传输,而NCP是为不同的第三层网络协议各自建立封装过程。

     

    2.2  PPP的安全认证

    (1)PAP(password authentication protocol):密码认证协议,通过两次握手提供一种简单明文认证方式。该认证建立在PPP初始链路(PPP的LCP过程)确定的基础上。

    第一步:R1向R2发起PPP的初始连接,实际上就是PPP的LCP初始连接。

    第二步:完成PPP的LCP初始连接后,R2要求提供PPP的PAP认证。事实上PAP的认证也是属于LCP阶段完成的。

    第三步:R1将自己的用户名和密码以明文形式发送给R2,改消息为PAP的认证请求消息。

    第四步:R2将收到的用户名和密码与自己的本地安全数据库中进行匹配,如果匹配成功就建立连接,否则拒绝连接。

     

    (2)CHAP(challenge handshake authentication protocol):挑战握手协议,CHAP不会在链路上发送明文密码而是通过三次握手来确认摘要消息从而进行安全认证,所以安全级别比PAP高。

    第一步:R2与R1在进行CHAP认证前,首先必须在认证对等体的两端设定一个相同的预共享密钥,两端的密钥必须一样。

    第二步: R2生成一个随机数,然后将随机数主动发送给R1,这是CHAP第一次握手(challenge消息)。并将随机数与自己的密钥放入MD5密钥生成器进行MD5计算,然后从MD5的计算结果中提取一个摘要消息。

    第三步:R1收到R2发来的随机数后,将这个随机数与R1的密钥放入MD5密钥生成器,将生成的摘要值通过链路发送给R2。这是CHAP的第二次握手(response消息),此时发送的不是明文密码,而是处理后的摘要消息,所以安全性比PAP高。

    第四步:R2收到R1发送的摘要消息后,与第二步R2自己计算的摘要值做对比,结果一致就表示CHAP认证成功,并发回CHAP的认证确认消息,如果不一致就切断链路。

     

    3.      帧中继

    帧中继(frame rely)是一种网络与数据终端设备DTE的接口标准,是计算机向分组交换的广域网连接。由于较高的性价比与稳定性,大多数供应商都提供帧中继服务,是一种基于OSI数据链路层技术。

    3.1  帧中继分组交换特性

    多条逻辑电路(分组交换汇总的虚拟链路)被一条物理链路所承载,是一种典型的基于分组交换的线路复用技术。在R1到R2,R3的通信过程中,R1怎么区分哪一条是到R2的逻辑通道,哪一条是到R3的逻辑通道?这里用了DLCI号码,它是区分逻辑链路的关键,一个DLCI号标识一条逻辑通道。被物理链路承载的逻辑链路叫VC(virtual circuit)虚拟电路。虚拟电路又分为永久虚拟电路(PVC)和交换虚拟电路(SVC)。

     

    帧中继的DLCI号码

    数据链路连接标识(data link connectionidentifier)是帧中继网络中虚拟电路的一种标识。帧中继网络根据这个DLCI号码来识别不同的虚拟电路,并确定虚拟电路的转发路径,通常DLCI号码只具有本地意义(局部上有意义)。通常在帧中继环境中,用户获得物理链路与完成到目标的通信是两件事。用户获得物理链路,只表示用户前端设备能与运营商的帧中继交换机相连接,要完成与目标的通信必须要获得运营商提供的DLCI号码,这表示获得一条虚拟电路。

     

    帧中继的信令管理

    帧中继的DTE端与帧中继交换机DCE之间必须使用某种信令协议来交换重要的管理信息,比如交换keep live和传递监管信息,增加删除PVC信息,这些信息只在用户端与帧中继交换机之间传递,不会被承载到虚拟电路中,而传递这些信令消息的正是帧中继的本地管理接口(LMI)。帧中继交换机DCE端与面向企业前端设备DTE端的LMI信令协议必须保持一致。帧中继LMI的报文结构如下。

     

    帧中继起始标记

    LMI  DLCI

    未编号信息标志

    协议标示符

    呼叫参考

    消息类型

    消息元素

    FCS

    帧中继结束标志

     

    标志:包括帧中继的起始标志与结束标志,用于标记数据帧的开始与结束。

    LMI DLCI:指示帧中继的LMI信令所使用的DLCI号码,需要注意的是,LMI的DLCI号码并非虚拟电路(VC)所使用的DLCI号码,它与LMI信令的类型有关,如果LMI的信令型类采用cisco的LMI类型,那么DLCI号就是1023;如果采用ANSI或ITU(q33a)类型的LMI,那么DLCI号就是0。

    未编号信息标志(UII):未编号信息标志用于将轮询最后位设置为0。

    协议标识符(NLPID):协议标识符字段说明该数据帧是一个帧中继LMI的数据帧。

    呼叫参考(call Ref):呼叫参考暂时不使用,其值一般为0。

    消息类型(messagetype):该字段有两种可能,一个是指示状态查询(enquiry),另一个是状态响应(Stauts)。

    消息元素(informationElement):包括数量指定的独立信息元素,如IE标识符和IE长度。

    FCS :数据帧校验序列,用于数据的验证,保证数据传输的完整性。

     

    帧中继子接口类型

    点对点类型的子接口是在多路访问的网络上模拟专线特性的一种链路接口,通常情况下用在企业连接某些金融机构条件下,链路上不允许第三方的接入点,传统专线太贵,使用点对点帧中继链路代替传统的专线。

    多点子接口通常用来连接两个点及两个点以上的远程帧中继通信站点,典型的是总部连接多个远程分支机构。

    注意:如果一个物理接口上连接了不同类型的子接口,不同子类型的接口所连接的链路,将分别独立使用一个IP子网。

     

    帧中继的网络形状

    理解帧中继的网络形状是明白帧中继架构的必要任务,帧中继的网络形状关系到路由协议在不同网络形状下的设计与实现,如果不能清晰理解帧中继不同网络形状的特点,那么会直接影响路由协议在帧中继网络中的正常运行。

    半网状:半网状的帧中继一般是用于多个远程分支机构接入总部的环境。半网状的帧中继分支机构之间不需要通信,几乎所有的通信流量都由各分支机构与总部之间产生。如果分支机构之间有偶尔的通信流量,那么这些偶尔的通信流量将通过总部(中心点)进行转发。

    特点:总部与分支之间存在VC,分支之间没有VC。R2与R3之间默认不能通讯,如果有偶尔的通信就由总部(中心点)进行流量转发,成本低,中心点承载流量压力较大。

     

    全网状:全网状的帧中继指示所示帧中继的接入点,两两之间都有一条独立的VC。通常全网状的帧中继,被应用于企业总部与分支机构以及分支机构与分支机构之间都有频繁的通信流量的环境。

    特点:通信点之间都有一条独立的VC;其成本较半网状要高,流量压力没有半网状大。

     

    3.2  帧中继报文结构

    开始Flag:指示帧的开始,也叫做帧中继的第一地址,使用一个八位组表示。

    DLCI:标识帧中继网络到达目标使用的DLCI号码。虚电路使用的号码。

    C/R:(Command/Response)命令响应,该字段通常不用。

    EA:扩展地址用来指示包含EA字段的是否是最后一个帧标记,如果该字段的值为1则表示这是最后一个结束帧标记,因为帧中继有两个帧标记,一个开始Flag,一个结束Flag。它会出现在两个地方,开始Flag和结束Flag中,开始标记部分其值为0;而在结束标记部分其值为1。

    FECN:前向显式拥塞通知,该字段使用在帧中继网络发生拥塞的时候,帧中继交换机(DCE设备)会将该字段设置为1并发送给帧中继的目标接入设备(DTE),指示网络拥塞,收到FECN的设备会实施适当的流量控制措施。

    BECN:后向显式拥塞通知,该字段使用在帧中继网络发生拥塞的时候,帧中继交换机(DCE设备)会将该字段设置为1并发送给帧中继的源接入设备(DTE),指示网络拥塞,收到BECN的设备会降低25%左右的发送速率。

    DE:可丢弃标记,如果该字段被设置为1的帧中继数据报文在遇到网络拥塞时会被丢弃。需要注意的是该标记一般由帧中继的接入设备(DTE)设置,并且被设置了DE标志的数据不是立即被丢弃,只会在网络拥塞时会被优先丢弃。

    Data:指示在帧中继中被封装的上层数据。

    结束Flag:指示帧的结束,也叫做帧中继的第二地址,使用一个八位组表示。

    FCS:用于检测传输错误。

     

    帧中继的逆向解析功能

    帧中继的逆向解析工能(framerelay inverse-arp)该功能用于提供一种动态的将二层DLCI号码映射到第三层地址的方法。Frame-relay map ip指令用来完成静态映射,申明使用某个DLCI号映射到某个具体远程端的连接,有多少远程端,就要手动配置多少个DLCI号静态映射远端IP地址的指令。事实上,帧中继的逆向ARP解析与局域网环境中的ARP地址解析协议非常相似,帧中继的ARP逆向解析是路由器将已知的二层地址去映射远程端设备的三层IP地址。

    第一步:当帧中继路由器DTE设备与帧中继交换机DCE设备成功连接后,通过交换LMI消息,一台帧中继交换机可以宣告一条新的虚拟电路和该电路所对应的DLCI号码可以,但不能寻找到另一端,暂时无法完成与远程端的通信。

    第二步:此时,帧中继的逆向ARP解析机制启动,路由器R1发送一个关于帧中继的逆向ARP请求数据帧,请求使用上面宣告的DLCI号码,并回应自己的IP地址。

    第三步:路由器R2收到帧中继的逆向ARP请求后,对此回应自己的IP地址。然后R1将地址关联到本地的DLCI号码中完成帧中继的映射过程。

     

    4.      DSL网络

    DSL(digital subscriber line)数字用户线路,DSL使用普通电话线没有使用的带宽进行数据传输,不用重新布线。电话设施投入非常少的改造成本,将传统电话通信线缆中没有使用的部分用作高速数据传输服务,使得通信基础设施更充分的被使用,让语音与数据共存,这是DSL网络的核心基础。DSL网络对传输距离相当敏感,它会随着用户到电话中心局的距离增大,传输速率下降,通常用户到电话中心局的距离在5500米左右。并不是每一个电话中心都支持DSL网络。DSL网络表现形式非常多,大致可分为ADSL和SADL两类。

    ADSL(asymmetricdigital subscriber line非对称数组用户线路,它提供不对称的上传和下载速率,通常下载速度远远高于上传速度,也是市场上应用最多的一种宽带技术。提供1.5-8Mbit/s的下载速率,15kbit/s-1Mbit/s上传速度。允许在电话线上传输语音的同时传输数据。所以可以即打电话又上网。

     SDSL(symmetricdigital subscriber line对称数字用户线路,它提供对称的上传和下载速度,128 kbit/s-2.32Mbit/s,常见速率是768 kbit/s。

    ADSL信道使用情况

     

    4.1  以ADSL为例理解DSL网络的物理构架

    CPE(customer premise equipment)用户前端设备:在DSL网络中的CPE通常是指DSL的调制解调器,对于家庭用户就是ADSL modem。

    分离器:将DSL的数据流量从语言流量中分离出来,如果是语音流量就交给传统的PSTN网络进行转发,如果是数据流量就交给DSLAM来负责终结物理层的DSL连接。

    DSLAM(digital subscriber line access multiplexer)数字用户线路接入复用器:作用是汇聚所有用户的DSL链路,相当于一个二层交换机。

    DSL汇聚路由器:负责汇聚ADSL用户的接入认证服务,并转向三层工作。

     

    4.2  PPPOE协议

    从CPE到DSL汇聚路由器之间是一种桥接式体系构架,即纯二层连接,单纯的桥接存在大量的安全漏洞,为了解决这些漏洞,并且便于运营商对用户做接入验证,计费等工作,PPP是一个不错的选择,因为它内嵌了PAP和CHAP安全机制,所以ADSL网络决定将PPPOE协议运行在CPE与DSL汇聚路由器之间。那为什么要用PPPOE而不是PPP协议呢?

    PPPOE(PPP over Ethernet)运行在以太网的PPP协议,将PPP运行在以太网链路上,是因为传统的PPP协议是针对点对点链路所设计的广域网协议。但现今的宽带接入多为桥接式、共享介质式、多路访问类型的接入。PPPOE实质是PPP,是PPP协议的扩展,把PPP可以做安全认证的优点应用到多路访问网络中,目的用于点对点的认证和计费。

     (1)PPPOE工作原理

    目标MAC:PPPOE发现阶段的目标MAC是FFFF.FFFF.FFFF属于以太网广播帧。

    源MAC:用户CPE设备的MAC。

    以太网类型:该字段在PPPOE发现阶段是0x8863,指示发现阶段的PPPOE控制帧,在PPP会话阶段是0x8863。

    版本:4比特,对于现在正在使用的PPPOE,它总是0X1。

    类型:4比特,是以太网净荷,真正的PPPOE结构中的类型,并不是以太网数据帧头部中的类型,它对于以太网总数0X1。

    代码:8比特,它是PPPOE的发现阶段,随着发现阶段所使用的控制消息不同而不同。

    会话ID(session_ID):在不同进程时期是可变的,它是PPPOE发现阶段的最后一步,由汇聚路由器分配给CPE设备的值,一旦分配给某个PPP会话,该值在这个PPP会话中必须是固定的,在没有分配会话ID前该字段为0X0000。

    长度:16比特,指示PPPOE的净荷长度,不包括以太网头部和PPPOE头部。

    净荷:PPPOE的净荷。

    CRC:整个以太网帧的校验和。

     

    PPPOE工作原理

    第一步:PPPOE的初始化,PPPOE的客户端CPE发送请求服务的PPPOE的active discovery initiation初始化控制消息。源MAC为发送CPE的MAC,目标MAC为广播MAC,PPPOE的代码字段为0X09。

    第二步:PPPOE的发现提供,DSL网络的汇聚路由器回送PPPOE的active discovery offer的提供控制消息。源MAC为DSL网络汇聚路由器的MAC,目标MAC为用户CPE的MAC,PPPOE的代码字段为0X07。

    第三步:PPPOE的发现请求,用户CPE设备收到PADO消息后,会发送PPPOE的activediscovery request 的请求消息。源MAC为发送CPE的MAC,目标MAC为DSL网络汇聚路由器的MAC。PPPOE的代码字段为0X19。

    第四步:PPPOE的会话分配ID ,当DSL网络的汇聚路由器收到CPE的请求消息后,它会为CPE设备分配会话ID,至此,以后的PPP会话全部建立在这个会话ID上,PPPOE的代码字段为0X65。源MAC为DSL网络汇聚路由器的MAC,目标MAC为用户CPE的MAC。

     

    5.      虚拟专用网络VPN

    VPN就像是有一条专用的线路进行通信。虚拟的企业网络专用链接。使用了隧道技术、加密技术和认证技术。

    VPN类型

    VPN类型分为场对场的VPN接入与远程访问型VPN接入。

    场对场(site to site VPN):通过固定的VPN进行连接。也叫网对网的VPN连接,通常这种方式发生在两个远程机构的边界网关设备上,凡是穿越了两台边界网关设备的数据都会被VPN作加密处理,该连接方式多用于两个较为固定的场所,场所间需要持续性的VPN连接。

    远程访问型VPN接入:也叫点对网的VPN连接。通常是某个出差人通过远程拨号VPN方式来连接企业总部,以获得安全访问企业内部资源的过程,灵活性强。

     

    VPN协议

    PPTP(point to point tunneling protocol)点对点的隧道协议:是一种支持多协议虚拟专用网络的VPN协议,属于OSI二层协议,原型是PPP,该协议是在PPP协议基础上开发的一种新的增强型安全协议,所以PPTP与PPP协议类似,内嵌并集成了许多安全认证方式。

    L2TP(layer 2 tunneling protocol)第二层的隧道协议:L2TP是一种工业标准的Internet隧道协议,集成了PPTP和L2F两种二层隧道协议的优点,L2TP将PPP通过公共网络进行隧道传输,提供数据机密性的保障。

    IPSec(IP security)IP安全协议:是定义在IETF RFC里各种标准的合并,只支持TCP/IP协议,被设计用来专门在公共网络Internet上保护敏感数据的安全,用来保障数据的机密性、完整性和数据验证。

     

    IPSec是IP安全协议,它是为IP网络提供安全服务的一个协议集合组件,是一种开房标准的框架结构,工作在OSI七层的网络层,不是一个单独的协议。

    IPSec的传输模式一般用于主机到主机的IPSec,或者远程拨号型的IPSec,传输模式中,原始的IP头没有被得到保护,而传输层以上及更上层的数据可以被传输模式保护。

    IPSec的隧道模式将原始IP头在内的整个数据包都保护起来,产生一个新的隧道端点,然后使用这个隧道端点的地址来形成一个新的IP头部,在非安全网络中,只对这个新的IP头部可见,对原始IP头和数据包不可见。

     

     

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