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CNATDA 第七章学习笔记

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《Computer Networking: A Top-Down Approach (8th Edition)》第七章 “Wireless and Mobile Networks” 的学习笔记。

Introduction

“wireless” 和 “mobile” 往往是密不可分的，但它们实际上面临着不同的挑战，需要不同的解决方案。

wireless network 一般包含 wireless host、wireless link 和 base station，但不是所有 wireless network 都有 base station。

根据 wireless hop 的次数、是否有 base station (infrastructure)，wireless network 可以大致分为四种：

  • single-hop, infrastructure-based: 大部分 wireless network，例如 802.11 和 4G LTE
  • single-hop, infrastructure-less: 例如 Bluetooth
  • multi-hop, infrastructure-based: 例如 wireless mesh network
  • multi-hop, infrastructure-less: 例如 mobile ad hoc network (MANET)、vehicular ad hoc network (VANET)

wireless network 面临着几个主要问题：

  • 信号衰减：长距离传输、穿越障碍
  • 信号干扰：其他同频段信号、环境噪音
  • multipath propagation：同一信号的多个部分从 sender 到 receiver 可能会走不同的路径

总之，wireless network 通常有更多 bit error，所以往往除了 wired network 也会使用的 CRC error detection codes，还会使用 link-layer reliable-data-transfer protocol。

signal-to-noise ratio (SNR) 是接收到的信号强度与噪音之比，bit error rate (BER) 是 bit error 发生的概率。

wireless network 通过 modulation scheme 来决定如何 encoding 和 transmission。对于同一个 modulation scheme，SNR 越高 BER 越低；对于同样的 SNR，transmission rate 越高的 modulation scheme BER 越高。所以，往往会根据实际的 channel condition 动态选用 modulation scheme（例如在 BER 满足一定限制的情况下尽可能提高 transmission rate）。

wireless network 中的 multiple access 也更加复杂，例如，A 和 C 分别能传输信号到 B，但因为障碍物或距离等原因，A 和 C 接收不到彼此发送的信号，这可能导致 undetectable collision。

CDMA

CDMA (code division multiple access) 是一种常用于 wireless network 的 multiple access protocol，属于 channel partitioning protocol。

在 CDMA 中，每个装有 1 bit 的 time slot 会被再分为多个 mini-slot，sender 将每个 slot 内的 data（mini-slot 全 0 / 全 1）异或上一个 code，理想状态下，receiver 再异或上这个 code 就可以得到 data。实际上，会有其他信号产生干扰，而合适地选取 code 可以在有干扰的情况下依然能够读取出 data。这相当于是在 code space 而非 time / frequency 上进行 channel partitioning。

（书中没有说明具体细节，例如如何选取 code，如何处理不同 sender 的信号强度不同。）

Wi-Fi: 802.11 Wireless LANs

Wi-Fi 的全称为 “IEEE 802.11 wireless LAN”，有 802.11b/g/n/ac/ax/af/ah 等版本，不同版本有不同的最大传输速率、传输距离以及使用的频段。

The 802.11 Wireless LAN Architecture

802.11 architecture 的 building block 是 basic service set (BSS)，每个 BSS 包含一个被称作 access point (AP) 的 base station 以及连接到 AP 的若干 wireless station（即 host）。

802.11 可以通过 AP 连接为 infrastructure wireless LAN，也可以没有 AP 而只由几个 host 互相连接成 ad hoc network（不对外连接到 Internet）。本书只讨论 infrastructure wireless LAN。

每个 AP 有一个 service set identifier (SSID)，即 Wi-Fi 的名称。可以为 AP 设置 channel number，2.4GHz 频段共有 11 个 channel number，但相差不到 5 的 channel 会相交，彼此不相交的 channel 最多只能有 3 个（1、6、11）。

AP 会周期性地广播 beacon frame 来告诉 wireless device 自己的存在，wireless device 可以监听 beacon frame 来进行 passive scanning。除此之外，也可以主动发送 probe frame 来进行 active scanning。

找到 AP 后，wireless device 需要在可用的 AP 中选择一个（802.11 standard 中没有规定选择 AP 的算法），发送 association request，AP 返回 association response，就建立了连接。

The 802.11 MAC Protocol

CSMA/CA

802.11 使用的 MAC protocol 是称作 CSMA with collision avoidance (CSMA/CA) 的 random access protocol，和 Ethernet 使用的 CSMA/CD 类似，但又有很大不同：

  • CSMA/CA 是 “collision avoidance” 而非 CSMA/CD 的 “collision detection”，这意味着它不是在检测 collision 时中断传输，而是不进行检测，通过其他机制尽量避免 collision。这是因为 wireless network 中很难进行 collision detection：
    • 前文中提到过，wireless network 中可能存在 undetectable collision；
    • collision detection 需要在发送的同时接收信号，而无线信号在发送端的强度会远高于接收端的强度，这也加大了 collision detection 的难度。
  • 802.11 引入了 link-layer reliable-data-transfer。

其完整流程为：

  1. 等待一小段时间（distributed inter-frame space, DIFS) 来看 channel 是否 idle。
  2. 如果 channel buzy，进入 binary exponential backoff（只在 channel idle 时 countdown，channel buzy 则不计入等待时间）。
  3. 经历了足够长的 channel idle 后，发送整个 frame（不检测 collision）。
  4. AP 接收到 frame 后，等待一小段时间（short inter-frame space, SIFS），然后发送 ACK。
  5. 如果 sender 接收到了 ACK，则结束或继续发送下一个 frame；否则进入 binary exponential backoff，进行 retransmission。

其中，检测到 channel buzy 时直接进入 backoff，是为了避免 channel 变为 idle 时多个 sender 同时发送而产生 collision。这与 CSMA/CD 不同，因为如果有 collision detection 的话，即使发生了这样的 collision 也代价不大，就无需通过 backoff 来避免。

RTS/CTS

wireless network 中不仅 collision detection 非常困难，carrier sense 也比较困难，光靠上面这些机制还是很可能出现 collision，所以 802.11 还提供了另一种可选的机制：使用 request to send (RTS) frame 和 clear to send (CTS) frame 来显式地预留出通信权：

  1. sender 发送 RTS，告诉 AP 需要预留出的时长（传输 data 和 ACK 的用时）。
  2. AP 发送 CTS，告诉 sender 可以发送，以及告诉其他 station 一段时间内不要发送。
  3. sender 发送 data。
  4. AP 发送 ACK，除了普通的 ACK，也是告诉其他 station 可以发送了。

使用 RTS/CTS 可以保证 data 和 ACK 的传输不会出现 collision，而 RTS/CTS frame 自身非常短，如果产生 collision 代价是较小的。然而，RTS/CTS 自身会消耗资源、产生延时，所以一般只有在 data 较大时才会使用，wireless station 一般会设置一个发送 RTS 的 frame length threshold，很多时候这个 threshold 比 maximum frame length 还大，实际上就是禁用了 RTS。

上面说的是常见的 802.11 对 multiple access 的处理，除此之外，802.11 也可以通过 directional antenna 作为 point-to-point link 使用。

The IEEE 802.11 Frame

802.11 frame 的结构如下图所示：1

  • type、subtype：这决定了 association、RTS、CTS、ACK、data 等 frame 类型。

  • duration: 这是 RTS/CTS（预留一段时长）所需的。

  • address: 由于 AP 起到中介的作用，在 infrastructure wireless LAN 中 frame 需要包含三个 address（在 ad hoc mode 中需要四个，此处不讨论）：

    • 前两个是 802.11 收发双方（station 和 AP）的 MAC address：这是 802.11 通信所需的。
    • 第三个是 AP 连接到的 router interface 的 MAC address：AP 工作在 link layer，router 感知不到 AP 的存在；在 AP 向 station 发送时，station 可以从 address 3 得到 router 的 MAC address；在 station 向 AP 发送时，AP 可以从 address 3 知道 Ethernet frame 需要发给谁。总之，address 3 是 Ethernet 通信所需的。

    不同场合下每个 address 分别代表什么是不同的，这由 frame control 中的 “to AP” 和 “from AP” 决定。

  • sequence number: 这是 link-layer reliable-data-transfer 所需的。

  • payload: 802.11 允许 2312 bytes 的 payload，但由于 Ethernet 的限制，一般不会超过 1500。

The 802.11 frame

Mobility in the Same IP Subnet

当 host 从一个 BSS 移动到另一个 BSS 时，如果两个 BSS 处于同一个 IP subnet 中，mobility issue 就比较容易解决：直接保持 IP address 不变即可。而如果两个 AP 由 switch 连接，还需要处理 switch interface 改变的问题，由于 switch 的 self-learning，一个处理方式是在和新的 AP 建立 association 后立刻发送一个 broadcast Ethernet frame 来告诉 switch 换了一个 interface。

如果使用 VLAN，可以将很多（地理位置不同的）AP 放在同一个 IP subnet 中，从而较为轻松地解决 mobility issue。

Advanced Features in 802.11

802.11 Rate Adaptation

如上文所述，不同环境下 SNR 不同会导致最佳的 transmission rate 不同。在 802.11 中，ACK 可以用作 rate adaptation 的 hint，在没收到 ACK 时降低 transmission rate，在连续收到很多 ACK 时提高 transmission rate，这与 TCP 的 congestion control 类似。

802.11 Power Management

一个 802.11 node 往往不需要一直通信，在不进行通信的时候可以 sleep 来 save power：

  1. node 可以在 header 中设置 power management flag 来告诉 AP 自己即将 sleep。
  2. 如果 AP 接收到一个发送给正在 sleep 的 node 的 frame，会将其存在 buffer 中。
  3. AP 发送的 beacon frame 中包含一个有 buffered frame 的 node list，node 会在 AP 发送 beacon frame 前 wake up，根据自己是否有 buffered frame 来请求 AP 发送这些 buffered frame 或继续 sleep。

一般来说，AP 会周期性地每 100ms 发送一次 beacon frame，而一次 wakeup 只需 250μs，所以不进行通信的 station 可以在 99% 的时间内 sleep。

Personal Area Networks: Bluetooth

Bluetooth 使用 TDM 进行 channel partitioning，同时在 79 个 frequency channel 中进行 pseudo-random 的 channel hopping (frequency-hopping spread spectrum, FHSS) 来降低外界干扰的影响。

Bluetooth network 是 ad hoc (infrastructure-less) 的，一个 Bluetooth network 包含最多 8 个 active device，其中一个是 master device，它决定传输的 clock、frequency-hopping pattern、power，邀请 client 进入 Bluetooth network，通过 polling 来控制 client 何时通信。network 中还可以有最多 255 个 parked device，会长期处于 sleep mode，周期性地接收 beacon message，只有切换为 active 才能进行通信。

Bluetooth network 的建立过程为：

  1. neighbor discovery:
    1. master 广播 inquiry message，在 32 个不同的 frequency 发送至多 128 遍，因为此时还没有协商好 frequency-hopping pattern。
    2. client 收到 inquiry message 后，随机等待 0~300ms 来避免 collision，然后发送 response，包含 client 的 device ID。
  2. Bluetooth paging:
    1. master 向特定的 client 发送 paging invitation，依然是在 32 个不同的 frequency。
    2. client 收到 paging invitation 后返回 acknowledgment。
    3. master 向 client 发送 frequency-hopping pattern、clock synchronization information 以及 active member address。
    4. 使用 frequency-hopping pattern 来 poll client，以确认 client 连上了。

Mobility Management: Principles

mobility 指的是 mobile device 到网络的接入点发生变化，而从 network layer 的角度来看，只有 access network 发生了变化且需要保持连接（例如 TCP connection）不中断，才会带来 mobility issue。如果设备在每个 session 只连到同一个接入点，则不需要特殊处理。

在 cellular network 中，有两方面的 mobility issue:

  • handover: cellular network 中有很多 base station，每个 base station 覆盖一个 cell 提供服务。从一个 base station 移动到另一个 base station 时，需要进行 handover 来改变 mobile device 连接到的 base station。
  • roaming on visited networks: 每个 cellular subscriber 会有一个 home network，提供了 subscriber 信息的集中管理。home network 提供服务的范围是有限的，如果 mobile device 移动到了 home network 之外，可能就需要连接到由其他 cellular provider 提供的 visited network，此时需要特别的机制来处理 routing。

mobile device 的接入点随时可能发生变化，而 home network 会跟踪 device 当前接入的 visited network，所以外界可以通过 home network 来找到 mobile device 当前的位置从而进行通信。

具体的 routing 有两种方式：

  • indirect: mobile device 有一个固定的 IP，外界向这个 IP 发送消息会发到 home network 的 gateway，而 home network 与 visited network 的 gateway 之间建立了 tunnel，最后由 visited network 的 gateway 与 mobile device 通信。也就是说，外界与 mobile device 通信需要经过 home network 中转。
  • direct: 向 mobile device 发送消息时，一开始先查询 mobile device 所在的 visited network，后续则直接与 visited network 通信。

indirect routing 的缺点在于 triangle routing problem，即通过 home network 中转可能带来很大的浪费。direct routing 的问题在于，需要特殊的机制来完成一开始的 visited network 查询以及后续 visited network 变更时的通知，也就是说需要通信另一方的配合。

Mobility Management in 4G/5G Networks

Attach to Visited Network

连接到 base station 时，mobile device 会提供自己的 IMSI (international mobile subscriber identity)。visited network 的 MME (mobility management entity) 会从 local cache 或 home network 的 HSS (home subscriber server) 获取到 mobile device 的 authentication、encryption、quality of service 等信息，并通知 home network 的 HSS，mobile device 现在位于这个 visited network。

然后，会建立两个 tunnel，从 mobile device 到 visited network 的 serving gateway，再从 serving gateway 到 home network 的 PDN (packet data network) gateway。这两个 tunnel 使用 GPRS tunneling protocol (GTP)，原理类似于 IPv6 tunneling。

Handover Management

handover 是 mobile device 从一个 base station 转移到邻近的另一个 base station 的过程。这可能是从信号差的 base station 转到信号好的，或者是从拥挤的转到畅通的。mobile device 会周期性地向当前连接到的 base station (称作 source base station) 报告它接收到的各个 base station 的信号强度等信息，而 source base station 可以根据它掌握的信息来做出 handover 的决定。

（在同一个 network 中）handover 的过程如下：

  1. source base station 选择一个 target base station，发送 handover request。
  2. 如果 target base station 同意，会提前分配好连接所需的资源（从而让 handover 能够尽快完成），然后发送 handover request acknowledge，包含连接所需的各项信息。
  3. source base station 告诉 mobile device 连接到 target base station 所需的信息。此时在 mobile device 看来 handover 已经结束了，可以和 target base station 进行通信。
  4. source base station 停止向 mobile device 转发，而是转发给 target base station。
  5. target base station 告诉 MME 自己是这个 mobile device 新连接到的 base station，MME 会更新 serving gateway 到 base station 的 tunnel 的 end point。
  6. target base station 告诉 source base station，新的 tunnel 已经配置好了，source base station 可以释放为这个 mobile device 提供的资源了。
  7. target base station 向 mobile device 发送之前由 source base station 转发来的 datagram，之后就可以正常通信了。

Wireless and Mobility: Impact on Higher-Layer Protocols

Impact on TCP

TCP 以 retransmission 作为 congestion 的标志进行 congestion control，但在 wireless network 中，bit error 更加常见，而 handover 时也会带来 delay 或丢包，所以 retransmission 不一定意味着 network congestion，如果在 wireless network 中沿用一般的 TCP congestion control 可能会有性能问题。

目前的解决途径有：

  • local recovery：在 link layer 提供 reliable data transfer，减少 bit error 的影响。
  • split-connection：在 sender 到 base station、base station 到 receiver 分别建立连接。base station 到 mobile host 的连接可以是标准的 TCP 连接，也可以是其他连接。
  • 让通信双方意识到 wireless link 的存在，并区分出 retransmission 是否由 congestion 引起。

Impact on Applications

  • wireless network 的 bandwidth 通常较小，所以为 mobile device 提供服务时更需要减少传输的数据量。
  • mobility 使得 location-aware / context-aware application 成为可能。

Footnotes

  1. p554, Figure 7.13: The 802.11 frame ↩