第6章 无线网络和移动网络

复习题

6.1 节

1. 一个无线网络运行在“基础设施模式”下是什么含义？如果某网络没有运行在基础设施模式下，那么它运行在什么模式下？这种运行模式与基础设施模式之间有什么不同？ 与基站关联的主机常被称为以基础设施模式（infrastructure mode）运行，因为所有传统的网络服务（如地址分配和选路）都由网络向通过基站相连的主机提供。 如果某网络没有运行在基础设施模式下，那么它运行在自组织网络（adhoc network）模式下。在这种模式下，无线主机没有基础设施与之相连，从而主机本身必须提供诸如选路、地址分配、类似于DNS的名字转换服务。

2. 在6.1节中的分类法中，所确定的四种类型的无线网络是什么？你已经使用的无线网络是这些类型中的哪一种？ 根据两个准则来对无线网络分类： 1️⃣ 在该无线网络中的分组是否跨越了一个无线跳或者多个无线跳； 2️⃣ 网络中是否有诸如基站这样的基础设施：
• 单跳，基于基础设施。这些网络具有与较大的有线网络（如因特网）连接的基站。此外，该基站与无线主机之间的所有通信都经过一个无线跳。你在教室、咖啡厅或图书馆中所使用的802.11网络，以及802.16 WiMAX网络都属于这种类型。
• 单跳，无基础设施。在这些网络中，存在与无线网络相连的基站。然而，在这种单跳网络中，节点之一可以协调其他节点的传输。蓝牙网络和具有自组织模式的802.11网络是单跳、无基础设施的网络。
• 多跳，基于基础设施。在这些网络中，一个基站表现为以有线方式与较大网络相连。然而，某种无线节点为了经该基础通信，可能不得不通过其他无线节点中继它们的通信。某些传感网络和所谓的无线网状网络（wireless mesh network）属于这种类别。
• 多跳，无基础设施。在这些网络中没有基站，并且节点为了到达目的地可能必须在几个其他无线节点之间中继报文。节点也可能是移动的，在多个节点中改变连接关系，一类网络被称为移动自组织网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）。如果该节点是车载的，该网络是车载自组织网络（Vehicular Ad hoc Network，VANET）。
以上网络前3种我都使用过了，第4种应该也用过吧，不确定（东航飞机上的无线网络）。
 

6.2 节

1. 下列类型的无线信道损伤之间有什么区别：路径损粍、多径传播、来自其他源的干扰？
 
无线信道损伤是指无线信号强度的递减。
 
其中路径损粍是指电磁波穿过物体时强度减弱，或者由于发送方与接收方的距离增加而减弱；
 
多径传播是指电磁波的一部分受物体和地面反射导致的同一信号的不同电磁波部分在发送方与接收方之间走了不同长度的路径，从而接收方收到的信号变得模糊；
 
来自其他源的干扰是指由于多个不同的信号在同一个频段发送信号，导致接收方收到的信号中有电磁噪声。
 

2. 随着移动节点离开基站越来越远，为了保证传送的帧的丢失概率不增加，基站能够采取的两种动作是什么？
 
在给定传输率的情况下，发送方可以通过提高传输功率以增加 SNR（信噪比）来维持比特差错率（BER）。
 
如果传输功率不能增加，可以通过降低传输率来维持比特差错率（BER）。
 

6.3 节

1. 描述802.11中信标帧的作用。 802.11标准要求每个 AP 周期性地发送信标帧（beacon frame），每个信标帧包括该 AP 的 SSID 和 MAC 地址。无线站点为了得知正在发送信标帧的 AP，扫描11个信道，找出来自可能位于该区域的AP所发出的信标帧（其中一些AP可能在相同的信道中传输，即这里有一个丛林）。通过信标帧了解到可用AP后，你（或者无线主机）选择一个AP用于关联。

1. 是非判断：802.11站在传输一个数据帧前，必须首先发送一个 RTS 帧并收到一个对应的CTS帧。 正确。通过预约发送机制很好地处理了隐藏终端问题，即使存在隐藏终端，也不会发送碰撞。 否，当前节点首次使用该信道才会发送RTS帧来预约信道，如果当前已经拥有该信道的使用权，就不需要。 尽管RTS/CTS交换可以帮助降低碰撞，但它同样引入了时延以及消耗了信道资源。因此，RTS/CTS交换仅仅用于为长数据帧预约信道。

1. 为什么802.11中用到了确认，而有线以太网中却未使用？ 因为无线信道相比有线信道会有更高的比特差错率(BER)。

1. 是非判断：以太网和802.11使用相同 的帧格式。 错误。

1. 描述 RTS 门限值的工作原理。 每个无线站可以设置RTS阈值，使得仅当要发送的数据帧长于阈值时才使用RTS/CTS序列。这确保了RTS/CTS机制仅用于大型帧。对于许多无线站点而言，默认的RTS门限值大于最大帧长值，因此对所有发送的DATA帧，RTS/CTS序列都被跳过。

1. 假设IEEE 802.11 RTS帧和CTS帧与标准的DATA帧和ACK帧一样长，使用CTS帧和RTS帧还会有好处吗？为什么？ 没有好处了，因为如果不使用CTS和RTS时，这时如果发生碰撞，浪费的时长为一个DATA帧的长度。如果使用了CTS和RTS，避免了碰撞，但是额外引入了两个DATA帧长的时延浪费。也就是说，只有DATA帧长度大于CTS和RTS帧长度之和时，使用CTS帧和RTS帧才能带来好处。

1. 6.3.4节讨论了802.11移动性，其中一个无线站点从一个BSS到同一子网中的另一个BSS。当AP是通过交换机互联时，为了让交换机能正确转发帧，AP需要发送一个带有哄骗的MAC地址的帧，为什么？ 这是一种 HACK 方式，很不规范。但是由于802.11标准小组完成开发一个AP间的协议来处理这个问题之前，通过这个方式可以解决问题。 该无线站点关联到了新的AP后，该AP以该无线站点的源地址向交换机发送一个哄骗的以太网广播帧，从而使得交换机在收到该帧后，可以更新其转发表，从而可以使该无线站点可以通过新的AP到达。

1. 蓝牙中的主设备和802.11网络中的基站之间有什么区别？ 蓝牙中的主设备有权将寄放设备转换为活动设备，并且只有从设备被主设备在前一时隙与其通信之后才可以发送并且只能向主设备发送数据。 但是802.11网络中的基站没有转换设备状态的能力，并且无线站点可以主动向其发起连接。 802.11网络中的基站需要定时向网络中广播信标帧，但是蓝牙中的主设备不需要。

1. 是非判断：基站必须以相同的信道速率传输到所有的节点。 错误。802.11网络具有速率自适应的能力。无线网络的具体实现提供了多个数据传输速率。如果一个节点连续发送两个帧而没有收到确认（信道上一个比特差错的隐式提示），该传输速率降低到前一个较低的速率。如果10个帧连续得到确认，或如果根据自上次降速以来的时间定时器超时，该传输速率提高到上一个较高的速率。

1. 在 WiMAX 中“机会主义调度”的含义是什么？ 机会主义调度指的是允许基站在最适合接收用户站点的物理层传输方案中选取可能根据不同的突发而改变的物理层性质。基站根据到每个接收方所估计的当前信道条件，可以选择在该帧期间将发送的接收方集合。它将物理层协议与发送方和接收方之间的信道条件相匹配，基于信道条件选择将分组发送到哪个接收方，这使得基站能最好地利用无线介质。

1. 在6.34.2节中我们了解到有两个主要的3G标准：UMTS和CDMA-2000，这两个标准每个分别源于哪个2G和2.5G标准？ CDMA-2000 源于IS-95 2G系统，并向后兼容IS-95。而UMTS源于GMS。

6.5~6.6节

1. 如果某种节点与因特网具有无线连接，则该节点必定是移动的吗？试解释之。假设一个使用膝上型电脑的用户带着电脑绕住所散步，并且总是通过相同的接入点接入因特网。从网络的角度看，该用户是移动的吗？试解释之。 与因特网具有无线连接的节点不一定是移动的，比如放在家里的台式电脑通过AP或者无线路由器接入因特网，但长时间是不移动的，不仅一直连接着相同的AP或者无线路由器，甚至物理位置也是不移动的。 而用户带着膝上电脑绕住所散步，由于总是通过相同的接入点接入因特网，从网络的角度看，该用户并没有移动，因为链路层的连接没有任何变化。

1. 永久地址与转交地址之间有什么区别？谁指派转交地址？ 转交地址的网络部分与外部网络相匹配，而永久地址的网络部分与归属网络相匹配。转交地址由外部代理指派。

1. 考虑经移动IP的一条TCP连接。是非判断：在通信者和移动主机之间的TCP连接阶段经过该移动用户的归属网络，但数据传输阶段直接通过该通信者和移动主机，绕开了归属网络。 错误，直接选路和间接选路都需要向归属代理拿到转交地址。

6.7节

1. 在GSM网络中，HLR和VLR的目的是什么？移动IP的哪个元素类似于HLR和VLR？ HLR是Home Location Register的缩写，是一个归属位置注册器的数据库，其中包括它的每个用户的永久蜂窝电话号码以及用户个人概要信息，同时也包括这些用户的当前的位置信息。目的是为了当呼叫移动用户时能够选路到正确的地址。 VLR是Visitor Location Register的缩写，是一个访问者位置注册器的数据库。它为每一个当前在其服务网络中的移动用户包含一个表项，VLR表项因此随着移动用户进入和离开网络而出现或消失。VLR的目的是协调到达或者离开被访网络的呼叫建立。 移动IP中的归属代理类似于HLR，外部代理类似于VLR。

1. 在GSM网络中，锚MSC的作用是什么？ 锚MSC是呼叫首次开始时移动用户所访问的MSC，它因此在整个呼叫持续过程中保持不变。在整个呼叫持续期间，不论移动用户进行多少次MSC间转换，呼叫总是从归属MSC选中到锚MSC，然后再到移动用户当前所在的被访MSC。

6.8节

1. 为了避免单一无线链路降低一条端到端运输层TCP连接的性能，能够采取的三种方法是什么？ - 本地恢复 - TCP 发送方知晓无线链路 - 分离连接方法

习题

1. 考虑在图6-5中单一发送方的CDMA例子。如果发送方的CDMA码是（1，-1，1，-1，1，-1，1，-1），那么其输出（对于所显示的两个数据比特）是什么？ 时隙0输出：（-1，1，-1，1，-1，1，-1，1）； 时隙1输出：（1，-1，1，-1，1，-1，1，-1）。

1. 考虑图6-6中的发送方2，发送方对信道输出是什么（在它加上来自发送方1的信号前）？

时隙0	时隙1

1. 假设在图6-6中的接收方希望接收由发送方2发送的数据。说明通过使用发送方2的代码，（经计算）接收方的确能够将发送方2的数据从聚合信道信号中恢复出来。

1. 对于两个发送方、两个接收方的情形，给出一个包括1和-1值的两个CDMA编码的例子，不允许两个接收方从两个CDMA发送方提取初始传输的比特。 发送方1使用（1，-1），发送方2使用（-1，1），将导致不能从发送方提取初始传输的数据比特，如下图所示：

1. 假设有两个ISP在一个特定的咖啡馆内都提供WiFi接入，并且每个ISP有自己的AP和IP地址块。
1. 进一步假设，两个ISP都意外地配置其AP运行在信道11。在这种情况下，802.11协议是否将完全崩溃？讨论一下当两个各自与不同ISP相关联的站点试图同时传输时，将会发生什么情况。
2. 现在假设一个AP运行在信道1，而另一个运行在信道11。这时将会发生什么变化？
 
回答：
3. 当两个ISP都配置其AP运行在相同的信道11时，802.11协议不会完全崩溃，但是会出现信道干扰和数据包冲突的问题。当两个各自与不同ISP相关联的站点试图同时传输时，它们的数据包会在信道上发生碰撞，导致数据包丢失和重传，从而降低了网络的效率和可靠性。
4. 当一个AP运行在信道1，而另一个运行在信道11时，它们不会相互干扰，因为它们运行在不同的信道上，从而提高了网络的效率和可靠性。

1. 在CSMA/CA协议的第4步，一个成功地传输了一个帧的站点为传输第2个帧，从第2步而非第1步开始CSMA/CA协议。通过不让这样一个站点立即传输第2个帧（即使侦听到信道空闲），CSMA/CA的设计者是基于怎样的基本原理来考虑的呢？

1. 假设一个802.11b站点被配置为始终使用RTS/CTS序列预约信道。假设该节点突然希望发送1000字节的数据，并且所有其他站点此时都是空闲的。作为SIFS和DIFS的函数，并忽略传播时延，假设无比特差错，计算发送该帧和收到确认需要的时间。

1. 考虑在图6-32中显示的情形，其中有四个无线节点A、B、C和D。这四个节点的无线电覆盖范围如图中的椭圆型阴影所示：所有节点共享相同的频率。当A传输时，仅有B能听到/接收到；当B传输时，A和C能听到/接收到；当C传输时，B和D能听到/接收到；到D传输时，仅有C能听到/接收到。
假定现在每个节点都有无限多的报文要向每个其他节点发送。如果一个报文的目的地不是近邻，则该报文必要要中继。假如，如果A要向D发送，来自A的报文必须首先发往B，B再将该报文发送到C，C则再将其发向D。时间是分隙的，报文所用的传输时间正好是一个时隙，如在时隙Aloha中的情况一样。在一个时隙中，节点能够做下列工作之一：（i）发送一个报文（如果它有报文向D转发）；（ii）接收一个报文（如果正好一个报文要向它发送）；（iii）保持静默。如通常情况那样，如果一个节点听到了两个或更多的同时发送，出现冲突，并且重传的报文没有一个能成功收到。你这时能够假定没有比特级的差错，因此如果正好只有一个报文在发送，它将被位于发送方传输半径之内的站点正确收到。
1. 现在假定一个无所不知的控制器（即一个知道在网络中每个节点状态的控制器）能够命令每个节点去做它（无所不知的控制器）希望做的事情，例如发送报文，接收报文，或保持静默。给定这种无所不知的控制器，数据报文能够从C到A传输的最大速率是什么，假定在任何其他源/目的地对之间没有其他报文？
2. 现在假定A向B发送报文，并且D向C发送报文。数据报文能够从A到B且从D到C流动的组合最大速率是多少？
3. 现在假定A向B发送报文且C向D发送报文。数据报文能够从A到B且从C到D流动的组合最大速率是多少？
4. 现在假定无线链路由有线链路代替。在此有线链路的情况下，重复问题a~c。
5. 现在假定我们又在无线状态下，对于从源到目的地的每个数据报文，目的地将向源回送一个ACK报文（假如，如同在TCP中那样）。对这种情况重复上述问题a~c。



 
6. 给定这种无所不知的控制器，数据报文能够从C到A传输的最大速率是1/3，即每个时隙有一个节点可以传输，这样可以最大化传输速率。例如，在第一个时隙中，C可以传输报文，然后在第二个时隙中，A可以接收到该报文并将其转发到B。然后在第三个时隙中，B可以接收该报文并将其转发到A。然后在第四个时隙中，A可以将该数据包传输到C，以此类推。这种方法可以最大化传输速率，因为在每个时隙中都有一个节点可以传输。
7. 数据报文能够从A到B且从D到C流动的最大速率是1/2。例如，在第一个时隙中，A可以传输报文，然后在第二个时隙中，D可以传输报文。然后在第三个时隙中，B可以接收来自A的报文并将其转发到C。然后在第四个时隙中，C可以接收来自D的报文并将其转发到B。这样可以最大化传输速率，因为在每个时隙中有两个节点可以传输。
8. 数据报文能够从A到B且从C到D流动的最大速率是1/4。例如，在第一个时隙中，A可以传输报文，然后在第二个时隙中，C可以传输报文。然后在第三个时隙中，B可以接收来自A的报文并将其转发到C。然后在第四个时隙中，D可以接收来自C的报文并将其转发到B。这样可以最大化传输速率，因为在每个时隙中有四个节点可以传输。
9. 在有线链路的情况下，可以通过交换机和路由器来最大化传输速率。例如，在第一个时隙中，A可以向交换机发送报文。然后，交换机可以将该报文转发到B。然后在第二个时隙中，C可以向交换机发送报文。然后，交换机可以将该报文转发到D。然后在第三个时隙中，B可以向路由器发送报文。然后，路由器可以将该报文转发到C。然后在第四个时隙中，D可以向路由器发送报文。然后，路由器可以将该报文转发到A。这样可以最大化传输速率，因为每个时隙中可以传输两个报文。
10. 在每个数据报文中，目的地将向源回送一个ACK报文，可以使用停-等协议来实现最大化传输速率。例如，在第一个时隙中，A可以传输报文，并等待来自B的ACK报文。然后在第二个时隙中，D可以传输报文，并等待来自C的ACK报文。然后在第三个时隙中，B可以接收来自A的报文并将其转发到C，然后等待来自C的ACK报文。然后在第四个时隙中，C可以接收来自D的报文并将其转发到A，然后等待来自A的ACK报文。这样可以最大化传输速率，因为在每个时隙中都有一个报文可以传输，而且在每个报文传输之后都有一个ACK报文回送。

1. 描述802.15.1蓝牙帧的格式。需要阅读某些课外读物来获取这方面的信息。在帧格式中有哪些东西本质上限制802.15.1网络中主动节点的数量为8个？解释该问题。
 
802.15.1蓝牙帧的格式由一个固定的头和一个变长的有效载荷组成。头包括同步字、帧类型、地址以及其他一些控制信息。有效载荷可以包含数据、命令或响应。
802.15.1网络中主动节点数量的限制是由帧类型字段中的Active Member Address（AMA）位数限制的。AMA字段用于指示蓝牙网络中处于活动状态的节点数量。由于AMA字段的位数为3位，因此最多只能有8个活动节点（）。此外，通过轮换AMA字段中不同的位，可以支持多达200个休眠节点。
 
 

2. 考虑下列理想化的 WiMAX 情形。下游子帧（参见图 6-17）划分为时隙，每子帧为N个下游时隙，且所有时隙具有等长时间。有四个节点A、B、C和D在下游信道上分别以10 Mbps、5 Mbps、2.5 Mbps和1 Mbps速率从基站可达。该基站有无限量的数据要向每个节点发送，并且能在下游子帧中的任何时隙时间发送到节点的任何一个。



1. 假定基站在每个时隙期间能够向它选择的任何节点发送，它能向节点发送的最大速率是多少？你的解决方案公平吗？解释并定义你所讲的“公平”的含义。
2. 如果有每个站点在每个下游子帧期间必须收到等量的数据这样的公平要求，在下游子帧期间基站（向所有节点）的平均传输速率是多少？
3. 假定该公平性准则是在子帧期间任何节点能够接收至多是任何其他节点两倍的数据？解释你是如何得到答案的。
 
4. 假定基站在每个时隙期间能够向它选择的任何节点发送，它能向节点发送的最大速率是40 Mbps，因为在每个时隙中，基站可以向所有四个节点之一发送10 Mbps的数据。这种解决方案不是公平的，因为节点B、C和D将无法以它们的最大传输速率接收数据，而节点A将能够以它的最大传输速率接收数据。 公平的含义是每个节点都能以它的最大传输速率接收数据。
5. 如果有每个站点在每个下游子帧期间必须收到等量的数据这样的公平要求，在下游子帧期间基站（向所有节点）的平均传输速率是10 Mbps，因为在每个下游子帧中，基站可以向所有四个节点分别发送2.5 Mbps的数据，以满足公平要求。这样可以确保每个节点都能以它的最大传输速率接收数据，因此满足了“公平”的含义。
6. 假定该公平性准则是在子帧期间任何节点能够接收至多是任何其他节点两倍的数据，基站（向所有节点）的平均传输速率是7.5 Mbps。在第一个时隙中，基站可以向节点A发送4.5 Mbps的数据，向节点B发送2.5 Mbps的数据，并向节点C发送0.5 Mbps的数据。在第二个时隙中，基站可以向节点A发送2.5 Mbps的数据，向节点B发送1.25 Mbps的数据，并向节点D发送1.25 Mbps的数据。在第三个时隙中，基站可以向节点A发送1.25 Mbps的数据，向节点B发送0.625 Mbps的数据，并向节点C发送2.625 Mbps的数据。在第四个时隙中，基站可以向节点A发送0.625 Mbps的数据，向节点B发送0.3125 Mbps的数据，并向节点D发送0.3125 Mbps的数据。这样可以确保每个节点都能以它的最大传输速率接收数据，并且满足了公平性准则。

1. 在6.5节，一种允许移动用户在外部网络间移动过程中保持其IP地址不变的建议方案是，让外部网络通告一个到该移动用户高度特定的路由，并使用现有的选路基础设施在整个网络中传播这一信息。我们将扩展性作为一种考虑因素。假设移动用户从一个网络移动到另一个网络后，新的外部网络通告一个到移动用户的特定路由，旧的外部网络丢弃其路由。考虑路由信息如何在一个距离向量算法中传播（尤其是对于跨越全球的网络间的域间选路情况）。
1. 一旦外部网络开始通告其路由，其他路由能否立刻将数据报选路到新的外部网络？
2. 不同的路由器有可能认为移动用户位于不同的外部网络吗？
3. 讨论网络中其他路由器最终知道到达移动用户的路径的时间范围。
 
回答如下：
4. 一旦外部网络通告其路由，其他路由器可以立即将数据报选路到新的外部网络。 这是因为，一旦外部网络通告了到达移动用户的特定路由，其他路由器就可以立即学习到该路由，并使用该路由将数据报发送到移动用户。距离向量算法中的路由器会根据最佳路径的信息更新其路由表，因此其他路由器可以立即开始使用新的路由表。
5. 可能会发生这种情况，因为不同的路由器可能会对移动用户所在的外部网络有不同的视角和信息，特别是在全球网络中跨越域间选路时。 不同的路由器可能认为移动用户位于不同的外部网络。这是因为，在一个距离向量算法中，每个路由器只知道与其直接相邻的路由器的距离。当移动用户从一个外部网络移动到另一个外部网络时，新的外部网络通告到移动用户的路由可能需要通过多个中间路由器进行传输，而这些中间路由器可能对于该路由的到达路径和距离有不同的认识。
6. 由于距离向量算法中的路由器只能知道与其相邻的路由器的距离，因此网络中其他路由器最终知道到达移动用户的路径的时间范围取决于路由信息在网络中传播的速度和距离。在全球网络中，这可能需要几个小时或几天的时间。 网络中其他路由器最终知道到达移动用户的路径的时间范围取决于网络的规模和复杂性。在跨越全球的网络中，可能需要很长时间才能使每个路由器都知道到达移动用户的路径。这是因为，距离向量算法需要时间来传播路由信息，而在一个复杂的网络中，路由信息可能需要经过多个中间路由器进行传输。此外，移动用户可能会在不同的外部网络之间反复移动，这也会增加其他路由器获知到达移动用户的路径的时间。