无线网络
1. 无线网络
1.1 概念
无线站点（wireless host）：运行应用程序的端系统设备，可以是智能手机、平板电脑、物联网设备等，可以移动也可以不移动
无线链路（wireless link）：无线站点通过无线链路连接到基站或其他无线站点，主要特性包括传播速率（数据传输速度）和覆盖区域（信号可覆盖的范围）
基站（base station）：负责在无线网络中与无线站点进行数据的发送和接收，如蜂窝网络中的蜂窝塔或802.11无线局域网中的接入点
关联：无线站点在基站的无线覆盖范围内，并通过该基站进行与更大网络之间的数据中继
切换（handoff/handover）：在移动设备移动过程中，网络系统将设备的连接从一个基站切换到另一个基站的过程
1.2 模式
| 模式 | 架构 | 特点 | 适用 |
|---|---|---|---|
| 基础设施（infrastructure） | 无线站点通过基站与网络连接，基站充当中心节点，负责管理和转发数据 | 扩展性高，可以增加基站来扩展网络覆盖范围 | 家庭网络、校园网络、企业环境和公共场所，提供稳定的无线连接 |
| 自组织网络（ad hoc network） | 无线站点之间通过无线链路直接通信，不需要中心节点或接入点 | 灵活性高，节点可以自由加入或离开网络 | 灾难救援、军事通信、短期活动，无需固定基础设施，易于快速部署 |
| 分类 | 结构 | 特点 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 单跳无基础设施 | 所有无线站点直接彼此通信 | 小范围 | 蓝牙网络 |
| 单跳有基础设施 | 无线站点通过基站与其他无线站点通信 | 高扩展 | 家庭WiFi |
| 多跳无基础设施 | 无线站点通过多个中间节点与其他无线站点通信 | 自组织 | 车载网络 |
| 多跳有基础设施 | 无线站点通过多个基站与其他无线站点通信 | 大范围 | 4G/5G，企业WiFi |
2. 无线链路
2.1 效率
| 特征 | 描述 | 因素 |
|---|---|---|
| 递减的信号强度 | 电磁波在传播过程中，其强度会随着距离的增加而递减，又称为路径损耗（path loss） | 距离、介质、频率 |
| 来自其他源的干扰 | 在同一频段内，来自其他信号源的电磁波对目标信号形成干扰 | 频段重叠、环境噪声、多用户环境 |
| 多路径传播 | 电磁波经过反射、折射或散射，导致接收方收到来自不同路径的多个信号 | 位置的动态变化、物理环境 |
信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）：收到的信号和噪声强度的相对测量，单位是分贝（dB），SNR越大信号质量越好
比特差错率（Bit Error Rate, BER）：接收方收到的有错传输比特的概率
比特传输速率（Bit Rate, BR）：单位时间内传输的比特数量，单位是每秒传输比特数（bps），不同的调制技术有不同的数据传输效率
- 对于给定的调制技术，SNR越高，BER越低：较高的SNR能提供更清晰的信号，使得解调过程中的噪声影响减小
- 对于给定的SNR，调制技术的BR越高，BER越高：较高的BR能够传输更多比特，但同时出错的概率也会越大
- 自适应调制（Adaptive Modulation）：物理层可以根据当前信道条件动态选择适合的调制技术
2.2 CDMA
码片多址（Code Division Multiple Access, CDMA）：是一种无线通信技术，允许多个用户在同一频段上同时传输数据
- 将每个比特时间再划分为 m 个短的时间槽，称为码片（chip）
- 每个节点被指派一个唯一的 m 位码片序列
- 每个节点发送比特1，则发送它的码片序列，发送比特0，则发送它的码片序列的反码
- 来自不同节点的码片序列进行线性相加得到比特序列，实现同时传输
- 接收方使用节点相同码片序列进行解码，从而提取来自不同用户的数据
实现CDMA的前提：
- 码片序列切换的速度要远远大于比特序列到达的速率
- 码片序列之间是相互正交的
数学原理：规格化内积，用于衡量两个向量的相似性
- 码片序列a和码片序列a的规格化内积是1（完全正相关）
- 码片序列a和码片反序列a‘的的规格化内积是-1（完全负相关）
- 码片序列a和与其正交的码片序列b的规格化内积是0（完全不相关）
码片序列为：
A：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
B：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)
C：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)
D：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)
假设发送的比特序列是：
X：(+1 -3 +3 -1 +1 +1 +1 +1)
可以得到：
A：1/8(-1+3-3-1+1-1+1+1)=0，表示A没有发送数据
B：1/8(-1+3+3+1+1+1+1-1)=1，表示B发送比特1
C：1/8(-1-3-3-1+1+1-1-1)=-1，表示C发送比特0
D：1/8(-1-3-3+1-1-1+1-1)=-1，表示D发送比特0
3. WiFi
WiFi（Wireless Fidelity）：无线保真技术，是一种基于 IEEE 802.11 标准的无线局域网技术
- 接入点（Access Point, AP）：是无线站点接入互联网的接口
- 基本服务集（Basic Service Set, BSS）：是 WiFi 网络的最小组成单元，由一个 AP 和与其关联的无线站点组成
- 关联（Association）：是无线站点与接入点之间建立的一条虚拟链路，只有成功关联的站点才能通过 AP 发送和接收数据帧
- 信道号（channel number）：无线频段被分为多条信道，当且仅当相隔4个信道时传输才不会重叠，WiFi 工作在 2.4GHz 和 5GHz 两个频段
- 服务集标识符（Service Set Identifier, SSID）：无线网络的名称，用户通过 SSID 选择并连接到无线网络
一个 AP 可以提供多个 WiFI，但是一个 BSS 只能对应一个 WiFi
WiFi 工作原理
- AP 通过无线电波广播 WiFi 信号
- 无限站点扫描可用的 SSID，并选择目标网络进行连接
- 无限站点发送连接请求，AP 验证无限站点身份，无限站点与 AP 建立连接，通过协议分配 IP 地址
- 无限站点通过无线电波向 AP 传输数据，AP 在无线网络和有线网络之间转发数据
无线站点与AP：
- 如何知晓：被动监听或主动探测
- 如何选择：信号强度（RSSI）或负载情况
- 如何关联：无限站点发送关联请求帧，AP返回关联响应帧
4. 802.11
4.1 隐藏终端
在无线网络中，每个无线站点之间可能无法直接检测到彼此的存在，导致它们同时发送数据，引发信道冲突和性能下降
- 无线信号范围有限：设备的通信范围有限，无法覆盖所有其他设备
- 非对称传输功率：设备的传输功率不同，导致通信范围不对称
- 物理障碍：墙壁、建筑物等障碍物阻挡信号，进一步限制通信范围
4.2 RTS/CTS
原理
- RTS（Request to Send）：是无线站点发送数据前向接入点单播的请求帧，向接入段请求/预约信道的使用权
- CTS（Clear to Send）：是接入点在收到 RTS 后广播的确认帧，通知请求的无线站点信道可用，通知其他站点信道将被占用，避免冲突
- 分布式帧间间隔（Distributed Inter-Frame Space, DIFS）：发送RTS、数据前需要等待的最小时间间隔，用于确保信道长时间处于空闲，而不是瞬时空闲，最大程度避免可能的碰撞
- 短帧间间隔（Short Inter-Frame Space,SIFS）：发送CTS、ACK前需要等待的最小时间间隔，确保在发送方能最快发送关键帧的前提下，接收方有足够的时间来处理关键帧
流程
- 站点检测信道空闲，等待 DIFS
- 如果等待 DIFS 后信道繁忙，进入退避机制
- 如果等待 DIFS 后信道空闲，发送 RTS 帧
- AP 收到 RTS 帧，等待 SIFS，发送 CTS 帧
- 站点收到 CTS 帧，等待 SIFS，发送数据帧
- AP 收到数据帧，等待 SIFS，发送 ACK 帧
4.3 帧结构
帧结构
| 字段 | 长度/字节 | 描述 |
|---|---|---|
| 帧控制 | 2 | 用于区分帧 |
| 持续期 | 2 | 表示该帧和接收ACK帧所需的时间，用于RTS/CTS的机制 |
| 目的地址 | 6 | 接收设备的MAC地址 |
| 源地址 | 6 | 发送设备的MAC地址 |
| BSSID | 6 | BSS接入路由器的MAC地址 |
| 序号控制 | 2 | 帧的序列号，用于排序和重组 |
| 有效载荷 | 0-2312 | 实际要发送的数据，通常是IP数据报或ARP分组 |
| CRC | 4 | 循环冗余校验码，用于检测帧在传输过程中的错误 |
帧控制
| 字段 | 长度/比特 | 描述 |
|---|---|---|
| 协议版本 | 2 | 通常为0表示IEEE 802.11 |
| 类型 | 2 | 指示主要类型：管理帧、控制帧或数据帧 |
| 子类型 | 4 | 进一步细分帧的类型，比如关联请求/响应，RTS/CTS等 |
| 到AP | 1 | 指示当前帧是否发往AP |
| 从AP | 1 | 指示当前帧是否来自AP |
| 更多标识 | 1 | 在分片传输中使用，用于告知接收方，后续还有更多片段需要接收 |
| 重试 | 1 | 表示当前帧是一个重传帧，用于确保可靠传输 |
| 功率管理 | 1 | 指示设备是否处于功率节省模式 |
| 更多数据 | 1 | 在流量控制中使用，告诉接收方是否还有更多数据待发送 |
| WEP | 1 | 指示当前帧是否使用了WEP加密 |
| 保留 | 1 | 供将来使用，通常设置为0 |
4.4 相同子网的移动性
- 信号强度评估：检测到AP1的RSSI越来越小，AP2的RSSI值越来越大
- 切换连接：向AP1发送一个去关联请求，向AP2发送一个关联请求
- 会话保持：如果新的BSS和旧的BSS都属于同一子网，那么站点会通过DHCP续租原先的IP地址，并维持正在进行的会话
- 更新表项：AP2会广播一个以太网帧，更新交换机/路由器以通告站点连接至新AP
4.5 高级特色
| 特色 | 描述 |
|---|---|
| 快速漫游 | 允许用户在不同接入点之间迅速切换而不会中断连接 |
| 速率自适应 | 根据当前和近期的信道特点来选择合适的物理层的调制技术，提高数据传输的可靠性和效率 |
| 功率管理 | 接入点在没有帧要发送和接收时能够进入低功耗/睡眠状态，从而节省能源 |
5. 蓝牙
蓝牙（Bluetooth）：是一种短距离低功耗无线通信技术，又被称为无线个人区域网络（Wireless Personal Area Network,WPAN）和微微网（piconet），工作在2.4GHz工业、科学和医疗频段，与Wi-Fi等其他无线技术共享同一频段
跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS）：以固定的时隙625微秒，发送方和接收方在79个信道频率之间按照预定的跳频序列进行快速同步切换，使得信号能够在多个频段中扩展
- 抗干扰：由于信号在多个频率上分布，因此如果某些频率受到干扰，数据仍可以通过其他未受影响的频率传输，从而显著降低通信失败的概率
- 安全：由于频率不断变化，攻击者难以锁定信号传输路径，从而提高了通信的安全性
- 多设备：由于不同设备使用不同的跳频序列，从而允许多个设备在相同时间内使用不同频段工作而不互相干扰
自组织性
| 设备 | 功能 |
|---|---|
| 主控设备 | 负责控制和管理蓝牙网络，发起连接和数据传输 |
| 客户设备 | 响应主设备的请求，与主设备进行数据交换 |
| 寄放设备 | 处于休眠状态，不与主设备通信，保持配对信息以便未来连接 |
流程
- 邻居发现（Neighbor Discovery）
- 主控设备广播32条询问信号，每条都在不同的频道上，并重复传输序列128次
- 客户设备在它选择的频道上监听，一旦监听到询问信号，客户设备会在隔一个随机时间量后主动发送响应信号
- 主控设备接收到响应信号后，会更新其设备列表，显示所有发现的可连接设备
- 蓝牙寻呼（Bluetooth Paging）
- 主控设备选定客户设备，发送寻呼信号，通知客户要使用的跳频模式以及时钟信息
- 客户设备接收到寻呼信号后，回复响应信号
- 主控设备接收到响应信号后，将使用之前指定的跳频模式与客户设备进行通信
iPhone连接AirPods，iPhone就是主控设备
- 邻居发现阶段允许iPhone识别周围的AirPods，并将其标记为寄放设备
- 用户在iPhone的蓝牙列表中选择连接AirPods
- 蓝牙寻呼阶段允许iPhone连接AirPods，使AirPods成为客户设备并开始进行数据传输
