无线网络技术学习总结
目录
一、计算机网络
1.计算机网络技术概述
功能：
连接终端主机以实现资源共享，即通过有线或无线介质将用户终端连接成大小不一的网络，这些终端主机可彼此直接连通，使用户间的距离大为缩短
发展：
产生阶段、形成阶段、互联互通阶段、高速网络阶段、无线网络和物联网阶段
定义：
将地理位置不同的具有独立功能的多台主机、外设或其他设备通过通信线路进行连接，在网络操作系统、管理软件及通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的完整系统
组成：
技术角度：
- 若干主机：为不同用户提供服务
- 通信子网：一个即可，包括网络设备（交换机、路由器等）和连接彼此的通信链路
- 网络协议：即实现约定的规则，用于主机间或主机和网络设备之间通信
逻辑角度：
- 通信子网：位于网络中心和网络内部（网络设备、通信线路与其他通信设备组成）
- 资源子网：位于网络边缘（主机系统、终端及控制器、联网外设、软件、信息资源等组成）
注：
- 网络设备称为网络节点，一方面与资源子网的主机通信，将主机与终端连入网络，另一方面，在通信子网中负责报文分组的转发，最终将源主机的报文准确发送个目标主机
- 主机是计算机网络的边缘（或叶）节点，一般具备有效的网络地址，可接收和发送数据。通过通信线路连入通信子网
- 终端是用户访问网络的界面
- 网络操作系统是相对于主机操作系统而言的。用于实现不同主机、节点间的通信，以及硬件和软件间的资源共享，提供统一的网络接口，便于用户访问网络
- 网络数据库建立在网络操作系统之上，可集中在一台主机之上（集中式），也可分布多台主机之上（分布式）上，实现数据共享
- 应用系统指依托网络基础的各种具体软件，能满足用户的不同应用需求
2.计算机网络分类
传输技术分类：
- 广播式网络：所有主机网络共享一个公共通信通道，目标地址是全部主机时
- 点对点网络：每两个节点之间存在一条物理信道，可通过中间节点转发，没有信道竞争
网络规模和覆盖范围分类：
| 网络分类 | 最大分布距离 | 跨域地理范围 | 带宽 |
|---|---|---|---|
| 局域网 | 10m | 房间 | 10Mb/s至数个Gb/s |
| 200m | 建筑物 | ||
| 2km | 校园 | ||
| 城域网 | 100km | 城市 | 2Mb/s至数个Gb/s |
| 广域网 | 1000km | 国家或省 | 64kb/s至数个Gb/s |
一般距离越长，传输速率越小
- 局域网：速率高、时间小，误码率低、成本低、应用广、组网方便及使用灵活
- 城域网：范围更大、速率略慢、网络设备较贵、管理更复杂
- 广域网：规模很大，传输速率较慢、误码率较高，网络设备昂贵
网络拓扑结构分类
- 总线网络：
所有节点共享一条链路（安装简单、成本低、安全性低、监控困难，新增节点不方便）
- 星型网络：
中心节点通过点对点的链路连接各节点（易新增站点，数据安全性和与优先级易控制，易实现网络监控，但中心节点故障会使整个网络瘫痪）
- 环型网络：
各节点的通信介质连成一个封闭环形（易安装和监控，但容量有限，网络建成后，新增节点较困难）
- 树状、网状及其他拓扑口结构的网络（都以以上三种为基础）
按传输介质分类：
- 有线网络
- 无线网络
3.无线网络分类
覆盖范围分类：
- 无线个域网
- 无线局域网
- 无线城域网
- 无线广域网
应用目的分类：
- 物联网
- 无线传感网
- 无线体育网和可穿戴设备
二、无线通信和网络仿真技术基础
1.基本概念
无线电频谱：
无线电作为一种电磁波，其频谱范围广，而常用的仅仅只占一小部分。无线电频谱资源是全人类共享的自然资源，在一定的时间、空间、地点是有限的
传输介质：
指数据传送方于接收方之间的物理路径，传输介质分为导向和非导向两类
导向介质一般指有线通信的双绞线、同轴电缆、光纤等
非导向介质一般为无线通信和无线网络使用，如无线光波
无线光波：
指无线传输空间传播的射频频段的电磁波
损耗：
使接收方收到的信号不完全等同于初始信号
衰落：
指因传输介质或路径改变引起的接收信号功率随时间的变换
2.调制
(1)、概述
将输入信息变换为适于信道传输的形式。
信号源信息通常包含直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。
基带信号一般不能直接用于传输，需变换成一个远高的于基带频率的信号，即已调信号
调制过程改变了高频载波的幅度、相位和频率，使其随基带信号幅度而变化（调解过程相反）
(2)、常用方式
模拟调制：
用连续变化的信号调制一个高频正弦波，调制方法：
- 幅度调制：包括调幅、双边带、单边带、残留边带、和独立边带调制
- 角度调制：包括调频和调想
数字调制：
用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制，调制方法：
- 振幅键控：用数字调制信号控制载波通断
- 频移键控：用数字调制信号的正负控制载波频率
- 相位键控：用数字调制信号的正负控制载波相位（正时载波起始相位为0，负为180）
脉冲调制：
用脉冲序列作载波，调制方法：
- 脉幅调制：用调制信号控制脉冲序列的幅度，使其在均值上下随调制信号的瞬值变化
- 脉宽调制：用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的宽度，使单脉冲持续时间与该瞬时调制信号成比例
- 脉位调制：用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置（相位），使脉冲相对位置随调制信号改变
- 脉码调制：首先信号采样，在予以量化，最后进行编码
- 脉频调制：用调制信号控制脉冲重复频率，使频率随调制信号变化
(3)、经典数字调制技术
相移键控调制
相移键控根据数字基带信号，使载波相位在不同数值间切换
正交调幅
同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的比特编码，将多进制与正交载波技术相结合，进一步提高频带利用率
3.扩频
发送方输入的数据首先进入信道编辑器，生成模拟信号，该模拟信号围绕某个中心频率具有相对较窄的带宽。然后使用扩频码或扩展序列进一步调制，通常扩频码由伪随机序列生成器生成。调制后的信号的信道显著增加，即扩展了频谱。接收方使用同一扩频码进行扩解。解扩后的信号通过信道解码器，最终还原为数据
优点：
- 对各类噪音具有免疫性
- 可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩频码，才能恢复原始信息
- 多个用户可独立使用较高的带宽，且几乎无干扰
常见技术：
- 跳频扩频
用一定的扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变
- 直接序列扩频
用高频率的扩频码在发送方直接扩展信号频率，而接收方则用相同的扩频码序列进行解扩，即把频谱扩宽的扩频信号还原成原始信号
4.MIMO
利用多发射、多接收天线进行空间和时间分集，利用天线来抑制信道衰落
如果发送方和接收方都采用了多天线或天线阵列，就构成了无线MIMO系统。
关键技术：
- 信道估计
- 空时信号处理
- 同步
- 分集
三、无线局域网
1.概述
定义：
计算机网络和无线通讯技术相结合的产物，通常指采用无线传输介质的计算机局域网
特点：
优点：
- 移动性：网络和主机迁移方便
- 灵活性：安装简单，组网灵活，可将网络延伸到线缆无法连接到的地方
- 可伸缩性：放置或添加接入点（AP）或扩展点（EP），可扩展组网
- 经济性：在复杂的环境中，可以极大的节省成本和工序
局限：
- 可靠性：信道不可靠，干扰和噪音等都会影响
- 兼容和共存性：不同标准和厂家设备兼容，不同制式，频道，蓝牙等共存
- 带宽和系统容量：带宽、系统容量小于有线网络
- 覆盖范围：覆盖范围小，蜂窝和微蜂窝网状结构，中继和桥接可扩大范围
- 干扰：易受干扰，也容易影响到其他其他无线系统
- 安全性：信息安全和人员安全受到影响
- 能耗：数据收发时，造成不必要的资源浪费
- 多业务和媒体性：
- 移动性：大范围移动和高速移动不完善
分类：
根据频段：
- 专用频段
- 自由频段
根据业务：
- 无连接
- 面向连接
网络拓扑和应用要求：
- 对等、基础架构、接入、中继等
应用：
WALN接入、无线网络互联、定位
2.组成、拓扑结构与服务
(1)、组成
- 站
主机或终端，是WLAN的基本组成单元
- 无线介质
由网络层标准定义
- 无线接入点
类似于移动通信网络的基站，常处于基本服务器（BSA）中心，固定不动
功能：
- 完成其他非AP站的接入访问和同一基础构造模块（BSS）中的不同功能
- 作为桥节点，完成WLAN与分布式系统的桥接功能
- 作为BSS的控制中心，控制和管理其他非AP站
- 分布式系统
为了扩大覆盖范围，可将多个BSA通过分布式系统连接，形成扩展服务器（ESA）
(2)、拓扑结构
- 分布对等式拓扑
- 基础架构集中式拓扑
- ESS网络拓扑
- 中继或桥接型拓扑
(3)、服务
- STA服务
- DS服务
3.IEEE 802.11 协议技术标准的MAC子层规范
MAC子层协议对网络吞吐率、时延等性能有重要影响，还影响小区结构、频谱利用率、系统容量、设备成本、复杂度等。
合理选择MAC子层规范，并根据网络业务特征有效配置信道资源，以提高无线信道资源、系统吞吐量和传输质量
规范：
- 分布式协调功能和帧间间隔
- CSMA/CA
- RTS/CTS
- 点协调功能
- IEEE 802.11e 增强分布式通道存取
- IEEE 802.11ac 的MAC子层机制特点
4.实测实验
四、蜂窝移动通信概述
蜂窝移动通信技术则是在ITU的传统电信领域内最初的电话网络逐步发展而来
发展阶段：
- 模拟蜂窝通信
- 2G/GSM
- 2.5G/GPRS
- 3G/CDMA
- 4G/LTE
- 5G和未来的6G
服务覆盖分两种：
- 带状
- 面状
关注技术细节：
信道分配、小区分裂、天线扇区化、同信道和相邻信道干扰消除、移动性和漫游管理
五、卫星网络
1.概述
卫星通信:
利用人造卫星作为中继站，转发两个或者多个地面站之间进行通信的无线电信号。
卫星网络:
如果在某个微波通信系统中，一些中继站由卫星携带，并且这些卫星之间及卫星和地面之间能进行通信，则卫星在地域上空按一定的轨迹运行而构成的覆盖很广的的通信网络就称为卫星网络
特点：
- 通信距离广、覆盖范围广、费用和通信距离无关
- 便于实现多址连接通信
- 通信频带宽，传输容量大
- 机动灵活
- 通信线路稳定可靠，传输质量高
- 成本与通信距离无关
不足和限制：
- 高可靠和长寿命难以满足
- 发射和控制技术复杂
- 信号传输时延和回声干扰较大
- 存在日凌中断和日蚀现象
分类：
| 分类方式 | 类别 |
|---|---|
| 按卫星制式 | 地球静止轨迹卫星网络、随机轨道卫星网络、地轨道卫星网络 |
| 按覆盖范围 | 国际卫星网络、国内卫星网络、区域卫星网络 |
| 按用户性质 | 公用卫星网络、专用卫星网络、军用卫星网络 |
| 按业务范围 | 固定业务卫星网络、移动业务卫星网络、广播业务卫星网络、科学研究卫星网络 |
| 按信号制式 | 模拟制式卫星网络、数字制式卫星网络 |
拓扑和组网：
- 卫星星座拓扑结构：
- 星型拓扑
- 环形拓扑
- 网状拓扑
- 卫星网络组网方式：
- 基于地面的组网方式
- 基于空间的组网方式
2.应用
- 卫星定位系统：
- 全球定位系统
- 伽利略定位系统
六、MANET路由协议
路由协议概述：
一种将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点的技术
分类：
- 主动路由协议
- 被动路由协议
- 地理位置路由协议
- 地理位置多播路由协议
- 分层路由协议
- 多路径路由协议
- 能耗感知路由协议
- 混合路由协议
经典路由协议：
- DSDV路由协议
描述：
目标序列距离向量协议 通过目标序列号区分新旧路由，消除了路由环路
当路由表发生了重大变化的时候，立即通过广播通告
对于不稳定的路由信息，将延迟广播通告
缺点：
- 可能造成资源浪费，不能够适应快速变化的网络
- 多数路由信息可能从未被使用
- 源节点和目标节点之间可能只有一条路由并且可能不支持单向连接
每个节点周期性的向相邻节点通告自身的路由表，而非采用洪泛法，从而减少通告信息量
通告更新有两种方式：
- 完全转存
- 递增更新
如果节点较长时间没有收到邻居的广播信息，则可认为链路中断(节点不可达)
- AODV路由协议
描述：
自组织按需距离向量（AODV）是应用广泛的按需路由协议之一，包括路由请求、路由响应、路由维护3个过程，依赖RREQ（路由请求）、RREP（路由响应）、RERR（路由错误）及HELLO四类报文
特点：
- 基于传统路由算法机制，算法简单清晰
- 使用目标序列来防止循环发生，解决了无穷计数问题，易于编程实现
- 支持中间主机回答，能使源主机快速获得路由，但可能会有过时路由
- 周期性广播报文，需要消耗一定的能量和网络带宽
- DSR协议
描述：
动态源路由（DSR）协议中，每个移动节点维护一个路由缓冲区
特点：
- 仅在需要通信的节点间维护路由，减少维护路由代价
- 路由缓冲区可进一步路由发现的开销
- 路由缓冲使得在一次路由发现过程中会产生多个到达目标节点的路由
- 支持非对称传输信道模式
- LAR协议
描述：
地理位置辅助路由（LAR）协议融合了地理位置和可选的按需源路由算法，利用节点位置信息发现路由发现的区域，使请求区域更小，减少路由请求信息的数量
特点：
- 使请求区域更小
- 路减少路由请求信息的数量
- ZRP协议
描述：
区域路由协议（ZRP）属于混合分层路由协议，融合主动和被动因素，并基于移动节点间的分隔距离生成重叠区域
特点：
- 满足安全性需求上更有优势
- 能抵御大多数攻击
- 具有可行性
- GPSR协议
描述：
贪心周边无状态路由（GPSR）协议属于地理路由算法，在转发决策中使用直接邻居位置信息，应用邻居节点和终点的地理位置，允许每个节点对全局路由分配做出决策。当一个节点以贪婪算法转发一个包时，它有比自己更接近终点的邻居节点，这个节点就选择距离终点最近的邻居节点来转发该包。当没有这种邻居节点时，数据包进入周围模式，将包向前传送给网络平面字图的临近节点，直到传到距离终点较近的节点，将包转发的方式为贪婪算法模式。
特点：
- 只需要保存一跳邻节点的状态信息，路由开销小
- 随着网络节点数的增加，比距离向量路由（DV）或链路状态路由(LS)有更强的扩展性
- 即使网络内节点移动频繁，GPSR协议都可以基于一跳邻节点的信息，迅速找到替代路由
- DART协议
描述：
动态地址路由协议（DART）协议层次路由协议，通过动态地址机制，在一个大网络中实现可扩展路由，不使用平面寻址方法
特点：
- 基于地址
- 适用于异构网络支持不同类型的链路（无线全向链路，定向链路和有线链路）
- DART协议与MANET应用相兼容
使用情况:
终端节点数量巨大，需要考虑层次路由
- TORA协议
描述：
时序路由算法（TORA）协议采用链路反转分布式算法
特点：
- 具有自适性
- 高效率
- 较好的扩展性
- 适合高度动态移动，多跳的无线网络
七、无线传感器网络
1.无线传感器网络的应用系统架构
WSN涉及数据采集、处理和传输3种功能对应现代信息技术中的传感器技术、计算机技术和通信技术
WSN的三要素是传感器、感知对象、和用户
WSN的宏观系统架构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。汇聚节点也称网关和信宿节点
2.无线传感器网络的节点组成
传感器节点通常由传感模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块、嵌入式软件等组成
- 传感模块：探测目标的物理特征和现象
- 计算模块：负责处理数据和系统管理
- 存储模块：负责存放程序和数据
- 通信模块：负责发送和接收网络管理信息和探测到的数据信息
- 电源模块：负责节点供电
- 嵌入式软件：负责运行网络的各层协议
3.无线传感器网络的节点体系结构
WSN节点由网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台组成
网络通信协议分为：物理层，数据链路层、网络层、传输层、应用层
网络管理平台主要负责对自身节点的管理以及用户对WSN的管理以及用户对WSN的管理，有能量管理、拓扑控制、网络管理、服务质量管理与安全机制
4.无线传感器网络的网络结构
WSN由基站和大量节点组成，WSN的节点往往被任意部署，根据节点的多少，WSN结构往往被分为平面结构和分级结构
5.定向扩散路由协议
以数据为中心、查询驱动的经典路由协议。
工作过程：
- 数据命名
- 兴趣扩散
- 梯度建立
- 路径加强
特点：
- 以数据为中心
- 数据传输在相邻节点间对数据进行扩散，不同于传统端对端的网络通讯
- 算法中节点遵循本地交互原则，只需要了解局部节点的情况，无需了解整个网络拓扑，也不需要特定的节点来计算路由
- 梯度使整个网络适应性比较强，可以根据不同的应用需求选择路由配置的方法
6.Sensor MAC协议
是基于竞争的MAC层协议，利用多跳、短距离通讯以节省能量。通信产生在对等节点间，无基站节点。将网络中的数据作为一个整体来处理，节点采用存储转发模式传输数据
适用：
空闲时间长，可容忍较大时延的场合
机制：
- 周期性监听和休眠机制
- 虚拟簇机制
- 冲突减少和串音避免机制
- 消息传递机制
优点：
- 扩展性良好
- 有效节能并能适应网络规模，节点密度及拓扑结构
- 不要求严格时间同步
不足：
- 节点活动时间无法适应负载的动态变化
- 节点休眠带来的时延会随路径上跳数增加而递增
- 边界节点能量消耗过快
八、无线个域网概述
无线个域网（WPAN）采用无线介质代替传统有线电缆，实现个人信息终端的互联，组建个人信息的网络。
4种无线网络的通信范围：
- WPAN IEEE802.15 10m以内
- WLAN IEEE802.11 100m以内
- WMAN IEEE802.16 10km
- EEAN 蜂窝网络 100km
系统层次：
- 应用软件和程序：驻留在主机上的软件模块组成，控住网络模块的运行
- 固件和软件栈：辅助管理连接建立，并规定和执行QOS要求
- 基带装置：负责数据处理，定义装置运行状态，并与主控制器接口交互
- 无线电收发：负责经D/A(数/模)和A/D（模/数）转换后处理所有的输入输出数据
分类：
| 无线个域网种类 | 通信速率 | 通信距离 | 工作频率 |
|---|---|---|---|
| 低速WPAN | 0.25Mb/s | 10m | 2.4GHz |
| 高速WPAN | 55Mb/s | 10m |
2.4GHz |
| 超高速WPAN |
110Mb/s 200Mb/s 480Mb/s |
10m 4m 4m以下 |
3.1~10.6GHz |
九、物联网
1.物联网标准化，架构，中间件
标准化：
架构：
- 应用层
- 网络层
- 感知层
中间件：
中间件是物联网架构的重点，隐藏了不同技术细节，提高了具体应用开发细节。中间件在简化新设备开发和整合传统技术与新技术中起了关键重要
中间件SOA的架构：
- 应用层
- 服务合成层
- 服务管理层
- 对象抽象层
- 信任、隐私和安全管理
2.物联网的支撑技术
RFID技术：
近场通信技术
无线传感器技术
十、无线车载网络和智能交通的概述
智能交通系统：
将通信、电子、计算机、控制等各种信息技术应用于交通运输行业而形成的信息化、智能化、社会化的新型运输系统
能实时采集、传输和处理交通信息，借助各种技术手段和设备，协调处理各种交通问题，建立实时、准确、高效的总和运输管理系统，充分利用交通设施，实现智能化的交通运输管理
车载网络：
也称为车载自组织网络或者车联网，是智能交通核心技术基础
实现车辆间，车辆与路边基础设施间的无线信息通信，利用各种传感、通信、计算、控制等技术，对车辆、道路和交通进行全面感知，实现大范围，多系统、大容量、高度实时的数据交互，提升交通效率和保障交通安全
十一、无线体域网、室内定位和家居网
1.无线室内定位
定义：
可连续、实时确定物体和个人在物理空间内位置的系统，能持续工作，不断提供目标的更新位置信息，并覆盖设定的区域，可为用户提供定位应用的各种位置信息，包括绝对位置，相对位置和近似位置信息
位置感知计算系统架构：
- 应用层
- 软件位置抽象层
- 位置感知系统层
分类：
- 基于测距的算法：计算节点间的距离或方位以计算实际距离，再进一步计算目标节点的位置，精度较高，硬件要求高
- 测距无关的算法：根据节点连通度等特性预估节点间的逻辑距离，再进一步估算出目标节点的位置，抗噪更好
评价标准：
- 安全和隐私
- 成本
- 性能
- 鲁棒性和容错性
- 复杂性
- 用户喜好
- 局限性
基于无线射频的室内定位应用系统：
- RFID定位系统
- WLAN定位系统
- 蓝牙室内定位系统
- 无线传感网室内定位系统
- UWB室内定位系统
- 蜂窝移动通信网络室内定位
- 无设备定位
使用其他技术的无线室内定位系统：
- 红外线定位系统
- 超声波定位系统
- 磁信号定位系统
- 视觉定位系统
- 声音定位系统
- 可见光室内定位系统
2.无线家居网
无线家居网（WHAN），实现了舒适，高效的室内设施管理、检测和控制
组成：
- 灯控
- 远程控制
- 智能节能
- 远程护理
- 安防
特点和要求：
- 节点密度大，节点数量可能数以百计
- 由于墙等反射表面的存在，住宅是经典的多径环境
- 居家环境易受干扰
- 便于端对端连接，需要多跳信息，中间节点可为其他节点转发数据
- 设备具有可移动性，和射频传播的动态性
- 网络具有自愈性，网络拓扑结构改变造成连接间隙较短
- 支持各种传输模式
- 时延有时不重要，检测紧急情况提供结构，以使用户采取措施
- 通过互联网连接
经典技术：
- ZigBee
- Z-Wave
- INSTEON
- Wavenis
- 基于ip的解决方案
无线家居网的协议的层次结构：
- 物理层
- 链路层
- 网络层
- 应用层
应用示例：
- 灯光控制
- 家电控制
- 环境控制
- 安防控制
- 远程操作
十二、无线网络安全
1.网络安全概述
常见网络安全威胁：
- 密码分析攻击
- 中间人攻击
- 协议漏洞攻击
- 洪泛攻击
网络安全防御技术：
- 密码编码学
- 安全协议
- 防火墙
- 虚拟专网
- 入侵检测系统
2.无线网络安全简史
| 时间 | 历史 |
|---|---|
| 第二次世界大战期间 | 无线攻击和无线窃听出现 |
| 第二次世界大战之后 | 无线信号窃听和干扰技术发展 |
| 20世纪80年代以后 | GSM蜂窝通信标准采用数字信号和秘钥加密技术 |
典型无线网络攻击：
- 无线信道拥塞攻击
- 节点欺骗攻击
- 路由欺骗攻击
- 密码分析
- 篡改攻击
3.无线网络安全的威胁
| 协议栈层次 | 无线网络攻击类型 |
|---|---|
| 应用层 | 淹没攻击、路径DoS攻击、洪泛攻击、软件漏洞攻击等 |
| 传输层 | SYN洪泛、同步失效攻击等 |
| 网络层 |
欺骗、篡改和重放路由攻击、Hello洪泛攻击 选择转发攻击、黑洞攻击、虫洞攻击、女巫攻击等 |
| 数据链路层 | 碰撞攻击、耗尽攻击、不公平攻击等 |
| 物理层 | 干扰攻击、拥塞攻击、节点干扰和破坏攻击等 |
经典安全威胁：
- 干扰和拥塞
- 黑洞攻击
- 虫洞攻击
- 女巫攻击
- 选择转发攻击
- 洪泛攻击
十三、考题分布
一、选择题
二、填空题
三、名词解释
四、简答题
五、论述题（20分）