物联网技术课件第四章网络层

1、1第四章 网络层张光河Email: Website:2大纲 互联网简介 无线宽带网络 无线低速网络 移动通信网络3互联网简介4分层简介 应用层 HTTP，FTP，SMTP，DNS协议；数据单元：报文 传输层 TCP，UDP协议；数据单元：数据段 网络层 IP，ICMP，GMP协议；数据单元：数据包 链路层 MAC协议；数据单元：帧 物理层 数据单元：比特5互联网 互联网简介 应用层 传输层 网络层6为何需要分层结构 网络规模 网络功能7应用层 应用流程 程序状态 数据内容和形式8应用程序构架 客户端服务器模式 服务器直接向所有用户提供服务 成本高，可扩展性差 对等网络模式 每一个网络终端既是资

2、源的使用者也是资源的提供者 扩展性强，资源利用率高 管理困难，服务不稳定9Web的三个重要概念 超文本 超媒体 超文本传输协议（HTTP）10Web的特点 图形化界面 终端的独立性 交互性和动态性11HTTP 是Web的核心，负责Web服务器和客户端应用层之间的通信。定义了服务器和用户之间通信的次序以及数据格式。 服务器端：网页 客户端：浏览器12域名系统 Web服务器在网络上的唯一标识（标识作用） 用来在网络中定位一台Web服务器的标识（定位作用） 根域名系统服务器(13台根域名服务器) 一级域名服务器 权威域名服务器13域名与IP地址 IP是互联网内部使用的标识，有固定的长度，域名没有长度

3、限制。 域名到IP地址的转换：域名系统14传输层 套接字 进程间连接 UDP协议 TCP协议15套接字 应用程序与传输层之间进行通信的一道门，使得当一个网络终端运行多个网络应用程序是，不同应用程序的收发信息不会产生混乱。 套接字需要IP地址和端口号区别同一终端上正在运行的不同应用程序。16进程间连接 发送端的IP地址：标识发起者主机终端 发送端的端口号：标识发起者主机具体进程 接收端的IP地址：标识接收者主机终端 接收端的端口号：标识接收者主机具体进程17UDP User Datagram Protocol，用户数据包协议，为传输层提供简单的不可靠的信息传输服务。协议特点： 数据通讯不需要建立

4、连接较小的启动延迟 数据通讯不需要维护连接状态少量的资源消耗 轻量级的通讯开销较短的数据包格式应用场合： 网络电话，网络视频等数据包延迟造成的危害通常大于数据包丢失 的危害的应用18TCP Transmission Control Protocol，传输控制协议，为上层应用提供可靠的、基于字节流的传输服务。 由于TCP协议所基于的网络层协议（IP协议）不提供可靠传输保障，传输的可靠性完全是由TCP所包含的各种机制实现的。19可靠性传输实现机制 数据分割 数据编号 接收反馈20可靠性传输实现 数据分割 三次握手 数据传输21三次握手 第一次握手：由请求者发起，客户端发起的第一次握手报文称为SYN

5、报文，其中包含发起者第一个真正数据报文的起始编号。 第二次握手：服务器收到SYN报文后发送给客户端的确认信息，称为SYNACK报文，完成第二次握手后，服务器分配网络资源和带宽。 第三次握手：由客户端发送，包含客户端想从服务器获取的数据资源，服务器收请求后，TCP连接成功建立。22TCP协议的特点 面向连接的传输：需通信双方维护连接的状态。 可靠性传输：确保传输不出现丢失和乱序。 流控制：匹配发送端和接收端的速率。 拥塞控制：避免网络过于拥挤，考虑了不同通信方之间的公平性。23网络层 路由器 IP协议24路由器 是网络互联互通的桥梁 路由器通过路由算法选择数据传输路径25IP协议 IPv4协议

6、IPv6协议26IPv4和和IPv6协议的定义 IPv4协议 IPv6协议27IPv4如何过渡到IPv6 在IPv6设备中加入IPv4协议栈使得设备同时支持两种协议。 存在的问题：若通信过程中将IPv6数据包转换成IPv4数据包，则无法还原最初的IPv6数据包。28隧道技术 将IPv6数据包打包为IPv4数据包 构建传输隧道IPv6数据包可以还原29无线宽带网络 传统宽带网络定义 Wi Fi：无线局域网 WiMAX：无线城域网30传统宽带网络定义 带宽超过1.54Mbps（T1网络带宽）的网络可称为宽带网络。 无线宽带网络包括： Wi Fi：无线局域网 WiMAX：无线城域网 3G：无线广域网

7、 UWB：超宽带无线个域网31Wi Fi：无线局域网 Wi Fi（ Wireless Fidelity）是由Wi Fi联盟(Wi Fi Alliance)所持有的一个无线网路通信技术品牌，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。 随着IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称作Wi Fi。32IEEE802.11 IEEE802.11是IEEE制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。 由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组相继

8、推出了一系列802.11标准。 不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道差分等物理层技术上。33802.11无线局域网的发展34共性 MAC层都使用带冲突预防的载波监听多路访问（CSMA/CA）技术 数据链路层数据帧结构相同 都支持基站和自组织两种组网模式35两种组网模式基站模式 无线用户（笔记本电脑、PDA、台式机等）：通过与接入点相关联获取上层网络数据。 接入点（基站）：通过有线网络设备（交换机/路由器）连入上层公共网络。“无线路由器”是接入点和路由器功能的结合体。 自组织模式 无线用户：每个无线网络用户既是数据交互的终端也是数据传输过程中的路由。36信道 802.11

9、b/g：将85MHz的频宽分为11个不同频段的信道。 接入点管理者会为每个接入点指定信道。 不相互干扰的信道中间须隔4个或4个以上其他信道37用户与接入点关联（基站模式） 接入点广播的“识别帧”（包含了接入点的MAC地址和服务集表示符） 用户根据收到的“识别帧”选择与其中一个接入点建立关联38识别帧扫描方式 被动扫描，接入点周期性广播“识别帧”。 主动扫描，首先无线用户主动广播“探测帧”，然后收到“探测帧”的接入点以“回应帧”响应，最后用户根据“回应帧”选择接入点。39介质访问控制协议 避免多个用户同时访问信道 CSMA：（Carrier Sense Multiple Access）用户在发送

10、数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据。 CA：（Collision Avoidence）要求建立数据链路层确认/重传机制以避免冲突。 CD：（Collision Detected）检测冲突。40CSMA/CA：信道访问机制 传输端： 空闲信道:若等待DIFS后信道仍空闲，开始传输数据。 繁忙信道:随机退避;若侦测到信道空闲，减少退避数值;当退避时间结束后开始发送;若没有收到ACK，增大退避间隔 接收端： 接收到数据:等待SIFS后发送ACK41RTS和CTS机制：预留信道 RTS和CTS机制适用于冲突发生概率较高的情境中，如无线网络用户每次都需传输较长数据帧时。 RTS很短，冲突概率较小。

11、但是同时会增加传输延时和降低信道利用率。42WiMAX：无线城域网 WiMAX简介 WiMAX发展历史 WiMAX架构 WiMAX介质访问控制协议43WiMAX简介 WiMAX（ Worldwide Interoperability for Microwave Access ）旨在为广阔区域内的无线网络用户提供高速无线数据传输业务，视线覆盖范围可达112.6千米，非视线覆盖范围可达40千米，带宽70Mbps。 WiMAX技术的带宽足以取代传统的T1型和DSL型有线连接为企业或家庭提供互联网接入业务，可取代部分互联网有线骨干网络提供更人性化多样化的服务。44WiMAX发展历史45WiMAX架构

12、架构 基站以点对多点连接为用户提供服务。这段被称为“最后一英里”（Last Mile）。 基站之间或与上层网络以点对点连接（光纤、电缆、微波）相连。称为“回程”（Backhaul）。 频段 1066GHz（适合视线传输，作为回程连接载波） 211GHz（适合非视线传输，用于最后一英里传输）46WiMAX介质访问控制协议 全双工信道传输：利用WiMAX的宽频特性提供更高效的宽带服务 点到多点传输的可扩展性：指单个WiMAX基站可为多个用户同时提供服务 对QoS的支持：针对不同用户的不同需求提供更优质的数据流服务47无线低速网络 无线低速网络应用背景 无线低速网络协议48无线低速网络应用背景物联网

13、中的节点 低速率 低能量 低通信半径 低计算能力49无线低速网络协议 蓝牙 红外 ZigBee50蓝牙（Bluetooth） 蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发。 采用的是调频技术（frequency hopping spread spectrum），频段范围是2.402GHz 2.480GHz。 通信速率一般能达到1Mbps左右，新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率。 通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。51红外（Infrared) 红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。 特点 红外通信采用

14、的是875nm左右波长的光波通信， 通信距离一般为1米左右。 设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势 缺点 设备之间必须互相可见 对障碍物的衍射较差52ZigBee ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范 802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范53ZigBee 网络层 采用距离矢量路由协议（AODV） 源节点广播一个路由请求给它的所有邻居 邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。 当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。 回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节

15、点到目的节点的路径 这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。54802.15.4 物理层 频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括 868.0 868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道； 902 928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30； 2.4 2.4835GHz世界范围内通用，16个频道。 传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。55移动通信网络 移动通信发展历史 3G通信技术和标准 4G通信技术和标准56第一代移动通信：模拟语音 1928年，美国普度(Purdue University)大学的学生发明了超外差无

16、线电接收机，随后被美国底特律警察局利用并建立了世界上第一个移动通信系统(车载无线电系统)。 1946年，贝尔系统在圣路易斯建立起了第一个可用于汽车的电话系统。 西德、法国和英国分别于1950年、1956年和1959年完成了公用移动电话系统的研制。57IMTS 20世纪60年代，美国开始使用中小容量的改进移动电话系统IMTS（Improved Mobile Telephone Service ）。 IMTS有两个频率分别用于接收和发送功能。 IMTS支持23个信道，频率范围为150450MHz。 在一个大区域中只用一个基站覆盖的设计被成为大区制。大区制有以下特点： 基站覆盖面积大 发射功率大 可

17、用频率带宽有限，系统容量小 适用于专业网，不适合商用58AMPS 1982年，为了解决大区制容量饱和的问题，美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统Advanced Mobile Phone System(AMPS)。 AMPS提出了“小区制”，“蜂窝单元”的概念，是第一种真正意义上的“蜂窝移动通信系统”，同时采用频率复用（Frequency DivisionMultiplexing, FDM）技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求和频谱资源限制的矛盾。 100千米范围之内，IMTS每个频率上只允许一个电话呼叫；AMPS以允许100个10千米的蜂窝单元，从而可以保证每个频率上有1015个电

18、话呼叫。59蜂窝系统 每一个蜂窝单元有一个基站负责接收该单元中电话的信息。 基站连接到移动电话交换局（Mobile Telephone Switching Office, MTSO）。 MTSO采用分层机制，一级MTSO负责与基站之间的直接通信；高级MTSO则负责低级MTSO之间的业务处理。60移交 当电话在蜂窝单元之间移动的时候，基站之间会通信，从而交换控制权，避免信道分配不错导致信号冲突。基站对于电话用户控制权的转换也称为“移交”。 “软移交”：用户通话保持连贯。 “硬移交”：老的基站需要停止用户通话。61蜂窝单元62第二代移动通信： 数字语音 支持传统语音通信、文字和多媒体短信 支持一些

19、无线应用协议 900/1800MHz GSM移动通信 工作在900/1800MHz频段 无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议 800MHz CDMA移动通信 工作在800MHz频段，核心网移动性管理协议采用IS 41协议 无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术63GSM系统简介 GSM是一种蜂窝网络系统，蜂窝单元按照半径可以分为： 宏蜂窝：覆盖面积最广，基站通常在较高的位置，例如山峰 微蜂窝：基站高度普遍低于平均建筑高度，适用于市区内 微微蜂窝：室内，影响范围在几十米以内 伞蜂窝：填补蜂窝间的信号空白区域64GSM后台网络系统 基站系统，包括基站和相关控制器 网络和交

20、换系统，也称为核心网，负责衔接各个部分 GPRS核心网，可用于基于报文的互联网连接，为可选部分 身份识别模块，也称为SIM卡，主要用于保存手机用户数据65CDMA系统 CDMA在蜂窝移动通信网络中的应用容量在理论上可以达到AMPS容量的20倍。 CDMA可以同时区分并分离多个同时传输的信号。CDMA有以下特点： 抗干扰性好 抗多径衰落 保密安全性高 容量质量之间可以权衡取舍 同频率可在多个小区内重复使用66第三代移动通信：数字语音与数据 第三代移动通信（3G）可以提供所有2G的信息业务，同时保证更快的速度，以及更全面的业务内容，如移动办公，视频流服务等。 3G的主要特征是可提供移动宽带多媒体业

21、务，包括高速移动环境下支持144Kbps速率，步行和慢速移动环境下支持384Kbps速率，室内环境则应达到2Mbps的数据传输速率，同时保证高可靠服务质量。 人们发现从2G直接跳跃到3G存在较大的难度，于是出现了一个2.5G（也有人称后期2.5G为2.75G）的过渡阶段。672G迈向3G的过渡产业HSCSDGSM网络的升级版本透过多重时分并行传输，速率比GSM网络快5倍动态提供不同的纠错方式GPRS基于传统GSM的产物改造现有基站系统，利用GSM网络中未使用的TDMA信道，速率可以达到114Kbps立即联机EDGE俗称2.75G，是GPRS到3G之间的过渡产业传输速率可以达到384Kbps主张

22、利用现有的GSM资源683G通信技术和标准 3G发展历程回顾 TD SCDMA W CDMA CDMA2000693G发展历程回顾 1985年FPLTMS概念被提出。 1991年国际电联正式成立TG8/1任务组，专门负责FPLTMS的标准定制工作。 1996年FPLTMS更名为IMT 2000。 1997年ITU向各国发出通函，要求各国在1998年6月之前提交关于IMT 2000无线接口技术的候选方案，一共收到15份有关3G接口的技术方案，其中包括我国自主研究制定的TD SCDMA标准。 2000年5月，国际电联正式公布了第三代移动通信标准，CDMA技术以其特有的优势为众多标准的基础。70TD

23、 SCDMA TDSCDMA（ Time Division Synchronous Code Division Multiple Access ）相比于W CDMA和CDMA2000起步较晚，1998年6月由原邮电部电信科学技术研究院向ITU提出。 TD SCDMA将众多技术融合： SCDMA CDMA和软件无线电同步 TDMA，FDMATD分为： TD SCDMA：提供话音和视频电话等最高下行频率为384Kb/s的数据业务 TD HSDPA：数据业务增强技术，可提供2.8Mb/s的下行速率71呼吸效应 在CDMA系统中，基站的实际有效覆盖面积会随着干扰信号的增强而缩小，反之则会增大。这种覆盖

24、面积随用户数目的增加而收缩的现象为“呼吸效应”。 干扰信号同移动用户的数目是密切相关的； 导致“呼吸效应”的主要原因是CDMA系统是一个自干扰系统； CDMA2000和W CDMA属于同频自干扰系统，邻近用户间自干扰现象明显，从而降低了实际传输速率。72TD SCDMA系统优点 利用低带宽的FDMA和TDMA限制了系统的最大干扰； 在单时隙中应用CDMA技术提高系统容量； 利用联合检测和SDMA技术对客户终端的信号跟踪； 充分利用下行信号能量，最大程度上抑制了客户之间的干扰。 TD SCDMA系统不再是一个自干扰系统，“呼吸效应”基本被消除。73远近效应 “远近效应”：移动通信干扰的另一问题。

25、 手机用户到基站的距离不断变化； 固定的通信功率不仅会造成严重的功率过剩，且可能形成有害的电磁辐射。74如何解决？ 动态调控功率：手机终端依据自己到基站的通信距离动态的调整自己的传输功率，从而尽可能的减少过剩，且依然保证可连通性。75动态信道分配 采用动态信道分配的方式，即根据用户的需求进行实时的动态资源分配，包括频率，时隙和码字等。 动态信道分配不仅提高了信道资源的利用率，且增强了对于网络中负载和干扰变化的适应能力。76W CDMA W CDMA（ Wideband Code Division Multiple Access ）是由爱立信公司提出，3GPP具体制定的基于GSM MAP核心网，

26、UTRAN为无线接口的3G系统。 第一个商用W CDMA网络由日本NTT DoCoMo于2001年推出，也是世界上第一个3G移动电话服务。 中国联通于2009年在中国大陆提供W CDMA服务，并开始提供HSDPA服务（在部分地区还提供HSUPA服务）。 中国香港移动运营商SUNDAY等也都已经架构了W CDMA商用网络。 中国台湾地区3G服务从2005年开始，其中中华电信、台湾大哥大、远传电信等都使用W CDMA系统。77W CDMA技术介绍 上行技术参数主要基于欧洲FMA2方案。下行技术参数主要基于日 本ARIB W CDMA方案。 W CDMA技术主要包括FDD和TDD： FDD：工作在覆盖面积较大的范围内，可以在两个对称频率信道上进 行接收和传送工作 TDD：侧重于业务繁重的小范围内 W