第7章：无线网络和移动网络（Wireless LAN and Mobile Networks）

一、导读

7.1 本章学习目标

无线网络和移动设备已经成为互联网的主要接入方式。本章讲解无线局域网（WiFi/802.11）、蜂窝网络（4G/5G）、以及移动性管理。

本章的核心学习目标包括：

• 掌握 802.11 WiFi：架构、MAC 协议、帧格式
• 理解蜂窝网络：2G/3G/4G/5G 的演进
• 掌握移动 IP：家乡代理、转交地址
• 理解移动性管理：切换、漫游

7.2 为什么无线网络如此重要

移动设备已经超过了固定设备，成为互联网的主要接入方式。理解无线网络的工作原理，对于开发移动应用、优化网络性能至关重要。

二、核心概念详解

2.1 802.11 WiFi

2.1.1 WiFi 架构

• 基础设施模式：通过 AP（接入点）连接
• 自组织模式：设备之间直接通信

基础设施模式：
[设备1] ──→ [AP] ──→ 互联网
[设备2] ──→ [AP]

自组织模式：
[设备1] ←──→ [设备2]

2.1.2 802.11 MAC 协议

WiFi 使用 CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听多路访问）：

监听信道

信道空闲，等待 DIFS（分布式帧间间隔）

发送 RTS（请求发送）

收到 CTS（允许发送）

发送数据帧

收到 ACK

2.1.3 802.11 帧格式

2.2 蜂窝网络

2.2.1 蜂窝网络的演进

2.2.2 蜂窝网络架构

• MS（移动站）：手机
• BS（基站）：无线接入
• BSC（基站控制器）：控制多个 BS
• MSC（移动交换中心）：核心网

2.3 移动 IP

移动 IP 允许移动节点在不同网络之间移动时保持通信。

• 家乡地址：移动节点的永久地址
• 转交地址：移动节点当前的临时地址
• 家乡代理：家乡网络的路由器
• 外地代理：当前网络的路由器

通信方 → 家乡代理 → 隧道 → 外地代理 → 移动节点

2.4 移动性管理

2.4.1 切换（Handoff）

移动节点从一个基站移动到另一个基站时，需要切换连接。

• 硬切换：先断后连（2G）
• 软切换：先连后断（3G/CDMA）

2.4.2 位置更新

移动节点移动时需要更新位置信息，以便网络能够找到它。

三、重要知识点

3.1 WiFi 与以太网的对比

3.2 5G 的关键技术

• 毫米波：更大带宽
• Massive MIMO：多天线
• 波束赋形：定向传输
• 网络切片：虚拟化网络

3.3 IoT（物联网）

IoT 设备通常使用低功耗广域网（LPWAN）：

• LoRa：长距离、低功耗
• NB-IoT：基于蜂窝网络
• Zigbee：短距离、低功耗

四、常见误区与难点

4.1 误区一："WiFi 信号越强，速度越快"

信号强度只是影响因素之一，干扰、拥塞、距离等都会影响速度。

4.2 误区二："5G 就是更快的 4G"

5G 不仅仅是速度更快，还有低延迟、大连接、网络切片等新特性。

4.3 难点：理解移动 IP 的隧道机制

移动 IP 的隧道封装和解封装过程比较复杂，需要理解家乡代理和外地代理的协作。

五、实践应用

5.1 使用 iwconfig 查看 WiFi 信息

# Linux
iwconfig wlan0

# Mac
/System/Library/PrivateFrameworks/Apple80211.framework/Versions/Current/Resources/airport -I

5.2 使用 inSSIDer 分析 WiFi 信道

inSSIDer 可以扫描周围的 WiFi 网络，分析信道使用情况。

5.3 使用 speedtest 测试网络速度

# 命令行
speedtest-cli

# 网页
www.speedtest.net

六、本章小结

第7章讲解了无线网络和移动网络：

802.11 WiFi 使用 CSMA/CA 协议

蜂窝网络 从 2G 演进到 5G

移动 IP 允许移动节点保持通信

切换 是移动性的关键技术

IoT 使用低功耗广域网

后续章节将讲解多媒体网络。