第一章__移動計算基礎(chǔ)

1、移動計算基礎(chǔ)課程目標(biāo)及內(nèi)容n目標(biāo)：了解無線網(wǎng)絡(luò)和移動計算系統(tǒng)的特點及面臨的挑戰(zhàn)，掌握其基本原理及協(xié)議體系，通過上機實踐加深對特定技術(shù)的理解。n內(nèi)容：n無線網(wǎng)絡(luò)（WMAN、WLAN、WPAN）n移動通信協(xié)議（移動IP，無線傳輸控制協(xié)議）n無線網(wǎng)絡(luò)的新進展（ad hoc網(wǎng)絡(luò)）參考書目n移動計算技術(shù)，徐明、曹建農(nóng)、彭偉著，清華大學(xué)出版社n無線移動因特網(wǎng)：體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議、及業(yè)務(wù)，Abbas Jamalipour著， 羅濤 郝建軍等譯，機械工業(yè)出版社 n“Introduction to wireless and mobile systems” 無線與移動系統(tǒng)導(dǎo)論， Dharma Prakash, Agr

2、awal, Qing-An Zeng, 高教出版社影印版。n無線通信與網(wǎng)絡(luò)，William Stallings著，何軍譯，清華大學(xué)出版社第一講 緒論提綱計算機網(wǎng)絡(luò)簡要回顧n無線通信的基本概念n無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)n移動計算的基本概念n移動計算與無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀n信息時代的主體：信息n信息處理的主體：計算機（信息經(jīng)處理后升值）n信息傳輸?shù)闹黧w：網(wǎng)絡(luò)（信息的價值在于流通，并在流動中升值）n通信網(wǎng)絡(luò)形成龐大規(guī)模，為計算機應(yīng)用提供了大舞臺。通信技術(shù)與計算機技術(shù)的融合 -網(wǎng)絡(luò)就是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（network architecture）n一個功能完備的計算機網(wǎng)絡(luò)需要制定一整套復(fù)雜的協(xié)議集;n網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按

3、層次結(jié)構(gòu)來組織的；n網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；n網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實現(xiàn)的功能進行了精確的定義；n體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)是指能夠運行的一些硬件和軟件。 OSI參考模型的結(jié)構(gòu)n 應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)主機主機CCPCCP網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層主機主機CCPCCP網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層OSI參考模型各層的功能 n物理層的主要功能：n利用傳輸介質(zhì)為通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間建立、管理和釋放物理連接；n實現(xiàn)比特流的透明傳

4、輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；n物理層的數(shù)據(jù)傳輸單元是比特。 n數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：n在物理層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)鏈路層在通信的實體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接；n傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包；n采用差錯控制與流量控制方法，使有差錯的物理線路變成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。 n網(wǎng)絡(luò)層的主要功能：n通過路由選擇算法為分組通過通信子網(wǎng)選擇最適當(dāng)?shù)穆窂?；n為數(shù)據(jù)在節(jié)點之間傳輸創(chuàng)建邏輯鏈路；n實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連等功能。n傳輸層的主要功能：n向用戶提供可靠端到端（end-to-end）服務(wù)；n處理數(shù)據(jù)包錯誤、數(shù)據(jù)包次序，以及其他一些關(guān)鍵傳輸問題；n傳輸層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)，是計算機通信體系結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的一層。n會

5、話層的主要功能：n負(fù)責(zé)維護兩個節(jié)點之間的傳輸鏈接，以便確保點-點傳輸不中斷；n管理數(shù)據(jù)交換。n表示層的主要功能：n用于處理在兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式；n數(shù)據(jù)格式變換；n數(shù)據(jù)加密與解密；n數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)。n應(yīng)用層的主要功能:n為應(yīng)用程序提供了網(wǎng)絡(luò)服務(wù);n應(yīng)用層需要識別并保證通信對方的可用性，使得協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間的同步;n建立傳輸錯誤糾正與保證數(shù)據(jù)完整性的控制機制。表表 OSI/RM七層協(xié)議模型總結(jié)七層協(xié)議模型總結(jié)OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層 數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)

6、鏈路層物 理 層傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)CCPCCP網(wǎng) 絡(luò) 層應(yīng)用進程AOSI環(huán)境OSI環(huán)境應(yīng)用進程B主機A主機A主機B主機BA A數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層CCPCCP網(wǎng) 絡(luò) 層A AOSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)流 應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層 數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng)用進程A應(yīng)用進程B比特序列幀分組報文數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)主機A主機A主機B主機BTCP/IP協(xié)議棧 應(yīng)用層應(yīng)用層傳輸層傳輸層互聯(lián)層互聯(lián)層主機- 網(wǎng)絡(luò) 層主機- 網(wǎng)絡(luò) 層 EthernetToken Ring其他協(xié)議ARPRARPIPTCPUD

7、PTelnetFTP SMTPDNS其他協(xié)議TCP/IP 參考模型與 OSI 參考模型的對應(yīng)關(guān)系 應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層OSI參考模型OSI參考模型TCP/IP參考模型TCP/IP參考模型傳 輸 層互 聯(lián) 層主機- 網(wǎng)絡(luò) 層OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較n對OSI參考模型的評價n層次數(shù)量與內(nèi)容選擇不是很好，會話層很少用到，表示層幾乎是空的，數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層有很多的子層插入；nOSI 參考模型將“服務(wù)”與“協(xié)議”的定義結(jié)合起來，使得參考模型變得格外復(fù)雜，實現(xiàn)困難；n尋址、流控與差錯控制在每一層里都重復(fù)出現(xiàn)，降低系統(tǒng)效率；n數(shù)

8、據(jù)安全性、加密與網(wǎng)絡(luò)管理在參考模型的設(shè)計初期被忽略了；n參考模型的設(shè)計更多是被通信的思想所支配，不適合于計算機與軟件的工作方式；n嚴(yán)格按照層次模型編程的軟件效率較低。n對TCP/IP參考模型評價n在服務(wù)、接口與協(xié)議的區(qū)別上不很清楚，一個好的軟件工程應(yīng)該將功能與實現(xiàn)方法區(qū)分開，參考模型不適合于其它非TCP/IP協(xié)議族；n TCP/IP參考模型的主機-網(wǎng)絡(luò)層本身并不是實際的一層；n物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的劃分是必要和合理的， 但是TCP/IP參考模型卻沒有做到這點。 提綱n計算機網(wǎng)絡(luò)簡要回顧無線通信的基本概念n無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)n移動計算的基本概念n移動計算與無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀無線通信:通過電磁波傳輸數(shù)據(jù)

9、調(diào)制解調(diào)調(diào)制無線通信:通過電磁波傳輸數(shù)據(jù)頻譜復(fù)用The total system bandwidth is divided into channels which are allocated to the different users.7C29822.030-Cimini-9/97Code SpaceTimeFrequencyFDMATime is divided into slots which are allocated to the different users.7C29822.031-Cimini-9/97Code SpaceTimeFrequencyTDMATime and ba

10、ndwidth are used simultaneously by different users, modulated by orthogonal or semi- orthogonal codes (e.g. spread spectrum).7C29822.032-Cimini-9/97Code SpaceTimeFrequencyCDMA蜂窩的概念提綱n計算機網(wǎng)絡(luò)簡要回顧n無線通信的基本概念無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)n移動計算的基本概念n無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀OSI模型與無線通信n無線通信通常影響OSI中的三層n物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層n物理層n無線系統(tǒng)中關(guān)鍵資源是無線頻譜，物理層重點是設(shè)計如何有

11、效利用頻譜資源的調(diào)制、信源編碼、信道編碼、信號檢測等技術(shù)n鏈路層n重點是如何在時間上、頻率上或空間上共享頻譜，其中MAC層協(xié)議的設(shè)計尤為重要n路由層n重點是路由和服務(wù)質(zhì)量無線通信的MAC層n在無線通信系統(tǒng)中，如蜂窩移動通信系統(tǒng)，通常做法是將不同的MAC層功能分配給不同的邏輯信道n同步和廣播信道n協(xié)助移動終端接入無線網(wǎng)絡(luò)n通?；景l(fā)送參考信號，移動終端通過監(jiān)聽找到本地基站并與之同步n系統(tǒng)時間、基站ID、幀定時信息等n尋呼和接入信道n為基站和移動終端之間提供信息交換，以便快速建立一個電話呼叫n信息登陸、尋呼、接入n控制信道n為控制信息提供一個通信鏈路n公共控制信道或?qū)Ｓ每刂菩诺纍功率控制、切換n業(yè)

12、務(wù)信道n提供最終用戶之間交換信息的邏輯信道網(wǎng)絡(luò)層n無線通信影響網(wǎng)絡(luò)層的原因n鏈路糾錯的可靠性低于預(yù)期n諸如語音通信等應(yīng)用的實時性要求n終端的移動導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)動態(tài)性跨層通信（cross-layer）nOSI模型缺乏靈活性，不能適應(yīng)條件的變化，必然會降低頻譜和功率的效率n不斷發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)要求支持多種業(yè)務(wù)類型以及服務(wù)質(zhì)量要求，并且要支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化n在研究網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的同時，更要關(guān)注物理層、數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層以及上層之間的互相協(xié)調(diào)配合對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將分散在網(wǎng)絡(luò)各個子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合，以提升整體網(wǎng)絡(luò)的性能。n跨層設(shè)計的思想就是使任意兩層之間能夠互相提供和利用有用信息應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)

13、層數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）物理層n自適應(yīng)是跨層設(shè)計的核心思想，所謂自適應(yīng)就是指協(xié)議棧能夠分析和提取所需信息，并根據(jù)這些信息做出正確反應(yīng)的機制，它既包括協(xié)議棧的上層對下層變化的自適應(yīng)，也包括下層對上層要求的自適應(yīng)n無線網(wǎng)絡(luò)中可能的跨層通信方式提綱n計算機網(wǎng)絡(luò)簡要回顧n無線通信的基本概念n無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)移動計算的基本概念n移動計算與無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀移動計算的概念Mobile Computing is an umbrella term used to describetechnologies that enable people to access network services anywhere,

14、 anytime, and anywayMobile Computing : A technology that allows transmissionof data, via a computer, without having to be connected to a fixed physical link.是一種在任何時間、任何地方、在運動過程中所具有的不間斷訪問數(shù)據(jù)的能力。類似的術(shù)語nNomadic computing: “portable”; no mobility while connectednUbiquitous computing:ncomputing everywhere

15、ORncomputers everywheremost of them invisible nMobile computing: “on-the-go”, e.g., while sitting on a train; possibility of network connections remaining open移動計算的形式移動計算的形式理解計算（computation）n所謂計算，就是從一個符號串 f 變換成另一個符號串 gn計算類型：n數(shù)值計算n符號推導(dǎo)n計算的其它方面n信息存儲n信息交換理解移動（Moblility）n移動問題的四個方面n移動用戶n移動終端n移動網(wǎng)絡(luò)n移動應(yīng)用移動意

16、味著改變nHardwarenLighternMore robustnLower powernWireless communicationnDisconnectionnLow bandwidthnHigh bandwidth variabilitynHeterogeneousnNetwork protocolsnDelay changesnError rate changesnLocation/transparency awarenessnTransparency not always desirable移動意味著改變（續(xù)）nNames/addressesnNames of endpoints

17、may changenSecuritynLighter-weight algorithmsnEndpoint authentication hardernDevices more vulnerablenOperating systemsnNew resources to track and manage: energynApplicationsnChanges in connectivitynChanges in quality of resourcesnAdaptive to terminal移動 vs. 無線n雖然無線網(wǎng)絡(luò)和移動式計算功能通常聯(lián)系在一起，但二者并不完全一樣。n移動計算設(shè)備不

18、一定是無線的。n無線通信是通信系統(tǒng)的一種n某些無線網(wǎng)的計算機不是便攜式的。n軍方或老式建筑物不便于布線的計算機n隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，移動計算系統(tǒng)越來越多采用無線通信移動計算的發(fā)展分布式系統(tǒng)移動計算普適計算移動與無線網(wǎng)絡(luò)移動信息訪問自適應(yīng)應(yīng)用情境感知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)智能傳感設(shè)備移動計算框架n移動計算涉及無線網(wǎng)絡(luò)、計算平臺、應(yīng)用、管理安全提綱n計算機網(wǎng)絡(luò)簡要回顧n無線通信的基本概念n無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)n移動計算的基本概念移動計算與無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展無線通信架構(gòu)無線通信技術(shù)無線個域網(wǎng)（WPAN）無線局域網(wǎng)（WLAN）無線城域網(wǎng)（WMAN）無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀nIDC預(yù)

19、測nWLAN市場預(yù)計每年將增長29%n2007年，在專業(yè)移動PC中安裝WLAN系統(tǒng)的普及率從2002年的9%飆升到90%。nAnalysys公司報告n美國和西歐公共無線局域網(wǎng)（P-WLAN）市場將從2002年的3340萬美元增長到55億美元n美國：2250萬 -28億n西歐：1090萬 -26.4億無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀n無線熱點（hot-spot）n機場、飯店、會議設(shè)施、咖啡廳、火車站nAnalysys公司報告n2002年無線熱點4800 -2007年5.7萬n歐洲1400 -3萬n美國3400 -2.7萬nGartner集團報告全球熱點數(shù)n2002年14752 用戶數(shù)250萬n2005年達15

20、1768 用戶數(shù)930萬美國的無線部署nBoingo Wireless預(yù)測未來美國本土的潛在熱點達200萬個n212 conference centersn3032 train stationsn5352 airportsn53500 hotelsn72727 business centersn202600 gas stationsn480298 restaurants, bars and cafesn1111300 retail stores美國Starbucks連鎖店n2001年加入MobileStar，成為第一個提供Wi-Fi Internet接入服務(wù)的零售業(yè)主歐洲無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀n移動用戶數(shù)n2003年74.9 millionn2007年86.8 millionnWLAN熱點數(shù)n2002年1000n2003年7000n