第七章 第2节

一、802.11 帧结构：为什么 WiFi 帧有 3 个地址？

以太网帧一般是：

目的 MAC 源 MAC

但是 WiFi 帧经常有：

Address 1 Address 2 Address 3 Address 4

原因是：无线中间多了 AP。

比如：H1 手机 / 笔记本 → AP → 路由器 R1

在无线这一跳里，H1 不是直接把帧发给 R1，而是先发给 AP。

所以一个 WiFi 帧要同时说明三件事：

这一跳无线帧发给谁？ 这一跳无线帧是谁发的？ 最终要交给有线网络里的谁？

1. H1 发给 AP，再由 AP 转给 R1

场景：

H1 要访问互联网 H1 先把帧发给 AP AP 再转给路由器 R1

那么 802.11 帧里通常是：

Address 1 = AP 的 MAC Address 2 = H1 的 MAC Address 3 = R1 的 MAC

解释：

Address 1：无线这一跳的接收者 Address 2：无线这一跳的发送者 Address 3：AP 接下来要把帧交给谁

所以可以视作：

A1 看无线这一跳收的人 A2 看无线这一跳发的人 A3 看最终有线侧要交给谁

2. AP 收到后，转成以太网帧

AP 收到 WiFi 帧后，会把它转成普通以太网帧。

以太网帧里：

目的 MAC = R1 MAC 源 MAC = H1 MAC

这里通常：

AP 一般不把源 MAC 改成自己。 它只是桥接转发，所以源 MAC 仍然是 H1。

这和路由器不一样。

路由器转发 IP 包时，每一跳链路层 MAC 都会变；但是 AP 更像二层桥，它帮无线侧转到有线侧。

3. 为什么有 Address 4？

普通 WiFi 基础设施模式通常不用 Address 4。

Address 4 主要用于：

自组织模式 无线桥接 AP 和 AP 之间转发

普通家庭 WiFi / 校园 WiFi：

主机 ↔ AP ↔ 有线网络一般 3 个地址就够了。

二、同一子网中的移动：IP 不变，交换机表更新

假设 H1 原来连接 AP1，后来移动到 AP2。

如果 H1 还在同一个 IP 子网里，比如：

137.196.7.0/24

那么：

H1 的 IP 地址不变 默认网关不变 TCP 连接理论上可以保持

问题是：交换机怎么知道 H1 换 AP 了？

答案是：交换机自学习。

过程

原来 H1 连 AP1 时，交换机表里可能是：H1 MAC → 通向 AP1 的端口

后来 H1 移动到 AP2。

AP2 转发 H1 发出的帧，交换机收到帧后看到：

源 MAC = H1 MAC 进入端口 = AP2 对应端口

于是交换机更新表：

H1 MAC → 通向 AP2 的端口

所以同一子网移动的核心是：

IP 不变 MAC 不变 交换机表更新

三、如果移动到不同子网

同一子网移动比较简单。

但是如果从一个子网移动到另一个子网，比如：

宿舍 WiFi：192.168.1.0/24 教学楼 WiFi：10.20.3.0/24

那么可能发生：

IP 地址改变 默认网关改变 路由路径改变 TCP 连接可能断

所以真正的移动网络要解决：

人动了，IP 会不会变？ IP 变了，连接怎么办？ 连接不断，网络怎么转发？

这就引出后面的蜂窝网络、Mobile IP、LTE 隧道。

四、802.11 高级能力：速率自适应

WiFi 不是一直用固定速率发。

它会根据信道质量调整速率。

核心判断是：

SNR 高：信号好，可以高速率 SNR 低：信号差，要降速

比如：

离 AP 近：信号强，可以用高速模式 离 AP 远：信号弱，改用低速但更稳的模式

这叫：rate adaptation 速率自适应

为什么要降速？

因为高速率调制更“精细”，更容易出错。

朴素比喻：

信号好：可以说得快 信号差：必须说慢一点、清楚一点

所以：

高 SNR → 高速率 低 SNR → 低速率

目的不是单纯追求快，而是让误码率 BER 可接受。

五、802.11 高级能力：功率管理

无线设备要省电。

如果手机 WiFi 模块一直开着听信道，会很耗电。

所以 WiFi 允许设备睡眠。

工作方式

AP 定期发送信标帧 beacon。

beacon 里会告诉各个设备：我这里有没有缓存给你的数据？

如果某个手机在睡觉，AP 先帮它缓存数据。

手机周期性醒来听 beacon。

如果发现 AP 有自己的数据：

手机醒来 向 AP 请求数据 AP 把缓存数据发给手机

如果没有：手机继续睡

六、蓝牙：802.15 个人区域网络

蓝牙属于个人区域网络 PAN。

特点是：

短距离 低功耗 低成本 速率不如 WiFi 高

典型应用：

蓝牙耳机 鼠标 键盘 手环 手机外设

和 WiFi、蜂窝对比：

蓝牙：近距离，小功率，低成本 WiFi：中距离，高速率 4G/5G：大范围覆盖，高移动性

七、蓝牙的核心：主从结构 + 跳频

蓝牙里有：

master：主设备 slave：从设备 parked device：休眠设备

一个蓝牙小网络叫 piconet。

主设备负责协调：

谁什么时候发 使用什么跳频序列 时钟同步 功率控制 轮询

所以蓝牙不是大家乱发，而是主设备安排。

跳频 FHSS

蓝牙使用跳频扩频。

意思是：

通信双方按照约定顺序，不断切换频率

比如：

第 1 个时隙用频率 f1 第 2 个时隙用频率 f7 第 3 个时隙用频率 f3 ……

好处：

抗干扰 某个频点被干扰，也只是影响一小段时间

八、4G / 5G 蜂窝网络：和 WiFi 最大区别

WiFi 是局部网络。

蜂窝网络是运营商级网络。

WiFi 里连 AP；蜂窝里连基站。

WiFi：手机 → AP → 路由器 → Internet 4G/5G：手机 → 基站 → 运营商核心网 → Internet

蜂窝网络多了很多东西：

SIM 身份 运营商认证 基站切换 移动性管理 核心网 隧道 计费 策略控制

所以蜂窝网络比普通 WiFi 复杂得多。

九、4G LTE 架构：几个核心网元

数据路径：

UE → eNodeB → S-GW → P-GW → Internet

然后再记控制相关的东西：

HSS：用户数据库 MME：控制平面的大脑

1. UE

UE 就是用户设备。

比如：

手机 平板 车载设备 IoT 设备

2. eNodeB

4G 的基站叫 eNodeB。

它负责：

无线接入 无线资源调度 和手机通信 和核心网通信 协助认证 协助切换

它有点像 WiFi 里的 AP，但更复杂。

3. HSS

HSS 是归属用户服务器。

可以理解成：运营商的用户数据库

里面存：

这个 SIM 卡是谁 有没有权限 属于哪个运营商 订阅了什么服务 认证信息

4. MME

MME 是控制平面的核心。它不负责转发用户数据，而是负责管理。

功能：

认证 移动性管理 跟踪用户位置 控制切换 建立隧道 管理连接状态

重点：

MME 是控制平面 不在用户数据路径上

5. S-GW 和 P-GW

这两个是数据平面相关。

S-GW：

服务网关 负责移动网络内部的数据转发 移动时保持路径稳定

P-GW：

分组数据网网关 连接外部互联网 可能负责 NAT、IP 分配、策略控制

数据大致走：手机 → 基站 → S-GW → P-GW → Internet

十、LTE 的控制平面和数据平面分离

这个和前面 SDN 的思想能连起来。

控制平面

负责“管”：

认证 注册 位置管理 切换 隧道建立 安全控制

代表：

MME HSS 部分基站控制功能

数据平面

负责“传”：真正转发用户数据

路径：UE → eNodeB → S-GW → P-GW → Internet

控制平面决定怎么走 数据平面负责真的走

十一、LTE 第一跳协议栈

手机到基站这一跳不是普通以太网，而是 LTE 自己的一套协议。

从上到下：

IP PDCP RLC MAC Physical

1. PDCP

负责：

头部压缩 加密

因为无线资源宝贵，能少传一点头部就少传一点。

2. RLC

负责：

分片 重组 可靠传输

如果 IP 包太大，要切成小块。

到了接收端再拼回来。

3. MAC

负责：

无线资源调度 决定谁什么时候发 决定用哪些无线资源

这个比 WiFi 里的随机竞争更“集中调度”。

4. Physical

真正把 bit 变成无线电波发出去。

十二、LTE 为什么要用隧道？

蜂窝网络的核心问题是：

手机会移动 但是上层连接最好别断

所以核心网使用隧道。

典型是：GTP-U over UDP over IP

意思是：

用户 IP 数据报 外面再套一层 GTP 再套 UDP 再套 IP 在运营商核心网里传

十三、LTE 手机接入过程

手机开机或进入一个区域后，大概流程是：

1. 基站周期性广播同步信号 2. 手机扫描频段，找到基站信号 3. 手机同步到基站 4. 获取基站和运营商信息 5. 选择要接入的基站 6. 进行认证 7. 建立控制平面状态 8. 建立数据平面隧道 9. 开始上网

和 WiFi 类似：

WiFi：扫描 AP → 关联 → DHCP → 上网 LTE：搜索基站 → 认证 → 建立承载/隧道 → 上网

但是 LTE 更复杂，因为它涉及运营商核心网。

十四、LTE 休眠模式

手机不能一直保持无线模块高功耗工作。所以 LTE 有休眠机制。

大概有：

轻休眠：约 100ms 级别 深休眠：5~10s 级别

休眠时：

手机周期性醒来 检查有没有下行数据或控制信息 如果有，就恢复活跃 如果没有，继续睡

这和 WiFi 的功率管理本质类似：

牺牲一点即时性 换取更低功耗

十五、全球蜂窝网络：IP 网络的网络

蜂窝网络不是孤立的。

每个运营商都有自己的移动网络 运营商之间互联 运营商网络再接入公共互联网

用户有归属网络：home network

出去漫游时会进入：visited network

比如国内手机号去国外开漫游：

你的身份仍然归国内运营商管理 但无线接入可能用当地运营商基站

这就是：

归属网络 访问网络 漫游 认证 计费 互联

这些概念。

十六、5G：不是单纯“更快的 4G”

5G 的目标不是只提高网速，而是把移动网络变成一种通用基础设施。

核心目标：

更高速率 更低时延 更大连接数 更高可靠性 更灵活部署

1. eMBB

增强移动宽带。

对应：

高清视频 VR / AR 高速下载 普通手机高速上网

关注：

高带宽 大流量

2. URLLC

超可靠低时延通信。

对应：

工业控制 自动驾驶 远程控制 高可靠实时通信

关注：

低时延 高可靠

3. mMTC

海量机器通信。

对应：

物联网 传感器 智能电表 城市设备

关注：

大量设备接入 低功耗 低成本

十七、5G 的几个关键词

1. 毫米波

高频段，带宽大。

优点：

速率高 容量大

缺点：

覆盖范围小 穿墙能力差 容易受遮挡影响 需要更多小基站

2. Massive MIMO

大量天线。

作用：

波束成形 提高容量 减少干扰 增强覆盖

3. 网络切片

同一套物理网络，切成多个逻辑网络。

比如：

普通上网一个切片 工业控制一个切片 自动驾驶一个切片 物联网一个切片

每个切片可以有不同要求：

带宽 时延 可靠性 安全性 计费策略

4. 云化和虚拟化

5G 把很多传统专用硬件功能变成软件功能。

也就是：

网络功能虚拟化 NFV 软件定义网络 SDN 云化核心网 按需部署

十八、这部分总线索

802.11 帧地址：因为有 AP，所以 WiFi 帧比以太网帧多地址。 同一子网移动：IP 不变，交换机通过自学习更新端口。 WiFi 高级功能：速率自适应解决信道变化，功率管理解决省电。 蓝牙：短距离、低功耗、跳频、主从结构。 4G LTE：UE 连接 eNodeB，通过 S-GW、P-GW 接入 Internet； MME 和 HSS 做控制与认证。 LTE 隧道：用 GTP 隧道支持移动性。 5G：更快、更低时延、更多设备，靠毫米波、Massive MIMO、切片、云化实现。

十九、总结

这一段其实是在说：

有线网络里，主机的位置基本不变； WiFi 里，人可能在同一个 LAN 里移动； 蜂窝网络里，人可能跨城市、跨运营商移动； 所以网络必须额外处理“身份、位置、切换、隧道、省电、无线资源调度”。

设备会动 信号会变 电池有限 网络还得不断

这就是无线和移动网络比有线复杂的根本原因。