本書系統(tǒng)地介紹移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程;以Wi-Fi與5G 為切入點,深入剖析無線網(wǎng)絡(luò)工作原理與組網(wǎng)方法;系統(tǒng)地討論移動通信網(wǎng)發(fā)展與演變、5G技術(shù)特征與指標、應用場景,以及6G技術(shù)的發(fā)展愿景;系統(tǒng)地介紹移動IPv4與移動IPv6協(xié)議與移動IP的關(guān)鍵技術(shù);系統(tǒng)地介紹無線TCP傳輸機制、傳輸層QUIC協(xié)議的設(shè)計方法與協(xié)議內(nèi)容,以及容遲網(wǎng)DTN技術(shù)體系結(jié)構(gòu)與應用;以云計算到移動云計算、移動云計算到移動邊緣計算為路徑,系統(tǒng)地討論計算遷移基本概念、原理、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu);以移動云存儲、移動流媒體、移動社交網(wǎng)絡(luò)、移動電子商務,以及基于移動云計算的移動位置服務、基于移動邊緣計算的增強現(xiàn)實與CDN應用為例,系統(tǒng)地討論移動互聯(lián)網(wǎng)新的應用系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù);在介紹QoS概念與研究發(fā)展的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論QoE的基本概念、定義、影響因素、評價方法與標準化問題;在分析移動互聯(lián)網(wǎng)面臨新安全威脅的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論移動終端硬件、軟件、應用軟件安全性、5G通信系統(tǒng)安全與挑戰(zhàn),以及移動云計算與移動邊緣計算安全性研究。通過以上內(nèi)容的討論,詮釋移動互聯(lián)網(wǎng)“移動、社交、群智”的特點。
本書是作者的“深入理解網(wǎng)絡(luò)三部曲”的第二部,基于作者30余年的計算機網(wǎng)絡(luò)科研和教學經(jīng)驗編寫而成,力求反映移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程和技術(shù)變遷。無論是計算機相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生,還是從事計算機網(wǎng)絡(luò)研究、教學的教師與技術(shù)開發(fā)人員都能從本書中獲益。
前 言
移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用的發(fā)展可謂日新月異。尤其是在移動通信網(wǎng)技術(shù)方面,我國已經(jīng)實現(xiàn)從“2G跟隨、3G突破、4G同步”到“5G引領(lǐng)”的歷史性跨越。
移動互聯(lián)網(wǎng)的終端移動性使用戶可以采取“隨時、隨地、永遠在線”與“碎片化”的方式訪問互聯(lián)網(wǎng),讓互聯(lián)網(wǎng)觸達社會生活的每個角落。“帶著體溫”的智能手機已成為訪問互聯(lián)網(wǎng)最主要的移動終端設(shè)備,其使用對象覆蓋各個年齡段,與用戶須臾不離、如影隨形。移動互聯(lián)網(wǎng)已成為用戶上網(wǎng)的“第一入口”,并發(fā)展成無處不在、無所不包、無所不能的泛在網(wǎng)絡(luò)。移動互聯(lián)網(wǎng)中的業(yè)務不是簡單地通過智能終端延伸到互聯(lián)網(wǎng)的應用,而是衍生出更多的業(yè)務形式、商業(yè)模式和合作模式,催生出很多新的產(chǎn)業(yè)和應用形態(tài),呈現(xiàn)出與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)以及各行各業(yè)深度融合的趨勢。
隨著5G技術(shù)的大規(guī)模應用,各種新的移動互聯(lián)網(wǎng)應用像雨后春筍一樣蓬勃發(fā)展。在這樣的大背景之下,完成本書的編寫并非易事。在知識點結(jié)構(gòu)與內(nèi)容取舍上,我們著重注意處理以下三個關(guān)系。
1.無線通信底層技術(shù)與高層知識、技能培養(yǎng)的關(guān)系
計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機與通信技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物,它涉及計算機與通信兩方面的知識,以及兩者之間的融合。計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學可以從計算機技術(shù)的角度切入,也可以從通信技術(shù)的角度切入。計算機、電子工程相關(guān)專業(yè)都會開設(shè)計算機網(wǎng)絡(luò)課程,但是這兩類專業(yè)開設(shè)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程在內(nèi)容與教學側(cè)重點上是有差異的。如果我們在計算機專業(yè)的移動互聯(lián)網(wǎng)課程教學中,用比較多的篇幅介紹底層通信知識,讓學生去理解無線傳輸?shù)穆窂綋p耗模型、多徑效應,理解天線的特征阻抗、增益、方向圖,以及討論移動通信網(wǎng)與5G的通信原理,那么就會陷入“詳細介紹則學時不夠、符合學時要求則難以講透”的兩難境地。
在本書內(nèi)容的取舍中,我們試圖從計算機技術(shù)的角度切入,對于底層通信的知識,以“基本、夠用”為講授原則,從而發(fā)揮計算機專業(yè)的優(yōu)勢和特長,將學習重點放到高層的應用知識和技能的講授方面,培養(yǎng)讀者的移動互聯(lián)網(wǎng)應用設(shè)計與實現(xiàn)能力。
2.移動互聯(lián)網(wǎng)中5G與Wi-Fi的關(guān)系
對于計算機專業(yè)的學生而言,移動互聯(lián)網(wǎng)知識是其知識結(jié)構(gòu)中不可或缺的內(nèi)容。學習移動互聯(lián)網(wǎng)知識,繞不過5G與Wi-Fi這兩種技術(shù)。但是,先講5G再講Wi-Fi,還是先講Wi-Fi再講5G,其實是有講究的。蜂窩移動通信網(wǎng)、5G是通信工程專業(yè)的核心知識,它有一套完整的知識體系,需要開設(shè)多門課程,并且學習起來并不容易。那么,我們能否換一個思路,注意一下Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展基礎(chǔ)與特點。Wi-Fi協(xié)議屬于IEEE 802協(xié)議體系,它是計算機專業(yè)的技術(shù)人員研究出的成果。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)又稱為“無線Ethernet”,它是在我們熟悉的IEEE 802.3協(xié)議與Ethernet的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。因此,我們可以先介紹Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),在計算機專業(yè)學生已有的知識結(jié)構(gòu)與思維方式(流程圖、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、進程通信、編程)的基礎(chǔ)上,結(jié)合平時使用的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來介紹無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(如頻段、小區(qū)、漫游、MAC協(xié)議與組網(wǎng)方法)。這樣做的好處是讀者看得見、摸得著Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),理解和接受知識比較容易,同時便于講透蜂窩移動通信網(wǎng)相關(guān)的知識,為進一步學習移動通信網(wǎng)與5G知識奠定基礎(chǔ),收到事半功倍的效果。
3.互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的“變”與“不變”的關(guān)系
縱觀計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程,網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)功能、實現(xiàn)技術(shù)與協(xié)議體系在變化,但是層次結(jié)構(gòu)模型、端-端分析原則與進程通信研究方法沒有發(fā)生本質(zhì)性變化;谶@個認識,在本書中,我們力求用“繼承”的觀點描述移動互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上“不變”的規(guī)則,以“發(fā)展”的觀點闡述移動互聯(lián)網(wǎng)中“變”的技術(shù)。
基于以上考慮,我們在內(nèi)容取舍方面盡量使本書與《深入理解互聯(lián)網(wǎng)》內(nèi)容互補、互不重疊,兩者形成一個有機的整體。
本書包括9章。
第1章系統(tǒng)地介紹了移動分組網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合,以及我國移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
第2章在介紹無線局域網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論了IEEE 802.11的發(fā)展與演變過程、MAC層訪問控制方式、IEEE 802.11數(shù)據(jù)幀,以及無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與Wi-Fi組網(wǎng)方法。以無線網(wǎng)卡硬件為切入點,從計算機組成原理的角度介紹計算機如何接入無線網(wǎng)絡(luò);以操作系統(tǒng)為切入點,從軟件的角度介紹無線網(wǎng)絡(luò)中計算機之間如何協(xié)同工作。
第3章在介紹蜂窩移動通信網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論了蜂窩移動通信網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩移動通信網(wǎng)的發(fā)展歷程,以及5G技術(shù)的發(fā)展與應用。
第4章在介紹移動IP基本概念的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論了移動IPv4、移動IPv6,以及移動IP的關(guān)鍵技術(shù)。
第5章在介紹TCP/UDP的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論了無線TCP傳輸機制、QUIC協(xié)議,以及容遲網(wǎng)技術(shù)的研究背景和體系結(jié)構(gòu)。
第6章沿著“云計算-移動云計算-移動邊緣計算”的思路,系統(tǒng)地討論了計算遷移的基本概念、分類,以及移動邊緣計算的研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
第7章以移動云存儲、移動流媒體、移動社交網(wǎng)絡(luò)、移動電子商務與移動支付、基于移動云計算的位置與導航服務、基于移動邊緣計算的增強現(xiàn)實應用、基于移動邊緣計算的CDN應用為例,系統(tǒng)地討論了移動互聯(lián)網(wǎng)中的應用系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)。
第8章在介紹QoS、QoSR、QoE的概念和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論了QoE的定義、影響因素、體驗質(zhì)量形成過程、體驗質(zhì)量管理、用戶體驗系統(tǒng)的設(shè)計,以及移動互聯(lián)網(wǎng)的QoE評價方法和QoE應用。
第9章在介紹移動互聯(lián)網(wǎng)安全基本概念的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地討論了移動終端的硬件/軟件安全、移動互聯(lián)網(wǎng)應用軟件的安全、IEEE 802.11安全協(xié)議、5G通信系統(tǒng)的安全與挑戰(zhàn),以及移動云計算與移動邊緣計算的安全。
本書第1~5章由吳功宜執(zhí)筆完成,第6~9章由吳英執(zhí)筆完成,全書由吳功宜統(tǒng)稿。吳英設(shè)計并繪制了多幅具有創(chuàng)意的插圖,為本書增色不少。
在本書思路形成與寫作過程中,王志英教授、馬殿富教授、傅育熙教授、周興社教授、金海教授、莊越挺教授、臧斌宇教授、安虹教授、袁春風教授、陳向群教授、陳文光教授的觀點給了作者很多啟發(fā)。與徐敬東教授、張建忠教授、王勁松教授、張健教授、郝剛教授、牛曉光教授、許昱瑋副教授的討論與交流,讓作者獲得了很多創(chuàng)作靈感。
在本書寫作與出版的過程中,作者得到了機械工業(yè)出版社編輯們的幫助與支持,他們提出了很多意見與建議,在此表示感謝。
移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍在迅速發(fā)展,尤其是5G技術(shù)正處于高速發(fā)展和標準化階段,新的技術(shù)、標準與應用不斷涌現(xiàn),在這樣的大環(huán)境下,限于作者的水平,書中難免有不妥之處,希望讀者批評指正。
吳功宜 wgy@nankai.edu.cn
吳英 wuying@nankai.edu.cn
2023年3月
目錄
序
前言
第1章 移動互聯(lián)網(wǎng)概論 / 1
1.1 移動分組網(wǎng)技術(shù) / 1
1.1.1 無線分組交換網(wǎng)ALOHANET / 1
1.1.2 無線分組網(wǎng)PRNET與衛(wèi)星分組
網(wǎng)SATNET / 2
1.1.3 軍用無線分組網(wǎng) / 4
1.2 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) / 5
1.2.1 無線網(wǎng)絡(luò)的分類 / 5
1.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究 / 7
1.3 移動通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合 / 15
1.3.1 從PC發(fā)展看移動通信與互聯(lián)網(wǎng)
的融合 / 15
1.3.2 從手機發(fā)展看移動通信與互聯(lián)網(wǎng)
的融合 / 15
1.3.3 移動互聯(lián)網(wǎng)的特點 / 17
1.3.4 手機功能與結(jié)構(gòu)的演變 / 21
1.4 我國移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 / 21
1.4.1 從網(wǎng)絡(luò)流量變化看我國移動互
聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 / 21
1.4.2 從網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化看我國移動互
聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 / 22
1.4.3 從網(wǎng)絡(luò)應用變化看我國移動互
聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 / 23
參考文獻 / 25
第2章 移動接入技術(shù):Wi-Fi / 27
2.1 無線局域網(wǎng)的基本概念 / 27
2.1.1 無線局域網(wǎng)的發(fā)展背景 / 27
2.1.2 基于Wi-Fi的移動互聯(lián)網(wǎng)層次
結(jié)構(gòu) / 29
2.1.3 IEEE 802.11標準的發(fā)展過程 / 30
2.1.4 無線信號強度的表示方法 / 33
2.1.5 動態(tài)速率調(diào)整機制 / 34
2.1.6 無線信道的劃分與復用 / 36
2.2 IEEE 802.11 / 39
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲類型 / 39
2.2.2 無線通信的特殊性 / 43
2.2.3 SSID與BSSID / 45
2.3 MAC層訪問控制方式 / 46
2.3.1 MAC層協(xié)議支持的訪問控制
方式 / 46
2.3.2 CSMA/CA協(xié)議的實現(xiàn)方法 / 47
2.3.3 CSMA/CA與CSMA/CD的
比較 / 54
2.3.4 管理幀與漫游管理 / 55
2.3.5 控制幀與預約模式 / 60
2.4 IEEE 802.11數(shù)據(jù)幀 / 61
2.4.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) / 61
2.4.2 Wi-Fi的工作原理 / 62
2.5 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與Wi-Fi組網(wǎng)方法 / 66
2.5.1 無線網(wǎng)卡 / 66
2.5.2 無線AP / 70
2.5.3 統(tǒng)一無線網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)控
制器 / 72
參考文獻 / 77
第3章 移動接入技術(shù):5G / 79
3.1 蜂窩移動通信網(wǎng)的基本概念 / 79
3.1.1 無線信道與空中接口 / 79
3.1.2 大區(qū)制與小區(qū)制 / 81
3.1.3 小區(qū)制的無線通信頻率復用
方法 / 82
3.1.4 保證手機在漫游過程中通信
的連續(xù)性 / 83
3.2 蜂窩移動通信網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng) / 84
3.2.1 蜂窩移動通信網(wǎng) / 84
3.2.2 蜂窩移動通信中的移動性管理 / 86
3.2.3 移動節(jié)點的基站切換 / 87
3.2.4 蜂窩移動通信網(wǎng)的安全性管理 / 91
3.2.5 手機結(jié)構(gòu)與功能的演變 / 92
3.3 蜂窩移動通信網(wǎng)的發(fā)展歷程 / 97
3.3.1 從1G到4G / 97
3.3.2 5G / 98
3.3.3 6G / 99
3.4 5G技術(shù)的發(fā)展與應用 / 100
3.4.1 推動5G發(fā)展的動力 / 100
3.4.2 5G的特征與技術(shù)指標 / 104
3.4.3 5G網(wǎng)絡(luò)的小基站 / 106
3.4.4 5G的應用場景 / 107
3.4.5 6G的主要技術(shù)指標與應用
展望 / 114
參考文獻 / 115
第4章 移動IP / 117
4.1 移動IP的概念 / 117
4.1.1 移動IP的研究背景 / 117
4.1.2 移動IP的設(shè)計目標與主要
特征 / 118
4.2 移動IPv4 / 119
4.2.1 移動IP的邏輯結(jié)構(gòu)和基本
術(shù)語 / 119
4.2.2 代理發(fā)現(xiàn) / 121
4.2.3 移動節(jié)點的注冊 / 122
4.2.4 數(shù)據(jù)傳輸 / 124
4.2.5 MAC地址解析 / 125
4.2.6 路由優(yōu)化 / 126
4.3 移動IPv6 / 127
4.3.1 移動IPv6與移動IPv4的比較 / 127
4.3.2 移動IPv6的基本操作 / 129
4.3.3 移動IPv6對IPv6的修改 / 131
4.3.4 移動IPv6通信的類型 / 132
4.4 移動IP的關(guān)鍵技術(shù) / 138
4.4.1 移動切換 / 138
4.4.2 移動IP的安全 / 140
4.4.3 服務質(zhì)量 / 141
4.4.4 移動組播 / 141
參考文獻 / 142
第5章 移動互聯(lián)網(wǎng)傳輸機制 / 144
5.1 TCP傳輸機制及其面臨的挑戰(zhàn) / 144
5.1.1 互聯(lián)網(wǎng)傳輸層協(xié)議的特點 / 144
5.1.2 無線環(huán)境中TCP面臨的挑戰(zhàn) / 148
5.2 無線TCP傳輸機制 / 149
5.2.1 單跳無線TCP傳輸機制 / 149
5.2.2 多跳無線TCP傳輸機制 / 154
5.3 QUIC協(xié)議 / 159
5.3.1 QUIC協(xié)議的基本概念 / 159
5.3.2 QUIC連接 / 162
5.3.3 多路復用與流量控制機制 / 164
5.3.4 擁塞控制和丟包恢復機制 / 166
5.4 容遲網(wǎng)技術(shù) / 167
5.4.1 容遲網(wǎng)的研究背景 / 167
5.4.2 容遲網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) / 169
參考文獻 / 170
第6章 移動云計算與移動邊緣計算 / 172