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1.1 移动分组网技术

移动分组网是移动互联网发展的基础。移动分组网的研究可追溯到20世纪60年代末,其中有两个代表性的研究工作,一个是无线分组交换网ALOHANET,另一个是与ARPA相关的无线分组网PRNET。

1.1.1 无线分组交换网ALOHANET

ALOHANET出现在20世纪60年代末。为了在位于夏威夷各个岛屿上的不同校区之间进行计算机通信,夏威夷大学的诺曼·艾布拉姆森(Norman Abramson)教授和同事们研究了一种以无线广播方式工作的分组交换网——ALOHANET。图1-1给出了ALOHANET的结构。

图1-1 ALOHANET的结构

ALOHANET使用一个共用的无线信道,支持多个节点对这个共用的无线信道进行多路访问。ALOHANET的中心节点是一台位于夏威夷大学瓦胡岛(Oahu)校区的IBM 360主机,它通过学校的无线通信网与分布在各个岛屿校区的终端通信。

ALOHANET最初设计时的最大传输速率为4800bit/s,以后提高到9600bit/s。ALOHANET的信道方向规定是以IBM 360主机为基准,从IBM 360主机到终端的无线信道为下行信道,从终端到IBM 360主机的无线信道为上行信道。下行信道将IBM 360主机的数据分组广播到各个校区的终端,这里不存在冲突问题。但是,当不同校区的终端利用上行信道向IBM 360主机传输数据分组时,就可能出现因同时有两个或两个以上的终端争用一个无线信道而产生冲突的情况。

解决冲突的办法有两种:一种是集中控制的方法,另一种是分布式控制的方法。集中控制是一种传统的方法,需要在系统中设置一个用于控制的中心节点,由中心节点决定哪个终端可以使用共享的上行信道发送数据。但是,由于系统中存在一个中心节点,因此这个中心节点会成为系统性能与可靠性瓶颈。ALOHANET的MAC层采用的是分布式控制的方法,它被称为载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)方法。

对于之后出现的Ethernet的载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)方法、Wi-Fi的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)方法,以及物联网RFID标签与读写器的通信控制方法的研究,CSMA方法具有重要的奠基作用。

从技术传承与发展的角度看,ALOHANET研究为无线分组通信网的技术研究奠定了理论与实验基础。

1.1.2 无线分组网PRNET与卫星分组网SATNET

20世纪70年代初,ARPA资助了无线分组网(PRNET)与卫星分组网(SATNET)项目。

美国旧金山的左德酒吧是很多互联网历史事件的发生地,它是斯坦福研究所(SRI)最早的PRNET实验场所。1976年8月,一辆厢式货车停在左德酒吧门口,SRI的研究人员从货车上抬出一台终端并放在酒吧的一张木桌上,通过一根电缆将终端连接到货车上的无线通信设备,从而接入PRNET。研究人员在终端上输入一条消息,并通过PRNET发送,ARPANET终端上很快就显示了这条消息。这标志着PRNET与ARPANET互连成功。

1975年9月,ARPA决定利用位于美国与英国的民用国际通信4号卫星地面站启动SATNET大西洋网络研究计划。

到20世纪70年代中后期,ARPA建立了三个可运行的网络:ARPANET、PRNET与SATNET。ARPANET与PRNET、SATNET的异构特点表现在通信信道、传输速率、分组结构与长度、报头格式与语义的不同上。因此,研究ARPANET、PRNET与SATNET三个网络的互连,实际上是为了解决异构的有线分组网与无线分组网的互联问题。

1977年6月,研究人员第一次实地进行无线分组跨洋传输的实验。研究人员在一辆行驶在旧金山海滨公路上的厢式货车中,用一台LSI-11计算机通过PRNET向ARPANET的SRI节点发送数据分组,SRI节点将数据分组通过ARPANET发送到东海岸,通过SATNET的地面站与卫星将数据分组发送到挪威,从挪威经海底电缆将数据分组转发到伦敦;伦敦的计算机再通过SATNET的地面站与卫星将数据分组传回美国USC的DECKA-10计算机。数据分组经过如此远距离的传输,没有发生传输错误,证明了TCP/IP的有效性。当时实验系统使用的IP地址中,网络地址长度为8位,主机地址长度是24位。图1-2给出了PRNET与SATNET的示意图。

图1-2 PRNET与SATNET的示意图

“互联网之父”温顿·瑟夫(Vinton G. Cerf)对无线分组网技术的研究很感兴趣,他在1976年加入ARPA之后,主持了PRNET、SATNET与ARPANET等异构网络互联的研究。

1977年11月,斯坦福研究院的一辆厢式货车载着无线分组网的电台行驶在加州高速公路上,车上的无线电设备通过PRNET的一台网关接入ARPANET,数据分组通过ARPANET到达美国东岸的一台网关并接入SATNET,再通过地面站与卫星中转到英国,然后通过ARPANET返回加州。为了监测网络传输的真实效果,车上的计算机屏幕根据接收到的数据生成图像。数据传输是否有错误可以直接从图像的瑕疵中看出来。可喜的是,无线网络的性能很稳定,遇到桥梁等阻挡无线信号的物体时,屏幕上的图像也只是暂停一下,然后在重新收到信号后恢复,没有出现其他错误。这次实验横跨三个网络和两个大洲。温顿·瑟夫回忆,这些数据分组的传送距离达94000英里 ,连一个比特都没有丢失。这个实验证明分组交换技术在无线网络中应用的可行性与通信协议设计的正确性。

另一次实验是模拟实战环境,将接入SATNET的计算机放置在美国空军的飞机上,模拟在ARPANET受到严重破坏时,是否可以通过空中的无线网络系统实现空中无线分组网与地面ARPANET的通信。实验结果表明,在极端的环境下,无线电、卫星、陆上分组网之间的互联方案也是可行的。

PRNET、SATNET开启了无线网络技术研究的先河,证明了分组交换理论在无线通信领域应用的可行性。此后,计算机网络领域的研究人员与移动通信网领域的技术人员分别从不同角度开展了更广泛的无线网络与移动互联网技术的前期研究。

1.1.3 军用无线分组网

1972年,ARPA启动了将分组交换技术移植到军用无线分组网的项目,该项目研究了无线分组交换技术在战场环境的数据通信中的应用。

1.残存性自适应网络

在PRNET项目结束后,ARPA认为尽管PRNET的可行性得到了验证,但是仍然不能支持大型网络环境的工作需要,无线移动分组网技术有几个关键技术问题有待解决。在这样的背景下,ARPA在1983年启动了残存性自适应网络(Survivable Adaptive Network,SURAN)项目。SURAN研究如何将PRNET技术用于支持更大规模的网络,并开发了能够适应战场快速变化的自适应网络协议。SURAN项目的3个具体目标是:

· 开发一种体积小、成本低、功耗少,并能支持更复杂情况的无线分组网协议。

· 开发适合上万个节点的组网方法。

· 开发在有复杂电子干扰条件下可生存的分组无线网技术。

该项目的研究成果之一是研制出了低成本的分组无线电台(LPR)。这是一种数字控制的直接序列扩频无线电台,它的微处理器采用Intel 8086芯片。在LPR的基础上,研究人员提出了支持大规模网络的动态分群网络拓扑分层组网方案。

20世纪70年代末,美国海军研究实验室(NRL)完成了短波自组织网络(HF-ITF)的研究。该系统是采用跳频方式组网的低速无线自组网,通过使用短波频段,采用ALOHANET信道访问控制CSMA方法,将500km范围内的舰艇、飞机、潜艇组成一个无线自组网(Ad Hoc)。

2.全球移动信息系统

1994年,ARPA启动了全球移动信息系统(Global Mobile Information System,GloMo)研究项目。GloMo项目的研究范围几乎覆盖无线通信的所有领域。其中,无线自适应移动信息系统(WAMIS)是基于PRNET研究的一种在多跳、移动环境下支持实时多媒体业务的高速无线分组网。另一个与无线自组网有关的项目是WING。该项目开始于1996年,完成于2000年。WING项目的主要研究目标是如何将无线自组网与互联网无缝连接。

IEFT的移动无线自组网(Mobile Ad Hoc Network,MANET)工作组研究了互联网框架下的无线自组网技术规范。这个工作组在前期工作中开展了适合无线自组网的路由和性能研究,提出了一系列路由算法与改进的协议,为进一步在无线自组网基础上开展无线传感器网络的研究奠定了坚实的基础。 mvLwjWfLNx0HIEUrBf54VtHuNCGQbIhW61eDTQbXEvZTXOjETZ6YMYjVUpOsVac5

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