深入理解移动互联网

本书系统地介绍移动互联网的发展历程；以Wi-Fi与5G 为切入点，深入剖析无线网络工作原理与组网方法；系统地讨论移动通信网发展与演变、5G技术特征与指标、应用场景，以及6G技术的发展愿景；系统地介绍移动IPv4与移动IPv6协议与移动IP的关键技术；系统地介绍无线TCP传输机制、传输层QUIC协议的设计方法与协议内容，以及容迟网DTN技术体系结构与应用；以云计算到移动云计算、移动云计算到移动边缘计算为路径，系统地讨论计算迁移基本概念、原理、系统功能结构；以移动云存储、移动流媒体、移动社交网络、移动电子商务，以及基于移动云计算的移动位置服务、基于移动边缘计算的增强现实与CDN应用为例，系统地讨论移动互联网新的应用系统设计方法与实现技术；在介绍QoS概念与研究发展的基础上，系统地讨论QoE的基本概念、定义、影响因素、评价方法与标准化问题；在分析移动互联网面临新安全威胁的基础上，系统地讨论移动终端硬件、软件、应用软件安全性、5G通信系统安全与挑战，以及移动云计算与移动边缘计算安全性研究。通过以上内容的讨论，诠释移动互联网“移动、社交、群智”的特点。

适读人群 ：高校计算机及相关专业高年级学生、研究生以及移动互联网的研究人员
本书是作者的“深入理解网络三部曲”的第二部，基于作者30余年的计算机网络科研和教学经验编写而成，力求反映移动互联网的发展历程和技术变迁。无论是计算机相关专业的本科生、研究生，还是从事计算机网络研究、教学的教师与技术开发人员都能从本书中获益。

前　言　
移动互联网技术与应用的发展可谓日新月异。尤其是在移动通信网技术方面，我国已经实现从“2G跟随、3G突破、4G同步”到“5G引领”的历史性跨越。
移动互联网的终端移动性使用户可以采取“随时、随地、永远在线”与“碎片化”的方式访问互联网，让互联网触达社会生活的每个角落。“带着体温”的智能手机已成为访问互联网最主要的移动终端设备，其使用对象覆盖各个年龄段，与用户须臾不离、如影随形。移动互联网已成为用户上网的“第一入口”，并发展成无处不在、无所不包、无所不能的泛在网络。移动互联网中的业务不是简单地通过智能终端延伸到互联网的应用，而是衍生出更多的业务形式、商业模式和合作模式，催生出很多新的产业和应用形态，呈现出与云计算、大数据、人工智能等新技术以及各行各业深度融合的趋势。
随着5G技术的大规模应用，各种新的移动互联网应用像雨后春笋一样蓬勃发展。在这样的大背景之下，完成本书的编写并非易事。在知识点结构与内容取舍上，我们着重注意处理以下三个关系。
1.无线通信底层技术与高层知识、技能培养的关系
计算机网络是计算机与通信技术交叉融合的产物，它涉及计算机与通信两方面的知识，以及两者之间的融合。计算机网络课程的教学可以从计算机技术的角度切入，也可以从通信技术的角度切入。计算机、电子工程相关专业都会开设计算机网络课程，但是这两类专业开设的计算机网络课程在内容与教学侧重点上是有差异的。如果我们在计算机专业的移动互联网课程教学中，用比较多的篇幅介绍底层通信知识，让学生去理解无线传输的路径损耗模型、多径效应，理解天线的特征阻抗、增益、方向图，以及讨论移动通信网与5G的通信原理，那么就会陷入“详细介绍则学时不够、符合学时要求则难以讲透”的两难境地。
在本书内容的取舍中，我们试图从计算机技术的角度切入，对于底层通信的知识，以“基本、够用”为讲授原则，从而发挥计算机专业的优势和特长，将学习重点放到高层的应用知识和技能的讲授方面，培养读者的移动互联网应用设计与实现能力。
2.移动互联网中5G与Wi-Fi的关系
对于计算机专业的学生而言，移动互联网知识是其知识结构中不可或缺的内容。学习移动互联网知识，绕不过5G与Wi-Fi这两种技术。但是，先讲5G再讲Wi-Fi，还是先讲Wi-Fi再讲5G，其实是有讲究的。蜂窝移动通信网、5G是通信工程专业的核心知识，它有一套完整的知识体系，需要开设多门课程，并且学习起来并不容易。那么，我们能否换一个思路，注意一下Wi-Fi网络的发展基础与特点。Wi-Fi协议属于IEEE 802协议体系，它是计算机专业的技术人员研究出的成果。Wi-Fi网络又称为“无线Ethernet”，它是在我们熟悉的IEEE 802.3协议与Ethernet的基础上发展起来的。因此，我们可以先介绍Wi-Fi网络，在计算机专业学生已有的知识结构与思维方式（流程图、数据结构、计算机体系结构、操作系统、进程通信、编程）的基础上，结合平时使用的Wi-Fi网络来介绍无线网络的相关知识（如频段、小区、漫游、MAC协议与组网方法）。这样做的好处是读者看得见、摸得着Wi-Fi网络，理解和接受知识比较容易，同时便于讲透蜂窝移动通信网相关的知识，为进一步学习移动通信网与5G知识奠定基础，收到事半功倍的效果。
3.互联网到移动互联网发展中的“变”与“不变”的关系
纵观计算机网络技术从互联网到移动互联网的发展过程，网络的系统功能、实现技术与协议体系在变化，但是层次结构模型、端-端分析原则与进程通信研究方法没有发生本质性变化。基于这个认识，在本书中，我们力求用“继承”的观点描述移动互联网在网络技术上“不变”的规则，以“发展”的观点阐述移动互联网中“变”的技术。
基于以上考虑，我们在内容取舍方面尽量使本书与《深入理解互联网》内容互补、互不重叠，两者形成一个有机的整体。
本书包括9章。
第1章系统地介绍了移动分组网技术、无线网络技术、移动通信与互联网的融合，以及我国移动互联网的发展。
第2章在介绍无线局域网概念的基础上，系统地讨论了IEEE 802.11的发展与演变过程、MAC层访问控制方式、IEEE 802.11数据帧，以及无线网络设备与Wi-Fi组网方法。以无线网卡硬件为切入点，从计算机组成原理的角度介绍计算机如何接入无线网络；以操作系统为切入点，从软件的角度介绍无线网络中计算机之间如何协同工作。
第3章在介绍蜂窝移动通信网概念的基础上，系统地讨论了蜂窝移动通信网与移动互联网、蜂窝移动通信网的发展历程，以及5G技术的发展与应用。
第4章在介绍移动IP基本概念的基础上，系统地讨论了移动IPv4、移动IPv6，以及移动IP的关键技术。
第5章在介绍TCP/UDP的基础上，系统地讨论了无线TCP传输机制、QUIC协议，以及容迟网技术的研究背景和体系结构。
第6章沿着“云计算-移动云计算-移动边缘计算”的思路，系统地讨论了计算迁移的基本概念、分类，以及移动边缘计算的研究与产业发展。
第7章以移动云存储、移动流媒体、移动社交网络、移动电子商务与移动支付、基于移动云计算的位置与导航服务、基于移动边缘计算的增强现实应用、基于移动边缘计算的CDN应用为例，系统地讨论了移动互联网中的应用系统设计方法与实现技术。
第8章在介绍QoS、QoSR、QoE的概念和体系结构的基础上，系统地讨论了QoE的定义、影响因素、体验质量形成过程、体验质量管理、用户体验系统的设计，以及移动互联网的QoE评价方法和QoE应用。
第9章在介绍移动互联网安全基本概念的基础上，系统地讨论了移动终端的硬件/软件安全、移动互联网应用软件的安全、IEEE 802.11安全协议、5G通信系统的安全与挑战，以及移动云计算与移动边缘计算的安全。
本书第1～5章由吴功宜执笔完成，第6～9章由吴英执笔完成，全书由吴功宜统稿。吴英设计并绘制了多幅具有创意的插图，为本书增色不少。
在本书思路形成与写作过程中，王志英教授、马殿富教授、傅育熙教授、周兴社教授、金海教授、庄越挺教授、臧斌宇教授、安虹教授、袁春风教授、陈向群教授、陈文光教授的观点给了作者很多启发。与徐敬东教授、张建忠教授、王劲松教授、张健教授、郝刚教授、牛晓光教授、许昱玮副教授的讨论与交流，让作者获得了很多创作灵感。
在本书写作与出版的过程中，作者得到了机械工业出版社编辑们的帮助与支持，他们提出了很多意见与建议，在此表示感谢。
移动互联网技术仍在迅速发展，尤其是5G技术正处于高速发展和标准化阶段，新的技术、标准与应用不断涌现，在这样的大环境下，限于作者的水平，书中难免有不妥之处，希望读者批评指正。

目录
序
前言
第1章　移动互联网概论 /　1
1.1　移动分组网技术 /　1
1.1.1　无线分组交换网ALOHANET /　1
1.1.2　无线分组网PRNET与卫星分组
　　　　　网SATNET /　2
1.1.3　军用无线分组网 /　4
1.2　无线网络技术 /　5
1.2.1　无线网络的分类 /　5
1.2.2　无线网络技术的研究 /　7
1.3　移动通信与互联网的融合 /　15
1.3.1　从PC发展看移动通信与互联网
　　　　　的融合 /　15
1.3.2　从手机发展看移动通信与互联网
　　　　　的融合 /　15
1.3.3　移动互联网的特点 /　17
1.3.4　手机功能与结构的演变 /　21
1.4　我国移动互联网的发展 /　21
1.4.1　从网络流量变化看我国移动互
　　　　　联网的发展 /　21
1.4.2　从网络规模变化看我国移动互
　　　　　联网的发展 /　22
1.4.3　从网络应用变化看我国移动互
　　　　　联网的发展 /　23
参考文献 /　25
第2章　移动接入技术：Wi-Fi /　27
2.1　无线局域网的基本概念 /　27
2.1.1　无线局域网的发展背景 /　27
2.1.2　基于Wi-Fi的移动互联网层次
　　　　　结构 /　29
2.1.3　IEEE 802.11标准的发展过程 /　30
2.1.4　无线信号强度的表示方法 /　33
2.1.5　动态速率调整机制 /　34
2.1.6　无线信道的划分与复用 /　36
2.2　IEEE 802.11 /　39
2.2.1　网络拓扑类型 /　39
2.2.2　无线通信的特殊性 /　43
2.2.3　SSID与BSSID /　45
2.3　MAC层访问控制方式 /　46
2.3.1　MAC层协议支持的访问控制
　　　　　方式 /　46
2.3.2　CSMA/CA协议的实现方法 /　47
2.3.3　CSMA/CA与CSMA/CD的
　　　　　比较 /　54
2.3.4　管理帧与漫游管理 /　55
2.3.5　控制帧与预约模式 /　60
2.4　IEEE 802.11数据帧 /　61
2.4.1　数据帧结构 /　61
2.4.2　Wi-Fi的工作原理 /　62
2.5　无线网络设备与Wi-Fi组网方法 /　66
2.5.1　无线网卡 /　66
2.5.2　无线AP /　70
2.5.3　统一无线网络与无线局域网控
　　　　　制器 /　72
参考文献 /　77
第3章　移动接入技术：5G /　79
3.1　蜂窝移动通信网的基本概念 /　79
3.1.1　无线信道与空中接口 /　79
3.1.2　大区制与小区制 /　81
3.1.3　小区制的无线通信频率复用
　　　　　方法 /　82
3.1.4　保证手机在漫游过程中通信
　　　　　的连续性 /　83
3.2　蜂窝移动通信网与移动互联网 /　84
3.2.1　蜂窝移动通信网 /　84
3.2.2　蜂窝移动通信中的移动性管理 /　86
3.2.3　移动节点的基站切换 /　87
3.2.4　蜂窝移动通信网的安全性管理 /　91
3.2.5　手机结构与功能的演变 /　92
3.3　蜂窝移动通信网的发展历程 /　97
3.3.1　从1G到4G /　97
3.3.2　5G /　98
3.3.3　6G /　99
3.4　5G技术的发展与应用 /　100
3.4.1　推动5G发展的动力 /　100
3.4.2　5G的特征与技术指标 /　104
3.4.3　5G网络的小基站 /　106
3.4.4　5G的应用场景 /　107
3.4.5　6G的主要技术指标与应用
　　　　　展望 /　114
参考文献 /　115
第4章　移动IP /　117
4.1　移动IP的概念 /　117
4.1.1　移动IP的研究背景 /　117
4.1.2　移动IP的设计目标与主要
　　　　　特征 /　118
4.2　移动IPv4 /　119
4.2.1　移动IP的逻辑结构和基本
　　　　　术语 /　119
4.2.2　代理发现 /　121
4.2.3　移动节点的注册 /　122
4.2.4　数据传输 /　124
4.2.5　MAC地址解析 /　125
4.2.6　路由优化 /　126
4.3　移动IPv6 /　127
4.3.1　移动IPv6与移动IPv4的比较 /　127
4.3.2　移动IPv6的基本操作 /　129
4.3.3　移动IPv6对IPv6的修改 /　131
4.3.4　移动IPv6通信的类型 /　132
4.4　移动IP的关键技术 /　138
4.4.1　移动切换 /　138
4.4.2　移动IP的安全 /　140
4.4.3　服务质量 /　141
4.4.4　移动组播 /　141
参考文献 /　142
第5章　移动互联网传输机制 /　144
5.1　TCP传输机制及其面临的挑战 /　144
5.1.1　互联网传输层协议的特点 /　144
5.1.2　无线环境中TCP面临的挑战 /　148
5.2　无线TCP传输机制 /　149
5.2.1　单跳无线TCP传输机制 /　149
5.2.2　多跳无线TCP传输机制 /　154
5.3　QUIC协议 /　159
5.3.1　QUIC协议的基本概念 /　159
5.3.2　QUIC连接 /　162
5.3.3　多路复用与流量控制机制 /　164
5.3.4　拥塞控制和丢包恢复机制 /　166
5.4　容迟网技术 /　167
5.4.1　容迟网的研究背景 /　167
5.4.2　容迟网的体系结构 /　169
参考文献 /　170
第6章　移动云计算与移动边缘计算 /　172