移动互联网导论

《移动互联网导论（第3版））全面、深入地介绍了移动互联网的基础理论、新兴技术、应用开发等内容，在系统地讲解移动互联网发展历史与应用现状的同时，还介绍了移动互联网未来的发展趋势。本书注重对网络领域前沿知识的涵盖和介绍，在讲解基础理论知识的同时，还引入了比特币、区块链等新兴的移动互联网技术。
本书可作为高等学校计算机专业、通信工程专业、电子与信息专业以及其他相近专业本科生的教科书，也可以作为移动互联网技术人员的参考书。

····························································
目录Contents上篇基 础 理 论
第1章无线通信网络概述3
1.1无线通信网络的历史与发展4
1.2无线通信网络的主要特点5
1.3无线通信网络的基础技术5
1.4无线通信网络的新兴技术7
1.5移动互联网渗透7
习题7
参考文献7
第2章无线电的传播9
2.1有线介质与无线介质9
2.2无线电的传播机制12
2.3天线与天线增益13
2.4路径损耗模型16
2.5多径效应与多普勒效应21
习题23
参考文献23
第3章蜂窝系统原理24
3.1蜂窝系统24
3.2移动性管理25
3.2.1切换管理26
3.2.2位置管理26
3.3区群和频率复用26◆移动互联网导论(第3版)目录3.3.1通过频率复用扩大系统容量27
3.3.2频率复用下的小区规划27
3.3.3六边形小区的几何结构29
3.3.4频率复用比30
3.4同信道与相邻信道干扰31
3.4.1同信道干扰32
3.4.2邻信道干扰33
3.5扩大系统容量的其他方法34
3.5.1小区分裂34
3.5.2定向天线（天线扇区化）35
3.6信道分配策略36
习题37
参考文献37
第4章3G、4G和5G38
4.13G概述38
4.1.1技术起源38
4.1.2标准参数39
4.1.3应用领域42
4.24G44
4.2.1技术层面44
4.2.2概念44
4.2.3系统网络结构45
4.2.4关键技术46
4.2.54G国际标准46
4.2.6性能49
4.35G50
习题50
参考文献50
第5章移动IP52
5.1概述52
5.1.1移动IP的出现背景52
5.1.2移动IP设计目标及设计要求52
5.1.3移动IP的发展历史53
5.2移动IP53
5.2.1基本术语53
5.2.2移动IP的基本操作原理54
5.2.3移动IP的工作过程54
5.2.4移动IP存在的问题64
5.3移动IPv665
5.3.1移动IPv6操作65
5.3.2移动IPv6与移动IPv4的区别68
习题68
参考文献69
人物介绍——互联网之父Vinton G. Cerf70
参考文献70
第6章无线局域网与IEEE 802.11标准71
6.1无线局域网的构成71
6.2无线局域网的拓扑结构72
6.3IEEE 802.11标准家族73
6.3.1IEEE 802.1173
6.3.2IEEE 802.11b73
6.3.3IEEE 802.11a74
6.3.4IEEE 802.11g75
6.3.5IEEE 802.11n75
6.3.6IEEE 802.11ac77
6.3.7IEEE 802.11ad78
6.3.8IEEE 802.11aa79
6.3.9IEEE 802.11af80
6.3.10IEEE 802.11ax81
习题85
参考文献85
第7章无线移动互联网安全86
7.1概述86
7.2无线局域网的安全威胁和安全机制87
7.2.1安全威胁87
7.2.2WEP加密机制87
7.2.3WEP认证机制89
7.2.4IEEE 802.1X认证机制90
725WAPI协议93
7.2.6IEEE 802.11i TKIP和CCMP95
7.3移动网络的安全问题与安全技术99
7.3.1移动通信网络安全问题99
7.3.2移动终端和移动应用的安全问题102
习题105
参考文献105
第8章Ad hoc网络106
8.1Ad hoc网络概述106
8.1.1Ad hoc网络产生背景106
8.1.2Ad hoc网络发展历史106
8.1.3Ad hoc网络定义107
8.1.4Ad hoc网络特点107
8.1.5Ad hoc网络的应用109
8.1.6Ad hoc网络面临的问题109
8.2Ad hoc网络的体系结构110
8.2.1Ad hoc网络的节点结构110
8.2.2Ad hoc网络的拓扑结构111
8.2.3Ad hoc网络协议栈简介112
8.2.4Ad hoc网络的跨层设计113
8.3Ad hoc网络的关键性技术114
8.3.1隐藏终端和暴露终端115
8.3.2Ad hoc网络路由协议119
8.4Ad hoc的服务质量和安全问题129
8.4.1服务质量的概念129
8.4.2跨层模型129
8.4.3Ad hoc网络中的安全问题130
习题133
参考文献134
人物介绍——无线网络专家Dina Katabi教授135
参考文献135
第9章传感器网络136
9.1概述136
9.2无线传感器网络137
9.2.1IEEE 1451与智能传感器137
9.2.2无线传感器网络体系结构139
9.3无线传感器网络的应用141
9.3.1军事应用141
9.3.2医疗卫生应用142
9.3.3环境及农业应用143
9.3.4智能家居应用144
9.3.5其他应用144
9.4无线传感器网络系统145
习题146
参考文献146
人物介绍——图灵奖得主Edmund M. Clarke教授147
参考文献147
第10章物联网148
10.1物联网综述148
10.1.1物联网的历史148
10.1.2物联网的发展近况148
10.1.3物联网的应用150
10.2超宽带无线通信技术153
10.2.1超宽带无线传输技术的历史154
10.2.2超宽带无线传输技术的特点154
10.2.3超宽带无线传输技术的应用156
10.3软件无线电157
10.3.1软件无线电的历史157
10.3.2软件无线电的特点159
10.3.3软件无线电的应用160
10.3.4软件无线电的发展前景160
10.4射频识别161
10.4.1射频识别的历史161
10.4.2射频识别的特点162
10.4.3射频识别的应用163
10.5低功耗蓝牙无线技术163
10.5.1低功耗蓝牙无线技术的历史164
10.5.2低功耗蓝牙无线技术的特点165
10.5.3低功耗蓝牙无线技术的应用165
10.6人体局域网166
10.6.1人体局域网的历史166
10.6.2人体局域网的应用167
10.7认知无线电167
10.7.1认知无线电的历史167
10.7.2认知无线电的特点168
10.7.3认知无线电的应用169
习题171
参考文献172
人物介绍——ACM/IEEE Fellow刘云浩教授173
第11章软件定义网络174
11.1网络发展概述174
11.1.1计算机网络发展现状174
11.1.2计算机网络发展面临的问题175
11.1.3云计算网络176
11.2软件定义网络概述177
11.2.1软件定义网络的发展177
11.2.2软件定义网络的定义178
11.2.3软件定义网络的优势179
11.3软件定义网络关键技术180
11.3.1OpenFlow概述181
11.3.2VXLAN概述183
11.3.3其他关键技术186
11.4软件定义网络标准现状188
11.4.1标准化组织188
11.4.2开源项目189
习题189
第12章比特币与区块链190
12.1比特币概述190
12.1.1比特币的诞生190
12.1.2比特币的发展191
12.2比特币的原理192
12.2.1比特币钱包193
12.2.2比特币交易过程193
12.2.3比特币挖矿过程195
12.3比特币的困难和挑战198
12.4区块链简介199
12.4.1区块链的核心——去中心化199
12.4.2区块链的技术原理201
12.4.3区块链的应用与挑战202
12.5比特币网络中的研究问题204
12.5.1比特币网络中的信息传播204
12.5.2比特币网络中交易信息的回溯207
习题210
参考文献210
第13章智能机器人网络212
13.1智能机器人平台212
13.1.1NAO人形机器人212
13.1.2H20系列人形机器人216
13.1.3国内机器人现状217
13.2网络模块219
13.2.1WiFi219
13.2.2ZigBee221
13.3相关拓展225
13.3.1分布式系统与算法225
13.3.2人工智能226
13.3.3机器学习228
习题231
参考文献231
人物介绍——图灵奖得主Les Valiant教授232
参考文献232
第14章移动智能小车网络233
14.1智能小车的平台233
14.2学术界移动小车机器人的研究应用238
14.2.1蛙跳路径设计 238
14.2.2实时室内地图239
14.2.3全分布式平滑与地图240
14.2.4多合作多机器人估计与控制241
14.2.5局部与全局242
14.3移动智能小车网络在产业界的应用242
14.3.1无人驾驶汽车245
14.3.2无线传感器网络246
习题248
参考文献248
人物介绍——人工智能专家Judea Pearl教授250
参考文献250
第15章四旋翼飞行器在无线网络中的应用251
15.1在物联运输方面的应用251
15.2在自主导航方面的应用252
15.3在遥感测绘方面的应用252
15.4在其他方面的应用252
习题253
参考文献253
人物介绍——机器人专家Vijay Kumar教授254
参考文献254
第16章Android编程与开发255
16.1Android系统的架构256
16.1.1应用程序层256
16.1.2应用程序框架层256
16.1.3系统运行库257
16.1.4Linux内核258
16.2编程环境的搭建258
16.3Android工程260
16.3.1Android程序里的基本概念261
16.3.2安卓应用程序的生命周期264
16.3.3典型例程268
16.3.4网上的资源268
16.4Android手机功能介绍268
16.5Android手机在研究领域的应用269
16.5.1应用 1269
16.5.2应用 2269
16.5.3应用 3270
16.5.4应用 4270
16.5.5应用 5270
16.5.6应用 6272
16.5.7应用 7272
16.5.8应用 8274
16.5.9应用 9275
16.5.10应用 10275
16.5.11应用 11275
16.5.12应用 12276
16.5.13应用 13276
16.5.14应用 14277
16.5.15应用 15277
16.5.16应用 16278
16.5.17应用 17279
16.5.18应用 18280
16.5.19应用 19281
习题282
参考文献283
人物介绍——小米公司创始人雷军285
参考文献285
第17章iOS编程与开发286
17.1iOS系统介绍286
17.1.1开发者计划287
17.1.2iOS框架介绍287
17.1.3应用程序介绍290
17.2iOS开发292
17.2.1窗口293
17.2.2视图293
17.2.3运算符与表达式295
17.2.4Foundation 框架简介297
17.2.5面向对象297
17.2.6内存管理299
17.3典型iOS程序介绍301
17.3.1实例1地图导航301
17.3.2实例2自定义地图的标注302
17.3.3实例3自定义的地图303
17.4iOS程序应用304
17.4.1iOS手机中的传感器304
17.4.2应用1304
17.4.3应用2305
17.4.4应用3305
17.4.5应用4307
习题307
参考文献308
第18章图形码309
18.1一维条形码309
18.1.1一维条形码的分类310
18.1.2一维条形码的应用311
18.2QR码312
18.2.1二维码的诞生312
18.2.2QR码的公开及其普及313
18.2.3QR码标准及其进化313
18.2.4QR码的优点314
18.2.5QR码的符号结构314
18.2.6QR码的特征314
18.2.7版本和规格315
18.2.8QR码的应用316
18.3其他二维码318
18.3.1Data Matrix318
18.3.2PDF417319
18.3.3Aztec码320
18.3.4MaxiCode320
18.3.5EZcode321
18.4高维码321
18.4.1HCCB（高容量彩色条码）321
18.4.2COBRA321
习题323
第19章网络经济学324
19.1博弈论324
19.1.1完全信息静态博弈324
19.1.2完全信息动态博弈329
19.1.3不完全信息静态博弈330
19.1.4不完全信息动态博弈333
19.2拍卖机制334
19.2.1拍卖的要素335
19.2.2拍卖的分类336
19.2.3VCG拍卖341
19.2.4全支付拍卖341
19.3契约理论342
19.3.1契约要素342
19.3.2契约模型343
19.3.3契约可行性344
19.3.4契约理论应用344
19.3.5契约理论小结346
19.4市场理论346
19.4.1市场均衡346
19.4.2用户行为分析348
19.4.3厂家行为分析350
19.5谈判理论350
19.5.1谈判理论的发展历史及分类351
19.5.2纳什谈判理论351
19.5.3纳什谈判理论在无线网络中的应用353
习题354
参考文献355
第20章移动互联网智能化和算法357
20.1智能移动互联网358
20.1.1移动社交网络358
20.1.2基于大规模视频流的实时分析与处理359
20.1.3智慧城市359
20.1.4医疗图像分析系统360
20.1.5互联网金融大数据360
20.2众筹网络360
20.2.1资源调度方案361
20.2.2网络节点激励机制361
20.2.3众筹网络安全机制361
20.3移动互联网的计算361
20.3.1大数据分析——强大的工具361
20.3.2分布式计算363
20.4两个实例364
20.4.1朋友关系预测364
20.4.2车载互联网路由优化365
习题365
参考文献365
第21章移动互联网的工业设计367
21.1移动互联网的产品367
21.1.1产品分类367
21.1.2产品特点369
21.2移动互联网产品的设计和研发370
21.2.1移动互联网产品用户的特点371
21.2.2移动互联网产品的设计原则371
21.2.3移动互联网产品的设计要素372
21.2.4与传统的产品设计的不同点372
习题373
参考文献373
人物介绍——Apple公司创始人乔布斯375
参考文献376
第22章移动互联网游戏377
22.1移动互联网游戏产业链377
22.2移动互联网游戏类型379
22.3移动互联网游戏发展史与经典游戏379
22.4移动互联网游戏的发展前景382
22.5移动互联网游戏公司miHoYo383
习题384
参考文献385
人物介绍——Facebook公司创始人扎克伯格386
第23章互联网的未来及影响387
23.1互联网带来的行业变革387
23.2互联网金融： 数字化时代的金融变革396
23.2.1互联网金融与金融互联网396
23.2.2互联网金融的新模式397
23.2.3互联网金融的未来399
23.3互联网对传统教育的挑战400
23.3.1互联网对传统教育的影响400
23.3.2因特网对教育观念转变的意义400
23.3.3互联网时代现代教育的几个特点401
23.3.4因特网进入现代教育需注意的问题403
23.4互联网所引起的信息安全问题404
23.5移动互联网游戏开发者的攀登珠峰之路405
习题407
参考文献408
人物介绍——阿里巴巴公司创始人马云409
参考文献410
下篇实验
第24章实验1Android开发基础413
第25章实验2Android开发提高416
第26章实验3SDN实验417
第27章实验4Android测量WiFi信号强度423
第28章实验5Android计步器424
第29章实验6iOS开发基础426
第30章实验7iOS开发提高428
致谢431

····························································
第5章chapter5

第5章移 动 IP5.1概述〖*4/5〗5.1.1移动IP的出现背景因特网的飞速发展和移动设备（笔记本电脑、掌上电脑）的大量涌现，推动了人们对移动设备接入网络的研究，人们不再满足于单一的、固定的因特网接入方式，而是希望能够提供灵活的上网方式，移动设备用户希望能够和桌面固定用户一样接入同样的网络，共享网络资源和服务。无线互联网的发展，要求IP网络能够提供对移动性的良好支持。
根据IP地址结构和寻址模式的特点，每一个IP地址都归属一个网络，当把一台桌面计算机从一个网络移动到另一个网络时，首先要从原网络上断开，再连接到新的网络上，并且还要重新配置IP地址。这样的方式对于一个需要频繁移动的移动设备来说，显然不能适用。
在IP网络中，路由决策是由目标IP地址的网络前缀部分决定，这就意味着拥有同一条链路接口的所有网络节点的IP地址必须拥有相同的网络前缀。移动节点对于通信有这样一个要求，即它可以将自己的接入点（PointOfAttachment，POA）从一条链路转向另一条链路，但同时必须保持已有通信不中断，并且在新的链路上使用与原来相同的IP地址。根据现有的IP技术，当一个节点改变链路时，其IP地址的网络前缀必然要发生改变，这就意味着基于网络前缀的路由算法无法将数据包传送到节点的当前位置。移动IP提供了一种机制，使得一个移动节点可以连接到任意链路，但同时可以不必改变其永久IP地址。
移动IP是因特网针对节点的移动特性在网络层提出的一种解决方案。事实上，可以将移动IP看作一种路由协议，它在特定节点建立路由表，以保证IP数据包可以被传送到那些未连接在家乡链路上的节点处。
5.1.2移动IP设计目标及设计要求
移动IP协议作为节点移动性带来的若干问题的一种解决方案，其设计应当满足以下几点基本要求。◆移动互联网导论(第3版)第◆5章移动IP(1) 一个移动节点在改变其链路层的接入点之后应当仍然能够与其他节点进行通信，这意味着基于网络前缀的路由算法不能继续使用。
(2) 一个移动节点通信时，应当只需要使用其家乡（永久）IP地址，无论其当前的接入点在哪里，都意味着那些需要改变IP地址的解决方案是不可行的。
(3) 一个移动节点应当能够与那些没有移动IP功能的固定设备进行通信，而不需要修改协议。
(4) 考虑到移动节点通常是使用无线方式接入，涉及无线信道带宽、误码率与电池供电等因素，应尽量简化协议，减少协议开销，提高协议效率。
(5) 移动节点不应比Internet上的其他节点面临新的或更多的安全威胁。
基于以上几点要求，移动IP的设计目标如下。
(1) 包括移动IP在内的所有协议都需要传送网络中各种节点的路由更新。因此，移动IP的一个设计目标就是使得这些更新的规模和频率尽量小。
(2) 移动设备的内存和处理器的处理能力通常都是有限的，因此，移动IP的设计应当尽量简洁，以保证这些设备上的相关软件的实现较为简易。
(3) 由于IPv4地址空间的有限性，移动IP的设计应当尽量避免出现一个节点同时拥有多个地址的情况。如果使用的是IPv6地址，则不需要考虑这一点，因为IPv6的地址空间要远大于IPv4。
5.1.3移动IP的发展历史
移动IP的研究始于1992年。1992年，IETF成立移动IP工作组，并开始制定移动IPv4的标准草案。研究IPv4的主要文档包括RFC 2002（定义了移动IPv4），RFC 1701、RFC 2003与RFC 2004（定义了移动IPv4中的3种隧道技术），RFC 2005（定义了移动IPv4的应用）以及RFC 2006（定义了移动IPv4的管理信息库 MIB）。1996年6月，IESG通过了移动IP标准草案，同年11月公布建议标准。
5.2移动IP
下面具体讲解移动IP及其算法，首先给出移动IP中的两点假设。
(1) 假设单播数据包（即只有一个接收者的那些数据包）的路由不需要使用其源IP地址。也就是说，移动IP假设所有的单播数据包的路由基于目标IP地址，而通常使用到的其实只是目标地址的网络前缀部分。
(2) 假设因特网一直存在，并且可以在任何时候、在任何一对节点之间传播数据。
5.2.1基本术语
以下是移动IP算法中常用的基本术语。
移动节点（MN）: 位置经常发生变化，即经常从一个链路切换到另一个链路的节点（主机）。
家乡地址: 移动节点所拥有的永久IP地址。一般不会改变，除非其家乡网络的编址发生变化。对于和移动节点通信的主机来说，它会一直与移动节点的家乡地址进行通信。
家乡链路: 一个移动节点的家乡子网掩码所定义的链路。标准的IP路由机制会将目标地址为某一节点的IP地址的数据包发送到其家乡链路。
家乡代理（HA）: 移动节点家乡链路上的一台路由器，主要用于保持移动节点的位置信息，当移动节点外出时，负责把发给移动节点的数据包转发给移动节点。
转交地址（CoA）: 当移动节点切换到外地链路时，与该节点相关的一个IP地址。当移动节点和其他节点通信时，并不直接使用转交地址作为目的地址或源地址，若没有转交地址就不能维持通信。当家乡代理向移动节点转发数据时，要用转交地址做隧道的出口地址。转交地址可以分为配置转交地址和外地代理转交地址两类。
通信节点（CN）: 一个移动节点的通信对象。
外地代理（FA）: 移动节点所在外地链路上的一台路由器，当移动节点的转交地址由它提供时，用于向移动节点的家乡代理通报转交地址、作为移动节点的默认路由器、对家乡代理转发来的隧道包进行解封装，并交付给通信节点。
隧道（tunnel）: 一种数据包封装技术，广义上讲，就是把一个数据包封装在另一个数据包的数据净荷中进行传输。在移动IP中，当家乡代理截获发给移动节点的数据时，就要把原始数据封装在隧道包内，隧道包目的地址是转交地址。当外地代理（或移动节点）收到这个隧道包后，解封装该包，把里面的净荷提交给移动节点（或上层）。
5.2.2移动IP的基本操作原理
每一个移动节点都拥有两个IP地址： 一个唯一的家乡地址和一个用于路由的转交地址。转交地址可以是静态分配的，也可以是动态分配的。
移动IP协议采用了代理的概念。家乡代理截取给移动节点的数据包，将其打包并转交给移动节点所注册的转交地址。外地代理是与移动节点建立连接的路由器，因此移动节点通过外地代理与家乡代理通信，更新自己的位置信息。
5.2.3移动IP的工作过程
移动IP有3个基本的工作过程: 代理发现、注册以及隧道封装与分组路由。移动IP的基本操作流程如图51所示。
图51移动IP的基本操作流程
5.2.3.1代理发现
代理发现指的是一个移动节点通过代理通告发现新的接入点以及获得转交地址的过程。这个过程中，移动节点确定了自己应该连接到哪一条链路以及自己是否改变了网络的接入点。如果节点成功接入到外地链路中，那么其会获得转交地址，并且会被允许向代理发送代理请求。代理发现是通过ICMP数据包实现的。代理发现的过程如图52所示。
图52代理发现的过程示意图
代理发现过程定义了代理通告（agent advertisement）和代理请求（agent solicitation）两个消息。
在所连接的网络上，家乡代理和外地代理定期广播“代理通告”消息，以宣告自己的存在。代理通告消息是ICMP路由器布告消息的扩展，它包含路由器IP地址和代理通告扩展信息。移动节点时刻监听代理通告消息，以判断自己是否漫游出家乡网络。若移动节点从自己的家乡代理接收到一条代理通告消息，它就能推断已返回家乡，并直接向家乡代理注册，否则移动节点将选择是保留当前的注册，还是向新的外地代理进行注册。代理通告的信息格式如图53所示。
图53代理通告的信息格式
外地代理周期性地发送代理通告消息，若移动节点需要获得代理信息，它可发送一条ICMP代理请求消息。任何代理收到代理请求消息后，应立即发送回信。代理请求与ICMP路由器请求消息格式相同，只是它要求将IP的TTL域置为1。代理请求的信息格式如图54所示。
图54代理请求的信息格式
为了配合代理发现机制，移动节点应当满足以下几个条件。
（1） 在没有收到代理通告以及没有通过其他方式获得转交地址时，移动节点应当能够发送代理请求信息，并且节点必须能够限制发送代理请求信息的速度（按照二进制指数后退算法）。
（2） 移动节点应当能够处理到达的代理通告，区分出代理通告消息和ICMP路由器的通告消息。如果通告消息多于一个，则取出第一个地址开始注册。移动节点收到代理通告后，即使已经获得可配置的转交地址，也必须向外地代理注册。
（3） 如果移动节点在生存时间内没有收到来自同一个代理的代理通告，则可假设自己已经失去和这个代理的连接。如果移动节点收到另一个代理的通告，则应当立即尝试与该代理进行连接。
（4） 当移动节点收到家乡代理的通告时可确信自己已返回家乡，应当向家乡代理进行注销。
代理发现过程的流程图如图55所示。
图55代理发现过程的流程图
5.2.3.2注册
注册过程示意图如图56所示。移动节点发现自己的网络接入点从一条链路切换到另一链路时，就要进行注册。另外，由于注册信息有一定的生存时间，所以移动节点在没有发生移动时也要注册。移动IP的注册功能: 移动节点可得到外地链路上外地代理的路由服务；可将其转交地址通知家乡代理；可使要过期的注册重新生效。另外，移动节点在回到家乡链路时，需要进行注销。
图56注册过程示意图
注册的其他功能: 可同时注册多个转交地址，此时归属代理通过隧道技术，将发往移动节点归属地址的数据包发往移动节点的每个转交地址；可在注销一个转交地址的同时保留其他转交地址；在不知道归属外地代理的情况下，移动节点可通过注册，动态获得外地代理地址。
移动IP的注册过程一般在代理发现机制完成之后进行。当移动节点发现已返回家乡链路时，就向家乡代理注册，并开始像固定节点或路由器那样通信，当移动节点位于外地链路时，能得到一个转交地址，并通过外地代理向归属代理注册这个地址。
移动IP的注册操作使用UDP数据报文，包括注册请求和注册应答两种消息。移动节点通过这两种注册消息，向家乡网络注册新的转发地址。
注册过程中，外地代理为移动节点生成转交地址并通知其家乡代理，其工作原理如图57所示。
图57外地代理的工作原理
注册请求过程: 如果移动节点不知道家乡代理地址，它就向家乡网络广播注册（直接广播）。之后每个有效的家乡代理给予响应，移动节点采用某个有效家乡代理的地址进行注册请求。一次有效的注册完成之后，家乡代理会为移动节点创建一个条目，其中包含移动节点的转交地址、表示字段和此次注册的生存期。每个外地代理会维护一个访问列表，其中包含移动节点的链路层地址、移动节点的家乡地址、UDP注册源端口，家乡代理的IP地址、标识字段、注册生存期、当前或未处理注册的剩余生存期。注册过程中信息传递的流程如图58所示。
图58注册过程中信息传递的流程
移动节点可以通过两种方式向家乡代理发送注册请求，即通过外地代理发送注册请求和直接发送注册请求。两种方式的过程分别如图59和图510所示。
图59通过外地代理发送注册请求示意图
图510直接发送注册请求示意图
发送注册请求成功之后，家乡代理会为移动节点创建一个移动绑定，同时将移动节点的家乡地址与当前的转交地址绑定在一起，并设置生存期。移动节点在此绑定信息超时之前必须延长绑定，否则该绑定将会失效，移动节点需要重新注册。家乡代理会发送注册回复信息，指出注册请求是否成功。如果移动节点是通过外地代理注册的，那么注册应答消息应当由外地代理转发。注册请求可以被拒绝，而拒绝的来源既可以是家乡代理，也可以是外地代理。注册请求和注册应答消息通过UDP报文传输，这是因为UDP的开销小，并且在无线环境下的性能优于TCP。
如果移动节点回到了家乡网络，则必须在家乡链路上进行注册（注销其移动绑定信息），其过程如图511所示。
图511注销过程示意图
对于移动节点来说，注册及注销过程有以下几点要求。
（1） 移动节点需要能够进行网络掩码的配置。
（2） 只要检测到连接网络发生变化就发起注册。
（3） 移动节点必须能够发送注册请求，其IP源地址为转交地址或家乡地址，IP目的地址为外地代理的地址或家乡代理地址。
（4） 移动节点必须能够处理注册回复，判断自己发出的注册是否成功。
（5） 注册请求发送失败时移动节点必须进行重传。
外地代理位于移动节点和家乡代理之间，是注册请求的中继，如果其为移动节点提供转交地址，则还有为移动节点拆封数据分组的任务。外地代理中有配置表和注册表，为移动节点保存相关信息。另外，外地代理还需要处理注册请求，包括对消息的有效性检查和将请求转发到家乡代理。在接收注册回复时，外地代理需要检查信息的格式是否正确，并将应答转发到相应的移动节点。
在注册过程中，家乡代理从移动节点接收注册请求，更新自己关于该节点的绑定记录，并为每个请求启动一个应答作为响应。
注册过程中的分组格式如图512所示。
图512注册过程中的分组格式
5.2.3.3隧道封装与分组路由
所谓隧道，实际上是路由器把一种网络层协议封装到另一个协议中以跨过网络传送到另一个路由器的处理过程。发送路由器将被传送的协议包进行封装，经过网络传送，接收路由器解开收到的包，取出原始协议；在传输过程中的中间路由器并不在意封装的协议是什么。这里的封装协议，称为传输协议，是跨过网络传输被封装协议的一种协议。隧道技术是一种点对点的连接，必须在连接的两端配置隧道协议。
隧道技术是一种数据包封装技术，它是将原始IP包（其包头中包含原始发送者和最终目的地）封装在另一个数据包（称为封装的IP包）的数据净荷中进行传输。在移动IP中，隧道包目的地址就是转交地址，当外地代理（或移动节点）收到这个隧道包后，解封装该包，把里面的净荷提交给移动节点。
在家乡网络中，移动主机的操作与标准的固定主机相同；当移动主机移动到外地网络，且完成移动IP的注册过程后，可以在外地网络上继续通信。在外地网络上的通信需要采用隧道技术。封装是隧道技术的核心，所谓封装是指把一个完整的IP分组当作数据，放在另一个IP分组内，原IP分组的IP地址称为内部地址，新的IP分组的IP地址称为外部地址。IP封装如图513所示。
隧道技术就是在隧道的起点将IP分组封装，并将外部地址设置为隧道终点的IP地址。封装的IP分组经标准的IP路由算法传递到隧道的终点。在隧道的终点，将封装的IP分组进行拆分。
当移动节点在外区网上时，家乡代理需要将原始数据包转发给已登记的外地代理。这时，家乡代理使用IP隧道技术，将原始IP数据包封装在转发的IP数据包中，从而使原始IP数据包原封不动地转发到处于隧道终点的转交地址处。在转交地址处解除隧道，取出原始数据包，并将原始数据包发送到移动节点。隧道转发过程示意图如图514和图515所示。
图513IP封装示意图
图514隧道转发过程示意图（一）



图515隧道转发过程示意图（二）
隧道转发过程如下。
（1） 通信节点发送给移动节点的报文被家乡代理截获，包括目的地是移动节点的报文被家乡代理截获和家乡代理截获在家乡网络上的数据包。
（2） 家乡代理对数据包进行封装并通过隧道传输给移动节点的转交地址。
（3） 在隧道的终点（外地代理或移动节点本身），数据包被拆封，然后递交给移动节点。
（4） 对于移动节点发送的数据包采用的是标准的IP路由。
移动IPv4主要有3种隧道技术，分别是IP in IP、最小封装以及通用路由封装。家乡代理和外地代理必须能够使用IPinIP封装来支持分组的隧道传输。最小封装和通用路由封装是移动IP协议提供的另外两种可选的封装方式。
IP in IP封装由RFC 2003定义。在IP in IP技术中，整个IP数据包被直接封装，成

····························································
序PrefaceA note to professor Xinbing Wang as he creates an environment for young faculty in China to succeed.王新兵教授为中国年轻教师创造了一个通向成功的环境。
美国计算机科学家，图灵奖获得者，美国科学院院士，
美国工程院院士，
中国科学院外籍院士John Hopcroft
2017.4.13
This should be read by all young SJTU students and other.这本书值得所有上海交通大学年轻学生和其他相关人员阅读。
瑞典控制科学家，瑞典皇家科学院院士，
中国科学院外籍院士Anders Lindquist
2017.5.23····························································
前言Foreword本书于2015年12月发行第1版，2017年5月发行第2版。自发行以来，作者收到了来自全国众多高校授课教师、通信类专业学生的支持与认可。同时，本书已成功推广至全国100余所高校，其中包括清华大学、北京大学、国防科技大学、北京航空航天大学、西安电子科技大学、北京邮电大学、电子科技大学等全部C9、985重点高校。
近年来，移动互联网飞速发展，比特币、区块链等热点话题不断涌现，这些新兴的知识内容对传统移动互联网体系产生了巨大影响，为其注入新的活力。因此，作者认为有必要将这些新兴内容进行整理并纳入高校教学内容。本书第3版对原有内容重新进行整理，对无线局域网与IEEE 802.11标准、无线局域网安全、移动互联网游戏章节进行补充，加入一些新的体系内容。另外，新增了比特币与区块链章节。
本书分为上下两篇。上篇介绍移动互联网的基础理论，下篇介绍移动互联网的相关实验。
第1～8章介绍移动通信基础知识。包括无线通信网络的理论基础，蜂窝系统的发展，无线局域网标准与安全以及Ad hoc网络。相较于第2版，该部分对“无线局域网与IEEE 802.11标准”和“无线局域网安全”两个章节进行了补充，在前者中添加了对于IEEE 802.11aa、IEEE 802.11af、IEEE 802.11ax协议的介绍，在后者中添加对移动网络中安全问题与安全技术的介绍。
第9～15章介绍移动互联网中的新兴技术。包括传感器网络、物联网、软件定义网络、比特币与区块链、智能机器人网络、移动智能小车网络、四旋翼飞行器在无线网络中的应用。通过这些新兴技术，读者可以对移动互联网有更深一步的理解，更好地把握网络技术对人类生产生活产生的巨大影响力。相较于第2版，该部分添加了一个全新的章节——比特币与区块链。该章系统地介绍比特币的诞生与发展，比特币的原理，包括比特币钱包的概念、交易过程、挖矿过程等；除此之外，本章还介绍区块链的核心思想、技术与原理、应用与挑战等。最后，给出两个比特网络中的关键研究问题。
第16～23章介绍移动互联网的应用开发。包括安卓编程与开发、iOS编程与开发、图形码、网络经济学、移动互联网智能化和算法、移动互联网的工业设计、移动互联网游戏、互联网的未来及影响。相较于第2版，该部分对“移动互联网游戏”章节进行了补充，介绍移动互联网游戏开发者从构思、设计到逐步完成一个游戏作品的必经过程。
第24～30章介绍7个具有代表性的移动互联网实验，主要涉及安卓平台和iOS平台的编程开发。
本书涉及多个专业方向，作者在准备和写作的过程中认真阅读了大量书籍和参考文献，请教了很多业界专家和学者。本书第3版得到了多位专家、老师和学生的支持与协助，在此向所有参与人员表示衷心的感谢！

编者2018年11月◆移动互联网导论(第3版)