一文彻底弄清4G/蓝牙/WiFi/TCP/IP之间的关系

Posted 2021-12-04 红帽小生

  计算机学院或者软件学院毕业的小伙伴必然学过《计算机网络》这门课，作为一个小小的考验，我们来稍微思考一下这么一个问题：
  计算机的通信协议跟手机的通信协议有什么区别？TCP/IP协议和4G/5G的LTE，GSM等区别。
  要解释这个问题，先从分层模型讲起。在课本中会给出国际标准化组织ISO的OSI七层模型和TCP/IP五层模型。

  这张图可以说相当经典，每本课本讲到这里都还会举个坐飞机的例子。说到分层的优点大家都会背：

（1）人们可以很容易的讨论和学习协议的规范细节。
（2）层间的标准接口方便了工程模块化。
（3）创建了一个更好的互连环境。
（4）降低了复杂度，使程序更容易修改，产品开发的速度更快。
（5）每层利用紧邻的下层服务，更容易记住个层的功能。

但其实很难体会它真正的用处。看完下面的讲解大概就能体会到分层的好处了。
  TCP/IP通过竞争慢慢地战胜了其它一些网络协议方案，包括OSI七层模型。TCP/IP实际上是一个四层的体系结构，主要包括：应用层、传输层、网络层和网络接口层。如图：

从实质上讲，TCP/IP协议栈起始于第三层协议IP(互联网协议) 。所有这些协议都在相应的RFC文档中讨论及标准化。可以说TCP/IP协议栈只有上边三层，网络接口层没有什么具体的内容。

  值得一提的是，重要的协议在相应的RFC文档中均标记了状态: 必须 (required) ，推荐(recommended) ，可选(optional) 。其它的协议还可能有"试验"(experimental) 或"历史"(historic) 的状态。如图：

  所有的TCP/IP应用都必须实现IP和ICMP。应用层和网络接口层的大部分协议都 并不是TCP/IP协议组的“必须”协议。也就是说网络接口层的协议有多种选择。

有线局域网

  目前的以太网几乎占领着所有的有线局域网市场。在早些时期，还有其它的局域网技术，如令牌环、FDDI、ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式)等等。虽然这些技术也抓住了部分市场，但是以太网1980发明以来，就不断演化和发展。直到今天，以太网成为应用最广泛的有线局域网技术，以至于以太网几乎成为局域网的代名词。
  以太网并不是单一的协议标准，它有很多技术，如：10BASE-T、10BASE-2、100BASE-T、1000BASE-LX和10GBASE-T，这些已经被IEEE 802.3工作组标准化了。其中10和100表示速率，10Mbps、100Mbps和10Gbps。"BASE"指基带以太网，几乎所有的802.3标准都适用于基带以太网。最后一部分指物理媒介，以太网是链路层和物理层的规范(统称网络接口层)，并且能够使用各种物理媒介，如：同轴电缆、铜线和光纤。一般来说，T是指双绞线，我们平时用的网线都是双绞线。

无线局域网

  无线局域网和有线局域网一样，上世纪90年代研发了很多无线局域网的标准和技术。但目前来看，有一类标准明显已经成为了赢家：IEEE 802.11 无线LAN，也称WiFi。没错，我们平时说的连WiFi、蹭WiFi，指的就是这个。
  IEEE 802.11协议族有几套无线局域网的标准，如下表：

标准	频率	最大速率
802.11b	2.4GHz	11Mbps
802.11a	5GHz	54Mbps
802.11g	2.4GHz	54Mbps
802.11n	2.4GHz,5GHz	450Mbps
802.11ac	5GHz	1300Mbps

  不同的802.11标准都具有一些共同的特征，例如：都使用相同的媒体访问协议CSMA/CA；链路层都使用相同的帧结构；都具有减少速率以伸展到更远距离的能力。
  802.11设备工作在两个不同的频段上：2.4到2.485GHz（称为2.4GHz频段）和5.1~5.8GHz（称为5GHz频段）。2.4GHz频段是一种无须执照的频段，也就意味着，同样使用2.4GHz的电话、微波炉、蓝牙耳机等设备可能会争用该频段。我之前就有过体会，笔记本连的是WiFi(2.4GHz)，连上蓝牙耳机后网络就有点卡。我们也可以在网络属性里看到，如图：

  我的无线网卡虽然支持802.11n协议，但是只工作在2.4GHz频段，就算工作在5GHz频段，速率也是没有802.11ac快的。现在市面上的笔记本的无线网卡基本上都支持WiFi 6了。早在2018年，Wi-Fi联盟便将基于802.11ax标准的Wi-Fi正式纳入正规军中，通过推广802.11ax的机会，将Wi-Fi规格重新命名，新标准802.11ax改名为Wi-Fi6。具体对应关系如下表：

标准	名称
802.11 n	Wi-Fi 4
802.11ac	Wi-Fi 5
802.11ax	Wi-Fi 6

下面开始链路层和物理层合称网络接口层。

蓝牙和ZigBee

  除了WiFi以外，还有两个无线协议：蓝牙和ZigBee。蓝牙定义在IEEE 802.15.1标准中。IEEE 802.15.1网络以低功率和低成本在小范围内运行，本质上是一个"电缆替代"技术。平时我们也能发现，蓝牙主要用于计算机与无线键盘、鼠标、耳机等外部设备的互联。所以蓝牙也被称为无线个人域网络(Wireless Personal Area Network, WPAN)。蓝牙也是定义的网络接口层，以TDM方式工作于无须许可证的2.4GHz频段。802.15.1能提供高达4Mbps的数率。蓝牙通常用于自组网络，也就是不需要网络基础设施(如AP)来互连蓝牙设备。这就意味着蓝牙不能上网。
  有人可能会问，同样是无线协议，同样定义在网络接口层，为什么WiFi能上网，而蓝牙就不行。我们讲下层为上层协议提供了一个统一的接口，隐藏了实现细节，网络层并不关心底层是双绞线还是无线，不管你是以太网还是WiFi，它只是通过接口获取下层提供的服务。那么为什么蓝牙不行？
  虽然蓝牙协议结构和802.11协议的结构图类似，都包括最下的物理层和中间的数据链路层，但是蓝牙协议还包括了一个中间层协议和最后的应用层协议。而且，某些控制数据和音频数据完全不经过中间层，是直接从Baseband到达应用层，甚至也跨过了部分数据链路层的结构。所以蓝牙并不能加入TCP/IP体系，也就不能上网。不过倒也有方法，两台手机开启蓝牙共享功能，一台手机通过移动数据或者WiFi联网，另一台手机可以在只开启蓝牙的情况下上网。
  ZigBee被定义在IEEE 802.15.4标准中。它与蓝牙目标不同。ZigBee的服务目标是低功率、低速率、低工作周期的应用。因为并非所有的网络应用都需要高带宽和随之而来的高成本。比如，家庭温度和光线传感器、安全设备和墙上安装的开关都是非常简单、低功率、低工作周期、低成本的设备。ZigBee非常适合这些设备。和蓝牙一样，也是用于自组网络(Ad Hoc)。

移动蜂窝网络

  虽然目前5G已经大行其道，但我们依然拿4G来举例，原理都差不多。
  首先，4G也是属于网络接口层，也就是说，我们使用4G上网，上层还是走的TCP/IP协议栈。有人可能联想到WiFi，同样是定义了物理层和链路层，上层同样是TCP/IP协议栈，同样是无线网络协议，是不是WiFi和4G就差不多呢。
  实际上，4G和WiFi非常不同。举几个我们能明显感受到的不一样：不管是以太网还是WiFi，都有MAC地址和网关；而在4G里面没有MAC地址和网关的概念（如果要类比的话可以把PGW看作是网关，它负责分配IP和DNS）。如图：


  说到4G就不得不说到一个组织：3GPP。很多人以为3GPP是制定3G标准的，其实不是，他们是负责整个移动蜂窝网络的标准化工作的。另外很多人会把4G和LTE混为一谈。4G全称是第四代移动通信技术(the 4th generation mobile communication technology)，只是一个标准，是由3GPP组织负责定制的。只要你的协议能达到4G的标准，你就可以称为4G。
  至于为什么需要蜂窝网络，而不直接使用WiFi作为无线接入，那是因为WiFi接入区域范围在10~100米。因此我们需要在WiFi热区外接入互联网时就需要蜂窝网络。因为蜂窝电话早就已经普及了，很自然想到扩展蜂窝网络，使它们不仅支持语言电话，也支持无线互联网接入。
  不过4G和之前的3代还是很有区别的。第一代（1G）系统是模拟FDMA系统，专门用于语音通话。后来被2G系统替代，2G系统也是为语音通话设计的，后来扩展了对因特网的支持（2.5G）。3G系统支持语音和数据，但更强调数据能力和更高速的无线接入。到了基于LTE技术的4G系统，其特征是全IP核心网络。
  现在我们打电话也是走的IP网络，不过也不是所有的都是。有这种场景：我们在接电话时就不能上网了，而且4G的标志也变成了2G。这因为语音服务用的不是上述模型，在打电话时，占用了4G所在的频段，所以就不能上网了。有一种VoIP的语音通话技术，它是基于IP的语音传输。在4G中的应用就是VOLTE。也就可以分为下面两种：

（1）VOLTE ，采用与数据传输同种形式。
（2）CSFB (电路域衰落)，采用2G网络传输语音。

  当使用VOLTE技术时，会用到IP层及以上的部分协议。当采用CSFB衰落到2G网络时，运营商有专门的语音网络，在这个网络上只支持手机，不支持互联网其他设备接入，不必考虑其它层的数据封装。此时整个网络模型只有物理层和MAC层，没有上层。现在大部分手机都是使用VOLTE进行通话。

总结

  4G和WiFi都是属于网络接口层，上层都是走的TCP/IP协议栈。4G和WiFi都是输入接入网的范畴，核心网相同。WiFi属于局域网范畴，和以太网理念一样，底层使用MAC地址在局域网内通信。4G严格来说没有局域网的概念，使用移动数据网络时主要靠IMSI码，需要鉴权、注册等一系列动作，这些大部分靠我们插入的SIM卡来完成。总之，4G的技术比WiFi要复杂很多很多。因为4G要考虑的东西非常之多。4G相关的技术常见的有：

1、LTE技术标准。
2、LTE-Advanced技术标准（分为TD-SCDMA直接进化的TDD和WCDMA直接进化的FDD两种标准）。
3、WiMax技术标准。
4、HSPA+技术标准。
5、WirelessMAN-Advanced技术标准。

  我国三大运营商采用的都是第2种技术，FDD-LTE和TDD-LTE都有。蜂窝网络是一个庞大的体系，无法详尽展开，在《计算机网络·自顶向下》这部书中的第7章有详细的介绍，这本书也是我老师推荐我读的，确实不错，对于想深入了解计算机网络的可以看看。这本书已经出到了第7版，目前最新的一版。为了方便大家学习，我已经将其打包，可以在公众号：极客随想中获取。在公众号内回复消息：计算机网络。就可获取资源。