計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理：第四章 介質(zhì)訪問子層

1、第四章介質(zhì)訪問子層信道分配問題多路訪問協(xié)議以太網(wǎng)無(wú)線LAN數(shù)據(jù)鏈路層交換.1信道分配問題計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以分成兩類點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò) 大多數(shù)廣域網(wǎng)廣播信道（多路訪問信道或隨機(jī)訪問信道）的網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)關(guān)鍵問題：如何解決對(duì)信道爭(zhēng)用解決信道爭(zhēng)用的協(xié)議稱為介質(zhì)訪問控制協(xié)議 MAC（Medium Access Control），是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的一部分。一、LAN和MAN中的靜態(tài)信道分配方案頻分多路復(fù)用 FDM原理：將頻帶平均分配給每個(gè)要參與通信的用戶；優(yōu)點(diǎn)：適合于用戶較少，數(shù)目基本固定，各用戶的通信量都較大的情況；缺點(diǎn)：無(wú)法靈活地適應(yīng)站點(diǎn)數(shù)及其通信量的變化。時(shí)分多路復(fù)用 TDM原理：每個(gè)用戶擁有固定的信道傳送

2、時(shí)槽；優(yōu)點(diǎn)：適合于用戶較少，數(shù)目基本固定，各用戶的通信量都較大的情況；缺點(diǎn)：無(wú)法靈活地適應(yīng)站點(diǎn)數(shù)及其通信量的變化。靜態(tài)信道分配方案都不適應(yīng)突發(fā)性的流量二、LAN和MAN中的動(dòng)態(tài)信道分配方案信道分配模型的五個(gè)基本假設(shè)：站點(diǎn)模型：每個(gè)站點(diǎn)是獨(dú)立的，每個(gè)站都有一個(gè)程序或者用戶會(huì)產(chǎn)生共傳輸用的幀，一幀產(chǎn)生后到被發(fā)送走之前，站點(diǎn)被封鎖；單信道假設(shè)：所有的通信都是通過單一的信道來完成的，各個(gè)站點(diǎn)都可以從信道上收發(fā)信息；沖突假設(shè)：若兩幀同時(shí)發(fā)出，會(huì)相互重疊，結(jié)果使信號(hào)無(wú)法辨認(rèn)，稱為沖突。所有的站點(diǎn)都能檢測(cè)到?jīng)_突，沖突幀必須重發(fā)；連續(xù)時(shí)間和時(shí)間分槽（確定何時(shí)發(fā)送）；連續(xù)時(shí)間幀能在任何時(shí)刻開始發(fā)送；分槽時(shí)間時(shí)間

3、被分為離散的區(qū)間，幀總是在時(shí)隙的開始發(fā)送。載波檢測(cè)和非載波檢測(cè)（確定能否發(fā)送）；載波檢測(cè)：所有站在使用信道前都可以檢測(cè)到信道是否正在使用；非載波檢測(cè)：使用前無(wú)法檢測(cè)信道，盲目發(fā)送，以后才能確定本次發(fā)送是否成功。4.2 多路訪問協(xié)議多路訪問協(xié)議：控制多個(gè)用戶共用一條信道的協(xié)議一、ALOHA協(xié)議70年代，夏威夷大學(xué)的解決信道的動(dòng)態(tài)分配，基本思想可用于任何無(wú)協(xié)調(diào)關(guān)系的用戶爭(zhēng)用單一共享信道使用權(quán)的系統(tǒng)；分類：純ALOHA協(xié)議和分槽ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議(2)基本思想：用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，可以在任何時(shí)間直接發(fā)至信道；然后發(fā)送方監(jiān)聽信道看是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機(jī)的時(shí)間重發(fā)。后圖4-

4、1給出了ALOHA系統(tǒng)生成幀的框架結(jié)構(gòu)，ALOHA系統(tǒng)中，各幀長(zhǎng)度相同。任何時(shí)候，只要兩幀同時(shí)使用信道就會(huì)產(chǎn)生沖突，破壞沖突幀的內(nèi)容。兩幀只要有1位的重疊和就必須重傳。純ALOHA協(xié)議(3)純ALOHA協(xié)議(5)ALOHA系統(tǒng)的信道的效率如何？能夠逃脫沖突而被傳輸出去的幀占多大比率呢？幀時(shí)：發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的幀所需的時(shí)間，即幀長(zhǎng)度/位傳輸速率。無(wú)限多個(gè)用戶產(chǎn)生的新幀服從泊松分布，平均每幀時(shí)產(chǎn)生N個(gè)新幀，如果N1，產(chǎn)生新幀的速度將會(huì)超過信道處理能力，即每幀都會(huì)產(chǎn)生沖突。所以應(yīng)該期望0N= N （N0，沒用沖突，G N ，高載荷，沖突增加 G N）在所有這些負(fù)載的情況下，吞吐量S是負(fù)載G乘以每一次

5、傳輸成功的概率P0 ，S=G* P0 ，P0是發(fā)送幀沒有產(chǎn)生沖突的概率。如果從一幀被發(fā)送出去開始，在一個(gè)幀時(shí)間內(nèi)沒有其他的幀被發(fā)送，則不會(huì)產(chǎn)生沖突，如圖4-2，在t0+2t時(shí)間內(nèi)發(fā)送其他幀都會(huì)有沖突。純ALOHA協(xié)議(4)Vulnerable period for the shaded frame.純ALOHA協(xié)議(6)在給定的一個(gè)幀時(shí)間內(nèi)生成K幀的概率服從泊松分布： Prk=Gke-G /K! 生成0幀的概率為e-G ,兩個(gè)幀時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的幀數(shù)平均為2G ，在整個(gè)沖突危險(xiǎn)期中，不存在其他流量的概率為：P0= e-2G S=G*P0=G e-2G 純ALOHA效率低（信道利用率低），主要因?yàn)闆_突幾

6、率大，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，沖突率大大增加。經(jīng)計(jì)算分析得G=0.5時(shí)，吞吐率S為最大(信道利用率)0.184。（信道利用率指單位時(shí)間內(nèi)正確傳送報(bào)文所占的時(shí)間）。分槽ALOHA協(xié)議基本思想：把信道時(shí)間分成離散的時(shí)間槽，槽長(zhǎng)為一個(gè)幀所需的發(fā)送時(shí)間。每個(gè)站點(diǎn)只能在時(shí)槽開始時(shí)才允許發(fā)送。其他過程與純ALOHA協(xié)議相同。發(fā)生沖突后，各自延遲隨機(jī)個(gè)時(shí)間槽再次發(fā)送總之，犧牲了隨機(jī)性來提高利用率0.368必須全局時(shí)間同步二、載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）載波監(jiān)聽（Carrier Sense）站點(diǎn)在為發(fā)送幀而訪問傳輸信道之前，首先監(jiān)聽

7、信道有無(wú)載波，若有載波，說明已有用戶在使用信道，則不發(fā)送幀以避免沖突。CSMA的使用條件是：報(bào)文在信道的傳輸延遲大大小于報(bào)文發(fā)送時(shí)間。因?yàn)?，若傳輸延遲很長(zhǎng)，某一站發(fā)一幀后，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間才能使信道上其他站知道該站在發(fā)送，這期間其他站點(diǎn)認(rèn)為信道空閑，而造成沖突。所以，局域網(wǎng)傳輸距離小，使用CSMA是有效的。二、載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）1-堅(jiān)持型CSMA（1-persistent CSMA）原理若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道；若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送；若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后完成發(fā)送；若產(chǎn)生沖突，

8、等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開始發(fā)送過程。優(yōu)點(diǎn)：減少了信道空閑時(shí)間；缺點(diǎn)：增加了發(fā)生沖突的概率；二、載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）非堅(jiān)持型CSMA（nonpersistent CSMA）原理若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道；若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送；若信道忙，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開始算法；若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開始發(fā)送過程。優(yōu)點(diǎn)：減少了沖突的概率；缺點(diǎn)：增加了信道空閑時(shí)間，數(shù)據(jù)發(fā)送延遲增大；信道效率比 1-堅(jiān)持CSMA高，傳輸延遲比 1-堅(jiān)持CSMA大。二、載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA（Carrier

9、Sense Multiple Access Protocols）p-堅(jiān)持型CSMA（p-persistent CSMA）適用于分槽信道原理若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道；若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率q =1- p 延遲至下一個(gè)時(shí)槽發(fā)送。若下一個(gè)時(shí)槽仍空閑，重復(fù)此過程，直至數(shù)據(jù)發(fā)出或時(shí)槽被其他站點(diǎn)所占用；若信道忙，則等待下一個(gè)時(shí)槽，重新開始發(fā)送；若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開始發(fā)送。五種多路訪問協(xié)議性能比較帶沖突檢測(cè)的CSMACSMA/CD引入原因兩個(gè)幀發(fā)生沖突時(shí)，兩個(gè)被損壞幀繼續(xù)傳送毫無(wú)意義，而且信道無(wú)法被其他站點(diǎn)使用。如果站點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽，并在監(jiān)聽到?jīng)_突之后立即停止發(fā)

10、送，可以提高信道的利用率，因此產(chǎn)生了CSMA/CD原理站點(diǎn)使用CSMA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；在發(fā)送期間如果檢測(cè)到?jīng)_突，立即終止發(fā)送，并發(fā)出一個(gè)瞬間干擾信號(hào)，使所有的站點(diǎn)都知道發(fā)生了沖突；在發(fā)出干擾信號(hào)后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，再重復(fù)上述過程。假設(shè)兩個(gè)站同時(shí)在t0時(shí)刻開始傳輸數(shù)據(jù)，它們需要多長(zhǎng)時(shí)間才能意識(shí)到已經(jīng)發(fā)生沖突，最差一個(gè)站點(diǎn)確定發(fā)生沖突要花多少時(shí)間？即經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間可以抓住信道。三、無(wú)沖突協(xié)議（Collision-Free Protocols）基本位圖協(xié)議（A Bit-Map Protocol）工作原理共享信道上有N個(gè)站，競(jìng)爭(zhēng)周期分為N個(gè)時(shí)槽，如果一個(gè)站有幀發(fā)送，則在對(duì)應(yīng)的時(shí)槽內(nèi)發(fā)送比特1；N個(gè)時(shí)

11、槽之后，每個(gè)站都知道哪個(gè)站要發(fā)送幀，這時(shí)按站序號(hào)發(fā)送。最后一個(gè)站傳送完幀后，另一個(gè)N位的競(jìng)爭(zhēng)周期又開始了。三、無(wú)沖突協(xié)議（）象這樣在實(shí)際發(fā)送信息前先廣播發(fā)送請(qǐng)求的協(xié)議稱為預(yù)留協(xié)議（reservation protocol）效率輕負(fù)載下，效率為 d / (N + d)，數(shù)據(jù)幀由d個(gè)時(shí)間單位組成；重負(fù)載下，效率為 d / (d + 1)。缺點(diǎn)與站序號(hào)有關(guān)的不平等性，序號(hào)大的站得到的服務(wù)好；每個(gè)站都有 1 比特的開銷。三、無(wú)沖突協(xié)議（）自學(xué)二進(jìn)制倒計(jì)數(shù)協(xié)議（Binary Countdown）工作原理所有站的地址用等長(zhǎng)二進(jìn)制位串表示，若要占用信道，則廣播該位串；不同站發(fā)的地址中的位做“或”操作，一旦某

12、站了解到比本站地址高位更高的位置被置為“1”，便放棄發(fā)送請(qǐng)求。效率d / (d + log2N)四、有限競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議（Limited-Contention Protocols）占用信道的策略競(jìng)爭(zhēng)方法例，CSMA；輕負(fù)載下，發(fā)送延遲小；重負(fù)載下，信道效率低。無(wú)沖突方法例，基本位圖法；輕負(fù)載下，發(fā)送延遲大；重負(fù)載下，信道效率高。有限競(jìng)爭(zhēng)方法結(jié)合以上兩種方法，輕負(fù)載下使用競(jìng)爭(zhēng)，重負(fù)載下使用無(wú)沖突方法。減少競(jìng)爭(zhēng)的站的數(shù)目可以增加獲取信道的概率；基本思路：將站分組，組內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)；自適應(yīng)樹搜索協(xié)議（The Adaptive Tree Walk Protocol）工作原理站點(diǎn)組織成二叉樹；一次成功傳輸之后，第0槽全

13、部站可競(jìng)爭(zhēng)信道，只有一個(gè)站要使用信道則發(fā)送；有沖突則在第1槽內(nèi)半數(shù)站（2以下站）參與競(jìng)爭(zhēng)。如其中之一獲得信道，本幀后的時(shí)槽留給3以下的站；如發(fā)生沖突，繼續(xù)折半搜索。五、波分多路訪問協(xié)議（自學(xué)）六、無(wú)線LAN協(xié)議Wireless LAN Protocols無(wú)線局域網(wǎng)不能使用CSMA，因?yàn)檫@里的沖突發(fā)生在接收方，而并非發(fā)送方。舉例：A和B相互之間都在對(duì)方的范圍者內(nèi)，他們之間可能會(huì)干擾對(duì)方，C可能會(huì)同時(shí)干擾到B和D，但不會(huì)干擾到A。隱藏站問題（a）：由于競(jìng)爭(zhēng)者離得太遠(yuǎn)而導(dǎo)致一個(gè)站無(wú)法檢測(cè)到潛在的介質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。暴露站問題（b）：由于檢測(cè)到傳輸過程而導(dǎo)致影響發(fā)送站正常的發(fā)送過程。A wireless L

14、AN. (a) A transmitting. (b) B transmitting.六、Wireless LAN Protocols（2）無(wú)線LAN在開始傳輸之前，一個(gè)站真正希望知道的是在接收站的周圍是否有活動(dòng)情況，CSMA只是告訴它在檢測(cè)載波的站周圍是否有活動(dòng)。對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)所有的信號(hào)傳播到所有的站，同一時(shí)刻，系統(tǒng)中任何地方都只能有一個(gè)傳輸過程在進(jìn)行對(duì)于一個(gè)基于短距離無(wú)線電波的系統(tǒng)而言，多個(gè)傳輸過程可以同時(shí)發(fā)生，只要他們有不同的目標(biāo)方，而且這些目標(biāo)方相互之間都在對(duì)方的范圍之外。MACA避免沖突的多路訪問MACA的基本思想：發(fā)送方刺激一下接收方，讓它輸出一個(gè)短幀，這樣接收方附近的站可以檢測(cè)到該

15、幀，從而在接下去的數(shù)據(jù)幀傳輸過程中他們不再發(fā)送數(shù)據(jù)了。舉例：A向B發(fā)送數(shù)據(jù)。A首先給B發(fā)送一個(gè)RTS幀，包含了隨后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度。然后B用一個(gè)CTS作為應(yīng)答，也包含了數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度。A在收到了CTS幀后便開始傳輸。如果一個(gè)站聽到RTS幀，那么它一定離A很近，它必須繼續(xù)保持沉默，至少等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間以便在無(wú)沖突情況下CTS被回送給A。如果一個(gè)站聽到CTS幀，那么它一定離B很近，它必須一直保持沉默，檢查CTS幀就可知道持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間。MACAThe MACA protocol. (a) A sending an RTS to B.(b) B responding with a CTS to A

16、. MACAMACA的沖突仍可能發(fā)生B和C同時(shí)給A發(fā)送RTS幀，產(chǎn)生沖突，因而會(huì)丟失。解決方法：發(fā)送方在期望的時(shí)間內(nèi)沒有聽到CTS，等待一段隨機(jī)時(shí)間，以后再重試。.以太網(wǎng)IEEE 802協(xié)議IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)定義了若干種LAN，包括對(duì)物理層、MAC子層的定義和描述。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層邏輯鏈路控制 LLC媒體訪問控制 MAC 高層 OSI IEEE 802物理層PHYIEEE 802 StandardsThe 802 working groups. The important ones are marked with *. The ones marked with are hibern

17、ating. The one marked with gave up.以太網(wǎng)（2）以太網(wǎng)Ethernet簡(jiǎn)介Xerox 設(shè)計(jì)了2.94Mbps的采用CSMA/CD協(xié)議的EthernetXerox, DEC, Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE定義了采用1-堅(jiān)持型CSMA/CD技術(shù)的802.3局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，速率從1M到10Mbps，802.3標(biāo)準(zhǔn)與以太網(wǎng)協(xié)議略有差別。最常見的幾種以太網(wǎng)電纜. 一、以太網(wǎng)電纜一、以太網(wǎng)電纜(2)Three kinds of Ethernet cabling. (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T

18、.一、以太網(wǎng)電纜(3)電纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). (a) 線形Linear, (b) 主干Spine, (c) 樹形Tree, (d) 分段Segmented.Ethernet Cabling (4)(a) Binary encoding, (b) Manchester encoding, (c) Differential Manchester encoding.二、以太網(wǎng)MAC子層協(xié)議Frame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE 802.3.MAC子層幀格式 (1)說明：前導(dǎo)碼：8個(gè)字節(jié)的10101010，產(chǎn)生固定頻率的方波信號(hào)（如10MHZ)，持續(xù)6.4微秒，收發(fā)

19、雙方的時(shí)鐘同步。幀首定界符：1個(gè)字節(jié)的10101011，標(biāo)志著幀的開始。MAC子層幀格式 (2)目的地址和源地址 共6個(gè)字節(jié)，前三個(gè)字節(jié)由IEEE802分配給廠商，后三個(gè)字節(jié)由廠商唯一地分配給所生產(chǎn)的網(wǎng)卡。 對(duì)目的地址：以太網(wǎng) 只有最高位有定義，為“0”表示單播，為“1”表示多播或廣播。若廣播要求目的地址全“1”。IEEE802.3 最高位和次高位有定義，最高位與以太網(wǎng)相同。次高位為“0”表示全局管理地址，為“1”局部管理地址，一般情況下總為全局管理地址（由IEEE802分配）。MAC子層幀格式 (3)長(zhǎng)度或類型長(zhǎng)度字段（IEEE802.3） 表示LLC-PDU的字節(jié)數(shù)，范圍461500。當(dāng)長(zhǎng)

20、度小于46字節(jié)時(shí)，需要在幀填充字段中填“0”。類型字段（以太網(wǎng)） 說明高層使用的協(xié)議，如IP,IPX等。在同一臺(tái)機(jī)器上可能有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議在使用，類型字段指定了應(yīng)該將此幀交給那個(gè)進(jìn)程。IEEE802.3定義在數(shù)據(jù)部分增加一個(gè)小的頭信息，由他來提供幀類型的信息。為保證以上兩種幀可以兼容，類型字段的類型碼需大于1536D(0600H)，如0800H表示IP,8137H為IPX等。若此字段的值小于(0600H)表示為IEEE802.3類型的幀。MAC子層幀格式 (4)數(shù)據(jù)域 此字段的值即LLC-PDU的幀，長(zhǎng)度為461500字節(jié)。幀校驗(yàn)序列 采用32位的循環(huán)冗余校驗(yàn)法。校驗(yàn)內(nèi)容包括除PA,SFD和F

21、CS以外的其它字段。數(shù)據(jù)傳輸使用曼徹斯特編碼。有最大幀長(zhǎng)和最小幀長(zhǎng)的限制最短幀長(zhǎng)避免幀的第一個(gè)比特到達(dá)電纜的遠(yuǎn)端前幀已經(jīng)發(fā)完，幀發(fā)送時(shí)間應(yīng)該大于 2；10Mbps LAN，最大沖突檢測(cè)時(shí)間為51.2微秒，最短幀長(zhǎng)為64字節(jié)；網(wǎng)絡(luò)速度提高，最短幀長(zhǎng)也應(yīng)該增大或者站點(diǎn)間的距離要減小。三、二進(jìn)制指數(shù)后退算法（binary exponential backoff）將沖突發(fā)生后的時(shí)間劃分為長(zhǎng)度為51.2微秒的時(shí)槽發(fā)生第一次沖突后，各個(gè)站點(diǎn)等待 0 或 1 個(gè)時(shí)槽再開始重傳；發(fā)生第二次沖突后，各個(gè)站點(diǎn)隨機(jī)地選擇等待0, 1, 2或3個(gè)時(shí)槽再開始重傳；第 i 次沖突后，在 0 至 2i-1 間隨機(jī)地選擇一個(gè)

22、等待的時(shí)槽數(shù)，再開始重傳；10次沖突后，選擇等待的時(shí)槽數(shù)固定在0至210-1間；16次沖突后，發(fā)送失敗，報(bào)告上層。四、交換式以太網(wǎng)隨著負(fù)載的增加,局域網(wǎng)沖突的概率增加,達(dá)到飽和。采用的方法：第一是提高速度，第二是采用交換式以太網(wǎng)。目的減少?zèng)_突域。包含一塊高速底板，若干個(gè)插線卡，每個(gè)插線卡上包含1-8個(gè)連接器，可以連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。四、交換式以太網(wǎng)（2）一個(gè)插板內(nèi)是一個(gè)802.3LAN，構(gòu)成自己的沖突域，插板間并行；即使網(wǎng)絡(luò)微化，減少?zèng)_突域。使用端口緩存，每個(gè)端口是一個(gè)獨(dú)立的沖突域，無(wú)沖突發(fā)生。使用交換機(jī)后，可建立多個(gè)并發(fā)的通信。例如：8個(gè)端口可建立4個(gè)并發(fā)通信，總帶寬 = (8/2)*10M

23、bps = 40 Mbps在訪問服務(wù)器的流量非常大的網(wǎng)絡(luò)中，可在交換機(jī)上設(shè)置1-2個(gè)高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服務(wù)器與該高速端口相連，便可大大提高服務(wù)器訪問的速度。這種連接服務(wù)器的方法又稱為Big-Pipe。10Mbps 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)交換機(jī)的兩種用法(以10Mbps網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為例)： (1)端口下接站點(diǎn)：站點(diǎn)獨(dú)占10Mbps帶寬 (2)端口下接網(wǎng)段：網(wǎng)段中所有站點(diǎn)共享10Mbps帶寬共享10M獨(dú)享10M共享10M獨(dú)享10M網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)SwitchHUBHUB五、快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）(1)標(biāo)準(zhǔn)1995年，IEEE通過802.3u標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上是802.3的一個(gè)補(bǔ)充。

24、原有的幀格式、接口、規(guī)程不變，只是將比特時(shí)間從100ns縮短為10ns。對(duì)10 Mbps 802.3 LAN的改進(jìn)一種方法是改進(jìn)10Base-5 或 10Base-2，采用CSMA/CD，最大電纜長(zhǎng)度減為1/10，未被采納；另一種方法是改進(jìn)10Base-T，使用HUB和交換機(jī)，被采納。五、快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）(2)The original fast Ethernet cabling.五、快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）(3)100Base-T43類非屏蔽雙絞線（UTP），使用25MHz的信號(hào)（802.3使用20MHz的信號(hào)，由于使用曼徹斯特編碼，波特率=2*比特率）

25、；要求4對(duì)雙絞線，1對(duì)總是給集線器發(fā)送信號(hào)，1對(duì)總是接收集線器信號(hào)，另外2對(duì)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向變換；使用8B/6T（8 個(gè)二進(jìn)制數(shù)映射到6位三進(jìn)制數(shù)上）編碼，即使用三進(jìn)制信號(hào)（ternary signals），三對(duì)線路，有27種可能的符號(hào)，每個(gè)周期可以傳送4位（還有冗余）二進(jìn)制數(shù)， 25MHz的信號(hào)，三對(duì)雙絞線的比特率100Mbps，反向一對(duì)雙絞線33.3bps；五、快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）(4)100Base-TX使用2對(duì)5類平衡雙絞線或150屏蔽平衡電纜， 1對(duì)用于發(fā)送信號(hào)到集線器，另1對(duì)用于從集線器接收信號(hào)，全雙工；5類雙絞線使用125 MHz的信號(hào)；4B/5B編碼，5個(gè)時(shí)

26、鐘周期分為一組，有32種組合，其中16種組合被用來傳輸，4個(gè)比特，比特率為 125 * 4/5 = 100 Mbps；100Base-FX使用2根多模光纖，全雙工100Base-T4 和 100Base-TX 統(tǒng)稱 100Base-T五、快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）(5)兩種類型的互連設(shè)備HUB和交換機(jī)共享式 HUB，一個(gè)沖突域，工作方式與802.3相同，CSMA/CD，二進(jìn)制指數(shù)后退算法，半雙工 交換式HUB，輸入幀被緩存，一個(gè)端口構(gòu)成一個(gè)沖突域。六、千兆以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）（）標(biāo)準(zhǔn)：802.3z使快速以太網(wǎng)快上10倍，保持向后兼容。千兆網(wǎng)太網(wǎng)的所有配置都是

27、點(diǎn)到點(diǎn)的。六、千兆以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）（2）千兆以太網(wǎng)支持兩種不同的操作模式：全雙工模式，正常的模式，允許兩個(gè)方向上的流量同時(shí)進(jìn)行。一臺(tái)交換機(jī)將周圍的計(jì)算機(jī)連接起來，由于所有的線路都具有緩沖能力，所以不會(huì)發(fā)生沖突，不用CSMA/CD協(xié)議。半雙工模式，計(jì)算機(jī)連接的是集線器而不是交換機(jī)，使用標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CD協(xié)議。為擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍加入兩個(gè)特性。載荷擴(kuò)充：在普通幀后面怎增加一些填充數(shù)據(jù)，以便使幀長(zhǎng)擴(kuò)充到512字節(jié)幀串：它允許發(fā)送方將多個(gè)幀連接在一起，把它們串起來一起傳輸出去千兆以太網(wǎng)對(duì)于光纖采用8B/10B編碼；每個(gè)8位字節(jié)在光纖上編碼為10位，共有1024種可能的輸出碼字，選

28、取可用碼字的時(shí)候，采用兩條規(guī)則：不允許一個(gè)碼字中有超過4個(gè)連續(xù)相等的位；不允許一個(gè)碼字中0的個(gè)數(shù)或者1的個(gè)數(shù)超過6個(gè)。1000BASE-T 采用4B/5B編碼；采用4對(duì)5類雙絞線，用到5級(jí)電壓值，因此每對(duì)雙絞線有2個(gè)數(shù)據(jù)位，時(shí)鐘運(yùn)行125MHz，1Gbps速率。六、千兆以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）（3）七、IEEE 802.2 邏輯鏈路控制在有些系統(tǒng)中，要求使用具有錯(cuò)誤控制和流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，IEEE委員會(huì)定義802.2邏輯鏈路控制協(xié)議，可以運(yùn)行在以太網(wǎng)和其他802協(xié)議之上，提供一種統(tǒng)一的格式，以及向網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)接口，從而隱藏各種802網(wǎng)絡(luò)的差異。802.2的幀格式：H

29、DLC相類似。 DSAPSSAP控制數(shù)據(jù) 111/2長(zhǎng)度無(wú)限制 單位：字節(jié)高層PDU LLC數(shù)據(jù) LLC首部MAC首部MAC尾部MAC數(shù)據(jù)LLC幀和MAC幀的關(guān)系七、IEEE 802.2 邏輯鏈路控制（2）七、IEEE 802.2 邏輯鏈路控制（3）LLC提供的服務(wù)類型LLC1 不確認(rèn)無(wú)連接的服務(wù)LLC2 面向連接的服務(wù)LLC3 帶確認(rèn)無(wú)連接的服務(wù)服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）LLC SAP：指明該幀的上層進(jìn)程標(biāo)識(shí)。取代了DIX的類型域MAC SAP：MAC地址（即：網(wǎng)卡地址、物理地址）4.4 無(wú)線LAN Wireless LANs一、802.11 協(xié)議棧二、802.11 物理層紅外線技術(shù)，1Mbps和

30、2Mbps兩種速率跳頻通信 (frequence hopping spread spectum,FHSS )IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定跳頻通信使用2.4GHz的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)藥專用的ISM頻段；跳頻擴(kuò)頻通信的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s。 直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum,DSSS)直接序列擴(kuò)頻也使用2.4GHz的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)藥專用的ISM頻段;數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s；二、802.11 物理層（2）正交頻分多路復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM) IEEE

31、802.11a 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信使用5GHz的ISM頻段；數(shù)據(jù)傳輸速率為54Mb/s； 高速率的直接序列擴(kuò)頻(High Rate direct sequence spread spectrum,HR-DSSS)IEEE 802.11 使用2.4GHz的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)藥專用的ISM頻段;數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到11Mb/s802.11g使用802.11a的調(diào)制方法，使用2.4GHz的頻段，可以達(dá)到54Mbps三、802.11 MAC子層協(xié)議（1）隱蔽站問題、暴露站問題三、802.11 MAC子層協(xié)議（2）802.11支持兩種操作模式：DCF(分布式協(xié)調(diào)功能），PCF(點(diǎn)協(xié)調(diào)功能）DCF使用CSMA/CA

32、(避免沖突的CSMA)，CSMA/CA支持兩種操作方法。第一種采用載波偵聽第二種以MACAW為基礎(chǔ)，它用到了虛擬信道監(jiān)聽方法三、802.11 MAC子層協(xié)議（3）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是有噪聲的，也是不可靠的，所以802.11的幀太長(zhǎng)的話，完好無(wú)損地傳輸?shù)臋C(jī)率會(huì)減小，802.11允許傳輸?shù)膸环殖尚〉乃槠總€(gè)分片有自己的校驗(yàn)和，使用停-等協(xié)議被獨(dú)立編號(hào)和確認(rèn)。一旦通過RTS和CTS獲得信道，可以發(fā)送多個(gè)分片三、802.11 MAC子層協(xié)議（4）PCF模式，基站對(duì)其他的站進(jìn)行表決，問他們是否要發(fā)送幀。由于在PCF模式中，傳輸順序完全是由基站控制的，所以不會(huì)發(fā)生沖突。四、802.11 幀結(jié)構(gòu)（1）802.11

33、標(biāo)準(zhǔn)定義了三種不同類型的幀用于通信：數(shù)據(jù)幀、控制幀和管理幀五、802.11 服務(wù)（1）802.11標(biāo)準(zhǔn)聲明了每個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線LAN必須提供9種服務(wù)，可分為兩類：5種分發(fā)服務(wù)和4種站服務(wù)5種分發(fā)服務(wù)：由基站提供的，他們處理站的移動(dòng)性。當(dāng)移動(dòng)站進(jìn)入單元的時(shí)候通過這些服務(wù)與基站關(guān)聯(lián)起來；當(dāng)移動(dòng)站離開單元的時(shí)候，通過這些服務(wù)與基站斷開聯(lián)系。關(guān)聯(lián)Association：移動(dòng)站利用該服務(wù)連接到基站上分離Disassociation：一個(gè)站在離開或者關(guān)閉之前，利用該服務(wù)。重新關(guān)聯(lián)Reassociation：利用該服務(wù)，一個(gè)站可以改變它的首選基站 分發(fā)Distribution：決定如何路由那些發(fā)送給基站的幀

34、。融合Integration：將802.11個(gè)師的幀翻譯成目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)所要求的幀格式五、802.11 服務(wù)（2）4種站服務(wù)：在單元內(nèi)部進(jìn)行的。認(rèn)證Authentication解除認(rèn)證Deauthentication：如果一個(gè)原先已經(jīng)通過認(rèn)證的移動(dòng)站要離開網(wǎng)絡(luò)，則它需要解除認(rèn)證私密性Privacy：加密和解密數(shù)據(jù)投遞Data Delivery4.7 數(shù)據(jù)鏈路層交換從802.x到802.y的網(wǎng)橋本地網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)生成樹網(wǎng)橋遠(yuǎn)程網(wǎng)橋中繼器、集線器、網(wǎng)橋、交換機(jī)、路由器和網(wǎng)關(guān)虛擬LAN4.7 數(shù)據(jù)鏈路層交換（2）定義：網(wǎng)橋（bridge）是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的一種互連設(shè)備，它在互連的LAN之間實(shí)現(xiàn)幀的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)

35、。為什么使用網(wǎng)橋？學(xué)校和企業(yè)的各個(gè)部門分別擁有自己獨(dú)立管理的LAN，為了進(jìn)行交互，需要使用網(wǎng)橋來實(shí)現(xiàn)互連；一個(gè)企業(yè)分布在相隔很遠(yuǎn)的不同建筑物內(nèi)，在每個(gè)建筑物內(nèi)組建單獨(dú)的LAN，并使用橋?qū)⑦@些LAN連接起來比運(yùn)行一個(gè)網(wǎng)絡(luò)要經(jīng)濟(jì)的多；4.7 數(shù)據(jù)鏈路層交換（3）將一個(gè)負(fù)載很重的大LAN分隔成使用網(wǎng)橋互連的幾個(gè)LAN以減輕負(fù)擔(dān)；LAN上的兩臺(tái)機(jī)器其距離超過2500米，必須使用網(wǎng)橋?qū)⑦@個(gè) LAN 分隔以保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作；網(wǎng)橋可以隔離負(fù)載，防止出故障的站點(diǎn)損害全網(wǎng)；網(wǎng)橋可以有助于安全保密。4.7 數(shù)據(jù)鏈路層交換（4）一、從802.X到802.Y的網(wǎng)橋（）網(wǎng)橋的工作原理：例如下圖兩端口網(wǎng)橋連接k個(gè)不同L

36、AN的網(wǎng)橋?qū)⑿枰猭個(gè)MAC子層和k個(gè)物理層一、從802.X到802.Y的網(wǎng)橋（2）互連時(shí)需要解決的相同問題不同LAN幀格式的轉(zhuǎn)換；不同的LAN速率不同，網(wǎng)橋要有緩存能力；不同的LAN支持的最大幀長(zhǎng)度不同。解決辦法：丟棄無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)的幀。安全性問題，802.11支持加密功能，以太網(wǎng)不支持服務(wù)質(zhì)量Bridges from 802.x to 802.y (3)The IEEE 802 frame formats. The drawing is not to scale.二、本地網(wǎng)絡(luò)互連透明網(wǎng)橋：對(duì)用戶來講是透明的，不需要改動(dòng)硬件和軟件，無(wú)需設(shè)置地址開關(guān)，無(wú)需裝入路由表或參數(shù)等。透明網(wǎng)橋的工作原理：網(wǎng)橋工

37、作在混雜（promiscuous）方式，接收所有和它相連的LAN上傳送幀；二、本地網(wǎng)絡(luò)互連（2）網(wǎng)橋接收到一幀后，通過查詢地址/端口對(duì)應(yīng)表來確定是丟棄還是轉(zhuǎn)發(fā)；網(wǎng)橋剛啟動(dòng)時(shí)，地址/端口對(duì)應(yīng)表為空，采用擴(kuò)散算法（flooding）轉(zhuǎn)發(fā)幀；在轉(zhuǎn)發(fā)過程中采用逆向?qū)W習(xí)（backward learning）算法收集MAC地址。網(wǎng)橋通過分析幀的源MAC地址得到MAC地址與端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并寫入地址/端口對(duì)應(yīng)表； 網(wǎng)橋軟件對(duì)地址/端口對(duì)應(yīng)表進(jìn)行不斷的更新，并定時(shí)檢查，刪除在一段時(shí)間內(nèi)沒有更新的地址/端口項(xiàng)；當(dāng)一幀到達(dá)如果源地址已經(jīng)在散列表中，對(duì)應(yīng)表象中的時(shí)間值被更新二、本地網(wǎng)絡(luò)互連（3）幀的路由過程，取決于

38、它在哪個(gè)LAN上到達(dá)（源LAN），以及它的目的地址在哪個(gè)LAN上（目標(biāo)LAN）目的LAN與源LAN相同，則丟棄幀；目的LAN與源LAN不同，則轉(zhuǎn)發(fā)幀；目的LAN未知，則洪泛幀，并逆向?qū)W習(xí)。三、生成樹網(wǎng)橋?yàn)榱颂岣呖煽啃裕贚AN對(duì)之間使用多個(gè)網(wǎng)橋，多個(gè)網(wǎng)橋（并行網(wǎng)橋）可能產(chǎn)生回路，產(chǎn)生無(wú)限循環(huán)問題。三、生成樹網(wǎng)橋（2）解決多個(gè)網(wǎng)橋產(chǎn)生回路的問題思想讓網(wǎng)橋之間互相通信，用一棵連接每個(gè)LAN的生成樹（Spanning Tree）覆蓋實(shí)際的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。構(gòu)造生成樹每個(gè)橋廣播自己的序列號(hào)，號(hào)最小的橋變成生成樹的根；每個(gè)網(wǎng)橋計(jì)算自己到根的最短路徑，構(gòu)造出生成樹，使得每個(gè)LAN和橋到根的路徑最短；當(dāng)某個(gè)LAN或網(wǎng)橋發(fā)生故障時(shí)，要重新計(jì)算生成樹；生成樹構(gòu)造完后，算法繼續(xù)執(zhí)行以便自動(dòng)發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，更新生成樹。三、生成樹網(wǎng)橋（）(a) 相互連接的LAN. (b) 覆蓋所有LAN的生成樹，虛線不屬于生成樹四、遠(yuǎn)程網(wǎng)橋遠(yuǎn)程網(wǎng)橋連接兩個(gè)遠(yuǎn)距離的LAN。實(shí)現(xiàn)方法：在每個(gè)LAN上安放一個(gè)網(wǎng)橋，并且用點(diǎn)到點(diǎn)線路將一對(duì)網(wǎng)橋連接起來。點(diǎn)到點(diǎn)線路可以使用各種鏈路層協(xié)議。通過隧道運(yùn)載各LAN中的數(shù)據(jù)五、中繼器、集線器、網(wǎng)橋、