《計算機通信網(wǎng)》第4章MAC子層課件

第4章介質(zhì)訪問子層

（MAC子層）4.1背景4.2共享介質(zhì)的信道分配4.3典型的多路訪問協(xié)議4.4網(wǎng)橋4.1概述考慮本地有多臺計算機聯(lián)成一個網(wǎng)基本要求每臺計算機只有一個通信接口任意計算機之間都可以相互發(fā)送數(shù)據(jù)計算機在網(wǎng)絡(luò)中的地位平等采用何種方法可以把這些計算機都連起來？ACBDEF任意一臺計算機(例如A)，可以其它把數(shù)據(jù)送給其它的任意的計算機(例如C)基本的聯(lián)網(wǎng)方式用一個信道把所有計算機連接起來信道的通信容量為C(Capability)所有的計算機都利用該信道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)問題轉(zhuǎn)化為如何為每臺計算機分配使用的信道資源？靜態(tài)分配頻分復用，F(xiàn)DM時分復用，TDM動態(tài)分配ABCDEF4.1背景計算機網(wǎng)絡(luò)分為兩類點到點信道的網(wǎng)絡(luò)共享信道的網(wǎng)絡(luò)（廣播信道的網(wǎng)絡(luò)或廣播式網(wǎng)絡(luò)）廣播信道也稱為：多路訪問信道或隨機訪問信道廣播信道網(wǎng)絡(luò)的特點所有站點共享同一信道一個站發(fā)送的數(shù)據(jù)將傳遍整個網(wǎng)絡(luò)同時發(fā)送會產(chǎn)生沖突需要某種信道訪問機制——介質(zhì)訪問子層研究的問題頻率f★4.1背景典型的廣播信道網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無線廣域網(wǎng)（GSM、GPRS、WCDMA等）無線局域網(wǎng)WLAN（802.11）局域網(wǎng)共享式以太網(wǎng)令牌環(huán)網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)廣播信道網(wǎng)絡(luò)面臨和需要解決的問題如何識別不同的站點站點何時如何使用信道——信道分配問題所有這些問題由MAC子層協(xié)議解決介質(zhì)訪問子層（mediumaccesscontrol）★4.2共享介質(zhì)的信道分配

靜態(tài)分配（無競爭）頻分多路復用FDM（頻分，各站使用獨立頻段）需要考慮頻段間隔，以免相互干擾時分多路復用TDM（時分，各站使用獨立時間段）需要考慮時間段（時隙）獨立，以免干擾靜態(tài)分配方式簡單可靠，但延時較大，信道利用率低，不適應(yīng)突發(fā)的數(shù)據(jù)傳送和用戶數(shù)量變化的情況★4.2共享介質(zhì)的信道分配

動態(tài)分配不固定為每個站點分配信道需要時才分配空閑時可由其它站點使用動態(tài)分配的方式很多集中仲裁的動態(tài)分配（需要管理站）向管理站預約：需要時申請，許可后發(fā)送數(shù)據(jù)（舉手的方式）申請時可能沖突，許可后發(fā)送無沖突由管理站輪詢(點名的方式)單播輪詢方式：依次詢問每個站，有數(shù)據(jù)發(fā)的站點發(fā)送，無沖突組播或廣播輪詢：可能有沖突分布仲裁的動態(tài)分配（無需管理站）允許競爭存在，盡量避免或減少沖突減少沖突的措施：發(fā)前偵聽信道，檢測沖突，沖突后隨機后退等令牌控制信道的使用只有得到令牌的站，才能發(fā)送數(shù)據(jù)（無沖突方式）★另一種動態(tài)分配方式的分類競爭信道節(jié)點無序搶占信道允許沖突存在有序訪問控制節(jié)點訪問信道次序無沖突有限競爭結(jié)合競爭方式和無沖突方式輕負載時，使用競爭方式重負載時，使用無沖突方式本章重點－隨機競爭算法算法優(yōu)點信道利用率高其它站點不發(fā)送時，可占用更多的信道資源聯(lián)網(wǎng)方式簡單不需要進行信道劃分站點數(shù)可變通信方式簡單發(fā)，或者不發(fā)(不存在子信道帶來的問題)適合于計算機間的組網(wǎng)通信通信的對象可變通信的數(shù)據(jù)量可變，通信能力強站點可自由上下網(wǎng)最大問題如何最大限度避免出現(xiàn)發(fā)送沖突信道競爭模型競爭模型N個獨立工作的站點，隨機地發(fā)送數(shù)據(jù)幀進入信道的幀的速率是一個隨機過程(設(shè)均值為G)某個幀成功傳輸?shù)臈l件(無論誰接收、不考慮誤碼):沒有與其它幀在時間上有重疊進入信道(幀速率G)成功傳輸出信道（吞吐率S）沖突的幀（消失在信道上)S：歸一化吞吐率S=吞吐量/信道容量G：歸一化幀速率G=幀速率/信道容量顯然：S≤G信道競爭模型幀速率的概率分布在任意的一個時間段T(幀長度)內(nèi)，生成k個幀的概率服從泊松分布其中G為平均幀速率典型值：T內(nèi)生成0幀的概率為pT(0)=e-GT內(nèi)生成1幀的概率為pT(1)=Ge-G2T內(nèi)生成0幀的概率為p2T(0)=e-2G信道競爭模型背景知識：泊松(Poisson)分布無窮多個獨立工作站點隨機生成(發(fā)送)幀的概率分布設(shè)有一小的時間間隔dt，若在dt內(nèi)生成一幀的概率為λdt(λdt<<1),且獨立于其它時間間隔當dt足夠小時，生成多于1幀的概率可忽略不計在各不重疊的時間間隔，生成的幀數(shù)是獨立的隨機變量概率結(jié)構(gòu)與時間位置無關(guān)則可推出在t時間內(nèi)生成n個幀的概率為均值為方差為λ為幀的平均生成速率(研究表明：當站點數(shù)超過20個時,其生成幀的概率分布已非常接近泊松分布）4.2.1ALOHAPureALOHA工作原理節(jié)點只要有數(shù)據(jù)就可以直接占用信道，啟動發(fā)送不考慮與別的站點是否沖突的無序競爭，“想發(fā)就發(fā)”可以預測幀速率較大時，沖突會急劇上升只能工作在幀速率較小的場合何種幀速率適合PureALOHAPureALOHA所能達到的吞吐率70年代，夏威夷大學為了用無線電將分散在各個島嶼的計算機連接起來，NormanAbramson等人設(shè)計了一種巧妙地解決信道分配問題的新算法，稱為ALOHA（orpureALOHA)。該協(xié)議開創(chuàng)了通信介質(zhì)共享領(lǐng)域的新時代PureALOHA的性能為簡單起見，假定所有站點發(fā)送的幀是等長的，占用信道的時間為T設(shè)某個站點在t時刻發(fā)送一個幀，該幀成功發(fā)送的條件是：在t-T~t+T的2T間隔內(nèi)沒有其它站點發(fā)送(如圖所示)即成功發(fā)送概率P0(根據(jù)幀速率的泊松分布)為P0=P{2T內(nèi)無幀產(chǎn)生}=e-2G由S=GP0，可得PureALOHA的吞吐率S=Ge-2G站1站2…tt+Tt-T站NPureALOHA性能曲線性能描述當幀速率G小于信道容量的50%時，發(fā)送幀產(chǎn)生的沖突較少，吞吐率隨幀速率而增加當幀速率G大于信道容量的50%后，發(fā)送幀產(chǎn)生的沖突急劇上升，吞吐率下降PureALOHA的最佳性能出現(xiàn)在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率為信道容量的18.4%)信道利用率(吞吐率)低的原因是站點的無序競爭S=Ge-2G理想吞吐率SlotALOHA設(shè)：某個站點在t時刻發(fā)送一個幀，該幀成功發(fā)送的條件是：在t-T~t的間隔內(nèi)沒有新幀產(chǎn)生(新幀將在t時刻發(fā)送)其概率為P0=P{T內(nèi)無幀產(chǎn)生}=e-GSlotALOHA的吞吐率為S=GP0=Ge-G與PureALOHA相比減少了沖突的可能性可容納更高的幀速率從而提高了信道的吞吐率PureALOHA的2倍最大吞吐率出現(xiàn)在G=100%處S=1/e=36.8CSMA如果發(fā)送和接收都在同一個信道上，發(fā)送之前可發(fā)現(xiàn)信道是否被其它站點占用，從而可以降低沖突“先聽后發(fā)”工作原理：載波偵聽多路訪問發(fā)送前偵聽信道信道空閑，就啟動發(fā)送信道被占用，就等到信道空閑再發(fā)送如果有兩個以上站點都在等，一旦信道空閑就會同時發(fā)送而沖突。因此，需要錯開各站點啟動發(fā)送的時間。三種錯開發(fā)送時間的策略1堅持CSMA：立即發(fā)送0堅持CSMA：等待一段隨機長度的時間(隨機后退)p堅持CSMA：可能立即發(fā)送(概率p)，可能等待(概率1-p)錯開時間后，后發(fā)的站點因又發(fā)現(xiàn)信道被占用而繼續(xù)偵聽信道上的傳播延時會對站點的載波偵聽帶來不利影響CSMA載波偵聽動畫（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據(jù)信號到達B處B偵聽信道，抑制發(fā)送ABCSMA載波偵聽動畫（二）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據(jù)信號到達B處，產(chǎn)生沖突B偵聽信道，立即發(fā)送AB信號傳播延時CSMA降低了沖突概率因為信號傳播延時是很短的－－以2/3光速傳播1堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率p=1準備發(fā)送：偵聽信道若信道閑,啟動發(fā)送否則,持續(xù)偵聽信道直到信道閑，啟動發(fā)送前一發(fā)送完成，后面很容易產(chǎn)生沖突下一幀不沖突的概率：在一個T內(nèi)最多產(chǎn)生一幀的概率p=p(0)+p(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-GReadyData信道忙否偵聽Ready是信道閑發(fā)送站A站B站C站D偵聽偵聽幾種競爭協(xié)議的效率吞吐率輕負載下，1-堅持的性能好，0-堅持差，p-堅持中等重負載下，1-堅持的性能差，0-堅持好，p-堅持中等CSMA/CD（結(jié)合P216、P233）載波偵聽多路訪問/沖突檢測引入已經(jīng)發(fā)生沖突的幀，繼續(xù)發(fā)送的部分是浪費沖突檢測發(fā)送的過程中繼續(xù)檢測信道，以及時發(fā)現(xiàn)沖突發(fā)生沖突后，立即停止發(fā)送站A站B站C沖突浪費沖突檢測方法電平判斷沖突信號相互疊加，總電平將超過額定值邏輯判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)與同時收回來的數(shù)據(jù)不一致集線器上有兩個及以上的端口“活動”+=超高沖突檢測時間最多花多長時間發(fā)現(xiàn)沖突ε接近于0，但不等于0τ為傳播時延＝距離/0.7光速發(fā)送超過2τ時間后不需要再檢測沖突了沖突檢測后的處理檢測到?jīng)_突后立即停止傳輸停止傳輸后，隨機延遲一段時間再嘗試發(fā)送若各站的延遲時間相同，則一定會再次沖突延遲時間以時間片為單位一個時間片＝最大沖突檢測時間隨機延時算法－－截斷二進制指數(shù)回退算法whileattempts<attemptlimitandcollisionk=min(attempts,10);r=radom(0,2k);attempts=attempts+1;endofwhiler為計算出的延時時間片競爭訪問信道競爭訪問信道面臨的問題及解決方案有沖突出現(xiàn)盡量減少沖突－－降低沖突概率監(jiān)聽載波隨機后退盡量減小沖突帶來影響分時槽監(jiān)聽載波沖突檢測減少用戶發(fā)送延遲發(fā)送延遲：從準備發(fā)送到正確發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔降低沖突概率減小沖突持續(xù)時間4.3典型的多路訪問協(xié)議無沖突的協(xié)議：控制節(jié)點訪問信道次序位圖協(xié)議－－預定協(xié)議在信道訪問前先申請（預定）信道，然后按序訪問發(fā)送站在自己的爭用時隙中置位在爭用時隙結(jié)束后，各發(fā)送站按順序發(fā)送4.3典型的多路訪問協(xié)議無沖突的協(xié)議：二進制倒計數(shù)法各發(fā)送站發(fā)送自己的地址，同時監(jiān)聽自己發(fā)出的地址是否改變地址發(fā)完后，沒有發(fā)現(xiàn)地址改變的發(fā)送站繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)無沖突協(xié)議二進制倒計數(shù)法例站A、站B、站C、站D，地址分別為0010、0100、1001、10100010010010011010假設(shè)四個站點同時希望發(fā)送，它們將自己的地址送出，并同時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。ABCD發(fā)送順序先后00111111D站可以發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送站中地址最高的可以發(fā)送數(shù)據(jù)高地址站具有高優(yōu)先級地址動態(tài)變化，以使保證公平性4.4以太網(wǎng)采用了CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)范圍小、數(shù)傳速率高，共享介質(zhì)一根電纜連接所有的站點背景IEEE802委員會IEEE802.3MAC媒體訪問控制層PHY物理層LLC邏輯鏈路控制層高層數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)MAC層媒體訪問技術(shù)－－CSMA/CD傳輸前偵聽載波信道空閑立即發(fā)送信道忙則一直偵聽，直到信道空閑，然后立即發(fā)送發(fā)送過程中同時檢測沖突發(fā)現(xiàn)沖突立即停止傳輸，并在隨機延時后嘗試發(fā)送停止傳輸后，用二進制指數(shù)回退算法計算延時一些重要的規(guī)定最小幀長64字節(jié)，最大幀長1518字節(jié)最多連續(xù)沖突次數(shù)：16次幀間間隔12字節(jié)以太網(wǎng)MAC層幀格式前導碼：10101010串，用于同步目的地址：6字節(jié)三種形式單播、單目、普通地址指定站點接收多播、組播、組地址一組站點同時接收廣播地址所有站點全部接收前導碼目的地址源地址長度/類型數(shù)據(jù)幀校驗8字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)46～1500字節(jié)4字節(jié)以太網(wǎng)幀格式目的地址第一字節(jié)，最“高”位為0表示單播地址－－普通地址為1表示多播地址－－組地址全部為1表示廣播地址例：0x01005E730C01組播地址0x00900A270B0C單播地址0xFFFFFFFFFFFF廣播地址以太網(wǎng)幀格式長度/類型字段小于1536表示幀長度－－幀中數(shù)據(jù)字段的長度數(shù)據(jù)內(nèi)容是變長的，最大為1500大于1536表示幀類型－－數(shù)據(jù)字段封裝的協(xié)議類型0x800：表示數(shù)據(jù)內(nèi)容是IP分組0x806：ARP分組前導碼目的地址源地址長度/類型數(shù)據(jù)幀校驗8字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)46～1500字節(jié)4字節(jié)目的地址源地址0x800IP分組以太網(wǎng)幀格式幀校驗字段32位CRC校驗MAC層發(fā)現(xiàn)幀錯誤后，僅向上層報告而不進行差錯控制前導碼目的地址源地址長度/類型數(shù)據(jù)幀校驗8字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)46～1500字節(jié)4字節(jié)4.4.4共享式與交換式以太網(wǎng)共享式以太網(wǎng)一根電纜(或HUB)連接所有的站點站點采用CSMA/CD競爭信道HUB模擬共享信道HUB交換式以太網(wǎng)交換式以太網(wǎng)端口與站點采用全雙工通信共享緩沖區(qū)、交換矩陣、CrossBar等在端口間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀所有端口并行工作沒有信道競爭，關(guān)閉了CSMA/CDMACMACMACMAC幀緩沖區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)根據(jù)目的MAC向相應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)幀以太網(wǎng)交換機快速以太網(wǎng)(FastEthernet)數(shù)傳速率為100Mbps的以太網(wǎng)802.3u與10Mbps的以太網(wǎng)兼容－－10/100M自適應(yīng)電纜：5類雙絞線接口：RJ45編碼：8B/6TMAC層：CSMA/CD全雙工（交換式）下不用千兆以太網(wǎng)數(shù)傳速率為1000Mbps的以太網(wǎng)802.3z，802.3ab等“電”纜：802.3z－－光纖，802.3ab－－雙絞線編碼：8B/10BMAC層：CSMA/CD全雙工（交換式）下不用幀擴充（載荷擴充）技術(shù)，將小于64字節(jié)的幀擴充到512字節(jié)發(fā)送幀突發(fā)（幀串）技術(shù)，一次可連續(xù)發(fā)送多個小于512字節(jié)的幀，直到1500字節(jié)4.5無線局域網(wǎng)協(xié)議標準IEEE802.11系列協(xié)議11b11g11a11n11i……無線的“以太網(wǎng)”希望像以太網(wǎng)那樣普及、方便、易用技術(shù)和CSMA/CD類似CSMA/CA高層LLC802.3MAC802.3PHY802.11MAC802.11PHY無線局域網(wǎng)協(xié)議無線局域網(wǎng)的廣播特性信道共用無基站，對等式無線環(huán)境的特殊性： 沖突域不固定ABCAC之間并不沖突，但在B看來，大家都是沖突的無線局域網(wǎng)隱藏站點A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時 C監(jiān)測不到載波C也向發(fā)送數(shù)據(jù)，造成沖突A對C隱藏暴露站點B向A發(fā)送數(shù)據(jù) C向D發(fā)送數(shù)據(jù)本來互不干擾但在B發(fā)送時， C檢測信道，以為會 發(fā)生沖突，而停止B暴露在C、D之間

ABCABCD難無線局域網(wǎng)協(xié)議MACA沖突避免解決隱藏站點沖突A欲向B發(fā)送數(shù)據(jù)，先發(fā)送RTS幀提醒BB應(yīng)答CTS，阻止在B覆蓋范圍內(nèi)的其他所有站點發(fā)送數(shù)據(jù)（不包括A）C收到CTS后，不向B發(fā)送數(shù)據(jù)而避免了沖突（在B周圍的所有站點中只有A能發(fā)送數(shù)據(jù)）ABCRTSCTSRTS－RequestToSendCTS－ClearToSend無線局域網(wǎng)協(xié)議MACA解決暴露站點問題C收不到A發(fā)出的CTS－－發(fā)送抑制幀C可以在B向A發(fā)送數(shù)據(jù)的同時向D發(fā)送數(shù)據(jù)新的問題RTS幀的沖突ABCDCTS數(shù)字蜂窩GSM數(shù)字數(shù)據(jù)與數(shù)字信號數(shù)字數(shù)據(jù)：集成、壓縮、糾錯、加密數(shù)字信號：抗干擾、高數(shù)據(jù)傳輸速率、可再生GSM的信道分配FDM＋TDM（圖2-43）動態(tài)分配GSM的公共信道呼叫信道－－下行信道隨機訪問信道－－上行信道 存在多路訪問沖突問題，用slottedALOHA解決訪問授權(quán)信道－－下行信道用于連接的建立擴4.4網(wǎng)橋網(wǎng)橋又稱MAC橋，是一種L2中繼設(shè)備主要強調(diào)互連網(wǎng)橋通過多個端口互連不同的LAN多種LAN技術(shù)的發(fā)展催生了網(wǎng)橋各個LAN的MAC技術(shù)、速率均可不同初期典型網(wǎng)橋：用于多網(wǎng)互連、特別是主干網(wǎng)接入以太網(wǎng)橋：互連粗纜、細纜TR網(wǎng)橋：互連16Mbps、4MbpsFDDI網(wǎng)橋：互連FDDI、以太網(wǎng)傳統(tǒng)網(wǎng)橋基于軟件、性能不高、市場并不大交換機就是硬件化的多端口網(wǎng)橋，目前以太網(wǎng)的主要設(shè)備網(wǎng)橋的特點隔離沖突域網(wǎng)橋各端口具有獨立的MAC實體各端口為獨立的沖突域隔離流量只有必要的幀才被網(wǎng)橋中繼宿地址與源地址同端口的幀，不轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)橋各端口的流量相對隔離可靠性，限制故障范圍安全性需要，將局域網(wǎng)隔離特點的應(yīng)用網(wǎng)橋可以用于互連（對于不同類型的LAN）網(wǎng)橋更可用于分段?。▽τ谙嗤腖AN）網(wǎng)橋隔離沖突域網(wǎng)橋隔離沖突域，但不隔離廣播域A站B站C站D站A站B站C站D站網(wǎng)橋沖突域1沖突域2所有站點位于同一沖突域網(wǎng)橋隔離沖突域?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)分隔成兩個沖突域每一個端口及其相連的站點位于同一沖突域網(wǎng)橋連接局域網(wǎng)網(wǎng)橋互連多個不同的LAN各個局域網(wǎng)MAC技術(shù)和速率均可不同－－存儲轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)橋可能需要做協(xié)議轉(zhuǎn)換（現(xiàn)在較少使用）網(wǎng)橋分割同類型LAN為不同LAN段隔離沖突域、擴大LAN的范圍、提高整體性能網(wǎng)橋?qū)φ军c透明橋接局域網(wǎng)上的各站點不知道網(wǎng)橋的存在各站點認為所有站在同一個LAN或LAN段上網(wǎng)橋站站站站分割不同的LAN段網(wǎng)橋站站站站互連不同的LAN網(wǎng)橋的類型遠程網(wǎng)橋：已退出市場使用點到點協(xié)議源路由網(wǎng)橋：較少使用橋?qū)⒔邮账械臄?shù)據(jù)幀由源端在數(shù)據(jù)幀中指明發(fā)送路由，即經(jīng)過的橋的序列協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋：較少使用透明網(wǎng)橋（目前的產(chǎn)品主要是交換機）以太網(wǎng)交換機的原理就是采用透明網(wǎng)橋的原理接收所有的數(shù)據(jù)幀根據(jù)幀的目的MAC地址，查地址表轉(zhuǎn)