計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講解

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

研究員

PhD第二單元：物理層與數(shù)據(jù)鏈路層第五講（2-6）:4/12/20241計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊局域網(wǎng)涉及OSI/RM下兩層4/12/20242計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊①第8講內(nèi)容回顧局域網(wǎng)基本概念I(lǐng)EEE802工作委員會關(guān)于局域/城域網(wǎng)概貌（涉及OSI/RM的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；數(shù)據(jù)鏈路層分LLC和MAC兩子層IEEE802.3（以太網(wǎng)技術(shù)概貌：始于共享介質(zhì)半雙工，采用CSMA/CD控制介質(zhì)訪問；進(jìn)展：單種介質(zhì)→多種介質(zhì)、半雙工→全雙工、數(shù)據(jù)傳輸率10Mbps→10Gbps,應(yīng)用：局域網(wǎng)→園區(qū)網(wǎng)→城域網(wǎng)→廣域網(wǎng))技術(shù)的進(jìn)展兩特點(diǎn)：半雙工→全雙工：MAC子層的CSMA/CD淡出速率的提高：物理層子層結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜：編碼、接口（串→并）、同介質(zhì)速率協(xié)商、城域/廣網(wǎng)的適配子層4/12/20243計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊②第9講內(nèi)容概述局域網(wǎng)中的中繼（Relay)技術(shù)物理層的中繼數(shù)據(jù)鏈路層的中繼（橋接/交換：Bridging/Switching)網(wǎng)絡(luò)層高層交換？(帶外信令）交換機(jī)間的流量控制技術(shù)：暫停幀（PauseFrame)其他局域網(wǎng)技術(shù)無線局域網(wǎng)技術(shù)令牌總線與令牌環(huán)9.1局域網(wǎng)中的中繼技術(shù)①為什么需要中繼？4/12/20244計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊在同一廣播域內(nèi)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的需要（重發(fā)器:Repeater、集線器:Hub)延長物理信號的傳輸距離增加網(wǎng)段內(nèi)工作站數(shù)量(受電纜段可接入站數(shù)和設(shè)備端口數(shù)限制，代價(jià)：單站平均傳輸能力下降）幻燈片6以10Mbps以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為例：10Base-T:UTP,設(shè)備間最大傳輸距離100米10Base2:細(xì)同軸電纜（直徑5mm),最大傳輸距離185米，單段電纜上允許連接工作站數(shù)3010Base5:粗同軸電纜（直徑10mm),最大傳輸距離500米10Base-FL:多模光纖，最大傳輸距離2Km

在共享介質(zhì)半雙工工作方式下，受檢測沖突的需要，延長后的距離收到限制（2.5Km)4/12/20245計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊集線器集線器RR重發(fā)器RepeaterTerminatorTerminatorTerminator兩種方式擴(kuò)網(wǎng)后，聯(lián)入的設(shè)備仍在同一廣播域內(nèi)！4/12/20246計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊在不同廣播域間擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的需要：橋接：Bridging、交換：Switching（延長傳輸距離、減少單廣播域內(nèi)連接的工作站數(shù)/增加網(wǎng)內(nèi)總站數(shù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)總吞吐率或單站可獲得的平均吞吐率）使用電纜介質(zhì)時(shí)（總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），在不同廣播網(wǎng)段間的橋接使用雙絞線或光纖介質(zhì)時(shí)（星/樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），在不同廣播域的通信子網(wǎng)間交換。在不同數(shù)據(jù)傳輸率間的網(wǎng)段、子網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)速率適配。

任何一種介質(zhì)的傳輸距離都有一定限制（粗、細(xì)纜最大長度限制：分別500米185米；雙絞線：100米；光纖：更長受使用的光纖（多、單模，芯徑、光源的影響）4/12/20247計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊聯(lián)入各交換機(jī)端口的計(jì)算機(jī)都不在同一競爭域內(nèi)；如果不使用MAC廣播地址，所有的計(jì)算機(jī)都不在同一廣播域內(nèi)。4/12/20248計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊②重發(fā)器（Repeater)或集線器（Hub)物理層重發(fā)設(shè)備，所有端口處于同一競爭域，各端口速率必須相同。IEEE802.3c的第9節(jié)定義的10Mbps以太網(wǎng)中繼器功能包括：信號恢復(fù)中繼器必須對收到的信號進(jìn)行恢復(fù)，消除在一段網(wǎng)段上產(chǎn)生的波形失真（幅度、形狀）和時(shí)序失真（由抖動造成發(fā)送位偏離理想位置）的影響。前導(dǎo)恢復(fù)

中繼器必須對之進(jìn)行恢復(fù)，否則會影響遠(yuǎn)端站點(diǎn)的正常工作。其實(shí)現(xiàn)方式是在中繼器中有一個(gè)FIFO存儲空間保留因前導(dǎo)丟失而變短的幀，以便恢復(fù)其最初長度。如果活動接收端口在接收到96比特之前變?yōu)椴换顒?，這種情況也稱為中繼器接收沖突，因?yàn)樾∮?6比特的短幀只能是由沖突情況產(chǎn)生。為了通知所有站點(diǎn)，應(yīng)將該短幀加長至96比特以上，以便使所有相關(guān)站點(diǎn)感知沖突的發(fā)生。4/12/20249計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊沖突檢測當(dāng)中繼器在向所有未被禁止或未被隔離的端口轉(zhuǎn)發(fā)從某端口上接收到的數(shù)據(jù)幀時(shí)，若正被轉(zhuǎn)發(fā)的端口之一（非當(dāng)前活動的接收端口）檢測到?jīng)_突時(shí)，則該沖突被定義為發(fā)送沖突。此時(shí)，中繼器必須向所有端口發(fā)送至少96比特的擁塞序列（JammingSequence），以保證此沖突信號能傳送到中繼器連接的所有設(shè)備上。如果在接收端口上檢測到?jīng)_突（接收沖突），則只需在接收端口上發(fā)送至少96比特的擁塞序列。4/12/202410計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊防鎖

CSMA/CD的中繼器間規(guī)定不得有兩條鏈路也不得形成環(huán)路，以防止一旦發(fā)生沖突擁塞序列的廣播造成死鎖。設(shè)想在由兩中繼器互聯(lián)而成的以太網(wǎng)中，若兩中繼器直轄的工作站中各有一站點(diǎn)幾乎在同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，兩中繼器先后會檢測到有沖突發(fā)生，于是，兩中繼器都會向各自的端口（包括二者互聯(lián)端口）發(fā)送至少96比特的“擁塞序列”。因此，要求首先發(fā)完96比特的“擁塞序列”的中繼器立即停止向中繼器間互聯(lián)端口發(fā)送“擁塞序列”，并且在繼續(xù)向其他本地端口發(fā)送“擁塞序列”的同時(shí)，繼續(xù)監(jiān)聽互聯(lián)端口。如果該端口上還有數(shù)據(jù)接收，說明另一中繼器尚未完成96比特的“擁塞序列”的發(fā)送；一旦另一中繼器在該端口上也完成了96比特的“擁塞序列”的發(fā)送，也停止向互聯(lián)端口發(fā)送，但可繼續(xù)向其本地端口發(fā)送“擁塞序列”，直到各自的本地站點(diǎn)都沉默為止。此時(shí)，全網(wǎng)又恢復(fù)了正常競爭狀態(tài)。4/12/202411計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊MAU超長發(fā)送鎖定保護(hù)

10Mbps的MAU中的超長發(fā)送（MJLP，即MAUJabberLockupProtection）定時(shí)器是為共享介質(zhì)方式以太網(wǎng)設(shè)置的，原意為防止站點(diǎn)發(fā)送時(shí)間過長（限定在20～150

ms

內(nèi)）。一旦超長，MAU將中斷發(fā)送并禁止通向DI的環(huán)繞通路，同時(shí)通過CI向PLS報(bào)告沖突。為了防止中繼器進(jìn)入超長發(fā)送狀態(tài)，其MJLP定時(shí)器有意設(shè)置得較短（4～7.5ms），相當(dāng)于4～7.5萬比特?cái)?shù)據(jù)的傳輸時(shí)間（但仍遠(yuǎn)大于正常幀的最長傳輸時(shí)間）。如果一旦發(fā)生定時(shí)器超時(shí)，中繼器將中止向所有端口的數(shù)據(jù)發(fā)送過程，經(jīng)過最小幀間間隔限定的時(shí)間（0.6～11.6μs），中繼器再恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。4/12/202412計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊端口隔離功能設(shè)置端口隔離功能的目的是能將那些發(fā)生長時(shí)間沖突和頻繁沖突的網(wǎng)段與其他網(wǎng)段自動分離開來。端口一旦被隔離，中繼器將對其繼續(xù)執(zhí)行收發(fā)功能，但不轉(zhuǎn)發(fā)至其他端口。被隔離的端口在一定的時(shí)間內(nèi)未檢測到?jīng)_突，或完成一次無沖突接收，可以解除其隔離狀態(tài)。這一特征對10BASE-T和10BASE-F中繼器是必須具備的功能。4/12/202413計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊延遲和包間間隔（IPG，即InterPacketGap）收縮嚴(yán)格地說IPG應(yīng)稱為幀間間隔，這是為了使相鄰中繼器或網(wǎng)站的時(shí)鐘能得到恢復(fù)、頻率鎖定而設(shè)置的同步時(shí)隙。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求最小IPG為96比特傳輸時(shí)間，對10Mbps以太網(wǎng)為該值9.6μs。中繼器轉(zhuǎn)發(fā)幀的過程需要一定的處理時(shí)間，它包括接收端口識別后將幀交給中繼單元的延遲、中繼單元向輸出MAU轉(zhuǎn)發(fā)所需的啟動延遲，以及MAU向相連網(wǎng)段發(fā)送前的啟動延遲。對不同的幀同一中繼器引起的轉(zhuǎn)發(fā)延遲不盡相同，如果對前一幀的轉(zhuǎn)發(fā)延遲長于后一幀的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，就會造成兩幀間的IPG縮短。在經(jīng)過多個(gè)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，IPG縮短的效果還可能累加，當(dāng)IPG縮短到一定程度就可能影響中繼器或工作站的正常工作。IPG的縮短是限制網(wǎng)內(nèi)中繼器個(gè)數(shù)的重要原因之一。因此，中繼器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少這種幀轉(zhuǎn)發(fā)延遲的差異。4/12/202414計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊管理功能由于中繼器處于以太網(wǎng)多個(gè)網(wǎng)段的中心，因此是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控管理的極佳位置。在中繼器中有選擇地采集網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)信息并提供相應(yīng)的讀/寫（設(shè)置）手段和報(bào)警手段，便可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理。通常的做法是在中繼器中設(shè)置支持簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP，即SimpleNetworkManagementProtocol）[RFC1157]的管理代理（Agent）的方式來實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)管系統(tǒng)將采用帶內(nèi)（即利用以太網(wǎng)幀）或帶外（利用非以太網(wǎng)的專用通信手段）方式，通過管理代理實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的管理。4/12/202415計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊③橋接器（Bridge）和二層交換機(jī)：數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備功能幀過濾功能中繼器在收到某網(wǎng)段上的幀后，將向除該網(wǎng)段以外的所有中繼端口廣播該幀。而橋接器則可以通過識別MAC地址，選擇性地將接收到的幀轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的網(wǎng)段上。如果該幀的目的地址就在接收網(wǎng)段上，橋接器不作任何轉(zhuǎn)發(fā)工作，因而起到了幀過濾的作用。學(xué)習(xí)功能橋接器的自學(xué)習(xí)機(jī)制是通過從橋接器各端口上收到幀的源地址積累網(wǎng)站所處網(wǎng)段的信息。如果事先未進(jìn)行人工設(shè)置，橋接器也可以首先采用中繼器的全廣播方式，直到在其過濾地址表中積累了接收幀中的目的地址信息為止。由于存儲所限，過濾地址表也存在一個(gè)老化問題。對持續(xù)一段時(shí)間不活動的網(wǎng)站地址，將被從地址表中刪除，為刷新地址保留空間。4/12/202416計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊轉(zhuǎn)發(fā)方式橋接器可采用兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式：“截址直通轉(zhuǎn)發(fā)“（Cut-through）和802.1D規(guī)定的“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”（Store-and-forward）。前者在收到幀時(shí)，立即根據(jù)目的地址查找應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)的端口，在該幀尚未全部接收完之前盡快發(fā)送出去（如果相應(yīng)端口空閑的話）。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是幀通過橋接器的時(shí)延較短，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)尚未收到全幀，因而對該幀傳輸正確性不作檢查，可能將有錯(cuò)幀也轉(zhuǎn)發(fā)到下一網(wǎng)段，浪費(fèi)了該網(wǎng)段的傳輸資源。存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式則與之相反，橋接器的傳輸時(shí)延較大，但可實(shí)施幀校驗(yàn)，因而可確保被轉(zhuǎn)發(fā)的幀的正確性。4/12/202417計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊生成樹算法（書中譯為“支撐樹”）802.1D規(guī)定了生成樹算法（SpanningTree）：動態(tài)地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，使橋接器間不形成環(huán)路，而保持為樹型結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)站位置未明時(shí)，或本身就是廣播地址時(shí)，橋接器需采用廣播方式轉(zhuǎn)發(fā)該幀。生成樹算法能較好地解決這一問題，該算法要求所有橋接器能傳遞特定的配置信息，用于確定一個(gè)“根橋接器”和各橋接器通向根橋接器的最短路徑。如果某橋接器與根橋接器間存在多條路徑，則生成樹協(xié)議將要求斷開所有非最短路徑，只保留一條最短路徑。4/12/202418計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊橋接器利用帶有特殊信息的普通幀來交換生成樹配置信息。這些幀稱為橋接器協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU，即BridgeProtocolDataUnit）。根橋接器被定義為48位MAC地址最小的橋接器，通過BPDU傳輸、比較、優(yōu)化，計(jì)算出各橋接器至根橋接器的最短路徑，作為橋接器配置的基礎(chǔ)。BPDU定時(shí)交換，動態(tài)更新配置，并通過超時(shí)機(jī)制在橋接器發(fā)生故障時(shí)，重新配置。4/12/202419計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊④橋接器內(nèi)部協(xié)議層次結(jié)構(gòu)4/12/202420計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊⑤數(shù)據(jù)鏈路層交換機(jī)（多端口橋接器）與橋接器的異同端口數(shù)橋接器多更多地利用硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種交換方式“截址直通轉(zhuǎn)發(fā)”（Cut-through）方式：未接收完整個(gè)幀即根據(jù)目的開始地址轉(zhuǎn)發(fā)“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”方式（Store-and-forward）：接收完整并校錯(cuò)后才轉(zhuǎn)發(fā)4/12/202421計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊交換機(jī)內(nèi)部功能組成：輸入單元、交換單元（SwitchFabric)和輸出單元。4/12/202422計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊輸入單元：接收幀（含校驗(yàn)）并存儲和排隊(duì)（具有服務(wù)質(zhì)量保障的場合，可能需要用戶數(shù)據(jù)入網(wǎng)控制），根據(jù)MAC地址查交換表獲得輸出端口號，請求交換單元將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)輸出單元。交換單元：排隊(duì)、根據(jù)仲裁調(diào)度算法確定交換幀的順序并實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)。典型的交換結(jié)構(gòu)有：共享存儲總線方式交叉開關(guān)（Crossbar)、Clos輸出單元：將轉(zhuǎn)發(fā)到本輸出端口的幀發(fā)送到相應(yīng)線路上（可能需要存儲或緩存、排隊(duì)、輸出順序決策等）4/12/202423計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊⑥交換機(jī)間的流量控制以太網(wǎng)MAC幀中無幀序號字段（高速信道中使用滑動窗口方式效率較低，需新的流控方式）802.3x定義了一種控制幀——暫停（Pause）幀用于全雙工工作方式的一對站點(diǎn)、中間設(shè)備之間或工作站與中間設(shè)備之間交換流控?cái)?shù)據(jù)，Pause幀的格式如圖所示：

4/12/202424計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊Pause幀使用規(guī)則Pause幀只能在雙工實(shí)體之間，在鏈路起始階段通過協(xié)商(詳見6.8節(jié))達(dá)成一致協(xié)議后才能使用暫停功能。10/100Mbps以太網(wǎng)只支持對稱的暫停功能（即兩個(gè)方向上都必須支持暫停，但不是在雙向同時(shí)實(shí)施暫停）；但千兆以太網(wǎng)則允許暫停功能的使用是非對稱的（只在單方向上支持暫停）。收到Pause幀的實(shí)體用幀內(nèi)與操作碼相關(guān)數(shù)據(jù)中兩字節(jié)的暫停計(jì)數(shù)值（最大4096）刷新暫停計(jì)數(shù)器，每一計(jì)數(shù)值代表512μs的倍數(shù)，用于控制暫停普通數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)間（正在發(fā)送的幀應(yīng)繼續(xù)發(fā)送完，但不禁止該站發(fā)送Pause幀）。

4/12/202425計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊當(dāng)橋接器收到Pause幀時(shí)不允許向其它端口擴(kuò)散該幀。(LocalMeaning)

流量控制策略基于緩存空間的流量控制

對緩沖區(qū)剩余空間設(shè)置高低二限，低于上限時(shí)發(fā)送一暫停時(shí)間較短的Pause幀，如果由此剩余緩存空間增加并恢復(fù)到上限以上，可發(fā)送一暫停時(shí)間為“0”Pause幀，結(jié)束暫停；如果剩余空間繼續(xù)減少并達(dá)到下限時(shí)，則再發(fā)一暫停時(shí)間較長的Pause幀，直到擁塞停止；當(dāng)擁塞結(jié)束（空閑緩存空間恢復(fù)到上限之上）時(shí)，即發(fā)一暫停時(shí)間為“0”Pause幀，結(jié)束暫停。4/12/202426計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊基于發(fā)送權(quán)的流量控制這是由廠家自定義的非標(biāo)準(zhǔn)化流控方式，而不是802.3規(guī)定的方式。他要求廠家利用802.3控制幀自定義發(fā)送權(quán)控制幀格式及使用規(guī)則。因此，收方可根據(jù)擁塞情況利用發(fā)送權(quán)控制幀防止或減緩鏈路擁塞?；谒俾实牧髁靠刂瓢l(fā)方的有效發(fā)送速率作為直接控制對象，而不是由收方控制發(fā)方停止發(fā)送的方式來實(shí)現(xiàn)流控。類似地，產(chǎn)品廠家可利用MAC控制幀自定義發(fā)送速率控制幀格式與使用規(guī)則，發(fā)方則利用在幀間插入IPG的長短來控制有效數(shù)據(jù)發(fā)送速率。這一流控方式的優(yōu)點(diǎn)是有利于發(fā)送的數(shù)據(jù)平穩(wěn)，緩解突發(fā)數(shù)據(jù)流。

Comment:MAC只定義了數(shù)據(jù)幀，引入Pause幀實(shí)際上引入了“控制幀”：帶外信令？4/12/202427計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊⑦虛擬局域網(wǎng)技術(shù)（VLAN–VirtualLAN)虛擬局網(wǎng)的基本思路是在一個(gè)或多個(gè)交換機(jī)組成的大中型局域網(wǎng)中，根據(jù)需要?jiǎng)澐殖鋈舾蓚€(gè)“相互獨(dú)立的”虛擬的局域網(wǎng)（VLAN）。同一VLAN內(nèi)的網(wǎng)站如同在同一網(wǎng)段上一樣，可以相互通信；而不同VLAN之間則不能相互通信。從另一個(gè)角度上看，VLAN是一個(gè)獨(dú)立的邏輯廣播域，全域廣播幀或組廣播幀都只在具有同一VID的VLAN中廣播。從這種意義上講，VLAN的目的在于隔離。MAC層VLAN只適和以端口為基礎(chǔ)組織VLAN,難以實(shí)現(xiàn)同一廣播域中組織多個(gè)VLAN→三層交換機(jī)4/12/202428計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊⑧三層與高層交換機(jī)典型的三層交換機(jī)是以IP為基礎(chǔ)的交換機(jī)，實(shí)際上三層交換機(jī)成為以以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)鏈路層幀的“交換路由器”Note:三層交換機(jī)與路由器在功能和性能上正在相互靠近，因而有“交換路由器”術(shù)語的出現(xiàn)。但由于傳統(tǒng)上分別為高速局域網(wǎng)和速率較低但節(jié)點(diǎn)更多的廣域網(wǎng)設(shè)計(jì)的，因此傳統(tǒng)上交換機(jī)以更多地使用硬件實(shí)現(xiàn)；而路由器為廣域網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的，傳統(tǒng)上更多地使用軟件實(shí)現(xiàn)。路由器對路由協(xié)議的支持通常更全面，而交換機(jī)則未必。高層交換機(jī)：通過偷窺上層協(xié)議某些字段獲取有用信息以改善網(wǎng)絡(luò)性能的交換機(jī)被商界稱為高層交換機(jī)。4/12/202429計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊9.2無線局域網(wǎng)技術(shù)本部分內(nèi)容將保留教材4.8的內(nèi)容，因而直接使用謝希仁的課件中的相關(guān)部分。4/12/202430計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊4.8無線局域網(wǎng)

4.8.1無線局域網(wǎng)的組成有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴(kuò)展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSSAB漫游接入點(diǎn)AP接入點(diǎn)AP分配系統(tǒng)DSPortal802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)Portal4/12/202431計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴(kuò)展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn)AP接入點(diǎn)AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)一個(gè)基本服務(wù)集BSS包括一個(gè)基站和若干個(gè)移動站，所有的站在本BSS以內(nèi)都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信時(shí)都要通過本BSS的基站。PortalPortal4/12/202432計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)基本服務(wù)集BSS擴(kuò)展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn)AP接入點(diǎn)AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)基本服務(wù)集中的基站叫做接入點(diǎn)AP(AccessPoint)其作用和網(wǎng)橋相似。PortalPortal4/12/202433計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊擴(kuò)展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn)AP接入點(diǎn)AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)一個(gè)基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點(diǎn)AP連接到一個(gè)主干分配系統(tǒng)DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一個(gè)基本服務(wù)集，構(gòu)成擴(kuò)展的服務(wù)集ESS(ExtendedServiceSet)。PortalPortal4/12/202434計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊擴(kuò)展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn)AP接入點(diǎn)AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)ESS還可通過Portal為無線用戶提供到非802.11無線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)）的接入。Portal的作用就相當(dāng)于網(wǎng)橋。PortalPortal4/12/202435計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊擴(kuò)展的服務(wù)集ESS基本服務(wù)集BSS基本服務(wù)集BSSAB接入點(diǎn)AP接入點(diǎn)AP分配系統(tǒng)DS802.x局域網(wǎng)因特網(wǎng)移動站A從某一個(gè)基本服務(wù)集漫游到另一個(gè)基本服務(wù)集，而仍然可保持與另一個(gè)移動站B進(jìn)行通信。PortalPortal4/12/202436計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊無固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)

自組網(wǎng)絡(luò)(adhocnetwork)

自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)絡(luò)沒有上述基本服務(wù)集中的接入點(diǎn)AP而是由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。4/12/202437計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊移動自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時(shí)建立的移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機(jī)群。當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時(shí)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)利用移動自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)的通信往往很有效的，4/12/202438計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊移動自組網(wǎng)絡(luò)

和移動IP并不相同移動IP技術(shù)使漫游的主機(jī)可以用多種方式連接到因特網(wǎng)。移動IP的核心網(wǎng)絡(luò)功能仍然是基于在固定互聯(lián)網(wǎng)中一直在使用的各種路由選擇協(xié)議。移動自組網(wǎng)絡(luò)是將移動性擴(kuò)展到無線領(lǐng)域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和因特網(wǎng)相連。4/12/202439計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊4.8.2802.11標(biāo)準(zhǔn)中的物理層1997年IEEE制訂出無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，802.11。在1999年又制訂了剩下的兩部分，802.11a和802.11b。802.11的物理層有以下三種實(shí)現(xiàn)方法：跳頻擴(kuò)頻FHSS直接序列擴(kuò)頻DSSS紅外線

IR

4/12/202440計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊802.11標(biāo)準(zhǔn)中的物理層（續(xù)）802.11a的物理層工作在5GHz頻帶，采用正交頻分復(fù)用OFDM，它也叫做多載波調(diào)制技術(shù)（載波數(shù)可多達(dá)52個(gè)）?？梢允褂玫臄?shù)據(jù)率為6,9,12,18,24,36,48和56Mb/s。802.11b的物理層使用工作在2.4GHz的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，數(shù)據(jù)率為5.5或11Mb/s。4/12/202441計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊4.8.3802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC層

1.CSMA/CA協(xié)議

無線局域網(wǎng)卻不能簡單地搬用CSMA/CD協(xié)議。這里主要有兩個(gè)原因。CSMA/CD協(xié)議要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能就花費(fèi)過大。即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且當(dāng)我們在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。4/12/202442計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊A的作用范圍無線局域網(wǎng)的特殊問題C的作用范圍ABCD當(dāng)A和C檢測不到無線信號時(shí)，都以為B是空閑的，因而都向B發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hiddenstationproblem)4/12/202443計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊B的作用范圍無線局域網(wǎng)的特殊問題C的作用范圍ADCB？B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。其實(shí)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposedstationproblem)4/12/202444計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊CSMA/CA協(xié)議無線局域網(wǎng)不能使用CSMA/CD，而只能使用改進(jìn)的CSMA協(xié)議。改進(jìn)的辦法是將CSMA增加一個(gè)碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。802.11就使用CSMA/CA協(xié)議。而在使用CSMA/CA的同時(shí)還增加使用確認(rèn)機(jī)制。下面先介紹802.11的MAC層。

4/12/202445計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊802.11的MAC層MAC層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11MAC層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集BSS中的移動站在什么時(shí)間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。4/12/202446計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊802.11

的

MAC

層在物理層之上包括兩個(gè)子層MAC層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.114/12/202447計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊DCF子層在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用CSMA機(jī)制的分布式接入算法，讓各個(gè)站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此

DCF

向上提供爭用服務(wù)。MAC層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.114/12/202448計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊PCF

子層使用集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)

輪流交給各個(gè)站從而避免了碰撞的產(chǎn)生MAC層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.114/12/202449計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊幀間間隔IFS所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間的通稱是幀間間隔IFS(InterFrameSpace)。幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時(shí)間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，但低優(yōu)先級幀就必須等待較長的時(shí)間。若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會。4/12/202450計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊三種幀間間隔時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發(fā)送第1幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS其他站有幀要發(fā)送SIFS，即短(Short)幀間間隔，長度為28

s，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個(gè)站應(yīng)當(dāng)能夠在這段時(shí)間內(nèi)從發(fā)送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長的MAC幀分片后的數(shù)據(jù)幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點(diǎn)AP發(fā)送出的任何幀。4/12/202451計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊三種幀間間隔時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發(fā)送第1幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS其他站有幀要發(fā)送PIFS，即點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔（比SIFS長），是為了在開始使用PCF方式時(shí)（在PCF方式下使用，沒有爭用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS的長度是SIFS加一個(gè)時(shí)隙(slot)長度（其長度為50

s），即78

s。時(shí)隙的長度是這樣確定的：在一個(gè)基本服務(wù)集BSS內(nèi)當(dāng)某個(gè)站在一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)接入到媒體時(shí)，那么在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，其他站就都能檢測出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。4/12/202452計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊三種幀間間隔時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發(fā)送第1幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS其他站有幀要發(fā)送DIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長的IFS），在DCF方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS的長度比PIFS再增加一個(gè)時(shí)隙長度，因此DIFS的長度為128

s。4/12/202453計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊CSMA/CA協(xié)議的原理欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測信道。在802.11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理層的空中接口進(jìn)行物理層的載波監(jiān)聽。通過收到的相對信號強(qiáng)度是否超過一定的門限數(shù)值就可判定是否有其他的移動站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)源站發(fā)送它的第一個(gè)MAC幀時(shí)，若檢測到信道空閑，則在等待一段時(shí)間DIFS后就可發(fā)送。

4/12/202454計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊為什么信道空閑還要再等待這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。如有，就要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。4/12/202455計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊假定沒有高優(yōu)先級幀要發(fā)送源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時(shí)間間隔SIFS后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀ACK。若源站在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀ACK（由重傳計(jì)時(shí)器控制這段時(shí)間），就必須重傳此幀，直到收到確認(rèn)為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。4/12/202456計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講稿9曾華燊虛擬載波監(jiān)聽虛擬載波監(jiān)聽(VirtualCarrierSense)的機(jī)制是讓源站將它要占用信道的時(shí)間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需的時(shí)間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時(shí)間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣就大大減少了碰撞的機(jī)會?！疤摂M載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)