第10 介質(zhì)訪問控制技術(shù).ppt

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),第10講 介質(zhì)訪問控制技術(shù),局域網(wǎng)概述 局域網(wǎng)的參考模型及協(xié)議 介質(zhì)訪問控制技術(shù),局域網(wǎng)的特點(diǎn)： 地理分布范圍較??； 誤碼率低，一般在10-1110-8以下； 以PC機(jī)為主體，數(shù)據(jù)傳輸速率高,1 局域網(wǎng)概述,常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、總線型、環(huán)型,1 局域網(wǎng)概述,2 局域網(wǎng)的參考模型及協(xié)議,局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及傳輸控制具有不獨(dú)立設(shè)置網(wǎng)絡(luò)層、低層協(xié)議簡(jiǎn)單而介質(zhì)訪問控制技術(shù)復(fù)雜的特點(diǎn),2.1 局域網(wǎng)各層的主要功能,物理層：提供發(fā)送和接收信號(hào)的能力，包括對(duì)寬帶頻道的分配和對(duì)基帶信號(hào)的調(diào)制等 介質(zhì)訪問控制子層MAC：數(shù)據(jù)的封裝與解封，包括成幀、尋址和錯(cuò)誤檢測(cè)；介質(zhì)訪問管理，包括介質(zhì)分配和沖突解決

2、 邏輯鏈路控制子層LLC：向高層提供一個(gè)或多個(gè)訪問點(diǎn)LSAP，用于同網(wǎng)絡(luò)層通信的邏輯接口，主要執(zhí)行OSI基本數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的大部分功能和網(wǎng)絡(luò)層的部分功能，如幀的收發(fā)、差錯(cuò)控制、流量控制、幀同步。,2.2 IEEE802協(xié)議,2.3 IEEE802標(biāo)準(zhǔn)系列間的關(guān)系,3 介質(zhì)訪問控制技術(shù),MAC子層的功能 信道分配 信道動(dòng)態(tài)分配中的5個(gè)關(guān)鍵假設(shè) 信道訪問控制協(xié)議,MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）是一種控制使用通信介質(zhì)的機(jī)制，它是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的一部分。,MAC子層功能,信道分配,介質(zhì)訪問子層的中心論題是相互競(jìng)爭(zhēng)的用戶之間如何分配一個(gè)單獨(dú)的廣播信道 靜態(tài)分配：只要一個(gè)用

3、戶得到了信道就不會(huì)和別的用戶沖突。(用戶數(shù)據(jù)流量具有突發(fā)性和間歇性) 動(dòng)態(tài)分配：稱為多路訪問或多點(diǎn)接入，指多個(gè)用戶共用一條線路，而信道并非是在用戶通信時(shí)固定分配給用戶，這樣的系統(tǒng)又稱為競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)分配方法又可以分為：隨機(jī)訪問，典型ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議 ；受控訪問，典型令牌網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)和集中控制的多點(diǎn)線路輪詢。,站模型：站獨(dú)立，以恒定速率產(chǎn)生幀，每個(gè)站只有一個(gè)程序 單信道假設(shè)(核心) 沖突假設(shè)：兩個(gè)幀同時(shí)傳送，就會(huì)沖突，所有站點(diǎn)能檢測(cè)到，沖突幀需重發(fā) 發(fā)送時(shí)間 連續(xù)時(shí)間、時(shí)隙 載波檢測(cè) 有載波偵聽、無載波偵聽,信道動(dòng)態(tài)分配中的5個(gè)關(guān)鍵假設(shè),3.1 爭(zhēng)用協(xié)議,純ALOHA協(xié)議 分槽ALOH

4、A協(xié)議 CSMA/CD協(xié)議,用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，可以直接發(fā)至信道，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答，表示發(fā)送成功，否則重發(fā)。 重發(fā)策略：發(fā)送數(shù)據(jù)后偵聽信道是否產(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)，直到發(fā)送成功為止，如下圖所示：,3.1.1 純ALOHA協(xié)議,沖突窗口2t,3.1.2 分槽ALOHA協(xié)議,把使用信道的時(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)間槽開始時(shí)才允許發(fā)送，其他過程與純ALOHA協(xié)議相同。 沖突主要發(fā)生在時(shí)間槽的起點(diǎn)，一旦發(fā)送成功就不會(huì)出現(xiàn)沖突，分槽ALOHA大幅度降低了沖突的可能性，信道利用率比純ALOHA提高了約一倍。 沖突窗口為t,載波偵聽（C

5、arrier Sense）：站點(diǎn)在發(fā)送幀之前，首先偵聽信道有無載波，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。三種方式： 堅(jiān)持型CSMA（1-persistent CSMA） 非堅(jiān)持型CSMA（nonpersistent CSMA） p-堅(jiān)持型CSMA（p-persistent CSMA）,3.1.3 載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA,1 堅(jiān)持型CSMA,協(xié)議思想 站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先偵聽信道； 若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送； 若信道忙，則繼續(xù)偵聽直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后 完成發(fā)送； 若產(chǎn)生沖突，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間重新開始發(fā)送過程 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn),1 堅(jiān)持型CSMA,協(xié)議思想 優(yōu)點(diǎn) 減少了信道空

6、閑時(shí)間 缺點(diǎn) 增加了發(fā)生沖突的概率； 廣播延遲越大，發(fā)生沖突的可能性越大，協(xié)議性能越差,2 非堅(jiān)持型CSMA,協(xié)議思想 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先偵聽信道； 若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送； 若信道忙，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間重新開始發(fā)送過程； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間重新開始發(fā)送過程 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn),2 非堅(jiān)持型CSMA,協(xié)議思想 優(yōu)點(diǎn) 減少了沖突的概率,信道效率比1-堅(jiān)持CSMA高 缺點(diǎn) 不能找出信道剛一變空閑的時(shí)刻 增加了信道空閑時(shí)間，數(shù)據(jù)發(fā)送延遲增大 傳輸延遲比1-堅(jiān)持CSMA大,3 P-堅(jiān)持型CSMA,協(xié)議思想 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先偵聽信道； 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

7、 延遲至下一個(gè)時(shí)間槽發(fā)送。若下一個(gè)時(shí)間槽仍空閑，重復(fù)此過程，直至數(shù)據(jù)發(fā)出或時(shí)間槽被其他站點(diǎn)所占用； 若信道忙，則等待下一個(gè)時(shí)間槽重新開始發(fā)送過程 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，重新開始發(fā)送過程,3 P-堅(jiān)持型CSMA,協(xié)議思想 折中方案，既能像非堅(jiān)持型CSMA那樣減少?zèng)_突，又能像1-堅(jiān)持型CSMA那樣減少媒體空閑時(shí)間的，適用于分槽信道。,三種CSMA協(xié)議的比較,信道利用率和載荷曲線的比較,五種多路訪問協(xié)議性能比較,3.1.4 CSMA/CD,引入原因 當(dāng)兩個(gè)幀發(fā)生沖突時(shí)，兩個(gè)被損壞幀繼續(xù)傳送毫無意義，而且信道無法被其他站點(diǎn)使用，對(duì)于有限的信道來講，這是很大的浪費(fèi)。如果站點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽，并在監(jiān)聽到

8、沖突之后立即停止發(fā)送，可以提高信道的利用率，因此產(chǎn)生了CSMA/CD。,3.1.4 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。,3.1.4 CSMA/CD,CSMA/CD工作狀態(tài)包括三個(gè)周期：傳輸周期、競(jìng)爭(zhēng)周期和空閑周期,3.1.4 CSMA/CD,3.1.4 CSMA/CD,一個(gè)站點(diǎn)確定發(fā)生沖突所花的時(shí)間到底為多少？(2倍電纜傳輸時(shí)間),3.1.4 CSMA/CD,二進(jìn)制指數(shù)退避算法確定等待的隨機(jī)時(shí)間 當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生第1次沖突,等待0

9、21-1個(gè)時(shí)間片。 當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生第2次沖突,等待022-1個(gè)時(shí)間片。 依此類推，當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生第n次沖突，在n10時(shí)，等待02n 1個(gè)時(shí)間片；n10后，等待0210個(gè)時(shí)間片 當(dāng)站點(diǎn)發(fā)生沖突的次數(shù)達(dá)到第16次時(shí)，將放棄該數(shù)據(jù)幀的發(fā)送,3.2 令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制技術(shù),產(chǎn)生原因 環(huán)實(shí)際上并不是一個(gè)廣播介質(zhì)，而是不同的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路組成的環(huán)，點(diǎn)到點(diǎn)鏈路有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)； 各個(gè)站點(diǎn)是公平的，獲得信道的時(shí)間有上限，避免沖突發(fā)生； IBM選擇Token Ring作為它的LAN技術(shù)。,3.2 令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制技術(shù),令牌環(huán)的結(jié)構(gòu) 環(huán)長(zhǎng)的計(jì)算 令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式 令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制協(xié)議 令牌環(huán)的操作與維護(hù),3.2.1 令

10、牌環(huán)的結(jié)構(gòu),由一系列環(huán)接口和這些接口間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路構(gòu)成的閉合環(huán)路，各站點(diǎn)通過環(huán)接口連到網(wǎng)上。,環(huán)接口的兩種操作模式 偵聽模式 傳輸模式,3.2.1 令牌環(huán)的結(jié)構(gòu),3.2.2 環(huán)長(zhǎng)的計(jì)算,環(huán)比特長(zhǎng)度=傳播時(shí)延數(shù)據(jù)傳輸速率接口延遲位數(shù)傳播時(shí)延=環(huán)路介質(zhì)長(zhǎng)度/ 200（m/s） 例：某令牌環(huán)介質(zhì)長(zhǎng)度為10Km，數(shù)據(jù)傳輸速率為4Mbps，環(huán)路上共有50個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)的接口引入1位延遲，則可計(jì)算得：環(huán)的比特長(zhǎng)度=10（Km）/ 200（m/s） 4（Mbps）1（bit）50=250（bit）,3.2.3 令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式,IEEE 802.5令牌環(huán)的MAC幀有兩種基本格式：令牌幀和數(shù)據(jù)幀 令牌幀

11、,3.2.3 令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式,令牌幀 SD (JK00JK000)和ED (JK11JK111)標(biāo)志著幀的開始和結(jié)束，用差分曼徹斯特編模式(J和K的中間沒有跳變) 無信息傳輸時(shí)，3字節(jié)的令牌在環(huán)上循環(huán)；有信息要發(fā)送時(shí)，站獲得令牌，并將第二個(gè)字節(jié)的某一位由 0 變成 1，將令牌的前兩個(gè)字節(jié)變成幀的起始序列，然后輸出幀的其它部分；,3.2.3 令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式,數(shù)據(jù)幀 訪問控制字段AC,3.2.3 令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式,幀控制字段FC 幀控制域 FC 用于將數(shù)據(jù)幀和控制幀區(qū)別開來和進(jìn)行環(huán)的維護(hù)；前兩位為”00”：表示此幀為控制幀；后六位為“000011”：表示一個(gè)新的站點(diǎn)試圖成為新的控制

12、幀,3.2.3 令牌幀和數(shù)據(jù)幀的格式,幀狀態(tài)字段FS 用于報(bào)告幀的傳送情況，包括地址位A和拷貝位C，幀經(jīng)過目的站，A置為“1”，幀被接收，C置為“1”。A、C位提供了自動(dòng)確認(rèn)。為增加可靠性，A、C在 FS中出現(xiàn)兩次。 A = 0，C = 0，目的站不存在或未加電； A = 1，C = 0，目的站存在但幀未被接收； A = 1，C = 1，目的站存在且?guī)粡?fù)制。,3.2.4 令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制協(xié)議,使用一個(gè)特殊的令牌幀，當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，必須等待標(biāo)記為空的令牌幀到來，將令牌幀的空標(biāo)記改為忙，并將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到環(huán)上。 發(fā)送的數(shù)據(jù)幀在環(huán)上循環(huán)的過程中，所經(jīng)過的環(huán)上的各個(gè)站點(diǎn)都將幀上的目的地址

13、與本站點(diǎn)的地址進(jìn)行比較，若不等則直接傳給后面的站點(diǎn)，若相等則將幀復(fù)制接收，然后繼續(xù)傳給后面的站點(diǎn)。,3.2.4 令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制協(xié)議,發(fā)送的數(shù)據(jù)幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送站，由發(fā)送站將該幀從環(huán)上移去，同時(shí)將令牌的忙標(biāo)記改為空標(biāo)記，傳給后面的站。 空令牌幀在環(huán)上循環(huán)，經(jīng)過某站點(diǎn)時(shí)，若該站點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送則重復(fù)上述過程，若該站點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀發(fā)送則直接將令牌幀傳給下一個(gè)站點(diǎn)。,3.2.4 令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制協(xié)議,令牌環(huán)工作舉例：A站點(diǎn)向C站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,3.2.5 令牌環(huán)的維護(hù),需要對(duì)令牌環(huán)進(jìn)行維護(hù)的情況 站點(diǎn)發(fā)送幀，幀未返回到該站點(diǎn)前該站點(diǎn)崩潰：產(chǎn)生了一個(gè)不能移去的幀（無主幀） 站點(diǎn)接收幀或令牌

14、后就崩潰：環(huán)上沒有令牌,3.2.5 令牌環(huán)的維護(hù),通過監(jiān)控站和幀控制字段來完成對(duì)令牌環(huán)的維護(hù) 設(shè)置監(jiān)控站，對(duì)新幀監(jiān)控位設(shè)置為0，幀通過監(jiān)控站時(shí)，將監(jiān)控位改為1，如該幀再通過監(jiān)控站（表明是不能移去的幀），移去并產(chǎn)生一個(gè)新令牌 監(jiān)控站設(shè)置計(jì)時(shí)器，只要監(jiān)控站發(fā)送一個(gè)幀或令牌，就啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，超時(shí)（幀或令牌丟失），則產(chǎn)生一個(gè)新令牌,3.3 令牌總線訪問控制技術(shù),CSMA/CD介質(zhì)訪問控制采用總線爭(zhēng)用方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在輕負(fù)載下延遲小等優(yōu)點(diǎn)，但隨著負(fù)載的增加，沖突概率增加，性能將明顯下降 Token Ring具有重負(fù)載下利用率高、對(duì)距離不敏感以及具有公平訪問等優(yōu)越性能，但環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在可靠性等問題 令牌總線是綜合了以上兩種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)