計算機網(wǎng)絡課件：ch4 介質訪問子層

1、1,第四章 介質訪問子層,2,介質訪問子層(MAC)?,計算機網(wǎng)絡可以分成兩類 點到點連接的網(wǎng)絡。如：大多數(shù)廣域網(wǎng) 廣播信道（多路訪問信道或隨機訪問信道）的網(wǎng)絡。如：大多數(shù)局域網(wǎng) 關鍵問題：如何解決對信道爭用 誰解決這個問題呢？ 介質訪問控制協(xié)議（MAC，Medium Access Control） 解決信道爭用的協(xié)議，即用于多路訪問信道上確定下一個使用者的協(xié)議 是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的一部分,3,介質訪問子層(MAC)?,MAC層所處位置,網(wǎng)絡層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,高層,OSI,4,主要內容,信道分配問題 多路訪問協(xié)議 以太網(wǎng) 無線LAN 數(shù)據(jù)鏈路層交換,5,4.1 信道分配問題,問題 如何在多

2、個競爭的用戶之間分配單個廣播信道 分配方式 靜態(tài)分配 FDM TDM 動態(tài)分配,6,信道的靜態(tài)分配,頻分多路復用（FDM）/時分多路復用（TDM） 原理：如果總共N個用戶，則整個帶寬分成CN2等分（頻帶/時槽），每個用戶分配一份 優(yōu)點：適合于用戶較少，數(shù)目基本固定，且各用戶的通信量都較大的情況 缺點： 無法靈活地適應站點數(shù)及其通信量的變化 不能適應突發(fā)性流量,7,信道的動態(tài)分配,信道分配模型的五個基本假設 站模型（station model） 每個站點是獨立的，并以統(tǒng)計固定的速率產(chǎn)生幀，一幀產(chǎn)生后到被發(fā)送走之前，站點被封鎖 單通道假設（single channel） 所有的通信都是通過單一的信

3、道來完成的，各個站點都可以從該信道上收發(fā)信息,8,信道的動態(tài)分配,沖突假設（collision assumption） 若兩幀同時發(fā)出，會相互重疊，結果使信號無法辨認，稱為沖突 所有的站點都能檢測到?jīng)_突，沖突幀必須重發(fā)。除了沖突而產(chǎn)生錯誤外，沒有其它錯誤 連續(xù)時間（continous time）和分槽時間（slotted time） 連續(xù)時間 幀在任何時刻都可以開始發(fā)送，沒有時槽的概念 分槽時間 時間被分成離散的間隔（即時槽），幀總在時槽開始的一瞬間開始發(fā)送,9,信道的動態(tài)分配,載波幀聽（carrier sense）和無載波幀聽（no carrier sense） 載波幀聽 所有站在使用信道之

4、前都檢測信道是否正在使用 如果信道忙，則沒有站企圖使用信道，如此下去直到信道空閑為止 無載波幀聽（no carrier sense） 各站在使用信道前不檢測信道，只是盲目地發(fā)送，以后再判斷這次是否發(fā)送成功,10,4.2 多路訪問協(xié)議,多路訪問協(xié)議 在多路訪問信道上確定下一個使用者的協(xié)議 分類 ALOHA協(xié)議 純ALOHA 分槽ALOHA 載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA） 1-持續(xù)CSMA 非持續(xù)CSMA p-持續(xù)CSMA CSMA/CD,11,4.2.1 ALOHA協(xié)議,70年代，夏威夷大學的Norman Abramson和他的同事設計的，用于解決信道的分配問題 可用于“多個無協(xié)調關系的用戶競

5、爭單個共享信道使用權”的系統(tǒng) 分類 純ALOHA協(xié)議 分槽ALOHA協(xié)議,12,純ALOHA,基本思想 用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，就讓它們發(fā)送 然后監(jiān)聽信道是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機的時間重發(fā),在純ALOHA中，幀的傳輸完全是在任意時間進行的,13,純ALOHA,沖突發(fā)生 任何時候只要兩幀同時使用信道就會產(chǎn)生沖突，破壞兩幀 兩幀只要有1位的重疊，這兩幀都將被完全毀壞，稍后都要重傳 純ALOHA信道的利用率最好為18.4%,14,分槽ALOHA,基本思想 把時間分成離散的間隔，每個間隔對應于發(fā)送一幀所需時間 每個站點只能在時槽開始時才允許發(fā)送 其他過程與純ALOHA相同 犧牲了隨機性來提

6、高利用率0.368 必須全局時間同步,15,4.2.2 載波偵聽多路訪問,載波偵聽多路訪問（CSMA, Carrier Sense Multiple Access） 站點在發(fā)送幀之前，首先監(jiān)聽信道是否存在載波，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 分類 1-持續(xù)CSMA 非持續(xù)CSMA p-持續(xù)CSMA CSMA/CD,16,1-持續(xù)CSMA,原理 若站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道 若站點發(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，立即開始發(fā)送 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發(fā)送過程 優(yōu)點 減少了信道空閑時間 缺點 增加了發(fā)生沖突的概率,17,非持續(xù)CS

7、MA,原理 若站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道 若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送 若信道忙，等待一隨機時間，然后重新開始發(fā)送過程 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始發(fā)送過程 優(yōu)點 減少了沖突的概率 缺點 增加了信道空閑時間，數(shù)據(jù)發(fā)送延遲增大 信道效率比1-堅持CSMA高，傳輸延遲比1-堅持CSMA大,18,p-持續(xù)CSMA,適用于分槽信道 原理 若站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道 若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則以概率p發(fā)送，以概率q =1- p 延遲至下一個時槽發(fā)送。若下一個時槽仍空閑，重復此過程，直至數(shù)據(jù)發(fā)出或時槽被其他站點所占用 若信道忙，則等到下一個時槽，重新開始 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機時間，然后重新開始,

8、19,載波偵聽多路訪問 CSMA,堅持退避算法,20,Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 引入原因 當兩個幀發(fā)生沖突時，兩個被損壞幀繼續(xù)傳送毫無意義，而且信道無法被其他站點使用，對于有限的信道來講，造成很大的浪費 如果站點邊發(fā)送邊監(jiān)聽，并在監(jiān)聽到?jīng)_突之后立即停止發(fā)送，可以提高信道的利用率,帶沖突檢測的CSMA(CSMA/CD),21,CSMA/CD,原理 發(fā)送前先監(jiān)聽信道是否空閑 若空閑則立即發(fā)送 若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽，一旦空閑就立即發(fā)送 在發(fā)送過程中，仍需繼續(xù)監(jiān)聽 若監(jiān)聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，然后發(fā)送一串干擾信號 等待一段隨機時

9、間（稱為退避）以后，再重新嘗試 歸結為四句話 發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測，沖突時退避,22,CSMA/CD,一個站點確定發(fā)生沖突要花多少時間？ 即經(jīng)過多長時間可以抓住信道(考慮最差的情況),23,CSMA/CD,一個站點確定發(fā)生沖突要花多少時間？即經(jīng)過多長時間可以抓住信道(考慮最差的情況) 假設兩個相距最遠的站間傳播信號所需時間為。在t0時刻，一個站開始發(fā)送數(shù)據(jù)；在-時刻（信號到達最遠站之前的那一時刻），最遠站開始發(fā)送數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)在2-時刻才能到達原來的那個站 最差的情況下，當一個站發(fā)送了2之后還沒有監(jiān)聽到?jīng)_突，就確保它抓住了信道,24,CSMA/CD協(xié)議的時間槽,時間槽能夠檢測到?jīng)_

10、突的時間區(qū)間（也稱為爭用時隙或碰撞窗口） 若兩個相距最遠的站點之間傳播時延為a，則時間槽2a。,站點2 發(fā)送幀,站點2 停止發(fā)送,當0時，將不會再發(fā)生沖突。這時，時間槽2a。 最差的情況下，當一個站發(fā)送了2a之后還沒有監(jiān)聽到?jīng)_突，就確保它抓住了信道,25,時間槽的意義： 一個站點開始發(fā)送后，若在時間槽內沒有檢測到?jīng)_突，則本次發(fā)送不會再發(fā)生沖突； 以太網(wǎng)中，時間槽51.2s 傳輸速率10Mb/s時，一個時間槽內可發(fā)送512bits，即64字節(jié)（所以也稱一個時間槽長度為64字節(jié)） 。 由此可知： 1. 沖突只可能在一幀的前64字節(jié)內發(fā)生； 2. 幀長度小于64字節(jié)時，將無法檢測出沖突； 以太網(wǎng)規(guī)定

11、，最小幀長度為64字節(jié) 3. 長度小于64字節(jié)的幀（碎片幀）都是無效幀。 想一想：什么情況下會產(chǎn)生碎片幀？,26,與時間槽相關的幾個網(wǎng)絡參數(shù),采用CSMA/CD的局域網(wǎng)中，由于時間槽的限制，傳輸速率R、網(wǎng)絡跨距S、最小幀長Fmin三者之間必須滿足一定的關系： FminkSR k:系數(shù) 可以看出： 最小幀長度不變時，傳輸率越高，網(wǎng)絡跨距就越?。?傳輸率固定時，網(wǎng)絡跨距越大，最小幀長度就應該越大； 網(wǎng)絡跨距固定時，傳輸率越高，最小幀長度就應該越大。 非常重要的結論！,CSMA/CD 信道狀態(tài),傳送 競爭 傳送 空閑 傳送,爭用期,站A,站B,B發(fā)現(xiàn)沖突,A發(fā)現(xiàn)沖突,干擾信號,B監(jiān)聽到信道空閑,TJ

12、,TB,設站B在站A發(fā)送之后TB 時刻開始 發(fā)送，單程傳播時延為 ，干擾信號 的發(fā)送時延為TJ ，則 爭用期 = 爭用期 ,TB + 2 + TJ,TJ + 2 ,TJ + 3,2,29,CSMA/CD,在沖突發(fā)生后，短時間內可探測到 則，立即中斷傳輸, 減少信道的時間浪費 沖突檢測: 在有線 LAN中簡便易行: 檢測信號強度, 比較收、發(fā)的信號 在無線 LAN比較困難: 發(fā)送時接收器是關閉的 人類社會的范例: 彬彬有禮的交談者,30,CSMA/CD的優(yōu)缺點,控制簡單，易于實現(xiàn)； 網(wǎng)絡負載輕時，有較好的性能： 3040以內 延遲時間短、速度快 網(wǎng)絡負載重時，性能急遽下降： 7080以上 沖突數(shù)

13、量的增長使網(wǎng)絡速度大幅度下降,31,4.2.3 無沖突協(xié)議,無沖突協(xié)議 沖突根本不會發(fā)生 嚴格協(xié)調訪問來避免沖突 分類 位圖協(xié)議 二進制倒計數(shù)協(xié)議（自學）,32,工作原理 共享信道上有N個站，競爭周期分為N個時槽，如果一個站有幀發(fā)送，則在對應的時槽內發(fā)送比特1 N個時槽之后，每個站都知道哪個站要發(fā)送幀，這時按站序號發(fā)送 最后一個站傳送完幀后，另一個N位的競爭周期又開始了,位圖協(xié)議,33,位圖協(xié)議,在實際發(fā)送信息前先廣播發(fā)送請求的協(xié)議稱為預留協(xié)議（reservation protocol） 缺點 與站序號有關的不平等性，序號大的站得到的服務好 每個站都有 1 比特的額外開銷,34,4.2.3 無

14、沖突協(xié)議,無沖突協(xié)議 沖突根本不會發(fā)生 嚴格協(xié)調訪問來避免沖突 分類 位圖協(xié)議 二進制倒計數(shù)協(xié)議（自學）,35,4.2.6 無線局域網(wǎng)協(xié)議,WLAN不能使用CSMA/CD的原因 避免沖突的多路訪問（MACA, Multiple Access with Collision Avoidance） 無線的MACA,36,WLAN不能使用CSMA/CD的原因,以太網(wǎng)中 一個站只要等到以太網(wǎng)空閑，就可以傳輸數(shù)據(jù) 如果一個站發(fā)送數(shù)據(jù)2a后還沒有監(jiān)聽到?jīng)_突，則可以認為該幀已被正確遞交了 在無線環(huán)境中，這樣的條件成立？,37,隱藏站問題 當A向B傳送數(shù)據(jù)的時候，如果C正在檢測信道的話，則它不會聽到A，它會錯誤

15、的認為它可以向B傳送數(shù)據(jù) 若C真的開始傳送數(shù)據(jù)了，則在B處產(chǎn)生干擾，擾亂了A發(fā)送的數(shù)據(jù) 由于競爭者離得太遠而導致了一個站不能檢測到潛在的介質競爭對手,這個問題稱為隱藏站問題,WLAN不能使用CSMA/CD的原因,B?,38,WLAN不能使用CSMA/CD的原因,暴露站問題 當B向A發(fā)送數(shù)據(jù)的時候， 若C正在檢測介質，則它將會聽到有一個傳輸在進行，錯誤的認為它不能給D發(fā)送數(shù)據(jù) 實際上C所監(jiān)聽到的傳輸過程只會影響到B和C之間的重疊區(qū)域的接收過程，不會影響到它的接收方D所在的區(qū)域，這個問題稱作暴露站問題,D?,39,WLAN不能使用CSMA/CD的原因,以太網(wǎng)中 一個站只要等到以太網(wǎng)空閑，就可以傳輸

16、數(shù)據(jù) 如果一個站發(fā)送數(shù)據(jù)2a后還沒有監(jiān)聽到?jīng)_突，則可以認為該幀已被正確遞交了 在無線環(huán)境中，這樣的條件不成立 隱藏站問題 暴露站問題 大多數(shù)無線電設備都是半雙工的,40,無線LAN不能使用CSMA/CD的原因,大多數(shù)無線電設備都是半雙工的 它們不能同時在一個頻率上既傳輸數(shù)據(jù)，又監(jiān)聽噪聲尖峰,41,避免沖突的多路訪問（MACA）,MACA的基本思想 發(fā)送方刺激一下接收方，讓它輸出一個短幀， 接收方附近的站可以檢測到該幀，從而在接下來的數(shù)據(jù)幀傳輸過程中他們不再發(fā)送數(shù)據(jù)了,42,MACA舉例：A向B發(fā)送數(shù)據(jù)：,A先給B發(fā)送一個RTS，包含將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長度。 然后B用一個CTS作為應答，也包含了

17、數(shù)據(jù)幀的長度。 A收到CTS幀后便開始向B傳輸幀。 如果一個站聽到RTS幀，它在足夠長的時間內保持沉默，以便A能在無沖突情況下接收CTS，之后可向其他站點發(fā)送幀 如果一個站聽到CTS幀，它必須一直保持沉默，直到B接收完整個幀。檢查收到的CTS幀即知道要等多長時間 如果一個站RTS和CTS幀都聽到了怎么辦？,(a) A給B發(fā)送一個RTS； (b) B向A送回一個CTS,RTS: request-to-send CTS: clear-to-send,43,MACA,MACA的沖突仍可能發(fā)生 B和C同時給A發(fā)送RTS幀，產(chǎn)生沖突， 一個失敗的發(fā)送方（即在期望的時間間隔內沒有聽到CTS）將等待一段隨機

18、時間，以后再重試,44,無線的MACA（MACAW）,MACAW是對MACA的改進。如： 在每個成功的數(shù)據(jù)幀后引入一個ACK幀 加入載波檢測 為每個單獨的數(shù)據(jù)流（即源-目的對）運行后退算法，而不是為每個站運行后退算法 增加了供各個站間交換有關擁塞信息的機制等,45,4.3 以太網(wǎng),IEEE 802協(xié)議 IEEE 802系列標準定義了若干種LAN，包括對物理層、MAC子層的定義和描述,46,IEEE802 標準,ANSI/IEEE Std 802-1990， IEEE Standards for LAN/MAN: Overview and Architecture. 802.1， Overvie

19、w and architecture of LANs 802.2，1989 LLC 802.3， 1983 (CSMA/CD) Type 10BASE-X 802.3， 1995 100Mbps Fast Ethernet 802.3z， 1998 Gigabit Ethernet， on fiber optic cable 802.4，Token-Passing Bus Specifications 802.5e， Token Ring Specifications 802.6， Distributed Queue Dual Bus (DQDB) for MAN 802.7，1989， Br

20、oadband Local Area Networks 802.8， Fiber Optic TAG 802.9， Isochronous Services CSMA/CD MAC Service 802.10，1992， IEEE Standards for Interoperable LAN/MAN Security 802.11， Wireless LAN 802.12， LAN/MAN Demand Priority,47,IEEE802 標準,802.14， Cable Modem 802.15， Wireless Personal Area Network (WPAN) 802.1

21、6， Broadband Wireless Access 802.17， Resilient Packet Ring 802.18， Radio Regulatory TAG 802.19， Coexistence TAG 802.20， Mobile Broadband Wireless Access (MBWA),48,以太網(wǎng)簡介,70年代，Xerox公司的Bob Metcalfe和David Boggs設計和實現(xiàn)了一個2.94Mbps的采用CSMA/CD協(xié)議的Ethernet,A drawing of the first Ethernet system by Bob Metcalfe,4

22、9,以太網(wǎng)簡介,1978年，DEC，Intel， Xerox擬定了10Mbps的以太網(wǎng)標準，稱為DIX標準 1983年，經(jīng)過小的修改，DIX標準變成IEEE 802.3標準,最初的以太網(wǎng)體系結構,50,4.3.1 以太網(wǎng)電纜,10Base5（粗以太網(wǎng)） 10：信號在電纜上的傳輸速率為10Mbps Base：電纜上的信號是基帶信號 5：每一段電纜的最大長度為500m 10Base5以太網(wǎng)的主要缺點 布線很貴，且安裝很不方便， 故障定位困難,粗以太網(wǎng),10 Base 5,51,以太網(wǎng)電纜-10Base2,10Base2（細以太網(wǎng)） 2：表示距離約為200m 10Base2的優(yōu)點 采用工業(yè)標準的BN

23、C T型接頭進行連接，使用靈活，可靠性高 細纜的價格便宜，且在布線轉角處易轉彎 10Base2的缺點 適用范圍小，故障定位困難,52,以太網(wǎng)電纜-10Base2,終端匹配器,T型接頭,BNC接頭,53,以太網(wǎng)電纜-10BaseT,10Base-T 使用星形網(wǎng)拓撲，在星形網(wǎng)的中心使用集線器 每個站用一根專用的雙絞線連接到集線器 10Base-T優(yōu)點 增添或移去站點非常方便 易于檢測到電纜故障，易于維護 10Base-T缺點 從集線器出來的電纜的最大長度只有100米。,54,屏蔽雙絞線 (STP) 非屏蔽雙絞線 (UTP)(Shielded Twisted Pair)(Unshielded Twi

24、sted Pair),以鋁箔屏蔽以減少 干擾和串音,3類、5類、6類 （16M、155M、1200M） 雙絞線外沒有任何附加屏蔽,55,雙絞線（UTP），兩頭壓接RJ45連接器； 所有站點都與HUB （集線器）相連接； HUB的作用：信號放大與整形 轉發(fā)器/中繼器/HUB物理層設備(工作在物理層)。 星形拓撲，但邏輯拓撲結構仍然是總線。,NIC,HUB,雙絞線以太網(wǎng)（10Base-T）,RJ-45連接器,56,10Base-T hub， with 10Base-T cables connecting computers to the hub,57,雙絞線的連接標準 在以太網(wǎng)的標準中，10Mbp

25、s雙絞線系統(tǒng)采用的線序：1、2兩根線為一對，3、6兩根線為另一對。 色標 Pin# Signal 白橙 1 TD+ 橙 2 TD- 白綠 3 RD+ 藍 4 不用 白藍 5 不用 綠 6 RD- 白棕 7 不用 棕 8 不用,58,以太網(wǎng)電纜-10BaseT,直接連接法 主要用于計算機連接集線器（/交換機） 線序 橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕 橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕,雙 絞 線 如 何 連 ？,59,以太網(wǎng)電纜-10BaseT,交叉連接法 適用于兩臺計算機直接連接, 或者兩臺集線器（/交換機）互連 線序 橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕 綠白、綠、橙白、藍、藍白

26、、橙、棕白、棕,雙 絞 線 如 何 連 ？,60,以太網(wǎng)電纜-10BaseF,10Base-F 使用光纖作為傳輸媒體 10Base-F優(yōu)點 具有極好的抗干擾性 可以用于長距離連接 10Base-F缺點 成本太高,61,以太網(wǎng)電纜拓撲結構,(a) 線形,(b) 主干,(c) 樹形,(d) 分段,62,中繼器（repeater）擴大網(wǎng)絡范圍 雙向接收、放大并重發(fā)信號 是一個物理層設備，,以太網(wǎng)電纜,?,63,4.3.2 以太網(wǎng)編碼方案-曼徹斯特編碼,二進制編碼,位流,曼徹斯特編碼,差分曼徹斯特 編碼,此處有相變，表示0,此處無相變，表示1,64,4.3.3 以太網(wǎng)MAC子層協(xié)議,DIX以太網(wǎng),幀格

27、式：,IEEE 802.3,65,DIX以太網(wǎng),先導域 先導域包含了位模式10101010，這個位模式經(jīng)過曼徹斯特編碼后會產(chǎn)生一個10MHz的方波（持續(xù)6.4s），從而使接收方與發(fā)送方的時鐘同步 幀起始(IEEE802.3) 為了與802.4與802.5兼容,IEEE 802.3,66,目的地址和源地址 標準中允許是使用2字節(jié)或6字節(jié)的地址， 但10Mbps基帶標準定義的參數(shù)只使用6字節(jié)地址 前三個字節(jié)表示供應商標識，后三個字節(jié)表示供應商對網(wǎng)卡的唯一標識 目標地址 第1個字節(jié)的最低位為“0”：普通地址。如： 00:13:E8:A3:D2:A9 第1個字節(jié)的最低位為“1”：多播地址。允許多個站點

28、使用同一地址。如：01:00:5E:00:00:01 全部位為“1”：廣播地址。如：FF:FF:FF:FF:FF:FF,DIX以太網(wǎng),IEEE 802.3,67,長度域或類型域 類型域（DIX以太網(wǎng)） 說明高層使用的協(xié)議，如IP，IPX等 長度域（IEEE802.3） 指它后續(xù)數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，但不包括校驗和部分，范圍461500字節(jié) 當數(shù)據(jù)部分的長度小于46字節(jié)時，需要在幀填充字段中填“0” IEEE802.3定義在數(shù)據(jù)部分增加一個小的頭信息，由它來提供幀類型的信息 為保證以上兩種幀可以兼容，類型域的類型碼需大于1500 如0800H表示IP，8137H表示IPX等 若此字段的值小于1500，

29、則該幀為IEEE802.3類型的幀,幀格式,68,幀格式,數(shù)據(jù)域 長度為11500字節(jié)，當長度小于46字節(jié)時，需要在幀填充字段中填“0” 有最大幀長和最小幀長的限制 校驗和 采用32位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC）,69,幀格式舉例-以太網(wǎng)的幀,類型,類型,70,幀格式舉例-IEEE 802.3的幀,長度,71,How to check MAC address,WinXP c:arp -a c:ipconfig UNIX/Linux #ifconfig -a Wireshark Sniffer Router show arp .,#表示root用戶,72,最小幀長（回顧）,避免檢測到?jīng)_突時幀已經(jīng)發(fā)

30、完，幀發(fā)送時間應該大于2； 10Mbps LAN，最大沖突檢測時間為51.2微秒，最短幀長為64字節(jié)（10Mb/s*51.2s） 網(wǎng)絡速度提高，最短幀長也應該增大或者站點間的距離減小,73,思考題1,考慮在一條1km長的電纜（無中繼器）上建立一個1Gbps速率的CSMA/CD網(wǎng)絡。信號在電纜中的速度為200 000km/s。請問最小的幀長度為多少？,74,思考題1,考慮在一條1km長的電纜（無中繼器）上建立一個1Gbps速率的CSMA/CD網(wǎng)絡。信號在電纜中的速度為200 000km/s。請問最小的幀長度為多少？ 對于1km電纜，單向傳播時延為1/200000s=5s， 往返時延為2=10s。

31、 為了能夠按照CSMA/CD工作，最小幀的發(fā)送時間不能小于10s。 以1Gbps速率工作，10s可以發(fā)送的比特數(shù)為 所以，最小幀是10 000位或1250字節(jié),75,思考題2,一個1km長、10Mbps的CSMA/CD LAN（不是802.3），其傳播速度為200m/s。在這個系統(tǒng)中不允許使用中繼器。數(shù)據(jù)幀的長度為256位，其中包括32位的頭部、校驗和以及其他的開銷。在一次成功的傳輸之后，第一個位時槽將被預留給接收方，以便他抓住信道并發(fā)送一個32位的確認幀。假設沒有沖突，請問有效數(shù)據(jù)率為多少（不包括各種開銷）？,76,思考題2,一個1km長、10Mbps的CSMA/CD LAN（不是802.3

32、），其傳播速度為200m/s。在這個系統(tǒng)中不允許使用中繼器。數(shù)據(jù)幀的長度為256位，其中包括32位的頭部、校驗和以及其他的開銷。在一次成功的傳輸之后，第一個位時槽將被預留給接收方，以便他抓住信道并發(fā)送一個32位的確認幀。假設沒有沖突，請問有效數(shù)據(jù)率為多少（不包括各種開銷）？ 電纜的往返傳輸時延為1000/200*2=10（s）。 一個完整的傳輸有6個過程： 發(fā)送方“抓住”電纜（10s） （見P.218） 發(fā)送數(shù)據(jù)幀（25.6s） 傳輸時延（5s） 接收方“抓住”電纜（10s） 發(fā)送確認幀（3.2s） 傳輸時延（5s） 6階段的時間總和是58.8s，在這期間共發(fā)送224個數(shù)據(jù)位。 所以，有效數(shù)據(jù)

33、速率為224/58.8=3.8Mbps,77,將沖突發(fā)生后的時間劃分為長度為51.2微秒的時槽 發(fā)生第一次沖突后，各個站點等待0或1個時槽再開始重傳 發(fā)生第二次沖突后，各個站點在0， 1， 2或3間隨機地選擇一個等待時槽數(shù)，再開始重傳 第i次沖突后，在0至2i-1間隨機地選擇一個等待的時槽數(shù)，再開始重傳 10次沖突后，選擇等待的時槽數(shù)固定在0至210-1間 16次沖突后，發(fā)送失敗，報告上層,4.3.4 二元指數(shù)后退算法,78,以太網(wǎng)存在的問題 以太網(wǎng)使用共享式信道，隨著負載的增加，局域網(wǎng)沖突概率的增加，達到飽和,79,4.3.6 交換式以太網(wǎng),1. 提高網(wǎng)絡速度,即采用交換式以太網(wǎng),解決方法,

34、2. 減少沖突域,80,Memory,Switch,4.3.6 交換式以太網(wǎng),81,交換式以太網(wǎng),交換機包含 一塊高速底板 一個可以容納多塊插線卡的空間 每個插線卡上包含多個連接器 一般每個連接器有一個10Base-T雙絞線接口，可以連接到一臺計算機上,82,插卡分類 插卡上的所有端口都用線連在一起，一個插卡是一個802.3LAN，構成自己的沖突域，與其它插卡完全獨立，減少沖突域 插卡的每個輸入端口支持緩存功能，每個端口是一個獨立的沖突域，無沖突發(fā)生,交換式以太網(wǎng),83,交換式以太網(wǎng),交換機工作過程 一個站發(fā)送一個以太網(wǎng)幀時，它向交換機發(fā)送該幀 獲得該幀的插卡檢查該幀目的地址，看它的目標站是否

35、連接在同一塊插卡上 若連接在同一塊插卡上 對于所有端口都用線連在一起的插卡，該幀被復制到該插卡的所有端口 對于每個輸入端口支持緩存功能的插卡，該幀被轉發(fā)到該插卡的相應端口 否則，通過交換機的高速底板，該幀被轉發(fā)到目標站的插卡中,84,交換式以太網(wǎng),使用交換機后，可建立多個并發(fā)的通信。 例如： 8個端口可建立4個并發(fā)通信， 總帶寬 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps,10Mbps 網(wǎng)絡交換機,85,4.3.7 快速以太網(wǎng),標準 1995年，IEEE通過802.3u標準，它是802.3的一個補充 原有的幀格式、接口、過程規(guī)程不變，只是將位時間從100ns縮短為10ns 對10Mbps

36、 802.3 LAN的改進 一種方法是改進10Base-5 或 10Base-2，最大電纜長度減為1/10，仍采用CSMA/CD，未被采納 另一種方法是改進10Base-T，使用集線器和交換機，被采納,86,快速以太網(wǎng),Application Software and Upper-layer Protocols,TCP / IP,Card driver,802.3 Media Access Control Sublayer,100BaseTX,100BaseFX,100BaseT4,Physical Layer,87,100Base-T4 3類非屏蔽雙絞線（UTP），使用25MHz的信號 要求

37、4對雙絞線，1對總是給集線器發(fā)送信號，1對總是接收集線器信號，另外2對根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向變換 使用8B/6T（8個二進制數(shù)映射到6位三進制數(shù)上）編碼，即使用三進制信號，三對線路，有27種可能的符號，每個周期可以傳送4位（還有冗余）二進制數(shù)， 25MHz的信號，三對雙絞線的比特率100Mbps(=25M*4)，反向一對雙絞線33.3bps,快速以太網(wǎng),88,100Base-TX 使用2對5類平衡雙絞線或150屏蔽平衡電纜，1對用于發(fā)送信號到集線器，另1對用于從集線器接收信號，全雙工 5類雙絞線使用125 MHz的信號 4B/5B編碼，5個時鐘周期分為一組，有32種組合，其中16種組合被用來傳輸，4

38、個比特，比特率為125*4/5=100Mbps 100Base-TX 和 100Base-T4 統(tǒng)稱 100Base-T 100Base-FX 使用2根多模光纖，全雙工,快速以太網(wǎng),89,兩種類型的互連設備 集線器（共享式） 所以端口一個沖突域， 工作方式與802.3相同，CSMA/CD，二進制指數(shù)后退算法， 半雙工 交換機（交換式） 輸入幀被緩存，一個端口構成一個沖突域,快速以太網(wǎng),90,4.3.8 千兆以太網(wǎng),標準 1998年，IEEE 802.3z 千兆以太網(wǎng)的特性 使以太網(wǎng)快上10倍，保持向后兼容 提供無確認的數(shù)據(jù)報服務 支持單播和多播 使用已有48位編址方案 維護同樣的幀格式，包括幀

39、的最小和最大長度,91,千兆以太網(wǎng),1000Mbps MAC 802.3 CSMA/CD Ethernet,Gigabit Ethernet Interface Carrier (GBIC),1000Mbps CX Copper STP 25M,1000Mbps CX Copper Cat5 UTP 100M,1000Mbps CX Multimode Fiber (780nm) 500M,1000Mbps CX Singlemode Fiber (1300nm) 3KM,Gigabit Ethernet Structure,92,千兆以太網(wǎng),千兆網(wǎng)太網(wǎng)的所有配置都是點到點的，每根以太網(wǎng)電纜都

40、只有兩臺設備，如下圖,93,千兆以太網(wǎng)支持兩種不同的操作模式 全雙工模式，正常的模式 允許兩個方向上的流量同時進行 一臺交換機將周圍的計算機連接起來，所有的線路都具有緩沖能力，不會發(fā)生沖突， 不用CSMA/CD協(xié)議，電纜的最大長度由信號的強度決定 半雙工模式 計算機連接的是集線器而不是交換機，使用標準的CSMA/CD協(xié)議，為擴大網(wǎng)絡范圍加入兩個特性： 載荷擴充：在普通幀后面增加一些填充數(shù)據(jù)，以便使幀長擴充到512字節(jié) 幀串：它允許發(fā)送方將多個幀連接在一起，把它們串起來一起傳輸出去,千兆以太網(wǎng),94,千兆以太網(wǎng)對于光纖采用8B/10B編碼；每個8位字節(jié)在光纖上編碼為10位，共有1024種可能的輸

41、出碼字，選取可用碼字的時候，采用兩條規(guī)則：不允許一個碼字中有超過4個連續(xù)相等的位；不允許一個碼字中0的個數(shù)或者1的個數(shù)超過6個。 1000BASE-T 采用4B/5B編碼；采用4對5類雙絞線，用到5級電壓值，每對雙絞線有2個數(shù)據(jù)位，時鐘運行125MHz，1Gbps速率(=125M*2*4),千兆以太網(wǎng),95,Ethernet on the web,10Mbps /ethernet/10mbps.html 100Mbps 1Gbps / 10Gbps http:/www.10gig

42、abit-,96,4.3.9 IEEE 802.2邏輯鏈路控制,在有些系統(tǒng)中，要求使用具有錯誤控制和流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，IEEE委員會定義802.2邏輯鏈路控制協(xié)議（LLC） LLC可以運行在以太網(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)絡層提供一個接口，隱藏各種802網(wǎng)絡的差異,包含序列號 和確認號,97,LLC,LLC幀格式：HDLC相類似 LLC頭包含 目的訪問點（DSAP）：指明了該幀要被交給哪個進程 源訪問點（SSAP）：指明了該幀從哪個進程來 控制域：包含了序列號和確認號,98,LLC,LLC幀和MAC幀的關系,高層PDU,99,802.11 協(xié)議棧,4.4 無線L

43、AN,100,紅外線技術（infrared） 1Mbps和2Mbps兩種速率 跳頻擴頻 (frequence hopping spread spectum，F(xiàn)HSS ) IEEE 802.11標準規(guī)定跳頻通信使用2.4GHz的工業(yè)、科學與醫(yī)藥專用的ISM頻段 跳頻擴頻通信的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s 直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum，DSSS) 直接序列擴頻也使用2.4GHz的工業(yè)、科學與醫(yī)藥專用的ISM頻段 數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s,4.4.2 802.11物理層,101,正交頻分多路復用（Orthogonal Frequen

44、cy Division Multiplexing，OFDM) IEEE 802.11a 標準規(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頻(High Rate direct sequence spread spectrum，HR-DSSS) IEEE 802.11b 使用2.4GHz的工業(yè)、科學與醫(yī)藥專用的ISM頻段 數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到11Mb/s 802.11g使用802.11a的調制方法，使用2.4GHz的頻段，可以達到54Mbps,802.11物理層,102,4.4.3 802.11 MAC子層協(xié)議,802.11沒有像以太網(wǎng)那樣采用CSMA/CD。其

45、原因 隱藏站問題 暴露站問題 大多數(shù)無線電設備都是半雙工的 802.11支持兩種操作模式 DCF(分布式協(xié)調功能）（必須支持的） PCF(點協(xié)調功能）（可選的） DCF使用CSMA/CA(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，它用到了虛擬信道監(jiān)聽方法,103,CSMA/CA中虛擬信道監(jiān)聽的用法,(a) A給B發(fā)送一個RTS；(b) B向A送回一個CTS,網(wǎng)絡分配向量：用來保持一定時間的安靜,104,分片 無線網(wǎng)絡是有噪聲的，也是不可靠的 802.11的幀太長的話，完好無損地傳輸?shù)臋C率會減小 802.11允許傳輸?shù)膸环殖尚〉乃槠?，?/p>

46、個分片有自己的校驗和，使用停-等協(xié)議獨立編號和確認 一旦通過RTS和CTS獲得信道，可以發(fā)送多個分片,802.11 MAC子層協(xié)議,105,PCF模式，基站對其他的站進行表決，問他們是否要發(fā)送幀 在PCF模式中，傳輸順序完全是由基站控制的，不會發(fā)生沖突,802.11 MAC子層協(xié)議,106,802.11標準定義了三種不同類型的幀用于通信 數(shù)據(jù)幀 控制幀 管理幀,4.4.4 802.11 幀結構,107,802.11標準聲明了每個符合標準的無線LAN必須提供9種服務，可分為兩類 5種分發(fā)服務 由基站提供的，他們處理站的移動性。當移動站進入單元的時候通過這些服務與基站關聯(lián)起來；當移動站離開單元的時

47、候，通過這些服務與基站斷開聯(lián)系 4種站服務 只與一個單元內部的活動有關,4.4.5 802.11 服務,108,802.11 服務,5種分發(fā)服務 關聯(lián)Association：移動站利用該服務連接到基站上 分離Disassociation：一個站在離開或者關閉之前，利用該服務。 重新關聯(lián)Reassociation：利用該服務，一個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 融合Integration：將802.11格式的幀翻譯成目標網(wǎng)絡所要求的幀格式（如果一幀需要通過一個非802.11的網(wǎng)絡來發(fā)送時）,109,4種站服務 認證Authentication

48、 解除認證Deauthentication：如果一個原先已經(jīng)通過認證的移動站要離開網(wǎng)絡，則它需要解除認證 私密性Privacy：加密和解密 數(shù)據(jù)投遞Data Delivery,802.11 服務,110,4.7 數(shù)據(jù)鏈路層交換,從802.x到802.y的網(wǎng)橋 本地的網(wǎng)絡互聯(lián) 生成樹網(wǎng)橋 遠程網(wǎng)橋 中繼器、集線器、網(wǎng)橋、交換機、路由器和網(wǎng)關 VLAN,111,為什么使用網(wǎng)橋？ 學校和企業(yè)的各個部門分別擁有自己獨立管理的LAN，不同部門可能選擇不同的LAN，為了進行交互，需要使用橋來實現(xiàn)互連 一個企業(yè)分布在相隔很遠的不同建筑物內，在每個建筑物內組建單獨的LAN，并通過網(wǎng)橋和光纖鏈路將這些LAN連接

49、起來，是比較經(jīng)濟的方案,4.7 數(shù)據(jù)鏈路層交換,112,將一個負載很重的大LAN分隔成使用網(wǎng)橋互連的幾個LAN，以減輕負擔,數(shù)據(jù)鏈路層交換,113,LAN上的兩臺機器其距離超過2500米，必須使用網(wǎng)橋將這個LAN分隔以保證網(wǎng)絡的正常工作 可靠性問題。防止出故障的站點損害全網(wǎng) 網(wǎng)橋可以有助于安全保密 網(wǎng)橋（bridge） 在互連的LAN間實現(xiàn)幀的存儲和轉發(fā) 工作在數(shù)據(jù)鏈路層，通過查看數(shù)據(jù)鏈路層的地址來完成幀轉發(fā),數(shù)據(jù)鏈路層交換,114,4.7.1 從802.X到802.Y的網(wǎng)橋,網(wǎng)橋的工作原理：,Network,LLC,MAC,Physical,Wireless LAN,Ethernet,Hos

50、t A,Host B,注：連接k個不同LAN的網(wǎng)橋將需要k個MAC子層和k個物理層,115,為不同的802 LAN建立網(wǎng)橋時遇到的困難： 不同LAN幀格式的轉換 不同的LAN速率不同。網(wǎng)橋要有緩存能力 不同的LAN支持的最大幀長度不同。 解決辦法：丟棄無法轉發(fā)的幀 安全性問題。802.11支持加密功能，以太網(wǎng)不支持 服務質量（QoS）。802.11和802.16都支持QoS，以太網(wǎng)不支持,從802.X到802.Y的網(wǎng)橋,IEEE802幀格式,116,4.7.2 本地網(wǎng)絡互連,網(wǎng)橋是透明的 不需要改動硬件和軟件和配置表（如：地址表或參數(shù)等） 對用戶來講是透明的， 透明網(wǎng)橋的工作原理 網(wǎng)橋工作在混

51、雜（promiscuous）方式，接收所有和它相連的LAN上傳送的幀,117,本地網(wǎng)絡互連,網(wǎng)橋接收到一幀后，必須確定該幀是丟棄、轉發(fā)還是擴散 通過查詢散列表來決定 散列表：列出了每個可能的目的地址，且指明它屬于哪一條輸出線路（LAN）。如：網(wǎng)橋B1的散列表,118,本地網(wǎng)絡互連-散列表的創(chuàng)建,網(wǎng)橋剛啟動時，所有的散列表為空， 采用擴散算法（flooding）轉發(fā)幀 擴散算法：對于每一個發(fā)向未知地址的進入幀，網(wǎng)橋將它輸出到除源LAN外的其它LAN中 在轉發(fā)過程中采用逆向學習算法（backward learning）更新散列表的表項 逆向學習：網(wǎng)橋通過檢查幀的源地址，就知道通過哪個LAN可以到達

52、哪臺機器 如：網(wǎng)橋B1收到LAN2上的來自C的幀，那么它就知道通過LAN2 可以到達C， 在散列表中添加一項，注明發(fā)給C的幀應該使用LAN2,119,網(wǎng)橋有一個進程定期掃描散列表，并且將那些時間值在幾分鐘以前的表項都清除 當一幀到達，如果源地址已經(jīng)在散列表中，則更新對應表項中的時間值 進入的幀在網(wǎng)橋上的路由過程取決于它從哪個LAN上到達（源LAN），以及它的目的地址到哪個LAN上（目的LAN） 目的LAN與源LAN相同，則丟棄幀 目的LAN與源LAN不同，則轉發(fā)幀 目的LAN未知，則使用擴散法,本地網(wǎng)絡互連-散列表的更新,120,透明網(wǎng)橋的工作原理舉例,主機a,主機d,目的地址/輸出線路,主機

53、d,主機a,剛開始的時候，所有的網(wǎng)橋內部的散列表都是空的(左圖) a向d發(fā)送幀后，不同的網(wǎng)橋中的散列表變化情況(右圖),121,透明網(wǎng)橋的工作原理舉例,主機d,主機c,主機a,c向a發(fā)送幀后，不同的網(wǎng)橋中的散列表變化情況（在上次變化的基礎上）,122,為了提高可靠性，在LAN對之間使用多個網(wǎng)橋，并行網(wǎng)橋可能產(chǎn)生回路，產(chǎn)生無限循環(huán)問題,4.7.3 生成樹網(wǎng)橋,一個帶有未知目的地址的幀（F）的處理過程,123,解決多個網(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LAN的生成樹（Spanning Tree）覆蓋實際的拓撲結構,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,124,生成樹網(wǎng)橋,構造生成樹 每個橋廣播自己的序列號，序列號最小的橋變成生成樹的根 每個網(wǎng)橋計算自己到根的最短路徑，構造出生成樹，使得每個LAN和橋到根的路徑最短 當某個LAN或網(wǎng)橋發(fā)生故障時，要重新計算生成樹 生成樹構造完后，算法繼續(xù)執(zhí)行以便自動發(fā)現(xiàn)拓撲結構變化，更新生成樹,125,如何連接兩個遠距離的LAN 實現(xiàn)方法：使用遠程網(wǎng)橋 在每個LAN上安放一個網(wǎng)橋，并且用點到點線路將一對網(wǎng)橋連接起來 點到點線路可以選用某一種標準的點到點鏈路層協(xié)議。如：PPP,