计算机网络与应用电子课件教案-第四章 MAC层和局域网.ppt

1,一、局域网和IEEE802标准,IEEE802标准包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等,802.1：802标准介绍及接口原语定义802.2：描述数据链路层的上部，使用逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）协议802.3：CSMA/CD（包括物理层和MAC子层）802.4：令牌总线（包括物理层和MAC子层）802.5：令牌环（包括物理层和MAC子层）,2,802.3CSMA/CDMAC物理层,802.4令牌总线MAC物理层,802.5令牌环网MAC物理层,802.6城域网MAC物理层,802.9语音数据综合局域网,802.11无线局域网,802.7宽带技术,802.8光纤技术,802.2逻辑链路控制LLC,802.10互操作LAN的安全,802.1体系结构/网络互连,数据链路层,物理层,3,二、物理地址,与物理硬件（如网卡）有关：48位,由IEEE统一分配的物理地址：注册交费IEEE分配机构唯一标识符（OUI）：物理地址的前3位OUI拥有者自行分配剩余的3字节,4,MAC地址结构,保留地址广播地址（BroadCast）由48位1组成，即：FF-FF-FF-FF-FF-FF,组播（MultiCast）地址：如：支持生成树协议的网桥组播地址01-80-C2-00-00-00,所有的网卡均接收目的地为广播地址的数据帧,5,三、传统局域网技术,1.纯ALOHA协议,假设任何一个站都可以在帧生成后即发送（可能冲突），并通过广播的反馈，侦听信道，以确定发送是否成功。如发送失败，则经随机延时后再发送,6,纯ALOHA信道的效率,帧时(FrameTime)：发送一个标准长度的帧所需的时间,即在t0+2t内不能有新帧产生，否则冲突。,在纯ALOHA中，其吞吐率最大为0.184,7,2.时隙ALOHA的原理,时隙ALOHA是把时间分成时隙（时间片）时隙的长度对应一帧的传输时间，其起点由专门的信号来标志新帧的产生是随机的，但时隙ALOHA不允许随机发送，凡帧的发送必须在时隙的起点，即冲突危险区是原来的一半,冲突主要发生在时隙的起点，一旦发送成功，则不会出现冲突。即生成新帧并等待发送的这一帧时内，是冲突危险区，为原来的一半,8,时隙ALOHA的示意图,9,纯ALOHA和分隙ALOHA的比较,纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，全然不顾是否有用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着发送的整个过程分隙ALOHA中，规定发送行为必须在时隙的开始，一旦在发送开始时没有冲突，则该帧将成功发送,10,ALOHA系统中吞吐率和帧产生率之间的关系,G为每个帧时内可能的发送次数,00.51.01.52.03.0,0.400.300.200.10,时隙ALOHA：S=Ge-G,纯ALOHA：S=Ge-2G,S为每帧时内的吞吐率,11,3.载波侦听多路访问协议CSMA,分为持续和非持续CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，载波侦听多路访问）,1持续CSMA非持续CSMA（NonpersistentCSMA）p持续CSMA（p-persistentCSMA）,12,1）1持续CSMA,每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等待并持续侦听，一旦信道空闲，立即发送，即发送的概率为1；如冲突，则延时一随机时隙数后，重新发送,13,2）非持续CSMA（Non-persistentCSMA）,每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则不再继续侦听，而是延时一随机时隙数后，再侦听信道,14,3）p持续CSMA（p-persistentCSMA）,先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率p发送，而以概率q=(1-p)把本次发送延至下一时隙，直至发送成功,用于按时隙传输的信道,15,传输时延对载波监听的影响,但CSMA并不能完全解决冲突问题,如两个或多个准备发送的站都检测到信道空闲而同时发送将发生冲突,16,4）带冲突检测的CSMA,CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）带冲突检测的载波侦听多路访问,CSMA/CD的概念模型：,CSMA/CD有三种状态：竞争、传输或空闲,802.3(也称以太网）是CSMA/CD技术的应用实例,17,CSMA/CD的要点,在一帧传输完成后的时间t0，想要发送的站点都可以尝试发送如两个或多个站点同时发送则发生冲突判断出冲突后，立即停止发送，并强化冲突，延时一个随机时隙数后，再重复以上过程,18,冲突的检测方法,信号电平法基于基带传输。两个帧信号叠加后，电压大一倍过零点检测法用曼切斯特编码时，零点在每比特的正中央。有干扰时，则可能偏移自收发检测法在发送数据的同时也在接收，并逐比特比较,19,CSMA/CD发生冲突时对信道占用时间的影响,开始冲突,A,B,t,B发送数据,信道占用时间,A检测到冲突,冲突加强信号,TB,TJ,如一个站点发送后，经2后，没有冲突，即发送成功。一公里长的同轴电缆，典型传输延迟5s,20,二进制指数后退算法,发送方在检测到冲突后，双方（或多方）都将延时一段时间，所谓一段时间到底是多长？冲突检测到后，时间被分成离散的时隙时隙的长度等于信号在介质上来回传输时间（51.2s）一般地，i次冲突后，等待的时隙数将从02i1中随机选择,21,CSMA/CD的性能曲线,CSMA/CD，CSMA，以及ALOHA的S-G曲线,时隙ALOHA,ALOHA,时隙1-持续CSMA/CD,非持续CSMA/CD,时隙非持续CSMA/CD,22,CSMA/CD的性能曲线,帧长与站点数对信道利用率的影响,23,4.IEEE802.5令牌环,信道争用产生冲突，使获得信道的时间不确定，延时难以估计802.3帧没有优先级，不适合实时系统使用,802.3LAN的缺点：,令牌环网采用环形网络结构，没有冲突，且最大等待时间是可估计的，然而环形网一旦环断，则整个网络将瘫痪,24,令牌环采用全数字技术令牌环上没有竞争，信道利用率高，重载荷下，将近100%环是公平的，信道访问时间有一个确定的上界环上的站点可设定优先级，以保证其对实时应用的响应,1）802.5令牌环的优点：,25,2）令牌环的特点,令牌环并非是真正意义上的广播网络，而是由经过站点逐个复制,无竞争，信道利用率高可设定优先级，保证其对实时应用的响应,26,3）802.5的工作原理,A有数据要发送，捕获令牌,数据沿环传递，目的C接收数据，同时继续传递,27,802.5的工作原理（续）,A回收数据，并检查目的站点是否已接收,A结束传输，产生新令牌,28,4）令牌格式,令牌帧仅3个字节,环中各站点都空闲，即无站点传输数据时，令牌则一直绕环运行由各站点循环传递，如有需发送数据帧的站点，则必须抓住令牌并把它改为将发送的数据帧,29,令牌各部分含义说明,30,5）站点出入环,考虑到每个站点都可能随意入环和出环，所以每个站点都有一个干线耦合器，当该站点故障或出环时，耦合器闭合,星形令牌环网示意图。图中，站点B、D目前不在环中,31,6）令牌环的帧格式,帧控制访问控制开始界符,帧状态结束界符,32,7）令牌环的工作过程,令牌在环中转发送站捕获令牌,如果令牌的优先级低于要发送数据的优先级，则捕获令牌。将AC中的T改为1，将数据插入令牌，设置FS中的A、C均为0，ED中E置0，转发到下一站。回收该帧后，若A、C=1，表示已正确接收。按预约的优先级生成一新令牌,33,5.令牌总线802.4（TokenBus）,真正的广播形式网络（类似CSMA/CD)逻辑的环形结构,34,1）令牌总线工作原理,环初始化时，将若干个站点定义在一个逻辑环中，站号最大者握有令牌，仅握有令牌者具有发送一帧的权力握有令牌者在发送一帧后，将令牌交逻辑上相邻的下一站所谓逻辑上相邻，指站号相邻，与其物理上是否相邻无关任一时刻仅一个站点握有令牌，所以不会发生冲突由于是总线方式的广播性质，任何两个站点的通信，其它站点都在监听，但如本站非目的地址则丢弃802.4的MAC子层具有对逻辑环中站点的增加和删除的功能,35,2）令牌总线的帧格式,帧控制开始界符先导字符,结束界符,先导字符为10101010，个数可大于1个开始界符和结束界符为模拟编码帧控制字段说明帧的类型，类型包括入环、出环、令牌传递等目的地址和源地址与802.3协议相同,36,3）逻辑环的维护,新站点入环令牌持有者会周期性地发送通告帧，其中带有自己的地址和它后继者的地址，此时，在这两个地址之间的站点可允许入环环的初始化当站点打开电源并发现在一段时间内环内没有通信量，便发送令牌竞争帧，以产生令牌,37,3）逻辑环的维护,站点出环请求出站的站点发送一个告知帧，通知其前站把前站的后继站改成它的后继站故障处理处理站点故障、令牌丢失或多令牌等情况,38,802.3、802.4及802.5的比较,39,802.3特点,协议简单、加入站点时不需终止网络运行、使用无源电缆侦听方式限制了站点间距、发送延迟不确定、重负载时低效率,802.4特点,使用电视电缆、发送延迟确定、可设定优先级、重载时亦性能好协议复杂、轻负载时低效率,802.5特点,易于数字化、发送延迟确定、可设定优先级、重载时性能好令牌集中管理、轻负载时低效率,40,四、逻辑链路控制层LLC,1.LLC的位置,逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl），即IEEE802.2标准,(a)LLC的位置(b)协议格式,41,2.LLC的作用,由于不同的网络类型有不同的介质访问子层与之对应，而逻辑链路控制子层则掩盖了不同网络之间的差别，以统一的格式为网络层提供服务LLC子层把网络层的分组（在TCP/IP中即IP包）加上LLC头，交给MAC子层组成相应的802.X帧发送,42,3.LLC提供的三种服务,不可靠的数据报服务可靠的数据报服务面向连接的服务,对于不同的数据帧和控制帧有不同的格式有确认的数据报服务和面向连接的服务，在帧格式中包含源地址、目的地址、序列号、确认号等无确认的数据报服务的帧格式中不包含序列号和确认号,43,五、局域网的扩展,1.中继器/集线器,物理层设备，提供信号放大，延伸物理网段作用不具备差错识别能力，延迟小,44,45,集线器或中继器扩展的网络构成一个冲突域,46,2.网桥（Bridge）,网桥是连接多个局域网（802.x网络）的工作在数据链路层的设备如把数据链路层细分为LLC子层和MAC子层，则所谓协议的不同是在网桥的MAC子层上网桥作为不同数据链路层的子网的转换设备，则其相应的端口属于不同的局域网网桥已被交换机所取代,47,网桥缺点,网桥的延迟会影响网络的大小网桥不能有效的阻止网络广播(如广播风暴)不支持数据链路层以上的协议转换无法利用冗余通路管理与故障隔离能力有限,48,1）网桥的工作原理,连接802.3与802.5的转换网桥,49,2）需要网桥的原因,多种不同局域网需要互连将地理位置分散的局域网相连为调节负荷在逻辑上分解成多个局域网扩展局域网的物理距离增强局域网的可靠性（分离不良网段）增强保密性（限制数据传送范围）,50,3）网桥应有的特征,不改变所收到的LLC帧内容及格式必须具有足够的存储空间具备寻址和选择路径的智能内部可理解为采用另外的协议,使用网桥来扩展网段,51,六、高速局域网,1.光纤分布式数据接口FDDI（FiberDistributedDataInterface）,高速令牌环网，100Mb/s，网络跨距达200km，连接1000个站点，常作为主干网,被用作连接局域网的计算机的主干的FDDI,52,1）FDDI基本特性,使用基于802.5令牌环标准的令牌传递MAC协议和802.2LLC协议，所以与IEEE802局域网兼容利用多模或单模光纤构成有容错能力的双环拓扑数据速率为100Mb/s；误码率4x10-11最多1000个物理连接（如全部双连接站为500个），最大站间距离（使用多模光纤）为2km，环路长度为100km，光纤总长度为200km具有动态分配带宽的能力最大帧长度为4500字节,53,2）FDDI的数据帧格式,FDDI的数据帧格式与TokenRing基本相同,帧控制开始界符,帧状态结束界符,在FDDI中，由于最大200km的距离，发送方在发送完一帧后，即把令牌转交下一站点，所以在大型环网上，可能同时存在多个帧总体来说，FDDI的技术较成熟，其价格相对较昂贵，但在早期，用户没有别的高速网可选择,54,2.快速以太网FastEthernet（802.3u标准）,结构简单，兼容性好，价格相对低廉,采用简单的不归零制(NRZ)编码的变种NRZI（nonreturn-to-zerochangeonone）及4B/5B的二进制编码双速10/100Mb/sMAC功能（自动协商）星型连接方式优选全双工操作提供对Cat3、Cat5和STP的支持，也支持光纤介质，不支持同轴电缆,55,1）100Base-TX,其物理接口为RJ-45连线采用5类双绞线，仅用两对线，且全双工距离为100m编码采用4B/5B编码,快速以太网是目前使用最广的以太网技术，无论是新建局域网还是原有局域网的升级，通常首选的总是快速以太网,56,2）100Base-FX,其物理接口为ST或SC连线采用一对多模光纤，全双工，且免受电磁干扰距离为2km编码采用4B/5B编码,57,3）100BASE-T4,使用四对双绞线不支持全双工使用8B/6T方案编码通过一对线进行链路完整性检测,58,3.100VG-AnyLAN技术,100Mb/s的网络技术IEEE802.12标准五层嵌套树型结构帧格式遵循以太网格式或令牌环格式采用与以太网相同的RJ45和SC连接器具有冗余链路,59,1）100VG-AnyLAN的网络直径,60,2）100VG的介质访问协议,请求优先原则：发送前需先得到中继器的批准分正常级和高级两种优先级中继器按顺序轮询每个节点以确定发送者高优先级先得到批准,有多级中继器则采用逐级通报的原则,2,1,1,2,2,2,61,七、无线局域网,利用射频（RF）技术提供传统有线局域网的所有功能简称Wi-Fi802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层MAC层使用CSMA/CA协议,62,1.802.11的体系结构,1）802.11的物理层,跳频扩频（FrequencyHoppingSpeeadSpectrum,FHSS）直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)红外技术（InfraRed,IR),63,2）CSMA/CA协议,CSMA/CA协议中的RTS和CTS,按时间片发送帧通过载波侦听查看介质是否空闲通过随机时间等待，避免信号冲突发生提供确认帧ACK机制,64,直序列扩频调制(DSSS:DirectSequenceSpreadSpectrum)及补码键控(CCK：ComplementaryCodeKeying)技术包二进制卷积(PBCC：PacketBinaryConvolutionalCode)正交频分复用技术OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMustiplexing,2.物理层采用的主要技术,65,1）DSSS调制技术基于DSSS的调制技术有三种：在1Mbps数据速率下采用DBPSK。提供2Mbps的数据速率，要采用DQPSK。基于CCK的QPSK，是11b标准的基本数据调制方式。采用补码序列与直序列扩频技术，是一种单载波调制技术，通过PSK方式传输数据，传输速率分为1/2/5.5和11Mbps。CCK通过与接收端的接收机配合使用，能够在高效率的传输数据的同时有效的克服多径效应。,若传输速率超过11Mbps，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。,66,2）PBCC调制技术PBCC调制技术是由TI公司提出的，已作为802.11g的可选项被采纳。PBCC也是单载波调制，与CCK不同的是使用了更多复杂的8PSK信号星座图（CCK使用BPSK/QPSK）。PBCC使用了卷积码，而CCK使用区块码。因此，它们的解调过程十分不同的。PBCC可以完成更高速率的数据传输，其传输速率为11/22和33Mbps,67,3）OFDM技术OFDM技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术。原理是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，从而有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰，以减少接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方式消除符号间干扰。,68,4）MIMOOFDM技术MIMO(多输入多输出)技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。它可定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道，消除天线间信号的相关性，提高信号的链路性能增加了数据吞吐量OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。采用MIMO结构不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。在OFDM系统中采用多发射天线实际上就是根据需要在各个子信道上应用多发射天线技术。由2组IEEE802.11a收发器（发送天线和接收天线各两个，22），能够实现最大108Mbit/秒的传输速度。支持AP和客户端之间的传输速度为108Mbit/秒，客户端不支持该技术时，通信速度为54Mbit/秒。,69,3.无线局域网标准,1）IEEE802.11bIEEE802.11协议标准的扩展。支持最高11Mbps速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用CCK(补码键控)的DSSS(直接序列扩频)调制技术,缺陷DSSS技术提高码片的速率来取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，现有的码片实现较难；在高速数据速率情况下要求接收机有更复杂的结构，以达到良好的时间分集效果，因此在硬件上不易实现。,70,2）IEEE802.11aIEEE802.11a工作于5GHz频段上，使用OFDM(正交频分多路复用)调制技术可支持54Mbps的传输速率802.11a与802.11b的比较802.11b的优势在于价格低廉,但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。11a与11b工作在不同的频段上,不能工作在同一网络里，因此11a与11b互不兼容,71,3）IEEE802.11gIEEE802.11g标准与以前的802.11标准相比有以下两个特点：a)其在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上；b)IEEE802.11g标准能够与802.11b的Wi-Fi系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性,72,4）IEEE802.11nIEEE802.11n计划将传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps。802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5GHz两个工作频段）。这样11n保障了与以往的802.11a/b/g标准兼容IEEE802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。通过采用天线及相关传输技术，使得传输距离增加到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。,73,4.802.11的服务集,基本服务集（BasicServiceSet，BSS)在BSS中，所有站运行同样的MAC协议。各站点随机争用信道通过SSID来标识一个BSS通过AP接入到主干分配系统（DietributionSystem，DS)(主从结构)扩展服务集（ESS）：由两个或更多的基本服务集组成,74,802.11的基本服务集和扩展服务集,75,5.无线局域网的构成,主要设备：无线网卡、无线访问接入点（AP）、无线集线器和无线网桥，几乎所有无线产品都自带无线发射/接收功能，且通常是一机多用。主要网络结构：无中心网络和有中心网络。,1）无中心网络无中心网络(无AP网络)也称对等网络或Ad-hoc网络，它覆盖的服务区称IBSS。对等网络用于一台无线工作站（STA,Station）和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯。该网络形式无法接入有线网络中，只能独立使用。是最简单的无线局域网结构。,76,对等网络中的一个节点必需能同时看到网络中的其他节点，否则就认为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4至8个用户，并且他们离得足够近,无中心网络拓扑结构图,77,2）有中心网络有中心网络也称结构化网络。它由无线AP、无线工作站（STA）以及DSS构成，覆盖的区域分BSS和ESS。无线AP也称无线Hub，用于在无线STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线AP通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米,有中心网络拓扑结构图,78,BSS由一个无线访问点以及与其关联的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。无线工作站与无线访问点关联采用AP的BSSID，在802.11中，BSSID是AP的MAC地址,79,6.无线局域网的操作,WLAN网络的操作分为两个主要过程：站加入一个BSS；站从一个BSS移动到另一个，实现漫游。,工作站开机运行，进入睡眠模式或进入BSS区；站点需要获得同步信号，该信号一般来自AP接入点，站点通过主动和被动扫频来获得同步。主动扫频指站启动或关联成功后扫描所有频道；一次扫描中，站采用一组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有ESSID的探测信号，AP根据该信号做响应。,1）加入一个BSS,80,被动扫频是指AP每100毫秒向外传送灯塔信号，包括用于STA同步的时间戳，支持速率以及其它信息，STA接收到灯塔信号后启动关联过程。为防止非法用户接入，在站点定位了接入点，并取得同步信息之后，就开始交换验证信息。验证业务提供了控制局域网接入的能力。站点经过验证后，就开始关联（Associate）。关联用于建立无线访问点和无线工作站之间的映射关系，即把无线变成有线网的连线。分布式系统将该映射关系分发给ESS区中的所有AP，一个STA同时只能与一个AP关联。在关联过程中，站与AP间要根据信号的强弱协商速率。,81,站从一个小区移动到另一个小区需要重关联(Reassociate)。重关联总是由STA发起。站点从一个小区切换到另一个小区称为漫游（Roaming）。漫游时AP对于用户提供透明的无缝连接(基本漫游和扩展漫游)。基本漫游是指STA的移动仅局限在一个扩展服务区内部；扩展漫游指SAT从一个扩展服务区中的一个BSS移动到另一个扩展服务区的一个BSS，但802.11并不保证这种漫游的上层服务还能保持。,2）无线站点的漫游,82,7.无线接入举例,常用无线AP的设置界面,83,其中“无线功能”可决定其AP的功能是否启用。“SSID号”也缩写为ESSID，是AP的标识字符，有时也翻译成“服务集标识符或服务