第三章 卷积码

1、Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 1 / 211如 果输入序列为 111 ，初始状态是全零，则在输入第一、第二和第三位后从左到右的内部状 态变化成 100000、 110000 和 111000。对应的输出位分别是 11 、 10 和 01 。Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 2 / 211Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 3 / 211v局域网概述局域网概述v信道共享问题信道共享问题v多路访问协议多路访问协议v以太

2、网以太网v虚拟局域网虚拟局域网v无线局域网无线局域网Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 4 / 211v点对点通信：每一个通信信道只连接两台点对点通信：每一个通信信道只连接两台计算机并只被这两台计算机占用。计算机并只被这两台计算机占用。 v点对点通信或网状网络的特点：点对点通信或网状网络的特点：双方可以通过协商改变链路参数等细节双方可以通过协商改变链路参数等细节 安全性和私有性能够得到保证安全性和私有性能够得到保证 连接的总数量比计算机的总数量增长的快，连接数量连接的总数量比计算机的总数量增长的快，连接数量 = (N2-N)/2= (N

3、2-N)/2。 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 5 / 211v共享信道通信：依赖于共享网络的局域共享信道通信：依赖于共享网络的局域网技术。网技术。v共享通信信道的特点：共享通信信道的特点：大大降低了组网费用大大降低了组网费用 适用于局域网而非长距离传输适用于局域网而非长距离传输 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 6 / 211v局域网流行的原因局域网流行的原因局域网技术比较便宜并且容易得到局域网技术比较便宜并且容易得到 访问的局部性：计算机与附近计算机通信可访问的局部性：

4、计算机与附近计算机通信可能性比较大；计算机很有可能与同一台计算能性比较大；计算机很有可能与同一台计算机反复通信。机反复通信。v局域网的分类局域网的分类共享媒体局域网共享媒体局域网 交换局域网交换局域网 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 7 / 211v局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 8 / 211Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 9 / 211v局域网概述局域网概述v信道共享问题信道

5、共享问题v多路访问协议多路访问协议v以太网以太网v虚拟局域网虚拟局域网v无线局域网无线局域网Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 10 / 211v 信道的静态分配信道的静态分配v 信道的动态分配信道的动态分配局域网的关键是解决信道共享问题局域网的关键是解决信道共享问题Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 11 / 211v通常采用多路复用技术通常采用多路复用技术v将一条物理媒体划分成多个信道，固定将一条物理媒体划分成多个信道，固定分配给每一对通信的双方分配给每一对通信的双方v通常用

6、于点对点通信，不适合局域网通常用于点对点通信，不适合局域网Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 12 / 211v 信道的静态分配信道的静态分配v 信道的动态分配信道的动态分配Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 13 / 211v将整个物理媒体看成一条信道，所有连将整个物理媒体看成一条信道，所有连在媒体上的站点之间都是通过这条信道在媒体上的站点之间都是通过这条信道传输。传输。v主要问题：信道争抢主要问题：信道争抢Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3

7、-10第4章 MAC层 14 / 211v受控接入协议受控接入协议v随机接入协议随机接入协议Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 15 / 211v轮询：由中心控制器循环扫描每个站点，给每轮询：由中心控制器循环扫描每个站点，给每个站点一次发送的机会个站点一次发送的机会v预约：每一轮分组的发送都是事先安排好的预约：每一轮分组的发送都是事先安排好的v令牌传递：把计算机连成一个环，环中有一个令牌传递：把计算机连成一个环，环中有一个特殊的称为令牌的报文在传递。拿到令牌的站特殊的称为令牌的报文在传递。拿到令牌的站点可以把令牌扣下，并发送报文点可以把

8、令牌扣下，并发送报文v缺点：需要一个特殊的设备来协调这些过程缺点：需要一个特殊的设备来协调这些过程Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 16 / 211v受控接入协议受控接入协议v随机接入协议随机接入协议Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 17 / 211v不需要特殊的协调设备不需要特殊的协调设备v计算机要发送时，会采用随机选择方式，计算机要发送时，会采用随机选择方式，防止和其他计算机发生冲突防止和其他计算机发生冲突v常用的随机接入协议常用的随机接入协议ALOHACSMA/CDCS

9、MA/CAComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 18 / 211的五个假设的五个假设v单信道假设单信道假设（Single Channel Assumption）v站模型站模型（Station Model） v冲突假设冲突假设（Collision Assumption） v时间假设：时间假设：时间连续（时间连续（Continuous Time） 时间分时隙（时间分时隙（Slotted Time） v侦听假设：侦听假设： 载波侦听（载波侦听（Carrier Sense） 非载波侦听（非载波侦听（no Carrier Sense） Comput

10、er Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 19 / 211v所有通信，包括发送和接收，都通过单所有通信，包括发送和接收，都通过单信道进行信道进行v所有的站都在该信道上发送或接收信息所有的站都在该信道上发送或接收信息v所有站都是平等的，各站没有主从之分所有站都是平等的，各站没有主从之分信道是共享的，任何时刻只允许一个站点可以发送，并且任信道是共享的，任何时刻只允许一个站点可以发送，并且任何站点都必须通过竞争才能取得发送权（如有主从之分，则何站点都必须通过竞争才能取得发送权（如有主从之分，则存在单点故障）存在单点故障）Computer Networks v4

11、 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 20 / 211v单信道假设单信道假设（Single Channel Assumption）v站模型站模型（Station Model） v冲突假设冲突假设（Collision Assumption） v时间假设：时间假设：时间连续（时间连续（Continuous Time） 时间分时隙（时间分时隙（Slotted Time） v侦听假设侦听假设 载波侦听（载波侦听（Carrier Sense） 非载波侦听（非载波侦听（no Carrier Sense） 有关动态分配的五个假设：有关动态分配的五个假设：Computer Networks v

12、4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 21 / 211v由由N个独立的站（计算机、电话、个人通信个独立的站（计算机、电话、个人通信设备）组成设备）组成v每个站都可产生待发送的帧每个站都可产生待发送的帧v在时间在时间 t内，生成一帧的概率为内，生成一帧的概率为t，其中，其中 是常量（新帧到达速率）是常量（新帧到达速率）v一旦生成一帧，就等待发送，直到成功发送一旦生成一帧，就等待发送，直到成功发送各站都是相互独立地、都以固定速率产生数据帧，某站各站都是相互独立地、都以固定速率产生数据帧，某站一旦产生新帧，即被阻塞，亦即不会再有新的帧产生，一旦产生新帧，即被阻塞，亦即不会再有新的帧

13、产生，每个站只有一个用户每个站只有一个用户Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 22 / 211v单信道假设单信道假设（Single Channel Assumption）v站模型站模型（Station Model） v冲突假设冲突假设（Collision Assumption） v时间假设：时间假设：时间连续（时间连续（Continuous Time） 时间分时隙（时间分时隙（Slotted Time） v侦听假设侦听假设 载波侦听（载波侦听（Carrier Sense） 非载波侦听（非载波侦听（no Carrier Sense） 有关

14、动态分配的五个假设：有关动态分配的五个假设：Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 23 / 211v如两帧同时发送，则发生冲突如两帧同时发送，则发生冲突v所有的站点都能检测到冲突所有的站点都能检测到冲突v冲突的帧必须重发，除了冲突引起的差冲突的帧必须重发，除了冲突引起的差错外，没有其它差错错外，没有其它差错由于每个站点都必须通过竞争才能取得发送权，所由于每个站点都必须通过竞争才能取得发送权，所以冲突是不可避免的，但在某些共享信道中采用特以冲突是不可避免的，但在某些共享信道中采用特殊的机制来消除冲突（令牌网）殊的机制来消除冲突（令牌网）Co

15、mputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 24 / 211v单信道假设单信道假设（Single Channel Assumption）v站模型站模型（Station Model） v冲突假设冲突假设（Collision Assumption） v时间假设：时间假设：时间连续（时间连续（Continuous Time） 时间分时隙（时间分时隙（Slotted Time） v侦听假设侦听假设 载波侦听（载波侦听（Carrier Sense） 非载波侦听（非载波侦听（no Carrier Sense） 有关动态分配的五个假设：有关动态分配的五个假设：C

16、omputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 25 / 211v时间连续（时间连续（Continuous Time） 帧的发送可在任意时刻帧的发送可在任意时刻v时间分时隙（时间分时隙（Slotted Time） 时间被分为时隙，帧只能在时隙的开始处发时间被分为时隙，帧只能在时隙的开始处发送，一个时隙中可发送送，一个时隙中可发送0、1或多帧，在一个或多帧，在一个时隙的开始处，如果只有一个站点发送则成时隙的开始处，如果只有一个站点发送则成功，如有多个站点发送则将发生冲突功，如有多个站点发送则将发生冲突Computer Networks v4 cs.sj

17、tu 2022-3-10第4章 MAC层 26 / 211v单信道假设单信道假设（Single Channel Assumption）v站模型站模型（Station Model） v冲突假设冲突假设（Collision Assumption） v时间假设：时间假设：时间连续（时间连续（Continuous Time） 时间分时隙（时间分时隙（Slotted Time） v侦听假设侦听假设 载波侦听（载波侦听（Carrier Sense） 非载波侦听（非载波侦听（no Carrier Sense） 有关动态分配的五个假设：有关动态分配的五个假设：Computer Networks v4 cs.s

18、jtu 2022-3-10第4章 MAC层 27 / 211v载波侦听（载波侦听（Carrier Sense） 所有的站在使用信道前，都可检测到当前所有的站在使用信道前，都可检测到当前信道是否正被使用，如信道正忙，则等待信道是否正被使用，如信道正忙，则等待v非载波侦听（非载波侦听（no Carrier Sense） 所有的站在使用信道前，都不检测当前信所有的站在使用信道前，都不检测当前信道是否正被使用，只是盲目发送道是否正被使用，只是盲目发送在局域网中，常采用载波侦听在局域网中，常采用载波侦听Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 28 /

19、 211v局域网概述局域网概述v信道共享问题信道共享问题v多路访问协议多路访问协议v以太网以太网v虚拟局域网虚拟局域网v无线局域网无线局域网Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 29 / 211v纯纯ALOHAv分隙分隙ALOHAv载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 30 / 211v任何一个站都可以在帧生成后立即发送任何一个站都可以在帧生成后立即发送（可能冲突）（可能冲突） v通过信号的反馈，检测信道，以确定发送通过信号的反馈，检测信道，以

20、确定发送是否成功是否成功v如发送失败，则经随机延时后再发送如发送失败，则经随机延时后再发送 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 31 / 211v在纯在纯ALOHA中，站点一旦产生新帧则立即发送，如果中，站点一旦产生新帧则立即发送，如果一个标准长度的帧的发送时间为一个标准长度的帧的发送时间为t，在，在t0+t时刻允许生成时刻允许生成一个新帧，除此新帧之外，在一个新帧，除此新帧之外，在t0 t0+2t 时间内不能有其时间内不能有其它帧产生，否则冲突，即冲突危险区为它帧产生，否则冲突，即冲突危险区为2t冲突危险区 t0 t0+t t0+2t

21、 t0+3t时间Tnbm P253 Fig. 4-2 阴影帧的冲突危险区阴影帧的冲突危险区Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 32 / 211v当网络比较闲时，效率较好当网络比较闲时，效率较好v当网络较忙时，会频繁发生冲突。这种当网络较忙时，会频繁发生冲突。这种冲突时的信道的利用率只能达到冲突时的信道的利用率只能达到18%Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 33 / 211v纯纯ALOHAv分隙分隙ALOHAv载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议Computer Networ

22、ks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 34 / 211v在一个时隙内只产生一个新在一个时隙内只产生一个新帧，新帧不允许立即发送，帧，新帧不允许立即发送，将在下一个时隙的开始处将在下一个时隙的开始处 t0+t 时发送，不会发生冲突时发送，不会发生冲突v在一个时隙内产生一个以上在一个时隙内产生一个以上新帧，下一个时隙的开始处新帧，下一个时隙的开始处 t0+t 时，一个以上的帧同时时，一个以上的帧同时发送，将发生冲突，即冲突发送，将发生冲突，即冲突危险区为危险区为t时间 t0 t0+t t0+2tt0+t冲突危险区 t0 t0+t t0+2tt0+ tt0+ tComput

23、er Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 35 / 211v分隙分隙ALOHA的时间以时隙的时间以时隙(Time Slot)为单位为单位v时隙的长度对应一帧的传输时间，其起点由专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门的信号来标志 v新帧的产生是随机的，但分隙新帧的产生是随机的，但分隙ALOHA不允许不允许随机发送，凡帧的发送必须在时隙的起点，即随机发送，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危险区是原来的一半v信道利用率可达信道利用率可达36%Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10

24、第4章 MAC层 36 / 211v纯纯ALOHAv分隙分隙ALOHAv载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 37 / 211v持续和非持续持续和非持续CSMAv冲突检测冲突检测在发送数据前先侦听信道，只有当信道为空时才在发送数据前先侦听信道，只有当信道为空时才可能发送可能发送Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 38 / 211v1 持续持续CSMAv非持续非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） vp 持续持续CSMA（p-p

25、ersistent CSMA）Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 39 / 211v每个站在发送前，先侦听信道，如信每个站在发送前，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，重如冲突，则延时一随机时隙数后，重新发送新发送 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 40 / 211v1 持续持续CSMAv非持续非持续CSMA（Nonpersistent

26、CSMA） vp 持续持续CSMA（p-persistent CSMA）Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 41 / 211v每个站在发送前，先侦听信道，如每个站在发送前，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，再侦听信道延时一随机时隙数后，再侦听信道 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 42 / 211v1 持续持续CSMAv非持续非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） vp 持续持续CSMA（p-persi

27、stent CSMA）Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 43 / 211v用于分隙信道用于分隙信道v先侦听信道，如信道正忙，则等到下先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率一时隙；如信道空闲，则以概率p发发送，而以概率送，而以概率q=(1-p)把本次发送延至把本次发送延至下一时隙，直至发送成功下一时隙，直至发送成功 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 44 / 211v持续和非持续持续和非持续CSMAv冲突检测冲突检测在发送数据前先侦听信道，只有当信道为空时

28、才在发送数据前先侦听信道，只有当信道为空时才可能发送可能发送Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 45 / 211vCSMA并不能完全解决冲突问题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空闲而同时发送将发生冲突冲突冲突A1 kmB = 5 stComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 46 / 211vCSMA/CDCarrier Sense Multiple Access / Collision Detect

29、ion带冲突检测的载波侦听多路访问带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD的概念模型：的概念模型：Tnbm P258 Fig. 4 5 CSMA/CD有三种状态：竞争、传输或空闲有三种状态：竞争、传输或空闲帧帧帧帧帧帧t0传输周期传输周期竞争周期竞争周期空闲周期空闲周期时间时间帧帧竞争时隙竞争时隙一旦冲突，则放一旦冲突，则放弃并随机延时弃并随机延时Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 47 / 211v在一帧传输完成后的时刻在一帧传输完成后的时刻t0，想要发送的，想要发送的站点都可以尝试发送站点都可以尝试发送 v如两个或多个站点同时发

30、送则发生冲突如两个或多个站点同时发送则发生冲突 v判断出冲突后，立即停止发送，并延时判断出冲突后，立即停止发送，并延时一个随机时隙数后，通常其中的一个站一个随机时隙数后，通常其中的一个站点将发送成功点将发送成功 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 48 / 211v信号电平法信号电平法基于基带传输，两个帧信号叠加后，电压大一倍基于基带传输，两个帧信号叠加后，电压大一倍v过零点检测法过零点检测法用曼切斯特编码时，零点在每比特的正中央，当用曼切斯特编码时，零点在每比特的正中央，当有干扰时，则可能偏移有干扰时，则可能偏移v自收自发检测法自收自

31、发检测法在发送数据的同时也在接收，并逐个比特比较在发送数据的同时也在接收，并逐个比特比较Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 49 / 211如一个站点发送并经如一个站点发送并经2 后，没有冲突，即发送成功后，没有冲突，即发送成功典型地，一公里长的同轴电缆，典型地，一公里长的同轴电缆， 5 s 2 10 s 发生冲突发生冲突AB tB发送数据发送数据信信道道占占用用时时间间冲突加强信号冲突加强信号 TBTJA检测检测到冲突到冲突B检测检测到冲突到冲突Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC

32、层 50 / 211v局域网概述局域网概述v信道共享问题信道共享问题v多路访问协议多路访问协议v以太网以太网v虚拟局域网虚拟局域网v无线局域网无线局域网Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 51 / 211v以太网概述以太网概述v经典的以太网经典的以太网v以太网的扩展以太网的扩展v快速以太网快速以太网v千兆以太网千兆以太网vLLCComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 52 / 211v以太网包括了以太网包括了OSI七层协议中的下两层，七层协议中的下两层，即物理层和数据链路层即物理层和

33、数据链路层v物理层规定了以太网的连接线路、接口物理层规定了以太网的连接线路、接口v数据链路层规定了介质共享方法及点对数据链路层规定了介质共享方法及点对点的可靠传输点的可靠传输Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 53 / 211v802.3以太网：总线型以太网：总线型 10Mv快速以太网：快速以太网：100Mv千兆以太网：千兆以太网：1GComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 54 / 211v以太网概述以太网概述v经典的以太网经典的以太网v以太网的扩展以太网的扩展v快速以太网快速以太

34、网v千兆以太网千兆以太网vLLCComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 55 / 211v以太网的物理层以太网的物理层v以太网以太网MAC子层协议子层协议v冲突后的避让算法冲突后的避让算法v以太网的性能以太网的性能Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 56 / 211v传输电缆分以下四种传输电缆分以下四种 名称名称电缆电缆最大区间最大区间长度长度节点数节点数/段段优点优点接口接口10Base5粗缆粗缆500m100用于主干用于主干AUI10Base2细缆细缆185m30廉价廉价BNC1

35、0Base-T双绞线双绞线100m1024易于维护易于维护RJ-4510Base-F光纤光纤2km1024用于楼间用于楼间STComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 57 / 211终止器终止器终止器终止器粗缆粗缆收发器收发器AUIAUI电缆电缆Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 58 / 211终止器终止器细缆细缆BNCBNC连接器连接器容易出故障容易出故障Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 59 / 211v其物理接口为其

36、物理接口为RJ-45 v连线采用连线采用3类（或类（或5类）双绞线，类）双绞线，仅用两对线，且全双工仅用两对线，且全双工 v距离为距离为100 m Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 60 / 211HUBRJ-45双绞线双绞线形式上是星形，本质上是总线形式上是星形，本质上是总线Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 61 / 211v以太网的物理层以太网的物理层v以太网以太网MAC子层协议子层协议v冲突后的避让算法冲突后的避让算法v以太网的性能以太网的性能Computer Netw

37、orks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 62 / 211v以太网的帧结构以太网的帧结构帧开始字符帧开始字符10101011 类型：表示上层使用的协议类型：表示上层使用的协议如如IP协议为协议为800H，ARP协议为协议为806H712/62/62015000464先导字段先导字段10101010目的地址目的地址 源地址源地址数数 据据填充字符填充字符 校验和校验和Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 63 / 211v先导字段先导字段 v两个地址两个地址 v数据字段长度数据字段长度 v校验和校验和 v填充字段填

38、充字段 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 64 / 211v7个字节的个字节的10101010，实际上下一个字，实际上下一个字符也是先导字段，只是最后的两位为符也是先导字段，只是最后的两位为1，表示紧接着的是真正的表示紧接着的是真正的MAC帧帧 v8个字节的个字节的10101010的曼切斯特编码将的曼切斯特编码将产生产生10MHz，持续，持续6. 4 s的方波，周期的方波，周期为为0.1 s，可用于时钟同步，可用于时钟同步 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 65 / 211v

39、先导字段先导字段 v两个地址两个地址 v数据字段长度数据字段长度 v校验和校验和 v填充字段填充字段 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 66 / 211v目的地址和源地址都允许为目的地址和源地址都允许为2字节或字节或6字节，在字节，在10M bps的基带以太网中是的基带以太网中是6字节字节 v目的地址最高位为目的地址最高位为0：普通地址：普通地址 1：多点发送（：多点发送（Multicast） 目的地址全目的地址全1：广播发送（：广播发送（Broadcast） v在在6个字节（共个字节（共48位）的地址中有位）的地址中有46位用于地位

40、用于地址的指定，即有址的指定，即有2467.03687x1013个地址个地址v网卡地址是一个全局地址网卡地址是一个全局地址 如：如：44-45-53-54-00-00 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 67 / 211v先导字段先导字段 v两个地址两个地址 v数据字段长度数据字段长度 v校验和校验和 v填充字段填充字段 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 68 / 211v指明数据的字节数，数据字段长指明数据的字节数，数据字段长度允许为度允许为0 v4个字节共个字节共32位的位

41、的CRC码码 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 69 / 211v先导字段先导字段 v两个地址两个地址 v数据字段长度数据字段长度 v校验和校验和 v填充字段填充字段 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 70 / 211v为保证帧的最短长度为为保证帧的最短长度为64个字节个字节 即：在数据字段长度为即：在数据字段长度为0时时 两个地址（两个地址（12字节）字节）+ 长度（长度（2个字节）个字节）+ 填充字节填充字节+校验和（校验和（4个字节）个字节）= 64 18字节字节+ 填

42、充字节填充字节 = 64 填充字节填充字节 = 46 所以填充字节为：所以填充字节为：0 46字节字节 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 71 / 211v为了确认发送帧是否正确到达目的站为了确认发送帧是否正确到达目的站点，必须保证可能的冲突信号返回时点，必须保证可能的冲突信号返回时帧的发送尚未结束，如在帧的发送尚未结束，如在2 内没有冲内没有冲突信号返回，则发送成功，如果发送突信号返回，则发送成功，如果发送端在端在2 时间内帧已经发送结束，则即时间内帧已经发送结束，则即使冲突也无法检测，即最短帧长应与使冲突也无法检测，即最短帧长应与

43、2 相当相当 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 72 / 211v在极限条件下，在极限条件下，802.3局域网中发送方和接收方间允许局域网中发送方和接收方间允许接有接有4个中继器，最大距离为个中继器，最大距离为2500 m，往返，往返5000 m，在传输速率为在传输速率为10M bps 条件下，如果在信号传播过程条件下，如果在信号传播过程的尽头发生冲突，往返的时间大约需要的尽头发生冲突，往返的时间大约需要50 s，再考虑，再考虑一些安全余量以及一些安全余量以及 2的整次幂的因素，所以通常取的整次幂的因素，所以通常取51.2 s为争用时

44、隙的时间长度（为争用时隙的时间长度（51.2 s即传输即传输512 bit，即，即64字节所耗费的时间），所以帧的长度至少为字节所耗费的时间），所以帧的长度至少为64个字节个字节Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 73 / 211v以太网的物理层以太网的物理层v以太网以太网MAC子层协议子层协议v冲突后的避让算法冲突后的避让算法v以太网的性能以太网的性能Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 74 / 211 v发送方在检测到冲突后，双方（或多方）都将发送方在检测到冲突后，双方（或多

45、方）都将延时一段时间，所谓一段时间到底是多长延时一段时间，所谓一段时间到底是多长?v检测到冲突后，时间被分成离散的时隙检测到冲突后，时间被分成离散的时隙 v时隙的长度等于信号在介质上往返的传播时间时隙的长度等于信号在介质上往返的传播时间（在以太网中，一个时隙，即（在以太网中，一个时隙，即2 为为51.2 s ） v一般地，经一般地，经i次冲突后，发送站点需等待的时隙次冲突后，发送站点需等待的时隙数将从数将从0 2i - 1中随机选择中随机选择 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 75 / 211在一个时隙的起始处，两个在一个时隙的起始处

46、，两个CSMA/CD站点同时发送一站点同时发送一个帧，求前个帧，求前4次竞争都冲突的概率次竞争都冲突的概率? 第一次竞争冲突的概率为第一次竞争冲突的概率为1； 第一次冲突后，第一次冲突后，A、B都将在等待都将在等待0个或个或1个时隙之间选择，选择的组合有：个时隙之间选择，选择的组合有：00、01、10、11，共，共4种，其中种，其中00和和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突的将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突的概率为概率为0.5 第二次冲突后：第二次冲突后：A、B都将在都将在0、1、2、3之间选择，选择的组合有：之间选择，选择的组合有：00、01、02、03、10、11、12、13、20、

47、21、22、23、30、31、32、33共共16种，其种，其中中00、11、22、33将再次冲突，所以第三次竞争时，冲突的概率为将再次冲突，所以第三次竞争时，冲突的概率为0.25 第三次冲突后：第三次冲突后：A、B都将在都将在0、1、2、3、4、5、6、7之间选择，选择的组合之间选择，选择的组合共有共有64种，其中种，其中00、11、 、77将再次冲突，所以第四次竞争时，冲突的将再次冲突，所以第四次竞争时，冲突的概率为概率为0.125 前四次竞争都冲突的概率为：前四次竞争都冲突的概率为：1 x 0.5 x 0.25 x 0.125 = 0.015625Computer Networks v4

48、cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 76 / 211以上讨论的是发送方怎样避免冲突，或冲突后怎以上讨论的是发送方怎样避免冲突，或冲突后怎样再次竞争以成功发送，一旦发送成功后，如果样再次竞争以成功发送，一旦发送成功后，如果接收方需发确认帧，则必须通过竞争才能得到信接收方需发确认帧，则必须通过竞争才能得到信道的使用权，但是，如把一次成功发送后的第一道的使用权，但是，如把一次成功发送后的第一个时隙留给接收方，则可保证发送方能及时收到个时隙留给接收方，则可保证发送方能及时收到确认，确认，然而标准中并不允许然而标准中并不允许Computer Networks v4 cs.sjtu 202

49、2-3-10第4章 MAC层 77 / 211v以太网的电缆以太网的电缆v以太网以太网MAC子层协议子层协议v冲突后的避让算法冲突后的避让算法v以太网的性能以太网的性能Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 78 / 211对某个站点来说，从站点产生新帧到允许发送的等待对某个站点来说，从站点产生新帧到允许发送的等待时间越短越好；对信道来说，在保证每个站点性能的时间越短越好；对信道来说，在保证每个站点性能的基础上，能支持的站点数越多越好，很显然，这与共基础上，能支持的站点数越多越好，很显然，这与共享网络中的站点数和每个站点在单位时间内发送帧的

50、享网络中的站点数和每个站点在单位时间内发送帧的概率有关，所以，设：概率有关，所以，设：v在稳定重载荷的情况下，有在稳定重载荷的情况下，有k个站点参与信道竞争个站点参与信道竞争 v每个站点在每个时隙中的发送概率为每个站点在每个时隙中的发送概率为p Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 79 / 211平均竞争时间平均竞争时间 = 平均竞争时隙数平均竞争时隙数 x 时隙长度时隙长度(2 ) 那么：某个给定时隙内，站点成功获得信道的概率为：那么：某个给定时隙内，站点成功获得信道的概率为： A = kp(1-p)k 1显然，当显然，当p = 1/

51、k时，时，A将取最大值将取最大值 当当k 时，时，A 1/e竞争时隙数正好是竞争时隙数正好是j个时隙的概率个时隙的概率=A(1-A)j-1平均竞争时隙数平均竞争时隙数= = eAAAjjj1)1 (1011kkkA信道效率信道效率 =每帧发送时间（每帧发送时间（P） 每帧发送时间（每帧发送时间（P）+ 平均竞争时间（平均竞争时间（T） Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 80 / 211由于由于802.3采用的是采用的是CSMA/CD（带冲突检测（带冲突检测的载波侦听多路访问），的载波侦听多路访问）， 是发送站点到最远是发送站点到最远站

52、点的信号传播延时，为保证冲突信号的回站点的信号传播延时，为保证冲突信号的回传时间，所以每个时隙的时间为传时间，所以每个时隙的时间为2 ，平均竞，平均竞争时隙数为争时隙数为e，所以平均竞争时间为，所以平均竞争时间为2 e 信道效率信道效率 =每帧发送时间（每帧发送时间（P） 每帧发送时间（每帧发送时间（P）+ 平均竞争时间（平均竞争时间（T） PP +2 APP+2 e =Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 81 / 211如：帧长为如：帧长为F，网络带宽为，网络带宽为B，电缆长度为，电缆长度为L信号传播速率为信号传播速率为c（典型的为（

53、典型的为5s/km） 每帧传输时间为每帧传输时间为P=F/B 信号的最大传播延迟信号的最大传播延迟 =L/c 在有在有e个竞争时隙的情况下个竞争时隙的情况下cFBLecLeBFBF2112+即最佳的信道效率即最佳的信道效率可见，增加网络带宽或远距离传输，将使信道效率降低可见，增加网络带宽或远距离传输，将使信道效率降低所以，在高带宽或广域网条件下，以太网可能不是最合适的所以，在高带宽或广域网条件下，以太网可能不是最合适的Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 82 / 211v以太网概述以太网概述v经典的以太网经典的以太网v以太网的扩展以太网

54、的扩展v快速以太网快速以太网v千兆以太网千兆以太网vLLCComputer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 83 / 211v在物理层扩展：通过中继器在物理层扩展：通过中继器v在链路层扩展：网桥、交换机在链路层扩展：网桥、交换机Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 84 / 211v网桥网桥v网络互联设备网络互联设备Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 85 / 211v网段：也称为冲突域，是一个网段：也称为冲突域，是一个CSMA/CD的工

55、的工作区域作区域v网桥是一个连接多个网段的设备，每个端口连网桥是一个连接多个网段的设备，每个端口连接一个网段接一个网段v网桥监听每个端口，当收到一个完整的帧时，网桥监听每个端口，当收到一个完整的帧时，再把它发送到另一个网段上再把它发送到另一个网段上v网桥转发所有的多播或广播帧网桥转发所有的多播或广播帧v由网桥连接起来的网还是一个局域网由网桥连接起来的网还是一个局域网Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 86 / 211v各网段可独立工作各网段可独立工作v网桥是智能设备，只有当帧的源地址和目的网桥是智能设备，只有当帧的源地址和目的地址处于不

56、同网段时才转发地址处于不同网段时才转发 v网桥可扩大局域网的范围，不仅是距离，而网桥可扩大局域网的范围，不仅是距离，而且计算机数量也能扩大且计算机数量也能扩大Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 87 / 211v网桥可以连接不同的局域网的网段网桥可以连接不同的局域网的网段v如把数据链路层细分为如把数据链路层细分为LLC子层和子层和MAC子层，则所谓不同的局域网是指在数据子层，则所谓不同的局域网是指在数据链路层的链路层的MAC子层上子层上 Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 88

57、/ 211v网桥的工作原理网桥的工作原理v透明网桥透明网桥v生成树网桥生成树网桥v远程网桥远程网桥Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 89 / 211Tnbm P320 Fig. 4-40 从从802.x 到到802.y 的局域网桥的局域网桥网桥网桥PktPkt802.yPkt802.yPkt802.xPkt802.xPkt802.xPktPktPkt802.xPkt802.x主机主机APkt802.y网络层网络层LLCMAC物理层物理层PktPktPkt802.yPkt802.y主机主机B802.x 局域网局域网802.y 局域网局域

58、网LLC头头Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 90 / 211v不同的不同的LAN可能具有不同的帧格式，互联时必须进行帧格可能具有不同的帧格式，互联时必须进行帧格式的转换，将增加式的转换，将增加CPU的开销的开销v不同的不同的LAN可能具有不同传输速率，互联时必须进行缓存可能具有不同传输速率，互联时必须进行缓存v不同的不同的LAN可能具有不同的帧的最大长度，通常在数据链可能具有不同的帧的最大长度，通常在数据链路层不支持对长帧的分帧功能，其处理方法是简单地丢弃路层不支持对长帧的分帧功能，其处理方法是简单地丢弃v有的有的LAN支持数据链路

59、层的加密功能，有的支持数据链路层的加密功能，有的LAN却不支持却不支持v有的有的LAN支持支持QoS功能，有的功能，有的LAN也不支持也不支持Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 91 / 211v网桥的工作原理网桥的工作原理v透明网桥透明网桥v生成树网桥生成树网桥v远程网桥远程网桥Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 92 / 211v数据的转发数据的转发 所谓透明网桥，是指把网桥与相关的网络在物理所谓透明网桥，是指把网桥与相关的网络在物理上连接后，不需要做任何配置，即可实现网络互

60、上连接后，不需要做任何配置，即可实现网络互联的数据链路层设备联的数据链路层设备 Tnbm P322 Fig. 4-42 4个局域网和个局域网和2个网桥的配置个网桥的配置LAN1ADBCLAN4LAN3LAN21 21 2 3QPOLIFGEJMNHKB1B2Computer Networks v4 cs.sjtu 2022-3-10第4章 MAC层 93 / 211v透明网桥算法透明网桥算法如目的站点所属如目的站点所属LAN和源站点所属和源站点所属LAN相同，相同，则丢弃该帧则丢弃该帧 如目的站点所属如目的站点所属LAN和源站点所属和源站点所属LAN不同，不同，则转发该帧则转发该帧 如目的站点