chapter4-The Medium Access Control sublayer

1、1The Medium Access ControlSublayerChapter 42引言两类网络点到点广播广播网络中如何得到信道使用权MAC（Medium Access Control） 用于获得介质的访问（存取）权，属于数链层的子层3The Channel Allocation ProblemStatic Channel Allocation in LANs and MANsFDM、TDM信道利用率问题Dynamic Channel Allocation in LANs and MANs竞争，如以太网非竞争，如令牌环网4The Channel Allocation Problema)St

2、ation Model.站是独立的、以恒定速率产生帧（站被阻塞时，不产生新的帧）b)Single Channel Assumption.所有站点共享一个信道，且所有信息均在此信道上传输c)Collision Assumption.同一时刻信道出现了两帧，则产生冲突d)(a) Continuous Time: 任何时刻皆可发送帧 (b) Slotted Time: 帧只能在时槽开始处发送e)(a) Carrier Sense.(b) No Carrier Sense.5Multiple Access ProtocolsALOHACarrier Sense Multiple Access Prot

3、ocolsCSMA with Collision DetectionCSMA with Collision AvoidanceCollision-Free ProtocolsLimited-Contention Protocols6ALOHAIntroductionALOHA系统由夏威夷大学的ALOHANET课题组于20世纪70年代初期研制成功。ALOHANET使分散在4个岛上7个校园里的计算机（远程工作站）可以利用无线传输方式与位于瓦胡岛的中心计算机通信，并通过中心计算机实现相互通信，避免了铺设价格昂贵的海底通信电缆。ALOHA系统首次将网络技术和无线通信技术结合起来，最初在无线信道上实现，

4、并逐渐在总线式共享信道的有线网络中得到应用。711111112112223成功冲突Pure ALOHA站有帧要发送，则立即发送帧的整个发送过程中无其它帧发送，成功如有，失败随机后退一段时间重发，直到成功8Pure ALOHA 假设ALOHA为一个定长帧，数据传输速率固定且有无限多个用户数量。在稳定的情况下，网络吞吐量S(在发送时间T0内数据帧成功发送的平均数)与网络负载G(亦称总通信量)之间的关系为:纯纯ALOHA性能分析性能分析2GSGe 当G为轻负载时，SG；在G为重负载下，由于冲突增多，致使S16发出Jam延迟随机时间向上层报告错误YYN17CSMA/CD对于CSMA/CD其一定处于传送

5、、空闲和冲突三种周期之一信道利用率与负荷成反比协议简单，价格低廉，容易实现和掌握因此应用广泛空闲冲突18CSMA/CA（Collision Avoidance） 由于无线网卡不易检测到信道是否存在冲突，无法采用总线型有线局域网MAC层采用的CSMA/CD机制，无线局域网的MAC层采用了CSMA/CA机制(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) ，即载波侦听多路访问/冲突避免。 载波侦听冲突避免载波侦听冲突避免(CSMA/CA)(CSMA/CA)19CSMA/CA（Collision Avoid） (1) 当某站点希望在WL

6、AN中传送数据时，首先监听网络中是否有其他站点正在发送数据； (2) 如果没有探测到WLAN中有其他站点正在发送数据，则在随机选择一个时间延迟后继续探测(即冲突避免，使信号冲突发生的概率减到最小)。 (3) 随机延迟一段时间后，如果仍然没有探测到WLAN中有其他站点正在发送数据，则将数据发送出去； (4) 接收端站点收到完整的数据后，则返回一个ACK帧； (5) 如果发送端收到ACK帧，则数据发送过程完成。 (6) 如果发送端收到ACK帧，则等待一个时间后继续重传。CSMA/CA基本工作原理基本工作原理20Collision-Free Protocols位图协议（预约协议）如有N个站，则置N个

7、竞争（预约）时槽站在预约时槽中表明发送与否（1）二进制倒计数协议（略）21Limited-Contention Protocols*在竞争信道时，站点数量越少，发送成功的概率越高。只要减少参与信道竞争的站点数量，则某个站点获得信道的概率就会增加。有限制的竞争协议通过将站点进行分组，减少某一时刻（或时隙）参与信道竞争的站点数量，以提高信息发送的成功率，从而提高信道利用率。22Adaptive Tree Walk ProtocolThe tree for eight stations.23EthernetEthernet CablingManchester EncodingThe Ethernet

8、 MAC Sublayer ProtocolThe Binary Exponential Backoff AlgorithmEthernet PerformanceSwitched EthernetFast EthernetGigabit EthernetIEEE 802.2: Logical Link ControlRetrospective on Ethernet24Introductiona)802.1: High level interface，体系结构、网络互连及管理综述，是各标准的基础b)802.2: Logic link control，LLC规范c)802.3: CSMA/CD

9、，以太网规范（DIX）d)802.4: Token bus，令牌总线规范（GM）e)802.5: Token ring，令牌环规范（IBM）f)802.11: Wireless LAN，无线局域网规范g)802.15: 蓝牙技术规范h)802.16:Wireless LAN，无线城域网规范IEEE802 Standards25Introduction由DIX（DEC、Intel、Xerox）提出由最初的10Mbps到目前10/100Gbps其简单性、兼容性、易维护性、价格低等特点保证了其生命力类型10BASE510BASE210BASE-T10BOARD3610BASE-F传输速率10Mbps

10、传输媒质粗同轴(50欧)细同轴(50欧)UTPCATV(75欧)光纤拓扑物理逻辑总线型星型/树型总线型点到点总线型传输方式基带基带基带宽带基带线路码曼彻斯特曼彻斯特曼彻斯特射频调制曼彻斯特最大段长度500 m185 m100 m3600 m500m/2km数据帧长度641518字节连接器NBNCRJ45STST26Ethernet Cabling2710BASE510表示网络的数据传输速率为10MbpsBASE指基带传输 5指网段最大长度(x100m) AUI 站点 站点 站点 终端匹配器 50m 段长500m MAU NIC 2.5m 倍数 DB15 28Connecter and Cabl

11、e 2910BASE5a)采用总线型拓扑，所有站点连接在同一同轴线缆上。b)站点不是直接连接到公共传输媒质，而是通过一条DB15电缆与同轴电上MAU设备相连，后者通过穿刺的方法将信号线与同轴电缆的芯线搭接。 c)所有站点都必须支持CSMA/CD算法，共同参与对共享传输媒质的访问控制。 介质访问特点介质访问特点3010BASE22指网段长度(x100m), 185m的近似.最多5段4个中继 NIC 站点 终端匹配器 0.5m 倍数 段长185m BNC 站点 站点 31Connecter and Cable 3210BASE2a)总线型拓扑，CSMA/CDb)站点通过BNC连接器直接与共享传输连

12、接，不需附加MAU设备和AUI连接线缆c)BNC附接在站点的NIC上，如果某一站点的BNC出现故障，全网可能立即发生瘫痪。介质访问特点介质访问特点3310BASE-Ta)T: Twist (Pair) NIC UTP 电缆 A/C-D,因部分空间重叠, 导致不可用.ACBD111The 802.11 MAC Sublayer Protocol3. RTS/CTS3. RTS/CTSa)在参数配置中，设置传送数据上限字节数，一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动RTS/CTS握手机制；b)A向C发送数据帧之前，向C发送一个RTS帧，表明A要向站点C。c)C收到RTS后，向所有站点发出CTS帧(其

13、中包括站点A的MAC地址和网络分配矢量NAV)，表明已准备就绪，站点A可以发送数据。ABCRTSCTS112The 802.11 MAC Sublayer Protocol3. RTS/CTS3. RTS/CTSa)其余站点收到CTS，则在NAV时间段内暂时“按兵不动”；b) 站点A向站点C发送数据，站点C接收完数据后，即向站点A回送ACK确认帧；c)所有站点又重新平等地侦听、竞争信道。d)若A和B同时向C发送RTS帧，会产生冲突，这时A/B延后随机时长重试。ABCRTSCTS113The 802.11 MAC Sublayer Protocol4.4.虚拟载波监听技术虚拟载波监听技术 由于W

14、LAN的信道工作在半双工方式和信号在空间传播的复杂性，无线网络相对于有线网络更易发生冲突，这个问题在物理层难以解决。IEEE802.11在MAC层通过虚拟载波监听技术解决了这个问题:a)每个站点维护一个网络分配矢量NAV(network Allocation Vector)，用NAV来指示网络的忙闲状态；b)每个发送站点在发送RTS帧、CTS帧或数据帧时，估计网络忙的时间，即NAV，并把这一时间信息装入帧头；c)其他站点接收到此帧后，如发现本地NAV小于此时间则利用此时间更新本地NAV。 各个站点通过这种虚拟载波监听技术和物理层的载波监听技术来判断网络的忙闲。 114The 802.11 MA

15、C Sublayer Protocol5. 分布式协调功能分布式协调功能DCF a)DCF是用于支持异步数据传输的介质访问控制机制。b)DCF综合运用CSMA/CA、RTS/CTS和NAV机制,以“尽力而为”的方式在WLAN中完成数据传输工作。c)DCF是WLAN站必须支持的MAC功能。 115The 802.11 MAC Sublayer Protocol5. 分布式协调功能分布式协调功能DCF WLAN的MAC帧之间的间称做IFS(Inter-Frame Space) ，它是传输信道强制的空闲时段。DCF方式中的IFS有两种: SIFS(short IFS)、DIFS(DCF-IFS)SI

16、FSRTSDataCTSACKNAV(Data)DIFSDIFSSIFSSIFS延期访问时长启动回退其它站目标站源站 CWNAV(RTS)NAV(CTS)116The 802.11 MAC Sublayer Protocol5. 分布式协调功能分布式协调功能DCF DCF工作过程：a)当站点有新的数据需要发送时，它首先监测信道；b)如果信道持续空闲达到DIFS时间，则发送数据包；否则，站点继续监测信道；c)在忙时监测期间，当信道空闲的总时间等于DIFS时，站点在发送数据包之前根据冲突退避算法随机延迟一段时间后，信道仍然空闲则立即发送数据；117The 802.11 MAC Sublayer P

17、rotocol5. 分布式协调功能分布式协调功能DCF DCF工作过程（续）：a)接收端正确接收完数据后必须在 SIFS时间后，发送ACK确认帧。b)当几个站点在同一个时刻接入媒体，将发生冲突。此时，发生冲突的每个站点必须做相应的退避处理。c)为避免某站点长时间占用信道，站点在两次连续的数据包发送之间必须进行随机延迟。118The 802.11 MAC Sublayer Protocol6. 集中式协调功能集中式协调功能PCF a)为支持实时数据服务，802.11定义了集中协调功能机制，它具有有限的QOS支持能力，主要用于有中心的WLAN中。b)PCF采用集中控制算法，由AP为各个站点分配媒体

18、访问权。AP使用PIFS的帧间间隔时间，而PIFSDIFS，所以它比DCF具有更大的媒体访问优先级。119The 802.11 MAC Sublayer Protocol6. 集中式协调功能集中式协调功能PCF a)在PCF下，时间总是被分成重复的时间段，这个重复的时间段被称为“超帧”。超帧包含两部分，一部分是无竞争时间段(CFP)，一部分是竞争时间段(CP)。b)在PCF模式下，CFP和CP轮流出现，CFP使用PCF功能，CP使用DCF功能。每一个超帧以AP发出信标帧来作为开始标志，信标帧主要负责同步BSS中的站点和向BSS中的站点提供协议相关的参数信息。120The 802.11 MAC

19、Sublayer Protocol6. 集中式协调功能集中式协调功能PCF 一个典型的CFP期间的PCF操作：1. AP通过CF-POLL帧轮询各个站点，使站点获得媒体访问权。CF - POLL帧可以由AP发往站点的数据帧捎带。2. 对每个CF - POLL帧，AP都等待相应的ACK帧，若在SIFS时间内末收到ACK帧， AP将轮询下一个站点，直到CFP结束。3. CFP结束时，AP通过发出CFEND帧来通知各个站点。121The 802.11 MAC Sublayer Protocol6. 集中式协调功能集中式协调功能PCF 1. 不可预知的信标帧延迟不可预知的信标帧延迟 信标帧的发送是通过PIFS竞争媒体的，此时必须保证媒体处于空闲状态才能准时发送，否则就会导致紧随其后的CFP中的实时业务的延迟。2. 轮询站点发送数据的持续时间不可控制轮询站点发送数据的持续时间不可控制 当AP轮询一个站点时，站点可以发送任意帧长的数据(最大2304字节)，这样数据发送时间将是任意的不受AP控制的，这严重妨碍了AP为