第四章-介质访问子层课件

1、计算机通信网第四章介质访问控制子层2引言上一章内容是两台计算机间连接和通信问题本章内容是：在局部区域内多台计算机的联网和通信问题局域网如何连接？如何通信可以自己敷设传输导线，自己来连接全双工半双工或网线连接无线连接3引言(续1)连接是一个问题通信方式又是一个问题两个站点同时向对方发送数据，对方能收到吗？两个站点同时向第三方发送数据，第三方能收到吗？答案是收不到或收到的数据是错误的因此，局域网的通信需要站点间建立一种通信规则，才有可能实现通信4引言(续2)第三个问题：能否向指定的站点发送数据？上一章是点对点通信，不存在这个问题其它站点是否收到数据不重要，重要的是指定站点要收到数据，并且知道是谁送

2、给自己的因此，局域网需要在数据中有一种地址机制来标识站点。这就是局域网的协议问题之一5本章知识点1、局域网的连接方式总线形连接、星形连接、环形连接、2、局域网的通信规则及性能分析竞争型通信方式无竞争通信方式有限竞争通信方式3、以太网协议4、其它协议(知识扩展)WiFi、Token-Ring以太网设备HUB、网桥、交换机61、局域网的连接连接方式1：总线形、星形两者是等效的(需要半双工的接口)典型画法7局域网的连接连接方式2：环形利用全双工收发分开进行连接不好，若某个站点关机，环就断开了加入小的单向传输阀好，某个站点关机，环不会断开典型画法8局域网的连接其它连接方式的讨论用多条总线，在一条上发送

3、，其余总线上接收或者反过来，在一条上接收，在其余总线上发送ABCD总线1总线2总线3总线4？9局域网的连接无线信道的情况可以有多个无线信道可用每个站点只有一个发射机和一个接收机讨论两种情况发射机和接收机都在同一个信道上工作(与总线等效)发射机和接收机可工作在不同信道上(与多总线基本等效）10不同连接下的通信基本问题总线形连接单个站点发送数据一旦一个站点发送数据，其信号立即占满整个总线(光速传播)多于一个站点几乎同时发送数据多个信号在总线上叠加，信号产生混乱(冲突现象)timeAB信号冲突t1t2t3t4AB11不同连接下的通信基本问题环形连接通信情况同总线形完全一致timeAB信号冲突t1t2

4、t3t4AB122、局域网的通信规则及性能分析性能分析模型竞争型通信规则想说就说型：ALOHA，slot-ALOHA先听后说型：CSMA(载波侦听)先听后说+边听边说型：CSMA/CD无竞争型通信规则有令牌则说话：Token-Ring主站点名轮询：Polling有限竞争型先听后争，争到再说型：CSMA/CA2.1 性能分析模型局域网有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分析方便，假定：所有数据帧长度相同(L bits)，信道速率为R(bits/s)每个数据帧持续时间为T=L/R信道的帧速率为C=1/T = R/L13123C单位时间=CT123g成功帧数s总帧数g站点通信模型：-N个站点按

5、某种通信规则发送数据帧。-数据帧在信道上可能出现重叠(冲突)-只有未被冲突的帧才能成功传输三个重要分析参数： C：信道帧速率，单位时间内最大成功帧数 g：信道负载，单位时间内所在站点传输总数 s: 有效传输，单位时间内成功传输总数14归一化性能参数S = s/C，信道吞吐率成功帧速率占信道帧速率的比例=sT/CT, 信道利用率单位时间内成功帧所需的传输时间比例0 S 1G = g/C：信道负载率数据帧总传输速率与信道帧速率之比0 G 1时，表明信道已达到满负荷G最大可达N(站点数)，表示每个站点都以信道帧速率发送123C单位时间=CT123g成功帧数s总帧数g归一化：S = s/CG = g/

6、C例1564bytes64bytes64bytes64bytes64bytes64bytesifgifgifgifgifg16信道竞争模型竞争模型N个独立工作的站点，随机地发送数据帧进入信道(帧速率G)成功传输出信道（吞吐率S）冲突的帧（消失在信道上)GSAB一般化模型N个站点的数据帧从A点进入信道，出现冲突的帧消失在信道上，无冲突的帧(成功传输)从B点出信道17信道竞争模型简单分析可知G的大小，影响到出现冲突的概率G很小冲突概率小传输成功率高S也较小G很大冲突概率大传输成功率低S也较小存在最佳的G，使得S到达最大竞争规则的目标：S最大化最佳的G是多少，跟通信规则有关G小G适中G过大G(负载率

7、)S(吞吐率)理想情况1118信道竞争模型性能分析中使用的帧速率的概率分布：在任意的一个时间段T(帧长度)内，生成k个帧的概率服从泊松分布其中G为平均帧速率典型值： T内生成0帧的概率为 pT(0)=e-G T内生成1帧的概率为 pT(1)=Ge-G 2T内生成0帧的概率为 p2T(0)=e-2GG*C=10条件下，时间T内出现k个帧的概率分布图k19信道竞争模型背景知识：泊松(Poisson)分布无穷多个独立工作站点随机生成(发送)帧的概率分布设有一小的时间间隔dt，若在dt内生成一帧的概率为dt(dt1),且独立于其它时间间隔当dt足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计在各不重叠的时间间隔

8、，生成的帧数是独立的随机变量概率结构与时间位置无关则可推出在t时间内生成n个帧的概率为且有：均值为方差为为帧的平均生成速率(研究表明：当站点数超过20个时,其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）2.2 ALOHA竞争方式“想说就说”型竞争信道方式20N个站点，帧到达立即发送站点帧到达概率服从泊松分布，均值为G/NN个站点帧到达概率也是泊松分布，均值为G信道上所有帧传输，在时间上有重叠(冲突)出现G越大帧越多冲突越严重信道吞吐率SGN设：成功传输概率P0 则：信道吞吐率S=G*P0如何计算P070年代，夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来，Norman Abramson等人设计

9、了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（or pure ALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代ALOHA性能分析信道传输成功概率P0以下几种分析“似乎”都合理那个是正确的？研究和仿真证明2T的b是正确的Ta.在时段T内只有1帧发送的概率b.有一帧发送的T内有0个帧的概率2Ta. 在时段2T内只有1帧发送的概率b. 有一帧发送时2T内有0个帧发送的概率3Ta. 在时段3T内只有1帧发送的概率b. 有一帧发送时3T内有0个帧发送的概率P0 = p2T(0) = e-2G （1）于是有：S = G*P0 = G*e-2G（2）ALOHA性能OPNET仿真22OPNET仿真场

10、景节点模型发送状态机设定速率设定帧长设定帧产生时间间隔仿真结果帧统计G站点数/* Outgoing packet */ Packet *out_pkt; /* A packet has arrived for transmission. Acquire */ /* the packet from the input stream, send the packet */ /* and update the global submitted packet counter. */ out_pkt = op_pk_get (IN_STRM); op_pk_send (out_pkt, OUT_STRM

11、); +subm_pkts; /* Compare the total number of packets submitted with */ /* the maximum set for this simulation run. If equal */ /* end the simulation run. */ if (subm_pkts = max_packet_count) op_sim_end (max packet count reached., , , ); 代码GS23/* Outgoing packet */ Packet *out_pkt; /* A packet has a

12、rrived for transmission. Acquire */ /* the packet from the input stream, send the packet */ /* and update the global submitted packet counter. */ out_pkt = op_pk_get (IN_STRM); op_pk_send (out_pkt, OUT_STRM); +subm_pkts; /* Compare the total number of packets submitted with */ /* the maximum set for

13、 this simulation run. If equal */ /* end the simulation run. */ if (subm_pkts = max_packet_count) op_sim_end (max packet count reached., , , ); 24Pure ALOHA 性能曲线性能描述Pure ALOHA的最大吞吐率Smax=Ge-2G|G=0.5=1/2e=0.184适当大小的总帧数GG=1/2，即一半的信道帧容量时，S达到最大值帧丢失率丢失帧数/总共传输帧显然，G小时丢失率小，G大则大如何计算？S=Ge-2G理想吞吐率吃惊吗？ALOHA的最高性能

14、是18.4%！相当于：信道是1Mbps的话，最大传输能力只能到达184kbpsALOHA的性能改进Slot-ALOHA2TAloha的主要问题站点可以在任何时候发送帧，因此2T范围都是冲突的危险区域TSlot-Aloha则将信道划分成长度为T的时隙。要求站点必须在时隙开始位置发送。这样，减少了冲突的危险区域(或者完全不冲突，或者完全冲突)TT P0 = 当有一帧要发送时，在T内再没有新帧产生 = pT(0) = e-G 于是：S=G*P0 =Ge-G (3) 或 S = 每个时隙只产生一帧的概率 = pT(1) = Ge-G26Slot ALOHA性能性能描述最大吞吐率Smax=Ge-G|G=

15、1=1/e=0.368，Pure ALOHA的2倍达到最大S时的GG = 1，达到信道帧容量帧丢失率?Slot-alohaPure-aloha272.3 CSMA对ALOHA或slot ALOHA的性能不够满意假设站点可以“听”到信道上是否有站点在发送准备发送时，若“听到”信道上有站点发送，就推迟发送，直到信道“空闲”为止，从而主动避免了冲突Carrier Sense Multi-Access (CSMA)如果有多个站点在T内产生了新帧，必然在此处开始冲突。在G比较小时，冲突概率才会小T站点s准备发送开始发送推迟预防多个站点在T内产生新帧，继续后退一个随机长度的时间后，再“听”信道，若信道闲才

16、发送。在G比较小时，可能是多余的后退或者发送(概率p)，或者后退(随机时间长度)后再“听信道”通过调整p来配合G的大小站点s准备发送开始发送推迟随机后退站点s准备发送开始发送推迟随机后退28CSMA发送策略1坚持CSMA：等待信道闲后立即发送(p=1)0坚持CSMA：等待信道闲后再等待一段随机长度(p=0)p坚持CSMA：等待信道闲后可能发送(概率p)，可能随机后退(概率1-p)随机后退情况下，都需要重新侦听信道随机后退29CSMA载波侦听动画（一）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达B处B侦听信道，抑制发送AB30CSMA载波侦听动画连续（一）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达

17、B处B侦听信道，抑制发送AB31CSMA载波侦听动画（二）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达B处，产生冲突B侦听信道，立即发送AB信号传播延时CSMA降低了冲突概率因为信号传播延时是很短的以2/3光速传播32CSMA发送流程信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送准备发送信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到R1情况时，如果S很快就下降到零，即使以后G又回落到小于1情况，由于堆积在站点上等待发送的帧太多，进入信道的G也降不下来，网络恢复正常通信需要很长时间，或者无法恢复正常因此，过载情况下(G1)仍能有较高的S，是网络抗过载能力强的体现抗过载能力0坚持

18、CSMA具有最强的抗过载能力Slot-aloha与1坚持CSMA在G4时的抗过载能力相当t流量信道容量GS1S2CSMA的冲突问题信道有长度，信号有限传播速度(v300/3*108=1us3Km信道， 10us30Km信道， 100us100Mbps信道：100us*100*106 = 10000bits37CSMA后退算法连续后退问题若连续多次都发现信道忙，说明信道确实很忙，应该加大后退长度让站点在1.W区间内随机选择一个后退值W称为后退窗口，后退时间单位= 二进制指数后退算法若节点在第k次准备发送时，仍发现信道忙，则W=2k站点在1.W区间中随机选择一个后退值N后退时间T = N* 若k达

19、到规定值(如15)，则放弃发送该帧，转而发送下一帧382.4 CSMA/CD（结合P216、P233）载波侦听多路访问/冲突检测改进CSMA性能CSMA仍有少量冲突存在，浪费信道资源引入条件：发送时如果能够发现冲突，就立即停止发送有线信道上：发送的信号能量与接收的信号能量相当冲突检测有线信道上，可以检测信号的能量，以发现是否冲突检测到冲突后，立即停止发送，让信道空闲站A站B站C冲突减少信道浪费成功发送39 冲突检测方法电平判断冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值逻辑判断发送的数据与同时收回来的数据不一致+=超高收发冲突信道40冲突检测时间最坏情况站点A发送数据帧后在td时到达最远端的站点B，而

20、B恰好在此时开始发送。站点B马上可以检测到冲突站点A要再经过后，才可能检测到冲突实际上，站点还需要用若干bit的来验证是否冲突故：冲突检测时间 241冲突检测后的处理检测到冲突后立即停止传输，停止传输后，随机延迟一段时间再尝试发送延迟时间以时间片为单位一个时间片最大冲突检测时间(2 )随机延时算法截断二进制指数回退算法最大重试次数15次当k10时，W维持210不变while k attempt_limit k+; if(kdAddr) sendto(outIF,Frm)924.7.3 以太网网桥链路层选择性多路中继dMacsMacTData以太网帧结构网桥DS?通信过程描述93实例分析-1总线

21、型和HUB型组网HUB能否进行链路选择性中继？站点的工作过程有无差异？网络的性能有无差异？HUB物理层中继94实例分析-2网桥的作用数据帧在网络中出现的位置不同组网形式下站点的工作方式不同组网形式的通信性能HUBHUBHUBHUB网桥HUBHUBHUBHUB型组网带网桥的组网网桥HUBHUBHUB网桥纯网桥的组网95实例分析-3不同速率间的中继在C/S模型中的组网不同速率网络间的组网通信网桥1000Mb100Mb100M以太网1000M以太网100M以太网100M以太网Bridge964.7.4 网桥的核心技术-1地址表的生成与维护：自学习法对接收到的所有帧，记录源地址和接收接口查找目的地址对

22、应的接口，转发数据帧根据站点活动情况，刷新生命期删除长期不活动的站点记录初始化工作地址表为空记录源地址，逐步建立地址表对无记录的目的地址，向所有接口转发(广播)网桥地址表地址接口生命期描述网桥建立地址表的过程网桥HUBHUBHUB97实例分析-4描述网桥建立地址表的过程说明HUB是否也需要地址表？网桥HUBHUBHUB98实例分析-5网桥的组网描述数据帧的传输过程描述各网桥中地址表的建立过程与上一页的图相比，说明功能和性能上的变化网桥网桥网桥网桥99网桥的核心技术-2网桥环路问题网桥不能构成有环路形式的组网结构描述网桥的环路问题但环路能克服链路故障带来的通信中断问题生成树算法与协议生成树算法在有环路出现的情况下，生成树状“工作”拓扑结构生成树协议工作中监测链路/网桥故障，一旦出现，更新树状结构，保持网桥间的连通网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥多环路组网树状工作拓扑结构100实例分析-6描述网桥的环路问题网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥