计算机网络（网络学院） 第四章 局域网与介质访问子层

1、计算机网络局域网与介质访问子层（基本概念）第四章局域网与介质访问子层局域网概述局域网拓扑结构和传输介质信道分配多路访问协议局域网的IEEE 802系列标准网桥技术2概念局域网常覆盖一栋大楼或一组建筑群，网上最远网点间数据传输距离不超过一、两公里。广义上讲，局域网以外的网络都可以归入“广域网”的范畴。但是，在实践中也有人在局域网与广义的“广域网”之间引入了园区网和城域网的概念。从本质上讲，园区网主要是由局域网互连而成，因此，以局域网技术为主；而城域网跨度较大，需要采用远程通信技术，即广域网技术，实际上是广域网与局域网技术的结合。局域网产生的原因80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离）

2、，共享资源；功能分布：分布式计算，分布式数据库3基本属性定义局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。局域网的三个属性局域网是一种通信网络通信设备是广义的在一个小区域内4局域网基本特点局域网的重要特点之一是网络吞吐率高，通常以Mbps为单位。目前的局域网技术中以10 Mbps、100 Mbps和155 Mbps为典型单网数据吞吐率指标。高吞吐率决定了局域网技术不能实用传统的电话线路，而必须使用专用通信介质，如同轴电缆、光缆或优质双绞线。使用专用电缆或光缆的场合，由于成本较高，通常采用共享通信介质的方式，多台计算机挂在同一段通信介质上。为了保证共享通信介质的多台机器能分时交换信息

3、，局域网必须具备控制使用通信介质的机制，即介质访问控制MAC（Medium Access Control）。尽管介质访问控制增加了访问控制的难度，但共享介质方式的附加优点是有利于实现网上广播和组地址访问功能。5局域网拓扑结构和传输介质局域网拓扑结构星型结构环型结构总线型结构树型结构传输介质双绞线基带同轴电缆光纤无线6使用星型网络拓扑结构需要每一台计算机使用电缆连接到Hub上；在一个星型的网络中可能会有很多连接到Hub的电缆线。7Caption: A Proxim RangeLAN wireless local area network interface card. Also shown is

4、 a table-top antenna which attaches to the interface card. 8Caption: An AirLAN wireless local area network interface card. The white rectangular object is a wall or ceiling mount antenna which attaches to the interface. 9Caption: A RangeLAN wireless local area network PCMCIA interface card. The blac

5、k object attached to the left of the card is its antenna. 10Caption: A RangeLAN wireless PCMCIA network interface card. Attached is its wireless tranceiver and antenna. 11信道分配计算机网络可以分成两类使用点到点连接的网络 广域网使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络局域网关键问题：如何解决对信道争用解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分

6、。12信道分配方法静态分配频分多路复用 FDM（波分复用WDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。时分多路复用 TDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。13静态FDM性能分析设信道容量为C bps，信道数据到达率为帧/秒，每帧的长度服从指数概率密度函数分布，其平均值为1/比特/帧，则平均延时T为：假如把单个信道分配为N个独立的子信道，那么每个子信道的容量应为C/N b

7、ps。每个子信道的平均数据到达率为/N，重新计算T，则：14信道分配方法动态分配信道分配模型的五个基本假设：站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁；单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；连续时间和时间分槽（确定何时发送）；载波监听和非载波监听（确定能否发送）。15多路访问协议定义：控制多个用户共用一条信道的协议ALOHA协议70年代，Norman Abramson设计了ALOHA协议目的：解

8、决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议纯ALOHA协议基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发;16在纯ALOHA中，完全任意地发送帧17ALOHA协议的效率竞争系统：多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统；信道效率假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧，平均每个帧时（frame time）产生S帧（0 S 1）；发生冲突重传，新旧帧共传k次，遵从泊松分布，平均每个帧时产生G帧；吞吐率 S = GP0，P0为发

9、送一帧不受冲突影响的概率；冲突危险区一个帧时内产生k帧的概率：Prk = ，两个帧时平均产生2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为：P0 = e-2G，所以 S = Ge-2G；效率：信道利用率最高只有18.4%.18阴影帧的冲突危险区19 ALOHA系统中吞吐率和帧产生率之间的关系20分槽ALOHA协议基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。信道效率冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以P0 = e-G，S = Ge-G；与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。

10、21载波监听多路访问协议CSMA （Carrier Sense Multiple Access Protocols）载波监听（Carrier Sense）站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。多路访问（Multiple Access）多个用户共用一条线路1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。22优点：减少了信道空闲时间；缺点：增加了发生冲突的

11、概率；广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。优点：减少了冲突的概率；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；信道效率比 1-坚持CSMA高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。23p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）适用于分槽信道原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p

12、延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。24各种随机访问协议的信道利用和载荷曲线的比较五种多路访问协议性能比较25带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD引入原因当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD原理站点使用CSMA协议进行数据发送；在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并

13、发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。26工作状态传输周期竞争周期空闲周期27问题一个站点确定发生冲突要花多少时间？最坏情况下，2倍电缆传输时间假设信号在两个相距最远的站点间传输的时间为。在t0时刻，一个站点开始发送，经过-之后，即在信号到达最远的那个站点之前，最远的站点也开始发送。当然最远端的站点几乎立即就会检测到冲突而取消发送，但是由冲突产生的一点点突发噪声必须经过2-长的时间后才能反馈到初发站。28无冲突协议（Collision-Free Protocols）基本位图协议（A Bit-Map Protocol）工作原理共享

14、信道上有N个站，竞争周期分为N个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特1；N个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送。29特点象这样在实际发送信息前先广播发送请求的协议称为预留协议（reservation protocol）效率轻负载下，效率为 d / (N + d)，数据帧由d个时间单位组成；重负载下，效率为 d / (d + 1)。缺点与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好；每个站都有 1 比特的开销。30二进制倒计数数法（Binary Countdown）工作原理所有站的地址用等长二进制位串表示，若要占用信道，则广播该位串；不同站发的地址中的位做“或”

15、操作，一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置为“1”，便放弃发送请求。效率d / (d + log2N)31二进制倒计数法的改进采用并行接口，而不是串行接口建议使用虚拟站号，每次传输之后，对站重新编号，从0开始，已成功传送的站排在最后，这样长时间沉默的站点将会获得较高的优先权。32有限竞争协议（Limited-Contention Protocols）占用信道的策略竞争方法例，CSMA；轻负载下，发送延迟小；重负载下，信道效率低。无冲突方法例，基本位图法；轻负载下，发送延迟大；重负载下，信道效率高。有限竞争方法结合以上两种方法，轻负载下使用竞争，重负载下使用无冲突方法。下图：减少竞争的站的

16、数目可以增加获取信道的概率；基本思路：将站分组，组内竞争；问题：如何分组？33对称协议的性能假设共有k个站点参与信道竞争，每个站点在每个时隙内的发送概率为 p，那么在某一给定时隙内站点成功获取信道的概率为kp(1-p)k-1。当p=1/k时，Pr取最大值。34对称竞争信道获取概率35分组的讨论（1）每个组只有一个成员（2）每个组拥有两个成员（3）一个组包含所有成员找到一种动态分组的方法，在轻载荷时每个组多分一些站点，在重载荷时，每个组少分一些站点。36适应树搜索协议（The Adaptive Tree Walk Protocol）工作原理站点组织成二叉树；一次成功传输之后，第0时隙全部站可竞争

17、信道，只有一个站要使用信道则发送；有冲突则在第1槽内半数站（2以下站）参与竞争。如其中之一获得信道，本帧后的时槽留给3以下的站；如发生冲突，继续折半搜索。当系统负载很重时，从根结点开始竞争发生冲突的概率非常大。为提高效率，可以从中间结点开始竞争。问题：搜索应该从树的哪一级开始？37例1一组N站点共享一个56kbps的纯ALOHA信道。每个站点平均每100秒输出一个1000bit的帧，即使前一个帧还没有发送完也依旧进行（例如，站点都有缓存）。N的最大值是多少？解答：对于ALOHA协议，最大可用的带宽是：56kbps*0.184=10.304kbps每个站点需要的带宽为：1000/100=10bp

18、s所以N=10304/10=103038例2一万个航空定票站在竞争使用单个分槽ALOHA通道。各站平均每小时做18次请求，一个槽是125s，总的通道负载有多少？解答：各站每小时18次，一万个站，所以一秒钟有180000/3600=50个请求，一个槽是125s，一秒钟有8000个槽。所以平均每个时槽发送次数为：50/8000=1/160。总的通道负载G=1/160.39例3广播子网的一个缺点是有多个主机试图访问信道时造成的信道容量浪费。作为一个简单的例子，假设把时间分为离散的时间片，n台主机中每一台主机在每个时间片内试图占有信道的概率为p。求由于冲突被浪费的时间片的比例。解答：所有主机都不占有信

19、道的概率为： （1-p)n只有一个主机试图占有信道的概率为：np(1-p)n-1所以由于冲突被浪费的时间片的比例为： 1-np(1-p)n-1-(1-p)n40例4一个局域网采用Mok和Ward版本的二进制倒记数法。在某一时刻，10个站点的虚站号为8,2,4,5,1,7,3,6,9,0. 要发送的下3个站点是上述序列中的4,3,9。当3个站点全部完成发送后，新的虚站号是什么？解答：发送序号为4的站点后的新虚站号为： 8 3 0 5 2 7 4 6 9 1 发送原序号为3的站点后的新虚站号为： 8 4 1 5 3 7 0 6 9 2 发送原序号为9的站点后的新虚站号为： 9 5 2 6 4 8 1 7 0 341例516个站点正在竞争一条采用自适应树遍历协议的共享信道。如果地址编号为素数的站点突然全部准备发送，那么需要多少个时槽才能解决竞争？解答：共需13个时槽；第一个时槽： 2 3 5 7 11 13 第二个时槽