计算机网络-介质访问子层-ppt(电子科大)

计算机通信网2011教案作者：段景山2

第4章介质访问子层背景及介质访问子层功能介质访问基本方法竞争访问信道、无冲突协议、有限竞争协议以太网协议其他协议Wi－Fi、Wi－Max网桥及交换34.1背景及功能问题提出两个以上站点使用共享信道广播信道、多路访问信道、随机访问信道不能有多个站点同时发送－－冲突接收站如何从帧流中识别送给自己的数据问题解决目标对等式通信共享介质、无中心无冲突或能降低冲突，实现通信信道利用率高关STOPRejectAcceptCollision4背景问题解决方法初探从提高效率角度应当采用当信道空闲时，其他站点能将空闲的信道利用起来的方法例，设教室的门是共享资源“鱼贯而出”是对门的最好利用但控制的不好会出现拥挤，“门”得不到利用的现象问题解决的关键需要复杂控制机制实现信道分配，达到充分利用信道的目标5信道分配功能功能控制广播信道中信道分配多路访问信道（multiaccesschannel）随机访问信道（randomaccesschannel）介质访问子层（mediumaccesscontrol）制定数据发送和接收的规则基本的广播信道分配方法将广播信道划分为多个“子”信道，TDM、FDM每个用户使用其中的一个子信道多路访问单个信道，CSMA/CD等所有用户共享一个信道重6背景及功能本章内容具有广播信道的网络局域网、无线网、卫星网、光纤网相关协议局域网协议、波分多路复用等关74.2广播信道分配问题静态分配将广播信道分为多个“子”信道FDMTDM…每个用户分配一个子信道较大延时，较多带宽浪费（P210）N倍延时，40％的带宽利用动态分配动态不划分子信道，根据用户数据需求进行信道分配非固定使用信道资源：时隙、频段……(ALOHA、slottedALOHA、CSMA、CSMA/CD…)重8动态分配的环境设定（P211）站点模型一次发送一个帧，直到成功发送信道所有站共用一个信道－－单信道冲突两个站同时在信道上传输时，其它站收到的信号是混乱的9广播信道分配问题动态分配棘手的问题多于两个站同时发送，就会产生冲突分布式协调信道“争抢”得太厉害，导致混乱大家太“谦让”，导致浪费资源关10广播信道分配问题动态分配动态分配方法类型竞争信道节点无序抢占信道允许冲突存在有序访问控制节点访问信道次序无冲突有限竞争结合竞争方式和无冲突方式轻负载时，使用竞争方式重负载时，使用无冲突方式4.3竞争访问信道4.4有序访问信道4.5有限竞争信道重114.3多路访问协议4.3.1竞争访问信道协议ALOHAPureALOHASlottedALOHACSMA载波侦听多路访问1-坚持CSMA非坚持CSMAP-坚持CSMACSMA/CD（以太网）重12ALOHA协议发送：每个站点在任何时刻只要有数据就可发送然后等待接收方的确认－－设置等待的定时器收到确认，说明发送成功，否则，重发报文。多次重发不成功就放弃报文。接收：接收方收到报文，校验正确后，发送确认。70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，NormanAbramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（orpureALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代13ALOHAALOHA协议的冲突现象很严重发送太随意传输前不监听冲突严重，又不设法减轻利用“停等协议”解决差错站A站B站Ctt+Tt+2Tt-TT站D14SlotedALOHA时槽式ALOHA将信道使用时间分成离散的时槽每个时槽发送一帧数据规定只能在时槽的起始处发送帧冲突要么完全重叠，要么完全分开站A站B站C站Dt时槽起始处15SlotedALOHA改变了ALOHA随机发送时间的特性仅在特定时刻冲突概率下降－－“冲突窗口”减小一半信道吞吐率增加一倍（37％）16CSMA载波侦听多路访问发送前侦听线路如果线路空闲就立即发送如果信道忙，就持续侦听直到信道空闲，此时还有以下三种策略：1坚持CSMAP坚持CSMA0坚持CSMA发送前侦听线路使冲突窗口减小为传播延时冲突概率下降17CSMA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AB18CSMA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B处B侦听信道，抑制发送AB19CSMA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201坚持CSMA发送前侦听信道，如果空闲就立即发送如果信道忙，就持续侦听直到信道空闲此时（信道由忙转闲时），立即发送称为以1的概率发送在信道被占用的一段时间内很容易出现两个以上的站点侦听信道信道由忙转闲时，肯定冲突1坚持CSMA的冲突概率仍比较高站A站B站C站D侦听侦听21P坚持CSMA发送前侦听信道，如果空闲就立即发送信道由忙转闲时以P的概率发送以（1－P）的概率进行随机延时后再尝试发送降低了多个站点同时侦听信道造成的冲突概率站A站B站C站D侦听侦听A计算概率为可以发送D计算概率为不能发送延时后侦听思考1、D的随机延时最少为多大？2、有多少个站点同时侦听时一定会发生冲突220坚持CSMA发送前侦听信道，如果空闲就立即发送信道由忙转闲时都需要进行随机延时，再尝试发送称为以0的概率发送也能降低多个站点同时侦听信道造成的冲突概率站A站B站C站D随机延时后侦听侦听A计算概率为可以发送D计算概率为不能发送随机延时后侦听23几种竞争协议的效率吞吐率轻负载下，1-坚持的性能好，0-坚持差，p-坚持中等重负载下，1-坚持的性能差，0-坚持好，p-坚持中等1-坚持和0-坚持与网络的具体站点数无关，性能相对稳定24CSMA/CD（结合P216、P233）载波侦听多路访问/冲突检测引入已经发生冲突的帧，继续发送的部分是浪费冲突检测发送的过程中继续检测信道，以及时发现冲突发生冲突后，立即停止发送站A站B站C冲突浪费25

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集线器上有两个及以上的端口“活动”+=超高26冲突检测时间最多花多长时间发现冲突ε接近于0，但不等于0τ为传播时延＝距离/0.7光速发送超过2τ时间后不需要再检测冲突了27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若各站的延迟时间相同，则一定会再次冲突延迟时间以时间片为单位一个时间片＝最大冲突检测时间随机延时算法－－截断二进制指数回退算法whileattempts<attemptlimitandcollisionk=min(attempts,10);r=radom(0,2k);attempts=attempts+1;endofwhiler为计算出的延时时间片28竞争访问信道竞争访问信道面临的问题有冲突出现尽量减少冲突－－降低冲突概率监听载波随机后退尽量减小冲突带来影响－－减小冲突窗口分时槽监听载波冲突检测减少用户发送延迟发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔降低冲突概率减小冲突持续时间294.3.2无冲突协议预定协议－－信道申请自定方式用特定信息指挥发送30无冲突协议预定协议－－信道申请在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问争用时隙的使用发送站在自己的争用时隙中置位在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送基本位图：建立争用时隙与站点的映射 （图4-6）31无冲突协议自定方式不预定信道，而是利用站点自带的信息（地址）决定使用信道的顺序二进制倒计数法各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否改变地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据32无冲突协议二进制倒计数法例站A、站B、站C、站D，地址分别为0010、0100、1001、10100010010010011010假设四个站点同时希望发送，它们将自己的地址送出，并同时监听网络上的数据。ABCD发送顺序先后00111111D站可以发送数据发送站中地址最高的可以发送数据地址动态变化，以使保证公平性33无冲突协议用特定信息指挥发送令牌－－令牌环、令牌总线由监控站向指定站发送一个“令牌”，拿到“令牌”的站才能发送数据监控站保证只有一个令牌出现。扩344.3.3有限竞争协议产生背景竞争协议与无冲突协议在轻载和重载下的不同特性－－各有优劣轻载时，竞争协议具有低发送延时特性重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性分组分时隙法分组：组数－－N组内成员数－－M组间用竞争方式，组内用无冲突方式组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式轻载时，增加减少重载时，增加减少组的数量组内成员数量组的数量组内成员数量组的数量组内成员数量优优354.3.4波分多路访问协议应用环境无源光柱－－共享信道接收器发送器关36波分多路复用（自学）波分利用不同的波长作为不同的信道（类似FDM）每个节点具有各自的发送信道、接收信道一个波长固定的接收端，收控制信息一个波长可调的发送端，发控制信息一个波长固定的发送端，发送数据一个波长可调的接收端，接收数据控制数据接收控制数据发送波长固定波长可调37波分多路复用小结波分复用与纯广播式通信不同，各节点有自己的信道与FDM方式的信道固定分配不同，带有动态分配的思想，具有统计复用的特点，信道利用率高数据发送信道波长虽然固定，但并不限制只能将数据发送给一个站点当多个站点同时请求向一个站点发送数据时，也会出现冲突重384.3.5无线局域网协议无线局域网的广播特性信道共用无基站，对等式无线环境的特殊性： 冲突域不固定ABCAC之间并不冲突，但在B看来，大家都是冲突的39无线局域网隐藏站点A向B发送数据时

C监测不到载波C也向B发送数据，造成冲突A对C隐藏暴露站点B向A发送数据

C向D发送数据本来互不干扰但在B发送时，

C检测信道，以为会 发生冲突，而停止B暴露在C、D之间

ABCABCD难40无线局域网协议MACA冲突避免解决隐藏站点冲突A欲向B发送数据，先发送RTS帧提醒BB应答CTS，阻止在B覆盖范围内的其他所有站点发送数据（不包括A）C收到CTS后，不向B发送数据而避免了冲突（在B周围的所有站点中只有A能发送数据）ABCRTSCTSRTS－RequestToSendCTS－ClearToSend41无线局域网协议MACA解决暴露站点问题C收不到A发出的CTS－－发送抑制帧C可以在B向A发送数据的同时向D发送数据ABCDCTS424.4以太网采用了CSMA/CD技术的局域网范围小、数传速率高，共享介质一根电缆连接所有的站点背景IEEE802委员会IEEE802.3MAC媒体访问控制层PHY物理层LLC逻辑链路控制层高层数据链路层434.4.1以太网“电”缆同轴电缆10BASE2细缆，近200m距离10BASE5粗缆，近500m距离双绞线10BASET100BASET1000BASET光纤10BASEF100BASEF1000BASELx、SX444.4.2以太网物理层接口BNC－－同轴电缆接口RJ45－－双绞线接口SC－－光纤接口45以太网物理层曼彻斯特编码归零较多跳变有违例编码效率较低464.4.3以太网MAC层媒体访问技术－－CSMA/CD传输前侦听载波信道空闲立即发送信道忙则一直侦听，直到信道空闲，然后立即发送发送过程中同时检测冲突发现冲突立即停止传输，并在随机延时后尝试发送停止传输后，用二进制指数回退算法计算延时一些重要的规定最小帧长64字节，最大帧长1518字节最多连续冲突次数：16次帧间间隔12字节47以太网MAC层帧格式前导码：10101010串，用于同步目的地址：6字节三种形式单播、单目、普通地址指定站点接收多播、组播、组地址一组站点同时接收广播地址所有站点全部接收前导码目的地址源地址长度/类型数据帧校验8字节6字节6字节2字节46～1500字节4字节48以太网帧格式目的地址第一字节，最“高”位为0表示单播地址－－普通地址为1表示多播地址－－组地址全部为1表示广播地址例：0x01005E730C01组播地址0x00900A270B0C单播地址0xFFFFFFFFFFFF广播地址49以太网帧格式长度/类型字段小于1536表示帧长度－－帧中数据字段的长度数据内容是变长的，最大为1500大于1536表示帧类型－－数据字段封装的协议类型0x800：表示数据内容是IP分组0x806：ARP分组前导码目的地址源地址长度/类型数据帧校验8字节6字节6字节2字节46～1500字节4字节目的地址源地址0x800IP分组50以太网帧格式帧校验字段32位CRC校验MAC层发现帧错误后，仅向上层报告而不进行差错控制前导码目的地址源地址长度/类型数据帧校验8字节6字节6字节2字节46～1500字节4字节514.4.4共享式与交换式以太网共享式以太网传统的以太网是共享式的一根电缆连接所有的站点一个集线器连接所有站点集线器将一个端口的数据送到所有端口多个站点同时发送时就产生冲突集线器相当于一个共享的电缆52共享式与交换式以太网交换式以太网交换机仅把收到的数据放到目的站所在的端口多个站同时发送时，只要目的不同，就可以同时进行交换机提供独享的信道534.4.5快速以太网数传速率为100Mbps的以太网802.3u与10Mbps的以太网兼容－－10/100M自适应电缆：5类双绞线接口：RJ45编码：8B/6TMAC层：CSMA/CD全双工（交换式）下不用544.4.6千兆以太网数传速率为1000Mbps的以太网802.3z，802.3ab等“电”缆：802.3z－－光纤，802.3ab－－双绞线编码：8B/10BMAC层：CSMA/CD全双工（交换式）下不用帧扩充（载荷扩充）技术，将小于64字节的帧扩充到512字节发送帧突发（帧串）技术，一次可连续发送多个小于512字节的帧，直到1500字节554.5无线局域网协议标准IEEE802.11系列协议11b11g11a11n11i……无线的“以太网”希望像以太网那样普及、方便、易用技术和CSMA/CD类似CSMA/CA高层LLC802.3MAC802.3PHY802.11MAC802.11PHY564.5.1WLAN的组网结构对等结构－－无中心结构基础架构－－有中心结构(APAccessPoint)AP无线网卡574.5.2WLAN物理层红外线IR1Mbps或2Mbps的数传速率光波长：850nm没有穿越性，较少使用跳频扩频FHSS2Mbps2.4GHz抗干扰性好较少使用不同时隙工作在不同频率上58WLAN物理层（续）直接序列扩频DSSS2Mbps、11Mbps，2.4GHz类似CDMA应用较为广泛正交频分多路复用OFDM54Mbps，2.4GHz、5GHz分割子频率复杂的编码技术594.5.3WLAN的MAC层操作模式DCF与PCF，DCF是对CSMA技术的继承更常用CSMA/CA技术载波侦听多路访问/冲突避免逻辑载波侦听根据侦长度字段判断信道空闲的时刻RTS/CTS技术避免冲突604.5.4WLAN帧格式帧控制中含有帧类型管理帧、控制帧（RTS、CTS）、数据帧比以太网复杂地址字段多了两个地址源、目的、接收者、发送者ABAP1AP2BAAP2AP1614.5.5WLAN组网服务AP1AP2BSS1BSS2ESSDS移动两种组网形态独立基本服务组（IBSS）又叫Ad-Hoc方式没有中心站，形成单跳独立网络临时的小型应用扩展服务组（ESS）有中心结构（AP）无线站与AP相连形成BSS通过AP间的有线连接实现多个无线网的互连两种组网形态是互斥的62WLAN组网服务服务关联无线站与AP之间互相发现的过程主要靠AP定期发送“信标”帧，让无线站识别和选择保密无线网保密性不够，容易被截听数据需用“密钥”进行加密认证网络对用户身份的确定无线网太容易接入了，因此需要靠认证用户身份的方法来确定共享密钥（WEP）WPA，利用认证服务器和数据库63WLAN的认证系统APAPBSS1BSS2认证二级RadiusServerRouterInternet网管中心一级RadiusServerAP……认证客户认证系统认证服务系统644.5.6WLAN扩展标准物理层802.11b－－11Mbps802.11g－－54Mbps802.11a－－54Mbps802.11n－－将超过100Mbps其他802.11e－－Qos，提高可靠性802.11f－－站点在AP间的“漫游”802.11p－－在车里和车辆之间实现WLAN802.11s－－AP之间用无线形成多跳网654.7网桥与交换机4.7.1网桥的应用环境－－网桥的产生局域网内依靠线路、环路、集线器等已经能够实现连接局域网间需要互连桥66局域网互连需求LANs分散，相距较远调节载荷，减轻主干负担可靠性，限制故障范围安全性需要，将局域网隔离……674.7.2网桥技术需要根据目的地址判断转发接口网桥工作在数据链路层可能涉及不同协议之间的互通数据链路层的协议转换桥ABCD68网桥技术网桥的基本技术工作在数据链路层接收局域网上所有的帧根据帧内目的地址进行转发采用存储转发技术不同的LAN之间可能需要进行协议转换桥ABCD69网桥核心技术之一存储转发可进行速率匹配、信号转换、协议转换等70网桥核心技术之二根据帧内目的地址转发只有跨网数据才转发网间实现了隔离可允许多个端口同时收到数据对比集线器从一个端口收到的数据向所有端口转发