第二讲-数据链路层课件

MAC协议

无线网络需要克服的问题无线局域网MAC协议无线传感网络MAC协议内容提要1.数据链路层概述2.MAC协议CSMA IEEE802.11MAC协议 S-MAC协议数据链路层介绍数据链路层在五层结构中的位置 √MAC在协议结构中的重要性（52页第二段）数据链路层的基本概念下一张PPT √数据链路层的简单模型 如下图所示数据链路层基本概念数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。数据链路层的主要功能(1)链路管理 √(2)帧定界(3)流量控制(4)差错控制 √(5)将数据和控制信息区分开(6)透明传输(7)寻址链路管理：当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发方必须确知收方是否已经处在准备接收的状态。数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。信道分割方法，如后数据链路层基本概念信道的分割方法信道分割,按时间,频率或编码时分、码分、频分随机分割(动态)ALOHA,S-ALOHA,CSMA轮转分割从主结点发出轮询,令牌传递（tokenpassing）数据链路层介绍数据链路层在五层结构中的位置 数据链路层的基本概念下一张PPT 数据链路层的简单模型 √如下图所示局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型(续）局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动下面介绍数据链路层的差错控制传输差错产生过程差错检测在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率

BER(BitErrorRate)。误码率与信噪比有很大的关系（正比关系）。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验的原理在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M的后面再添加供差错检测用的n

位冗余码一起发送。冗余码的计算用二进制的模

2

运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数

P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n

位。冗余码的计算举例现在

k=6,M=101001。设

n=3,除数

P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商

Q=110101，

余数

R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。

110101

←

Q

(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余数)，作为FCS

循环冗余检验

1101010110

←

Q

商

除数

G

→

110101101000110100000

←

2nM被除数

110101

111011

110101

111010

110101

111110

110101

101100

110101

110010

110101

01110

←

R

余数循环冗余检验的原理说明假设待传送的数据M=1010001101（共kbit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。循环冗余检验举例帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列

FCS(FrameCheckSequence)。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行CRC检验(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。（严格说，这么做是不正确的，有可能出现R为0，而帧有差错，那为什么可以这么做呢，其理由是：R为0，而帧有差错的概率很小）(2)若余数R

0，则判定这个帧有差错，就丢弃。（严格说，这么做是正确的，即R

0这个帧一定出了差错）但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。（因此，这是一种后向纠错方法）只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数

P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。CRC校验码的检错能力：可检出所有奇数个错；可检出所有双位错；可检出所有≤G(x)长度的突发错。常用的生成多项式G(x)：CRC16=x16+x15+x2+1CRC32=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1应当注意仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于

1

的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。内容提要1.概述前面介绍了差错检验的问题，下面介绍链路管理2.MAC协议CSMA √IEEE802.11MAC协议 S-MAC协议CSMA载波监听多点接入“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。CSMA分为坚持型与非坚持型CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。检测到碰撞后在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。电磁波在总线上的有限传播速率的影响当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。1kmABt碰撞t=2

A检测到发生碰撞t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=t=0单程端到端传播时延记为

传播时延对载波监听的影响1kmABt碰撞t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞t=2

A检测到发生碰撞t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为

争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。（如上一页所示）以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。争用期的长度以太网取51.2s为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。最短有效帧长如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。强化碰撞当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

数据帧干扰信号TJ人为干扰信号ABTBtB发送数据A检测到冲突开始冲突信道占用时间A发送数据B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出A发送干扰信号的情况。内容提要1.概述2.MAC协议CSMA IEEE802.11MAC协议 √S-MAC协议CSMA/CD协议不适用于无线网络主要原因如下：无线局域网中的隐蔽站问题隐蔽站:A,C两个站点不能互相“听见”障碍物,信号衰减在B站点发生冲突

802.11MAC的设计目标:

避免可能在B站发生的冲突CSMA/CA:带有冲突避免（CollisionAvoidance）策略的CSMA，见第53页倒数第3、4段的描述。暴露站问题IEEE802.11MAC协议IEEE802.11MAC协议分为分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)和点协调功能(PointCoordinationFunction，PCF)两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。（54页第1、2段）帧间间隔IEEE802.11MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrameSpace，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级：SIFS(shortIFS)：最短帧间间隔。PIFS(PCFIFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。DIFS(DCFIFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。

根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。随机退避时间按下面公式进行计算：

退避时间=Random()×aSlottime

其中，Random()是在竞争窗口[0，CW]内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。

网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。802.11MAC层:CSMA/CA简述802.11CSMA:发送方-如果检测到信道闲置了DISF

秒.

然后传输整个帧(无冲突检测)-如果检测到信道忙

然后进行二进制避退802.11CSMA接收方:如果接收OK

等待SIFS后返回ACKIEEE802.11MAC协议802.11CSMA协议:其他方NAV:网络分配向量（NetworkAllocation

Vector）802.11帧具有传输时间字段其他站点(听见有传输时)必须推迟若干NAV时间单位再对信道进行访问冲突避免:RTS-CTS交换CSMA/CA:进行显式的信道预留发送方:发送简短的RTS:requesttosend接收方:使用简短的CTS:cleartosend回应CTS为发送方预留了信道,并通知了其他(可能是隐蔽的)站点避免了隐蔽站点问题A,B,CA,B,D冲突避免:RTS-CTS交换由于RTS/CTS比较短:发送时间短，发生冲突的可能小最终的结果同冲突检测基本一致802.11MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。802.11MAC小结CSMA/CA什么是CSMA/CA3种IFSRTC/CTSNAV无线传感器网络MAC协议概述无线传感器网络MAC协议需要考虑3个问题（52页）节省能量可扩展性网络效率传统MAC协议不适于无线传感器网络（52页最后一段）例如，IEEE802.11MAC协议无线传感器网络MAC协议通常采用“侦听/睡眠”的策略（53页）MAC协议分类分类方式（53页）分配信道的方式 时分复用无竞争型随机竞争型 （53页倒数第5段）例如，SMAC √混合型：二者结合使用的信道数目单信道多信道控制方式集中式控制发布式控制52SensorMAC协议SensorMAC协议概述是一种基于竞争的MAC层协议S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟在802.1lMAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的采用RTS/CTS/DATA/ACK作为基本传输机制SMAC协议-基本思想周期性睡眠和监听机制：睡眠与监听的周期交替流量自适应侦听机制：不进入睡眠而是保持侦听状态串扰避免机制：邻居通信的时候，进入睡眠状态消息传递机制：支持长消息传输SMAC协议-基本思想周期性睡眠和监听（57页）为什么周期性睡眠和监听什么是周期性睡眠和监听S-MAC协议将时间分为帧，帧内分