计算机网络介质访问子层

第4章介质访问子层

・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

(MediumAccessControl).

i

介质访问子层

网络层

LLC（逻辑链路控制）

MAC（介质访问控制）

物理层

4.1信道分配问题

■问题

相互竞争的用户之间如何分配一个

单个广播信道'

•分配方式、

A静态分配

A动态分配

・时分多路复用(TDM)

(timedivisionmultiplexing)

在TDM中，时间被均分为N段时隙，

每个用户静态地占用一个--每个用

户拥有固定的信道传送时槽

6

信道的动态分配

7

信道分配模型的五个基本假设：

・站模型(stationmodel)

各站相互独立并以固定的速常生数据帧。隐含

一个假定，即每个站只有一个程序或用户，当某

站生成一数据后，该站就会被阻塞，不作任何事

情，直到该帧被成功的传输出去.

单通道假设(singlechannel)

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；

8

冲突假设：(collisionassumption)

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；

4-连续时间(continoustime)

帧能在任何时候开始发送，没有时隙的概念。

4--时隙(slottedtime)

时间被分成离散的区间(时隙)，帧总在时隙

开始的一瞬间开始发送

9

•5-载波帧听(carriersense)

所有站在使用信道之前都可以检测到信

道是否正在使用.、

5—非载波帧听(nocarriersense)

各站在使用信道前不检测信道，只是盲

目地发送.

10

ALOHA协议

-目的：解决信道的动态分配，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

12

多个用户以某种可能导致冲突的方式共

享公用信道的系统称为竞争系统。

13

纯ALOHA

用户有数据待发，就发.

发送方侦听信道可得到发出的帧是否被

破坏,若帧遭破坏，ALOHA系统采用俞重

发策略是让各站等待一段随机时间后重

发该帧。

14

纯ALOHA信道的效率

帧时：表示发送一个标准长度的帧所需的时间。

帧时=帧长度/位传输速率

吞吐率S:在帧的发送时间TO内成功发送的平均

帧数。

0<SS=1是极限情况。在S=1

时,帧一个接一个地发送出去，帧与帧之间没有

空隙。

15

帧产生率G：从网络的角度看，G为在TO内（每

帧时内）总共发送的'平均帧数。

OS.只有在不发生冲突时，G才

等于S。G可以远大于1。

例如，G=10,表示在TO时间内网络共发

送了10个桢。

16

•在各种载荷情况下，S=GP0

P0：发送的帧不会产生冲突的咽率。

设帧的到达服从泊松分布，则可得到一个

帧发送启功的概率九

.Po-2G

所以S=Ge-2G（当G=0.5时）S可能达到

极大值，S=l/2e=0.184

即纯ALOHA信道的利用率最好为18.4%o

17

18

t

分隙ALOHA

•对纯ALOHA的改进，也称时间片式

AL0HAo\

19

•工作原理

A将信道工作时间分成定长的时隙（时间槽），

每个时隙为T使之正好传送一帧数据；

A某个站点若有帧发送，则必须等'个完整的时

隙到来才能发送；

A若某一时隙内只有一个站点占用，发送成功

»若一个时隙内有两个以上站点发送帧，则冲突,

发生冲突后，各延迟一个时隙再次发送.

分隙ALOHA的信道利用率最好为0.368.

20

载波侦听多路访问(CSMA)

21

1-持续CSMA

22

非持续CSMA

23

P-持续CSMA

24

CSMA/CD

A发前侦听，边发边听.有冲突则

立即停发;\

A“发前侦听”策略可以是1-持续

型，也可以是非持续型CSMA

25

CSMA/CD

•冲突检测

冲突侦听是一个模拟过程，当站点在发

送数据时，其硬件设备必须侦听电缆，

通过检测回复信号并将之与传送信号比

较，就可判断是否产生了冲突。

•冲突检测最短时间：'

信号从一个站点传送到另一个站点所需

时间的两倍（2t）.

26

CSMA/CD

PacketstartsPacketalmost

ABAB

attime0atBatT-€

(a)(b)

Noiseburstgets

(c)Collisionat

timeT

无线LAN协议WirelessLANProtocols

无线局域网不能使用CSMA,因为这里的冲突发

生对接收方，而异菲发送方。\

•例：A和B相互之间都在对方的范围者内，他们

之间可能会干扰对方，C可能会同时干扰到B和

D,但不会干扰到A。

BCDABCD

Radiorange

(a)(b)

AwirelessLAN.(a)Atransmitting,(b)Btransmitting2s

CSMA协议要求每个站监听是否有其他的通信流

量，只有当没有其它站在传送数州的时候才可

以传送。因而此协议不是非常的合适'

•因为这里的冲突发生在接收方，并非发送方

•其中存在的两个典型的问题是：'

隐藏站问题(hiddenstationproblem)

暴露站问题(exposedstationproblem)

-a藏站问题(a)W

-暴露站问题(b)

1

]

29

exposedstation

回回回problem

*Radiorange

a)A和C同时发送信号则会发生冲突：

当A向B传送数据的时候，如云正在检测

介质的话，那么它不会听到A,因为A/它的电

波范围之外，因而它会错误的以为它可以向B

传送数据。若C真的开始传送数据了，则容B处

产生干扰，从而扰乱了A发送的数据。这种由

于竞争者离得太远而导致了一个站不能检测到

潜在的介质竞争对手而形成的问题叫做隐藏可

问题(hiddenstationproblem)

30

exposedstation®[c]|D

problemfy\|

(a)(b)

(b)B向A、C向D同时发送信号，不会发生冲突:

当B向A发送数据的时候，若C正在检测介

质，则它将会听到有一个传输在进行，从而得

到一个错误的结论：它不能给D发送数据，实

际上C所监听到的传输过程只会影响到B和C之

间的区域重的接收过程，不会影响到它的目标

接收方D所在的区域。这个问题称作暴露站问1

题(exposedstationproblem

31

无线LAN在开始传输之前，一个站真正希望知

道的是在接收站的周围是否有活动情况，CSMA

只是告诉它在检测载波的站周围是否有活动。

•对于有线网络所有的信号传播到所宥的站，同

一向刻，系统中任何期方都只能有一个传输过

程在进行

•对于一个基于短距离无线电波的系统而言，多

个传输过程可以同时发生，只要他们有不同的

目标方，而且这些目标方相互之间都在对方的

范围之外。

32

避免冲突的多路访问MACA

MACA技术关键是在发送数据之前应先对

信道进行预约。

•基本思想是，发送方通过刺激接收方，

让它输出一个短帧，因此接收方附近的

站可以检测到该帧。从而在接下来的数

据帧（较大）传送过程中它们不再发送

数据了。

33

A首先给B发送一个RTS(RequestToSend)帧

也就是所说得短帧，如图(a)所示,RTS(30字节)

包含了随后将要发送的数据帧的长度。

然后B用一个CTS(ClearToSend)作应答,如图(b)

所示，此CTS中包含了从RTS中复制的数据的长度。

A收到了CTS之后就可以开始传输了。

34

其它站对这两个信号的反应

如果一个站听到了RTS帧，那么它离A一定很近，

它必须继续保持沉默，至少等待足够长的时间

以便在无冲突的情况下CTS被送给A。

•如果有一个站检听到了CTS,则它一定离B很近，、

在接下来的数据传输过程中它必须一直保持沉

默。它可以通过检查CTS帧得到数据帧的长度，

从而可以计算出数据传输所需要的时间。

RangeofA'stransmitterRangeofB'stransmitter

a)(b

具体来看：c落在A的范围之内，但在B的范围之外。

所以它收到了A发送的RTS,但是没有听到B发送的CTS。

那么只要它没有干扰CTS,在数据帧被传送的过程中，

它可以自由的发送任何信息；

•D落在B的范围内，但不在A的范围内，即它听不到

RTS,但是听到了CTS帧。听到了CTS帧意味着它与一

个接收数据帧的站很近，所以它会等到那一帧传送

结束以后再发送其它任何信息；

像E那样同时听到了这两条控制信息的站，会

和D一样在数据帧传送结束之前保持沉默。

尽管有了许多的防范措施，冲突还是有可能发

生的，例如B和C同时给A发送RTS帧那么就可能

发生冲突，造成丢失。

这种情况下，一个失败的发送方（即在期望

的时间间隔内没有听到CTS）等待一段随机的

时间后在重试。所用算法是二元指数后退算法。

MACAWMACAW

•MACA的冲突仍可能发生

-B和C同时给A发送RTS帧。产生冲、突，没有听

到CTS,等待一段随机时间，以后再重试4

MACAW对MACA的改进

38

4.3以太网

局域网的数据链路层被划分为2个子层，

即介质访问控制MAC子层和逻辑链路控制

LLC子层。

39

网络层

LLC（逻辑链路控制）

MAC（介质访问控制）

物理层

40

寸

型

袈

Z

8O

H

巴

•IEEE802.1：总体介绍，接口原语定义

•IEEE802.2：逻辑链路控制协议LCC

•IEEE802.3:CSMA/CD局域网

•IEEE802.4：令牌总线标准

•IEEE802.5:令牌环标准

•IEEE802.6:城域网标准

•IEEE802.7：宽带局域网

•IEEE802.8:光纤标准

IEEE802.9LAN-ISDN接口

IEEE802.10互操作LAN安全标准(SILS)

IEEE802.11无线局域网(WirelessLAN)

IEEE802.12100VGANYLAN网

IEEE802.14交互式电视网(包括cablemodem)

42

IEEE802.3标准及以太网

IEEE802.3标准适用于1-持续CSMA/CD局

域网

43

•802.3的电缆

NameCableNodes/seg.Advantages

10Base5PICKcoax500m100Originalcable;nowobsolete

10Base2Thincoax185m30Nohubneeded

10Base-TTwistedpair00m1024Cheapestsystem

10Base-FmODIICS2000m1024BestbetweenbuildingVs

44

•10BASE5

•10：表示信号在电缆上的传输速

率为10Mb/S。

•BASE：表示电缆上的信号是基带

信号。

•°5:表示每一段电缆的最大长度为

500mo

这种以太网常称为粗以太网。

\

•10BASE5以太网的主要缺点是布线很贵）

且安装很不方便。

45

•10BASE2又称为细以太网。

2：表示距离约为200m。

细以太网采用工业标准的BNCT型接头

进行连接，使用灵活，可靠性高。细缆

的价格便宜，且在布线转角处易转弯。

\

细以太网的缺点是适用范围小。

•10BASE-T

•使用星形网拓扑，在星形网的中心使用

集线器。每个站用一根专用的双绞线连

接到集线器。

•这种结构使增添或移去站点非常3■便,

且很容易检测到电缆故障，易于维护。

•10BROAD36:可以支持宽带局域网.

•10:数据率为10Mb/S。

•36:网络的最大跨度为3600m。

•传输媒体为标准的75。的CATV电缆.

•10BASE-F:使用光纤作为传输媒体.、

•这种方式具有极好的抗干扰性。

48

49

Caption:10Base-Thub,with10Base-T

cablesconnectingcomputerstothehub.

50

AB

BCD

Backbone-

(a)期(c)(d)

Cabletopologies.

(a)Linear,(b)Sninec)Tree,(d)Segmented!1

・中继器(repeater)------扩大网络范围

是一个物理层设备,双向接收、放大并重

发信号；\

曼彻斯特编码

•在没有外部参考时钟的情况下，接收方能够明确地定位

比特的开始和结束.

»曼彻斯特编码

在每一比特周期的中部总有跳变，便于发送方和接收

方同步。

»差分曼彻斯特编码

在区间的开始处电压没有跳变表示I,有跳变表示0,

能提供更好的噪声抑制性能。

•所有的802.3系统采用曼彻斯特进行编码

•高信号电平为+0.85V,低信号电平为-0.85V,直流电平

为0V。53

曼彻斯特编码

54

802.3MAC子层协议

Bytes86620-15000-46

））

DestinationSourceCheck­

PreambleDataPad

(a)addressaddress¥sum

（（

(））

)DestinationSourceCheck­

Preamble()LengthDataPad

：adld(ressaddresssum

（（

Frameformats,(a)DIXEthernet,(b)IEEE802.3.

先导字段：8个字节，每字节的内容为0101010。

•该字段的曼彻斯特编码会产生10MHZ,

持续6.4JLLS的方波，从而使接收方与发

送方的时钟同步。

•帧开始标志：标志着帧本身的开始.

•内容为10101011。

56

目的地址和源地址：允许2/6字节地址。

•目标地址

A最高位为0:普通地址；

A最高位为1：组地址一允许多个站点使用同一

地址。向一组站点发送称为去点播送。

全局地址:由IEEE指定(次高位决^

局部地址：由网络管理员指定(次高位决定);

多点播送(multicast):向一组站点发送;

广播发送(broadcast):地址为全“1”;

57

•数据字段长度：2个字节.\

•指出后面的数据字段的字节长度。

•数据：0-1500字节。实际最小值是46字

节，如果小于此值时，则使用填充字段

（帧填充字段中填“0”）达到要求的最短、

长度。

数据

所发送的帧的最短长度应要保证在发送完毕之

前，必须能够验测到可能最晚到的冲突信号。

在接收端，凡长度（从目的地址工校验和）、

不够64字节的帧就次高是可丢弃的无放帧。

•帧长度最少为64字节；

A便于区分有效帧和残余帧

»避免有冲突发生而检测不到的现象

59

校验和：采用的算法是32位的循环冗余

校验。

校验内容包括除PA,SFD和FCS以外的其它

字段。

60

数据传输使用曼彻斯特编码。

61

二元指数后退算法

62

二元指数后退算法

63

•交换式以太网

随着负载的增力口,局域网冲突的概率增加,达到

饱和。采用的方法：第一是提高速度，第二是

采用交换式以太网。目的减少冲突域。

•包含一块高速底板，若干个插线卡，每个插线

卡上包含1-8个连接器，可以连接到一台计算

机上。

一个插板内是一个802.3LAN,构成自己的冲突

域，插板间并行；即使网络微化，减少冲突域

•使用端口缓存，每个端口是一个独立的冲突域

无冲突发生。\

交换式集线器的主要交换方式：■

-存储转发式交换1

-直通式交换

使用交换机后，可建立多个并

超通信。例如：

8个端口可建立4个并发通信，

总带宽=(8/2)*10Mbps

=40Mbps

在访问服务器的流量非常大的

网络中，可在交换机上设置

1-2个高速端口

(lOOMbps/IGbps),把服务

器与该高速端口相连，便可

大大提高服务器访问的速度

O这种连接服务器的方法又

称为Big-Pipe。67

交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)：

(1)端口下接站点：站点独占10Mbps带宽

(2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽

网络交换机Switch

68

快速以太网(FastEthernet)

•标准

-1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是

802.3的一个补充。原有的帧加式、接口、

规程不变，只是将比特时间从100ns缩短为

10nSo

•对10Mbps802.3LAN的改进

--种方法是改进1OBase-5或1OBase-2,采

用CSMA/CD,最大电缆长度减为1/10,未被

采纳；1

-另一种方法是改进10Base-T,使用HUB和交］

换机，被采纳。’

TheoriginalfastEthernetcabling.

NameCableMax.segment

IOOBase-14Twistedpair伽

1(ft的Xwraoair100m

lOOBase-FXFiberooticsFul雌xallQ唧飘哪

71

•100Base-T4

-3类非屏蔽双绞线（UTP入、使用25MHz的信号

（802.3使用20MHz的信号，由于使用曼彻斯特

编码，波特率=2*比特率）；

-要求4对双绞线，1对总是给集线器发送信号，

1对总是接收集线器信号，另外2对根据数据传

输方向变换；

-使用8B/6T（8个二进制数映射到6位三进制数

上）编码，即使用三进制信号（ternary

signals）,三对线路,有27种可能的符号，

每个周期可以传送4位（还有冗余）二进制数,

25MHz的信号,三对双绞线的比特率100Mbps：

反向一对双绞线33.3bps;7?

•lOOBase-TX

-使用2对5类平衡双绞线或150Q屏蔽平衡电

缆，1对用于发送信号到集线器，另1对用

于从集线器接收信号，全双工、

-5类双绞线使用125MHz的信号；

-4B/5B编码，5个时钟周期分为一组，有32种

组合，其中16种组合被用来传输，4个比特,

比特率为125*4/5=100Mbps;

•100Base-FX

-使用2根多模光纤，全双工1

•100Base-T4和100Base-TX统称100Base-T

两种类型的互连设备HUB和交换机

-共享式HUB,一个冲突域，工作方式与

802.3相同,CSMA/CD,二进制指数后退算法

半双工\

-交换式HUB,输入帧被缓存，一个端口构成

一个冲突域。

•千兆以太网

•(GigabitEtherne

75

千兆以太网(GigabitEthernet)

•标准：802.3z

使快速以太网快上10倍，保持向后兼容。

\

•千兆以太网支持两四不同的操作模式：

•全双工模式，正常的模式，允许两个方向上

的流量同时进行。一台交换机将周围的计算

机连接起来，由于所有的线路都具有缓冲能

力,所以不会发生冲突,不用CSMA/CD协议。

•半双工模式，计算机连接的是集线器而不是

交换机，使用标准的CSMA/CD协议。为扩大网

络范围加入两个特性。

-载荷扩充：在普通帧后面怎增加一些填充数据，

以便使帧长扩充到512字节・

-帧串：它允许发送方将多个帧连接在一起，把它

们串起来一起传输出去■

77

箜

C<o三d

L!

>>>>Advantages

r_

€~L弟v<cL

7v<cOO三_o<d♦^rC$<<

7Xz7■O_—zv^—Lz

>~zO>>>_>

i5>>FberopliAj>>

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TZTJlXLT■L—z-

>Z2^、SCz*-_

>S>>3O=>>>>>

5.>

千兆以太网对于光纤采用8B/10B编码；每个8

位字节在光纤上编码为10位,、洪有1024种可能

的输出码字，选取可用码字的时候，采用两条

规则：不允许一个码字中有超过4个连续相等

的位；不允许一个码字中。的个数或者1的个数

超过6个。\

1000BASE-T采用4B/5B编码;采用4对5类双绞

线，用到5级电压值，因此每对双绞线有2个数

据位，时钟运行125MHz,IGbps速率。

79

IEEE802.2逻辑链路控制

在有些系统中，要求使用具有错误控制和流

量控制的数据链路层协议，IEEE委员会定义

802.2逻辑链路控制协议仄口可S运行在以

太网和其他802协议之上，提供一种统一的格

式，以及向网络层提供一个接口，从而隐藏

各种802网络的差异。

80

量

・・理

W

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5

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N

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若s亘

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意工」

>

1

1

=

LLC提供的服务类型

-LLC1不确认无连接的服攵

-LLC2面向连接的服务

-LLC3带确认无连接的服务

服务访问点（SAP）'

-LLCSAP：指明该帧的上层进程标识。

-MACSAP：MAC地址（即：网卡地址、物理地

址）

82

4.4数据链路层交换

多个局域网可以通过一种工作在

数据链谿层的设备连接起来,这

种设备叫做网桥(bridge)

83

使用网桥的原因

•各个部门的自主管理导》存在多个

局域网；

•地理位置的分散性，需要多个局域网；、、

•逻辑上单一的局域网分散成多个局1

域网，以调节载荷；

84

将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互

连的几个LAN以减轻负担；

Bridge

BackboneLAN

B------------------------BBB

PFile

server

Clusterona

*singleLAN

Work­

station

LAN

85

•物理距离的限制

LAN上的两台机器其距离超过2500米，必须使用

网桥将这个LAN分隔以保证网络的正常工作；

提高可靠性

网桥可以隔离负载，防止出故障的站点损害全网;

网桥可以有助于安全保密。

86

网桥

定义：网桥（bridge）是工作在数据链

路层的一种网络互连设备，它在互连的

LAN之间实现帧的存储和转发。

87

网桥的基本特征

1.网桥能够互联两个采用不同数据链路层协

议、不同传输介质与不同传输速率的网络;

2.网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方

式实现互联的网络之间的通信;

3.用网桥互联的网络要求在数据链1层以上

采用相同的协议；

4.网桥可以分隔两个网络的广播通信量,有

前手改善同给的性能和安全性。

88

从802.x到802.y的网桥

OperationofaLANbridgefrom802.11to802.3.

89

网桥的基本工作原理

网桥对所连的局域网发来的每一帧，检查

源地址和目的地址。如果目的地址和源

地址不属于同一网络，就留下该帧，然

后使用另一网络的MAC协议，把这个帧发

给另一网络；若两个地址在同一网络，

则不转发。所以网桥能起过滤帧的作用。

90

透明网桥

LAN1LAN2LAN3

透明网桥

•当某个网桥收到一个帧*有两种可

能：

»转发：到达别的LAN

A丢弃：目的地址在本LAN中

•为了完成转发，则要知道往哪个LAN

爰,在网林中存在一个表,曲表中

保存这个网桥所有可能的目的地址。

透明网桥

•扩散算法

在插入网桥（初始化）时,把每个到来

的、目的如不明的便输由到连江此肉秫的

所有LAN中（除发送该帧的LAN）。如果此

帧又到了另一网桥，加该网桥也按同样方

法进行转发，直至到目的站。

随着时间的推移，网桥将了解每个目的地

的位置；

94

透明网桥

•逆向学习算法、\

网桥按照混杂的方式工作。它能看见所连

接的任一LAN上传送的帧，查看源地址&

即可知道在哪个LAN上可访问哪台机器；

如：网桥B1收到来自在LAN2中C的帧,网

桥B1就会知道，经过LAN2肯定能到达C,

于是，在列表中可以添上一项，目的地

址为C的帧应该选用LAN2

95

透明网桥

•散列表维护

A每-项有时间标记；

A网桥中一个进程进行定期扫描,删

除过时的表项；

透明网桥

•到达帧的路由选择、\^

A如源LAN和目的LAN相同，则丢弃

该帧；'

A如果源LAN和目的LAN不同，则转

发该帧；

A如果目的LAN未知，则进行扩散;

97

•并行透明网桥的问题

在两个局域网之间有2个网桥，而造成一个帧在网络中

不停地兜圈子，使网络无法工作。

98

生成树网桥

为了克服网桥中的回路，用一棵到达每个LAN

的生成树覆盖更际的拓扑结构；

使用生成树，可以确保任两个LAN之间只有唯

一一条路径;

•LAN看成节点，网桥用连线来表示,形成一张图;

•对图构造生成树；

实现的方法：每个网桥广播其序列号，选

序列号最小的网桥作为根，然后按根到每个网

标的最短南径来构造生这可。

99

•该方法的结果是建立起从每一个LAN到根

的唯一路径，从而它也是到每个其它LAN

而唯一胳径。

•此树横跨全部的LAN,但不是所

有的网桥都必须出现在此树中，同时