《计算机网络原理与技术(第二版)》第4章介质访问控制.ppt

1、计算机网络,第四章 介质访问控制子层,主要内容,信道分配策略 令牌传递网络 以太网 无线局域网 局域网互联 虚拟局域网,IEEE 802标准系列,1. 信道分配策略,信道划分： 频分多路复用：每个节点分配一个频段 时分多路复用：每个节点分配一个时隙 码分多址：每个节点分配一个编码 随机访问： 每个节点自主决定是否发送，冲突发生后，各个节点随机等待一段时间后重试。 轮流访问： 各个节点按照某种预定的顺序轮流发送，没有冲突。,随机访问-纯ALOHA,基本思想 节点从网络层接收到一个数据包后，立即封装成帧发送。 如果在预定的时间内没有收到确认，节点立即以概率 p 重发该帧，以概率 1-p 等待一个帧

2、时。 在等待之后，仍以概率 p 重发该帧，以概率 1-p 等待一个帧时，直至发送成功。 随机访问信道的效率定义为： 当有大量的活动节点、每个节点总有大量的帧要发送时，长期运行过程中成功传输时间占总时间的份额。 纯ALOHA系统的吞吐量为 S = Ge-2G，其中G为系统负载。当G = 0.5时，S达到最大值，为0.184。,纯ALOHA的易损时间区,随机访问-时分ALOHA,基本思想： 将时间分成一系列离散的时隙，每个时隙用来传输一个帧； 每个节点只能在一个时隙的开始发送（需要一个全局时钟）； 如果在时隙结束前检测到冲突，则节点以概率 p 在后续的每一个隙重传它的帧，直至传送成功。 与纯ALO

3、HA相比，每个帧的易损时间区缩小了，因而冲突的概率随之减小，系统吞吐量随之提高。 时分ALOHA系统的吞吐量为 S = Ge-G。当G = 1时，S达到最大值，为0.368。,时隙ALOHA的易损时间区,纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较,随机访问-CSMA/CD,基本思想： 节点有帧要发送时，先侦听信道； 信道忙则坚持侦听直至信道空闲； 一旦发现信道空闲，立即发送； 传输的过程中检测信道，一旦检测到冲突立即停止发送； 随机等待一段时间后，重新侦听信道。 即使发送前先侦听信道，以下两种情况仍有可能发生冲突： 信号传播延迟不可忽略，相距较远的竞争节点在不知道另一节点正在发送的情况下发送。 两

4、个节点同时等待另一个节点结束传输，然后同时发送。 以上观察表明，该策略仅适用于规模较小和负载较轻的网络。,轮流访问,预约 将时间划分成一系列预约周期和数据传输周期，每个预约周期包含N个时隙，每个节点对应一个时隙。 想发送数据的节点必须在其预约时隙到来时发一个“1”。 预约周期结束后，所有预约的节点按顺序发送。 令牌传递 一个称为令牌的特殊帧在节点间按固定的次序巡游； 节点收到令牌后，若没有数据发送，就将令牌传给下一个节点；否则发送一定数量的帧，再把令牌传给下一个节点。,2. 令牌传递网络,令牌环（802.5） FDDI 令牌总线（802.4）,2.1 令牌环,令牌环由环接口和环接口间的点到点链

5、路组成，节点通过环接口连到网上。 数据沿着一个固定的方向在环上流动，每个节点从上游节点接收数据，然后立即转发到下游节点（边收边发而不是存储转发）。 目的节点将数据接收下来，同时仍向下游转发。 数据返回到发送节点时，发送节点将其从环上取消。,令牌传递,令牌是一个特殊的标记，其中有一个令牌位，该位为“0”表示是一个空闲令牌，为“1”表示该令牌正在被使用。 只有获得空闲令牌的节点允许发送，发送前将令牌位翻转为“1”，发完后将这一位置“0”，释放令牌。 协议规定了每个节点获得令牌后可以发送的最大数据量，以防止一个节点长时间占用信道。 令牌标记中包含优先级比特和预约比特，用于限制当前允许发送的最低优先级

6、以及确定下一个令牌的优先级。 令牌标记中包含一个监控位，用于检测令牌的丢失。,令牌环的帧结构,2.2 FDDI,FDDI在许多方面类似于802.5，但有以下重要区别： 802.5只有一个环，而FDDI由两个传输方向相反的环组成，正常情况下只有主环工作，主环出现故障时启动次环。,FDDI（续）,802.5设计为运行在4Mbps或16Mbps，采用差分曼彻斯特编码；而FDDI设计为运行在100Mbps，采用更高效的4B/5B编码。 在802.5中，数据帧由发送站负责取消，然后由发送站重新生成令牌。而在FDDI中，FDDI让目的节点取消帧，并重新生成令牌，因而FDDI并不是一个严格意义上的广播网络。

7、 FDDI的帧结构及协议也与802.5有些不同。,2.3 令牌总线,令牌总线试图结合以太网和令牌环的优点： 物理上采用总线结构以获得较高的可靠性。 逻辑上采用令牌环的工作原理，各站轮流发送。,令牌总线（续）,令牌总线采用75的宽带同轴电缆，其传输技术和使用50基带同轴电缆的802.3完全不同。 节点按地址从高到低的顺序组织在一个逻辑环中，令牌按地址从高到低的顺序传递。 令牌中携带地址，表明该令牌是传给谁的。 收到令牌的节点可以发送数据，然后将令牌传递给后继节点。 令牌总线的帧结构。 令牌总线的正常操作很简单，但网络的维护和管理很复杂。,令牌总线的帧结构,3. 以太网,传统以太网 快速以太网 千

8、兆以太网 交换式以太网,3.1 传统以太网,物理层布线 10Base-5 粗同轴电缆，收发器，收发器电缆，AUI连接器，终端匹配器；采用总线型拓扑。 10Base-2 细同轴电缆，BNC连接器，终端匹配器；采用总线型拓扑。 10Base-T 双绞线，RJ-45连接器，集线器（hub）；采用星型拓扑。 10Base-F 光纤，光收发器，光集线器；采用星型拓扑。 可使用中继器连接多个网段。（图） 粗/细缆以太网在新建的局域网中已很少使用；双绞线以太网成为连接桌面系统最流行的局域网技术；光纤以太网常用于建筑物间的连接。,10Base-T 与 10Base-F 布线,使用中继器连接多个网段,以太网帧结

9、构,DIX以太帧结构： 前导码：使接收端与发送端时钟同步 地址：通常使用6字节地址（MAC地址） 类型：指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理 数据：0-1500字节 填充：0-46字节，当帧长太短时填充帧，使达到64字节最小长度。 校验和：CRC校验 802.3帧格式与DIX 以太帧格式的不同： 帧起始标志：与802.4和802.5相兼容 长度域：替代了DIX帧中的类型域，指出数据域的长度。 这两种格式都可使用，当类型/长度域的值大于1500时解释为类型域，否则解释为长度域。,DIX以太帧与802.3帧,MAC地址,每一块网络适配器（网卡）固定分配了一个地址，称为MAC地址，也称物理地

10、址。 MAC地址长6个字节，一般用由冒号分隔的6个十六进制数表示，如 8:0:2b:e4:b1:2。 全局地址和局部地址 局部地址：地址次高比特为1，由网管分配且只在本网内有效。 全局地址：地址次高比特为0，由IEEE统一分配。 目的地址类型： 单播地址：目的主机适配器的MAC地址，地址最高比特为0。 多播地址：地址最高比特为1，其余不全为1。 广播地址：48位全是1。 以太网中传输的每一个帧可被每一个适配器收到，但适配器仅将发给本节点的帧交给主机。,介质访问控制,以太网采用CSMA/CD作为介质访问控制协议： 发送前监听信道： 信道忙则坚持监听，直至信道空闲； 一旦发现信道空闲，立即发送。

11、发送时继续监听信道，若检测到冲突立即停止传送帧，并发送一个阻塞信号。 进入指数退避（exponential backoff）阶段，随机等待一段时间，重新监听信道。,冲突检测,若信号在以太网上相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2，为保证发送节点能够检测到冲突，帧的发送时间至少应为2。 在最大配置的以太网（带有4个中继器、直径为2500米的粗缆以太网）中， 2=51.2s ，这在10Mbps速率下对应于512比特（64字节）的最小帧长。,冲突解决,指数退避算法 冲突产生后，时间被分成一系列长为51.2s的时隙。 第一次冲突后，设置参数 n = 1，然后从02n-1中随机选择一个整数 k，等待 k

12、51.2s 后重试。 以后每发生一次冲突，就将 n 加倍，然后从02n-1中随机选择一个整数 k，等待 k51.2s 后重试。 算法规定 n 最大为10。 适配器通常最多尝试16次，仍冲突则向上层报告出错。,以太网的性能,以太网适合在轻负载下工作，通常超过30%的利用率就认为是重负载了。 多数以太网工作在较保守的状态下： 大部分以太网上的主机数小于200。 大部分以太网的规模远小于2500米，往返延迟接近5s而不是51.2s。 主机通常会提供某种端到端的流量控制机制。,3.2 快速以太网,标准为802.3u，除了数据速率提高到100Mbps以外，完全保留了802.3的MAC层（帧格式、接口及处

13、理规程）。 定义了三种新的物理层标准（布线方案）： 100Base-TX：5类非屏蔽双绞线 100Base-T4：3类非屏蔽双绞线 100Base-FX：光纤 物理层上只使用集线器和交换机进行组网，且传输介质只使用双绞线和光纤。,100Base-TX,5类双绞线布线方案。 使用两对双绞线，一对用于输入，一对用于输出。 每对双绞线运行在125Mbaud上，使用4B/5B编码，每对双绞线可以获得125M4/5 = 100Mbps数据速率。 该方案可在两个方向上获得100Mbps数据速率。 采用RJ-45连接器。,100Base-T4,3类双绞线布线方案。 使用一根电缆中的全部四对双绞线，一对固定作

14、为输入，一对固定作为输出，还有两对总是切换到当前传输方向上，因此当前传输方向上有三对双绞线。 每对双绞线采用25M波特信号速率，传输3状态信号，将三对双绞线视为一体，则信号状态有27种，每种状态至少携带4比特数据。 当前传输方向上可以获得425M = 100Mbps的数据速率，同时在另一方向上仍然保留33.3Mbps的带宽（一对双绞线）。 该方案仅在一个方向上获得100Mbps数据速率。 采用RJ-45连接器。,100Base-FX,光纤布线方案。 使用两条多模光纤，一条用于输入，一条用于输出。 采用4B/5B编码，每条光纤均提供100Mbps的数据速率。 计算机与组网设备间的距离可以达到20

15、00米。,组网设备与自动协商模式,组网设备 100Base-T（100Base-T4和100Base-TX）既可以用hub也可以用交换机来连接计算机，但用hub连接时站点只能工作在半双工模式下，而用交换机连接时可工作在全双工模式下。 在100Base-FX布线中，由于传输距离已经超过了CSMA/CD使用的范围，因此只能用交换机连接计算机，站点工作在全双工模式下。 自动协商模式 允许两个站点自动配置通信的最佳速率和通信方式（全双工或半双工），从而可以方便地连接已有的10Mbps站点，也便于10Mbps站点的升级。,3.3 千兆以太网,标准为802.3z，除数据速率提高到1Gbps以外，仍然与已有

16、的以太网标准相兼容，包括帧格式、最小和最大帧长限制等。 所有配置都是点到点的，即必须使用集线器或交换机。 支持全双工和半双工两种操作模式。 支持铜线和光纤布线。 支持流量控制。,操作模式,全双工： 缺省模式，当使用交换机连接时使用这种模式。 没有冲突，不使用CSMA/CD，线路的长度只取决于信号的强度。 交换机可以随意混合和匹配速率，也支持自动协商模式。 半双工： 当使用集线器连接时使用这种模式。 使用CSMA/CD，线路上传输的最小帧长512字节，网络规模200米。 载波扩展：链路层上仍使用64字节的最小帧长，但由发送硬件在发送时填充至512字节，并由接收硬件自动去除。 帧突发（frame

17、bursting）：发送端可将多个帧放在一起传输，以避免将每个帧填充至512字节。,布线（1）,双绞线布线： 1000Base-CX： 使用2对屏蔽双绞线，双绞线最长25米，实际很少使用。 1000Base-T： 使用4对5类非屏蔽双绞线，双绞线最长100米。 每对双绞线运行在125M波特。 采用PAM5编码，5个电平等级，其中四种电平用于编码数据，一种电平用于控制，因此每个信号携带2比特数据。 4对双绞线可以获得24125M = 1000Mbps数据速率。 每对双绞线都可以双向传输，因此可在两个方向上获得1000Mbps数据速率。,布线（2）,光纤布线： 1000Base-SX：使用多模光纤

18、，光纤最长550米。 1000Base-LX：使用单模光纤，光纤最长5000米。 每条光纤运行在1250Mbaud信号速率，使用8B/10B编码，数据速率1250M 8/10 = 1000Mbps。,3.4 交换式以太网,共享式以太网的问题： 在有N个节点的系统中，每个节点平均只能获得总带宽的1/N. 当较多的节点加入网络时，由于冲突增加，导致网络性能下降。 解决网络规模与网络性能之间矛盾的几种方法： 提高网络速度：不能从根本上解决冲突增加的问题。 网络分段：增加设备代价，管理困难。 交换技术：将冲突域中的节点数减少到一个，避免冲突的发生，从根本上改变共享式局域网的结构。,交换机,交换机是交换

19、式以太网的核心： 由一个高速交换背板和若干线卡组成。 每块线卡上有一些端口，每个端口可连接一台主机。 数据帧通过背板在不同线卡间交换。 线卡的两种构造方法： 线卡上的所有端口连接在一起，形成一个冲突域。 线卡上的每个端口有一个输入缓存，输入的帧首先缓存在卡的RAM中，然后再拷贝到目的端口所对应的RAM中，即每个端口是一个独立的冲突域。,交换机示意图,交换式以太网的优点,交换式以太网将“共享”变为“独享”： 交换机为每个端口提供专用的带宽； 每个节点通过专用链路连到交换机的一个端口。 网络的总带宽为各个交换端口带宽之和。 随着用户的增多，网络带宽不断增加而不是减少，即使网络负载很重也不会导致网络

20、性能下降。 交换式以太网从根本上解决了网络规模与网络性能的矛盾问题。,4. 无线局域网,无线局域网主要用作有线局域网的补充： 有线局域网用来连接服务器和固定的工作站，并连接到因特网上； 无线局域网用来连接不易布线的节点或移动节点； 无线局域网的设备通常连接到有线局域网上。 目前无线局域网最流行的标准是802.11。,网络结构,有基础设施的无线局域网： 无线节点通过基站（也称接入点AP）相互通信，每个AP及连接到该AP的无线节点组成一个单元（cell）。 AP通常连接到一个有线网络上。 AP及连接AP的有线网络称为基础设施。 自组织网络： 无线节点之间相互直接通信，形成一个无中心控制并与“外部世

21、界”无连接的网络。,无线局域网的两种结构,介质访问控制,为什么CSMA/CD不适用于无线局域网？ 存在隐藏节点问题和暴露节点问题，这是因为CSMA只能告诉发送站，在发送站周围是否有站点在传输，而发送站真正想知道的却是，在接收站周围是否有站点在传输。 大多数无线节点的收发器是半双工的，无法同时发送和接收数据，这意味着它们不能在发送数据的同时进行冲突检测。 802.11不支持冲突检测，因而采用了许多冲突避免技术。 由于无线信道的误码率较高，802.11在MAC层上使用了自动重传机制，事实上 这个机制也被用来进行冲突检测。,隐藏节点和暴露节点,操作模式,PCF模式： 使用基站控制单元内的所有通信服务

22、，只能用于有基础设施的无线网络。 轮询服务：基站依次询问单元中的节点，被询问到的节点可以发送，不会有冲突发生。 电源管理：基站可以指示某些节点进入睡眠状态以节省电源。 DCF模式： 可用于自组织网，也可用于有基础设施的无线网络，后者AP和其它无线节点一起竞争信道。 使用CSMA/CA作为MAC层协议，支持信道预约和无信道预约两种机制。,信道预约机制,若A想向B发送一个数据帧： A向B发送一个RTS帧，给出发送数据帧及确认帧需要的总时间。 B收到后回复一个CTS帧，帧中给出同样的时间。 A收到CTS帧后开始发送，并启动一个定时器等待确认。 若定时器超时，A重复以上过程。 若有两个站同时发送RTS

23、帧，则会产生冲突，这时不成功的发送方随机等待一段时间后重试。 该机制的要点是利用RTS和CTS帧通知发送方及接收方周围的节点在随后的一段时间内保持沉默，以便让发送方与接收方无干扰地通信。 段突发机制：802.11允许发送站将帧分成较小的段传输以减小出错重发的通信量。每个段单独编号，采用停-等协议传输。节点在获取信道后可以连续地将一个帧的所有段全部发完。,使用RTS/CTS预约信道,段突发,帧间距机制,802.11允许DCF和PCF在一个单元内共存，这是通过帧间距机制实现的。,无信道预约机制,当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道： 若一开始就侦听到信道空闲，则在等待了DIFS时间后发送该帧。 若

24、信道忙，则选取一个随机的回退值，并在侦听到信道空闲时开始递减该值。在此过程中若侦听到信道忙，则冻结计数值。 当计数值减为0时，该节点发送整个帧并等待确认。 若收到确认帧，表明帧发送成功；若还要发送下一个帧，从第2步开始CSMA/CA协议；若未收到确认，节点重新进入第2步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。 CSMA/CA与CSMA/CD的不同： 在CSMA/CD中，节点侦听到信道空闲时立即发送；而在CSMA/CA中，节点要推迟发送，尤其在第2步中要随机回退。这是为了避免有多个站同时等待信道空闲，并在发现信道空闲后立即发送而造成的冲突。,帧结构,帧类型：数据帧、控制帧和管理帧。 数据帧

25、结构：,物理层特性,802.11 infrared：红外通信，格雷码 ，1Mbps和2Mbps两种速率。优点是各个房间的通信系统互不干扰，缺点是带宽太低。 802.11 FHSS：跳频扩频通信，工作在2.4GHz频带， 1Mbps和2Mbps两种速率。优点是安全性好，抗干扰强，常用于建筑物之间的通信，缺点是带宽太低。 802.11 DSSS：直序扩频通信，工作在2.4GHz频带，1Mbps和2Mbps两种速率。 802.11a OFDM：正交频分多路复用，工作于5GHz频带，最高速率54Mbps。优点是抗窄带干扰强，并能够使用非连续信道。 802.11b HR-DSSS：高速直序扩频，工作于2

26、.4GHz频带，有1、2、5.5和11Mbps四种速率，通信范围是802.11a 的7倍。 802.11g OFDM：工作在2.4GHz频带，理论上可以达到54Mbps。,5. 局域网互联,使用网桥连接局域网 透明桥 生成树算法 远程桥 使用交换机连接局域网,网桥的应用,使用网桥的几种典型情况： 将各部门原有的局域网互联起来，实现更大范围的资源共享。 将地理位置上相距较远的几个局域网互联起来。 将逻辑上一个较大的局域网分成多个网段，降低每个网段上的负载。 将重要的网段用网桥与其它网段隔离，可提高被保护网段的安全性。 ,用网桥连接两个局域网,用网桥连接不同局域网的困难,用网桥连接不同局域网的困难

27、： 帧格式不同：需要重新组帧和重新计算校验和，在此过程中可能会在拷贝帧时由于内存位出错引入不可检测的错误。 网络速率不匹配：要求网桥能够缓存大量的帧，但仍有可能因内存不够而丢失帧。 最大帧长不同：数据链路层协议不能处理帧的分片与重组，因此超过目的网络最大帧长的帧只能被丢弃。 优先级：令牌传递网络支持优先级，而以太网不支持。 安全措施：802.11支持数据链路层加密，而以太网不支持。,5.1 透明桥,工作原理： 透明桥工作于混杂模式，接收与之相连的所有局域网上的帧。 对于收到的每一个帧，查找内部的一张转发表，决定是丢弃还是转发，转发的话从哪个端口转发。转发表记录了网桥已知的各个目的地址、这些地址

28、所属的输出线路和最近一次来自于该地址的帧到达网桥的时间。 若帧的目的地址未知（即不在转发表中），用扩散法转发。 网桥通过逆向学习法获知各个目的地址所属的输出线路，更新转发表。 为适应网络的拓扑变化，网桥周期性地扫描转发表，将那些超过几分钟的入口清除掉。,透明桥连接局域网示例,透明桥的处理过程,当透明桥收到一个帧后，要进行以下处理： 用帧的目的地址查找转发表（进行转发决策）： 若目的地址的输出端口与帧的输入端口相同，丢弃帧。 若目的地址的输出端口与帧的输入端口不同，从输出端口转发帧。 若目的地址不在转发表中，在除输入端口以外的所有端口转发帧。 用帧的源地址查找转发表（更新转发表）： 若找到该地址

29、，将对应表项的生存期设为最大值。 若没有找到该地址，将源地址与输入端口添加到转发表中，设置表项的生存期为最大值。 网桥定期扫描转发表，递减每个表项的生存期值，并将那些生存期值减为0的表项删去。,5.2 生成树算法,以上由网桥和局域网形成的互连网络中不存在环，透明桥工作得很好；但每个网桥都是一个单故障点，系统可靠性不高。 提高系统可靠性的方法是提供冗余的网桥，但这样在网络中又形成了环。 解决思路： 仅在有网桥发生故障时才启用冗余链路，而平时仅使用没有环路的拓扑结构转发帧。 问题归结为求网络拓扑图（网桥为边，局域网为顶点）的一棵生成树。,局域网与网桥构成环路,生成树的构造,IEEE 802.1D标

30、准化了构造生成树的分布式算法： 首先选举具有最小序列号的网桥作为生成树的根。 每个网桥计算到根的最短距离，构造出一棵覆盖所有顶点的最短路径树，路径的长度用节点距离根的跳数测量。 生成树构造完成后，只有位于生成树中的网桥能够在属于生成树的边上转发帧。 生成树算法一直在每个网桥上运行，当树中的某个网桥或局域网出现故障时，重新计算生成树。,5.3 远程桥,远程桥（续）,远程桥之间通过点到点线路相连。 点到点线路上运行某种类型的点到点数据链路层协议，如PPP。 在两个局域网间交换的帧在点到点线路上有两种传输方式： 若源网络和目的网络相同，完整的MAC帧可放在点到点数据链路层帧的载荷中传输。这种方式最简单，它避免了帧格式转换的麻烦，称为隧