计算机网络考研辅导讲座数据链路层中

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第四讲 数据链路层(中),1,第四讲：数据链路层,(,中,),2011年考研大纲考查范围:,数据链路层（局域网部分）：,2,知识点归纳,(六)局域网,1.局域网的基本概念与体系结构,分析,LAN,特性的三个方面：传输介质、拓扑结构、介质访问控制方法（,MAC），,其中,MAC,最重要。,传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电、红外,拓扑结构：星形、总线形、环形、树形,3,知识点归纳,IEEE,在1980年2月成立了局域网标准化委员会（简称,IEEE 802,委员会），专门从事局域网的协议制订，形成了一簇的标准，称为,IEEE 802,标准。该标准已被国际标准化组织,ISO,采纳，作为局域网的国际标准系列，称为,ISO 8802,标准。在这些标准中，根据局域网的多种类型，规定了各自的拓朴结构、帧格式、媒体访问控制方法等内容。,IEEE 802.1,是局域网的体系结构、网络管理和网际互连协议。,IEEE 802.2,规范了数据链路层与媒体无关的部分，放在,LLC,子层。,LLC,（Logical Link Control）,逻辑链路控制子层，负责完成通常意义下的数据链路层功能，如差错控制、流量控制等。,MAC,（Media Access Control）,介质访问控制子层，专门负责解决设备使用共享信道的问题。,4,涉及与媒体访问有关的放,MAC,子层，根据具体网络的媒体访问控制方法分别处理。其中主要的,MAC,协议有：,IEEE 802.3,载波监听多路访问/冲突检测,CSMA/CD,访问方法和物理层协议；,IEEE 802.4,令牌总线（,Token Bus）,访问方法和物理层的协议；,其物理上是总线结构，逻辑上是令牌环；,IEEE 802.5,令牌环（,Token Ring）,访问方法和物理层协议；,IEEE 802.6,关于城域网的分布式队列双总线,DQDB,（Distributed Queue Dual Bus）,的标准等；,IEEE 802.11,是无线局域网的介质访问方法和物理层协议；,(,WiFi),IEEE 802.15,是无线个人区域网,WPAN,的介质访问方法和物理层协议；,IEEE 802.16,是无线城域网,WMAN,的标准。,(,WiMAX),知识点归纳,5,知识点归纳,分成,MAC、LLC,两个子层的好处：,局域网可采用多种传输介质与拓扑，相应地介质访问控制方法就有多种。将数据链路层分成两个子层，只要设计合理，使得,MAC,子层向上面提供统一的服务接口，就能将底层的实现细节完全屏蔽掉。,即：不同的物理网络，物理层与,MAC,子层不同， 而,LLC,子层相同，网络的上层协议可运行于任何一种,IEEE 802,标准的局域网上。,这种分层方法也使得,IEEE 802,标准具有良好的可扩充性，可以很方便地接纳新的介质与介质访问控制方法,。,6,知识点归纳,7,知识点归纳,IEEE 802,标准定义了,LLC,子层和,MAC,子层的帧格式。数据传输过程中，,LLC,子层将高层递交的报文分组作为,LLC,的信息字段，再加上,LLC,子层目的服务访问点（,DSAP）、,源服务访问点（,SSAP）,及相应的控制信息以构成,LLC,帧。,DSAP,SSAP,控制,数 据,1,1,1,or 2,长度无限制 单位：字节,LLC,帧：,LLC,首部,DSAP：,目的服务访问点地址 (如,B1、B3),SSAP：,源服务访问点地址 (如,A1、C1),LLC,MAC,PHY,LLC,MAC,PHY,LLC,MAC,PHY,( ),( ),( ),( ),( ),( ),进程,X,进程,Y,A,B,C,B1,B2,B3,A1,A2,C1,进程,A,进程,C,8,知识点归纳,由于,Internet,发展很快， 而,TCP / IP,体系经常使用的局域网是,DIX,Ethernet II,标准的网络，而不大用,IEEE 802.3,标准中的几种局域网，因此现在,IEEE 802,委员会制定的逻辑链路控制子层,LLC（,即 802.2 标准）的作用已经不大， 只用于一些局域网体系结构分析的文章中，,很多厂商生产的网卡上就仅装有,MAC,协议而没有,LLC,协议,，在分析实际的,TCP / IP,网络时要注意这一点。,9,知识点归纳,2.,以太网与,IEEE 802.3,以太网的规范为,IEEE 802.3,，,介质访问控制采用,CSMA/CD,。,为了通信的简便， 以太网采取了两种方法：,第一，采用,无连接,的工作方式，即不必先建立连接就可以,直接发送数据,。,第二，,不要求,收到数据的目的站发回,确认,。不要确认的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。,每块以太网络接口卡(,NIC),都有自己48位的,MAC-48,地址(硬件地址)，通用名为扩展唯一标识符,EUI-48,，,在全世界范围内地址唯一。其中，前24位为,IEEE,分配的生产网卡公司的组织唯一标识符,OUI,(,如3,COM,为02-60-8,c)，,后24位由厂家给自己生产的每块网卡自行指派的序号。,10,知识点归纳(,CSMA/CD,工作流程),介质忙？,载波监听,冲突窗口内检,测到冲突？,发送完？,发送,Jam,N16,?,Yes,No,No,Yes,发送成功,Yes,发送失败,No,二进制指数退避，,延迟一随机时间,No,Yes,发送帧,冲突次数,N+,11,具有冲突检测的载波监听多路访问,CSMA/CD：,工作原理：某站点要发送数据帧前，先监听信道，若信道空闲, 则立即发送数据,帧，若信道忙，则坚持一直监听到信道空闲，然后立即发送数据帧，,发送数据帧的同时，边发送边监听(在冲突检测窗口的2,时间内，其,中2,为最远的两个端点间一来一回传输的时间,),若在此期间监听到,冲突，立即停止发送，并,发送Jam干扰信号串,到网上,通知,全网,站点,以,强化冲突，,使各冲突的站点马上停止发送，使信道很快空闲下来，然,后按,截断的二进制指数退避算法,延迟一段随机时间，再监听信道尝试,发送。,1-坚持,CSMA,再加上,CD (,冲突检测,)。,冲突检测方法：,（1） 比较接收到的信号电压的大小,或（2） 检测曼彻斯特编码的过零点,或（3） 比较接收到的信号与刚发出的信号,退避算法：为截断的二进制指数退避算法，来决定重发时延：从, 0, 1, 2, ., 2,k,-1 ,中随机取一个数,r，,重发时延 =,r (,2,),，,其中,k = min,重发次数，10,知识点归纳（,CSMA/CD,）,12,知识点归纳,由于,10,M,以太网,最大直径时的一来一回的时延定为 512 位时间(51.2,s)，,最短的以太幀必须达到512位(64字节)，考虑到电信号在电缆中传输速度200,m /s,及在中继器中的延迟,10,Mbps,粗缆时两站间最长距离不能超过2.5公里。,3-4-5,原则,：10,Mbps,以太网规划中应该遵循的规则，,从而保证以太网能够正常工作。,5,指任意两个站点间最多有,5,个以太网网段,4,任意两个站点间最多有,4,个中继器,3,表示任意两个站点间最多有,3,个网段有站点相连,也就是说如果两个站点间有,5,个以太网网段，并不是所有的网段都可以连接站点，有些网段只是用来扩展网络的距离。,13,知识点归纳,10,Mbps,以太网,的,3-4-5原则,与直径：,14,知识点归纳,HUB,就像是一根缩短的总线：,15,知识点归纳,Category 3/4/5/6 UTP,支持的带宽：,Cat.3 UTP(1&2, 3&6) 10BASE-T,Cat.5 UTP(1&2, 3&6) 100BASE-TX,Cat.5e UTP(1&2, 3&6,4&5,7&8) 1000BASE-T,16,知识点归纳,MAC,子层两个主要功能：,(1)数据的封装与解封(组幀、寻址和错误检测),(2) 介质访问管理(介质分配和冲突解决),发送数据封装,接收数据解封,发送介质,访问管理,接收介质,访问管理,发送数据编码,接收数据解码,LLC,MAC,PHY,17,MAC,帧,字节,6,6,2,4,IP,层,物理层,目的地址,源地址,长度,/,类型,FCS,MAC,层,110 110101011,前同步码,帧开始,定界符,7,字节,1,字节,8,字节,插入,数 据,MAC,子层,IP,层,LLC,子层,802.2,LLC,帧,当长度,/,类型字段,表示长度时,802.3,MAC,帧,Ethernet II,MAC,帧,Novell,网络使用这种,802.3 + 802.2,帧,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,1,1,1,控制,数 据,字节,DSAP,SSAP,控制,IP,数据报,IP,数据报,Internet TCP/IP,网络的,Ethernet II,帧格式,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,18,知识点归纳,无效的,MAC,帧：,数据字段的长度与长度字段的值不一致；,帧的长度不是整数个字节；,用收到的帧检验序列,FCS,查出有差错；,数据字段的长度不在,46 1500,字节之间。,有效的,MAC,帧长度为,64 1518,字节之间。对于检查出的无效,MAC,帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,帧间最小间隔为,9.6,s,，相当于,96 bit,的发送时间。,一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待,9.6,s,才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。,19,快速以太网 (,Fast Ethernet):,快速以太网 (,Fast Ethernet，FE)，,包括100,BASE-X,（100BASE-TX、100BASE-FX）,和 100,BASE-T4。,与10,Mbps,以太网的比较：,传输率快10倍，因而冲突域直径减小约10倍,MAC,子层仍采用,CSMA/CD,但重新定义了物理层规范,帧类型,、,幀长、幀格式仍沿用,IEEE 802.3，,但幀间间隔,由 9.6,s,调整为0.96,s (,因为传输速率提高了10倍),知识点归纳,20,快速以太网物理层:,知识点归纳,21,快速以太网分类:,知识点归纳,22,100,BASE-TX,实现:,100,BASE-TX,使用 2 对 5 类,UTP,电缆，用线对 1/2(发送), 3/6(,接收)，电缆制作同10,BASE-T，,连接器使用8针,RJ-45,连接器，从站点到集线器或交换机间的距离应小于 100,m。,知识点归纳,23,100,BASE-TX,的连接距离:,II,类中继器,HUB,只连接相同类型的快速以太网站点，时延,0.46,s，,一个冲突域可有2个中继器,HUB。,知识点归纳,24,I,类中继器,HUB,可连接不同类型的100,BASE-TX,-FX,-T4,并进行适配转换，时延0.7,s，,一个冲突域只能有1个中继器。,知识点归纳,25,100,BASE-FX,实现:,100,BASE-FX,使用 2 根多模或单模光纤,，,一根光纤用来发送,一根用来接收，可使用,SC(,多使用此,),或,ST,连接器。,CSMA/CD,半双工与,HUB,连接时最长可4,00m(,为确保能检测冲突,)，,使用多模光纤全双工与交换机连接时可2,km，,而使用单模光纤全双工与交换机连接时可10,km。,知识点归纳,26,快速以太网的自动协商:,自动协商（,Auto Negotiation）：,使连接在一条线路上的两个设备能够告知另一端可能的速率，集线器或网卡将自动调整速率至最高的公共水平，即线路两端可能具有的最高速率。,按优先权从高到低依次为：,100,BASE-TX,全双工,100,BASE-T4,100BASE-TX,10BASE-T,全双工,10,BASE-T,知识点归纳,27,Auto Negotiation,举例:,加电时，线路两端的设备互相告知另一端自己可能的速率，集线器或网卡将自动调整速率至线路两端可能具有的,最高公共速率,，即,10BASE-T Half Duplex,。,知识点归纳,28,快速以太网组网实例:,知识点归纳,29,千兆以太网(,Gigabit Ethernet， GE):,允许速率在1,Gbps,下全双工(交换机)和半双工(,HUB),两种方式工作,采用802.3协议规定的,MAC,帧格式,半双工方式下使用,CSMA/CD,协议,全双工方式不使用,CSMA/CD,与 10,BASE-T,和100,BASE-T,技术向后兼容,千兆位以太网有两个物理层标准：,IEEE 802.3z (,1000,BASE-X, 1998.6),IEEE 802.3ab (,1000,BASE-T, 1999.4),1000,BASE-X：,对应于802.3,z,标准,，该标准基于光纤通道的物理层，使用媒体有三种：1000,BASE-SX(,多模光纤，用850,nm,短波长激光器)、 1000,BASE-LX (,多模或单模光纤，用1300,nm,长波长激光器)、1000,BASE-CX (,短距离平衡型铜缆)。,1000,BASE-T：,对应于802.3,ab,标准,，该标准使用增强型5类(超5类)或,6,类,UTP，,一根,UTP,电缆中的8根线(4对)全部用上了。并采用了与100,BASE-TX,类似的自动协商机制。,知识点归纳,30,千兆以太网系列:,802.3,z,802.3,ab,MAC,层,物理层,传输媒体,知识点归纳,31,千兆以太网,的最大传输距离:,知识点归纳,32,千兆以太网,关键技术:,千兆以太网工作在,半双工方式,时：,必须进行冲突检测，由于速率比以前又提高10倍，因此只能减小最大电缆长度10倍或增大最短幀长度10倍，前者使最大电缆长度减小到10,m，,实用价值太小；后者在发送短数据时开销又太大，所以在保持网段最长100,m,的同时，采用下法：,(1) 载波延伸,(carrier extension),(2) 分组突发,（,packet bursting),千兆以太网工作在,全双工方式,时：,通信双方可同时进行发送和接收数据，此时无冲突发生，不使用冲突检测，因此不使用载波延伸和分组突发。,知识点归纳,33,最小帧长仍保持64字节（512位）不变，但规定争用期为512字节（即4096位时间）。当发送一帧时，如果帧长小于512字节，那么物理层将发送一个特殊的“扩展载波”符号序列进行填充，直至帧长达到512字节。,目地地址,源地址,数据长度,数 据,FCS,MAC,帧的最小值,= 64,字节,载波延伸,前同步码,加上,载波延伸使,MAC,帧长度,=,争用期长度,512,字节,在以太网上实际传输的帧长,6,字节,8,字节,6,字节,2,字节,4,字节,载波延伸法:,知识点归纳,34,分组突发法：,当有很多短帧要发送时，第一个短帧用载波扩展的方法进行填充，但随后的一些短帧则可一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可，形成一串分组突发，直至总长达到1500字节或稍多。,发送的,数据,分组,#1,RRRRRRRR,分组,#2,RRRR,分组,#3,RRR,分组,#4,争用期,512,字节,将突发计时器设定为,1500,字节,载波延伸,载波,监听,知识点归纳,35,千兆以太网实现：,知识点归纳,36,1000,Base-X,的实现：,1000,BASE-SX (,多模光纤，用850,nm,短波长激光器),1000,BASE-LX (,多模或单模光纤，用1300,nm,长波长激光器),1000,BASE-CX (,短距离平衡型铜缆),知识点归纳,37,1000,Base-T,的实现：,使用增强型5类(超5类) 或,6,类,UTP，,一根,UTP,电缆中的8根线(4对) 全部用上,知识点归纳,38,千兆以太网的应用：,知识点归纳,39,万兆以太网（,10Gigabit Ethernet，,10,GE）：,万兆以太网以比前者10倍以上的能力增加带宽，其通信处理通力将极大地缓解局域网主干网所承受的压力，同时也为用户提供高效运行数据密集型应用程序所需的可伸缩性和速度。更重要的是，它还从根本上对城域网、广域网以及其它长距离网络应用提供了极大支持，它与现存的大量,SONET（,电信使用的光网络）兼容，可将万兆以太网流量映射到,SONET,的,STS-192c,帧中。,万兆以太网标准对物理层进行了重新定义。新标准的物理层有两种：分别为,LAN,物理层,和,WAN,物理层(可选),。,LAN,物理层提供了现在正广泛应用的以太网接口，传输速率为,10,Gb/s,；WAN,物理层则提供了与,SONET OC-192c (STS-192c),和,SDHSTM-64,相兼容的接口，传输速率为,9.95328,Gb/s,。,知识点归纳,40,万兆以太网的幀格式与10,Mb/s，100Mb/s，1Gb/s,以太网的幀格式完全相同，还保留了802.3标准规定的,以太网最小和最大幀长,，这样它仍能和较低速率的以太网很方便通信。,只使用光纤,作为传输媒体。,它使用长距离（超过40,km）,的光收发器与单模光纤接口，以便能够工作在广域网和城域网的范围。万兆以太网也可使用较便宜的多模光纤，但传输距离为65300,m。,只工作在全双工方式,，因此不存在争用问题，也不使用,CSMA/CD,协议，,传输距离不再受进行冲突检测的限制而大大提高,（交换网络的传输距离只受光纤所能到达距离的限制）,，而且使标准得以大大简化。,知识点归纳,41,万兆以太网的物理层：,局域网物理层,LAN PHY,。,局域网物理层的数据率是,10.000,Gb/s,。,可选的广域网物理层,WAN PHY,。,广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“,Gb/s”,的,SONET/SDH（,即,OC-192/STM-64）,相连接。,为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到,OC-192/STM-64,帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为,9.95328,Gb/s,。,知识点归纳,42,端到端的以太网传输：,万兆以太网的出现，使以太网的工作范围已经从,局域网,（校园网、企业网）扩大到,城域网,和,广域网,，从而实现了,端到端,的以太网传输。,10,G,以太网巨大的带宽使之可以成为园区骨干网或企业数据中心的首选，更使城域网和广域网的面貌焕然一新。长距离,LAN,物理层和兼容,SONET,的,WAN,物理层的定义，赋予以太网在广域网中前所未有的强大形象。,在宽带城域网的大量建设中， 万兆或万兆捆绑这样的宽带需求在城域网中的汇聚层及骨干层有相当多的市场需求。 由于10,G,以太网又支持与,SONET/SDH,基础架构的无缝连接能力， 这使得10,G,以太网方案将在新兴的宽带广域网市场取得发展。可以设想， 10,G,以太网在城域网中的应用将可在同一城市中任意两座大楼间实现互连，通过光纤实现10,G,以太网连接， 用户将得到前所未有的高速传输速率。,知识点归纳,43,3.,无线局域网与,IEEE 802.11,知识点归纳,WLAN,在无线网络中的位置,44,WLAN (Wireless Local Area Network ),是指传输范围在 100米左右的无线网络，它的推动联盟为,Wi-Fi Alliance （,目前都以,Wi-Fi,产品的称呼来形容 802.11 的产品），可用于单一建筑物或办公室之内，,需要使用,WLAN,的场合主要包括：,(1)不方便架设有线网络的环境;,(2)使用者时常需要移动位置;,(3)临时性的网络。,802.11 WLAN,主要面向两种应用类型：,(1),接入,：无线站点通过无线接入设备访问企业网络,(2),中继,：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼(,LAN),与大楼(,LAN),之间的数据传输,知识点归纳,45,在实际使用上，通常会将,WLAN,和现有的有线局域网结合，不但增加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围。,IEEE,的802.11及其相关标准：,(,IR),IEEE 802.11b,11Mbps,，,使用,DSSS,技术,11,或,13,个信道，最多3个互不重叠，工作在,2.4,GHz,频段,IEEE 802.11a,54Mbps,，,使用,OFDM,技术,多个信道，最多,12,个互不重叠，工作在,5,GHz,频段,IEEE 802.11g,54Mbps,，,使用,OFDM,技术, （802.11,g,兼容802.11,b）,11,或,13,个信道，最多3个互不重叠，工作在,2.4,GHz,频段,IEEE 802.11n,108,Mbps320M,甚至,600Mbps,，,双频工作模式（含,2.4,GHz,和,5,GHz,两个工作频段）, 兼容以往的802.11,a/b/g,标准。采用,MIMO,与,OFDM,调制相结合、天线等传输技术使传输距离大大增加，可达几公,里（并能够保障100,Mbps,的传输速率）。,知识点归纳,46,802.11,b/g,互不重叠信道的选择：,1,6,11,2.412,G,2.4,GHz,2.417,2.422,2.427,2.432,2.437,2.442,2.447,2.452,2.457,2.462,2.467,2.472,2.4835,GHz,2,3,4,12,5,7,8,9,10,13,22,MHz,北美使用111信道，欧洲使用,113,信道。由图知，某信道的信号传送时会与相邻的多个信道产生重叠，若在同一个空间建立多个,BSS/IBSS,时，要让它们所用的信道不会互相重叠而产生干扰。在同一个空间最多只能使用1、6、11这三个信道，若选用其他信道，最多只能有2个互不干扰的信道。,知识点归纳,47,同一空间,802.11b,多信道的使用增加带宽,Blue = 11Mb,/s,(channel 1),Green = 11Mb,/s,(channel 6),Red = 11Mb,/s,(channel 11),Total Bandwidth=33Mb,/s,!,48,无线局域网,WLAN,的组成，两种类型的,WLAN ：,1. Infrastructured,网,（有固定基础设施的网络）,2. Ad Hoc,网,（特定网络，或称自组网络，无固定基础设施）,知识点归纳,49,Infrastructured,网,(基础设施网),有,AP(Access Point,接入点)，,无线站点通信首先要经过,AP,Ad Hoc,网,（无线自组网）,IBSS (Independent BSS，,独立基本,服务集)，无,AP,，站点间直接通信,）,IBSS,BSS,BSS（,基本服务集）：,知识点归纳,50,ESS（,扩展服务集）：,属,Infrastructured,网 (,DS:,分布系统，,AP：,接入点，,SSID：ESS,扩展服务集标识符) 。一个移动节点使用某,ESS,的,SSID,加入,ESS，,移动节点可实现,ESS,中的一个,BSS,到另一个,BSS,的,漫游。,知识点归纳,51,移动自组网 (,Mobile Ad hoc network)：,移动自组网（,MANET），,无基础设施，没有基本服务集中的接入点,AP，,而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络中的每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能。,自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,知识点归纳,52,中继例：扩展距离 - 无线网桥,中继,：,利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼与大楼之间 的数据传输。,知识点归纳,53,Channel 1,Access Point,Wireless Clients,Channel 1,Access Point,Wireless Repeater “Cell”,LAN Backbone,无线中继,(Wireless Repeater),例：,知识点归纳,中继,54,802.11,标准中的,PHY,层：,WLAN,传输方式有,红外线,(,Infra Red, IR),和,无线电射频,两种,红外系统的优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点是：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。,无线电射频系统采用,扩频,(,Spread Spectrum),技术进行调制。扩频技术的频率范围开放在,ISM,频段,，此频段不需申请：,Industry: 902 928 Mhz (26MHz),Science: 2.42.4835 GHz (83.5MHz),Medicine: 5.155.35 GHz and 5.7255.825 GHz (300MHz),扩频技术主要又分为,跳频,和,直接序列,两种技术。,知识点归纳,55,FHSS,（,跳频扩频）,*,Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS,使用了传统的窄带数据传输技术，但传输频率将发生周期性的切换。系统在一个扩展或宽波段的信道上使用不同的中心频率， 以预先安排好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频。 跳频现象可以使,FHSS,系统避免受到信道内窄带噪声的干扰。,56,DSSS,（,直接序列扩频）,*,Direct Sequence Spread Spectrum,（Chip code,也称为,pseudo-noice,或,spreading code）,DSSS,系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也可以无错误地接收数据。,57,使用扩频技术的好处：,扩频是一种在信号传输前先将信号的带宽进行扩展的技术。采用扩频的好处是：,限制发射功率谱密度，减小对其它设备的影响,提高抗干扰能力,。若使用窄频，容易受到使用相同频率的,通信干扰，导致完全无法通信(“盖台”),有一定的加密作用,。对于非特定的目的接收器，由于扩展,了带宽的信号混在背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据资,料的人不易判别真正的信号，,避免了他人的截听,在多用户环境下提供强有力的多址功能,。供多个用户使用,同一传输波段，保证了无线设备在频段上的可用性和可靠,的吞吐量，也保证了,使用同一频段的设备不互相影响，避,免用户之间相互干扰。,知识点归纳,58,IEEE 802.11 PHY,层,：,FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum，,跳频扩频(在,WLAN,已很少用),DSSS Direct Sequence Spread Spectrum，,直接序列扩频,HR-DSSS High Rate DSSS，802.11b,用，经,DSSS,并相应的各种调制（如,PSK 、,CCK,等）后,，,传输速度可达11/5.5/2/1,Mbps,不等,OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing，,正交频分复用（也叫多,载波调制技术，载波数可多达52个），802.11,a/g,用，经,OFDM,并相应的各种,调制（如,PSK、QAM,等），速率可达54/48/36/24/18/12/9/6,Mbps,不等,OFDM/DSSS,Physical Layer,知识点归纳,59,802.11,标准中的,MAC,层不能搬用,CSMA/CD,：,无线局域网虽然也是多个站点共享无线信道，却不能像同样多个站点共享有线信道的以太网那样搬用,CSMA/CD,协议，这里主要有两个原因：,无线网卡,一般采用半双工方式工作,，即发送时不接收,(,检测,),，若搬用以太网的,CSMA/CD,，则要一个站点,在发送,本站数据,的同时还必须,不间断地,接收信号检测信道,，而在无线局域网中设备要,实现,这种,全双工功能花费过大,；,即使,我们,使无线网卡全双工方式工作,，,在发送同时进行冲突检测,，,检测到的信道“空闲”，,由于隐终端效应可能也是,假相,，因而在接收端,仍可能产生冲突,。,知识点归纳,60,802.11,MAC,层通过协调功能来确定在基本服务集,BSS,中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。,知识点归纳,802.11,采用了,动态速率漂移技术,，可以根据环境噪声变化对传输速率进行自动调整。当设备移动到较远距离或出现重大干扰时，发送节点将自动逐次降低速率。,61,分布协调功能,DCF,-,争用服务,（,必选项）,(,Distributed Coordination Function ),DCF,在每一个结点使用,CSMA,机制的,分布式,接入算法，让各个站通过,争用信道,来获取发送权。因此,DCF,向上提供争用服务。,点协调功能,PCF,-,无争用服务,（,可,选项,）,( Point Coordination Function ),PCF,使用,AP,集中控制,的接入算法将发送数据权,轮流,交给各个站从而避免了冲突的产生,知识点归纳,62,802.11,CSMA,发送站：,-,如监听到信道空闲, 经,DIFS,时间后则发送整个幀（发送时不用冲突检测）,-,如果监听到信道忙，则坚持监听到不忙时，经,DIFS,时间后进入竞争期，进行二进制指数退避（第,i,次退避时，在 2,i+2,个时隙中随机选择一个），退避后重新尝试发送,-如果发后未收到,ACK(,超时)，则重发幀,802.11 CSMA,接收站：,-,如果接收正确，则在,SIFS,时 间后应答一个,ACK,幀,其它站点：,听到信道上在发送数据，则推迟访问信道,NAV(,Network Allocation Vector),时间,知识点归纳,63,802.11,MAC： CSMA,DIFS:,一般用于发送数据帧和管理帧时的帧间间隔,SIFS:,一般用于,ACK,应答、,CTS,应答、,AP,探询应答、长,MAC,帧分片传输时的帧间间隔,PIFS：,一般用于开始使用,PCF,方式时的帧间间隔,64,Q：,无线站点监听时如何判定信道“忙”？,A：,802.11 标准规定在物理层的空中接口进行载波监听，,通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来,判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据。,Q：,为何无线站点监听到信道空闲还要再等待？,A：,因为此时可能有多个站点都在监听，而其他的站点可,能有更高优先级的帧要发送，如其有，就要让高优先,级帧先发送（,高优先级帧需等待的幀间间隔时间较短，,可优先获得发送权，低优先级帧需等待的幀间间隔时,间较长，须等待较长时间。,SIFS PIFS DIFS,）,知识点归纳,65,帧间间隔,IFS：,所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称为,帧间间隔,IFS,(InterFrame Space),帧间间隔长度,取决于该站欲发送的帧的类型。,高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间,若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就只能再推迟发送了，这样就,减少了发生碰撞的机会,知识点归纳,66,虚拟载波监听,(,Virtual Carrier Sense,，,VCS)：,源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需时间）在其,MAC,帧首部字段“持续时间”中填入指示给所有其他站，其他所有站会在这段时间都停止发送数据, 这样大大减少了冲突的机会。,“虚拟”是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到源站发送幀中的“持续时间”才不发送数据，这种效果,好像是其他站都监听了信道。,当一个站检测到正在信道中传送的,MAC,帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的,网络分配向量,NAV,( Network Allocation Vector)，NAV,指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。,知识点归纳,67,隐终端(,Hidden terminal),效应：,若只使用,CSMA，,表面上侦听到信道 “闲” 可能结果不正确,是假相，由于：,(a),隐蔽站问题,-,在发送方侦听不到：可能是由于中间有障碍物，,A, C,不能互,相听到，,A、C,于是都发给,B，,在,B,处此时就会产生冲突。,(b),信号强度衰减问题,-,C,在发送,，,但由于信号传输衰减，传到,A,处时，,A,可能听不到，于是,A,以为信道空闲，也发， 这样接收站,B,处就会产生冲突。,隐终端,是指,在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端,。,Location,Signal strength,A,B,C,知识点归纳,68,暴露终端(,Exposed terminal),效应：,当节点,B,向节点,A,发送数据时，节点,C,也希望向节点,D,发送数据。 根据,CSMA,协议，节点,C,侦听信道，它将听到节点,B,正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向节点,D,发送数据， 但实际上它的发送不会影响节点,A,的数据接收，这就导致节点,C,所谓暴露终端问题的出现。,暴露终端,是指,在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端,。,A,B,C,D,知识点归纳,69,冲突避免: 在发送,长数据帧,前，增加,RTS-CTS,交互：,进一步改进:,RTS/CTS:,信道预约,发送站: 发出短的,RTS,幀,(request to send),预约信道,接收站: 应答短的,CTS,幀 (,clear to send),同意预约,CTS,为发送站保留信道, 起了通知其它(可能隐蔽的)站点的效果,避免,了,隐蔽站点造成的冲突,知识点归纳,知识点归纳,70,冲突避免:,RTS-CTS,预约信道：,RTS,与,CTS,为短幀:,由于,RTS,幀长20字节，,CTS,幀长14字节，比最大数据幀长度2346字节要短很多，所以发生冲突可能性很小,最后效果类似于冲突检测,协议设计精巧，碰撞很少会发生。但极少数情况下碰撞仍可能发生，如,B,和,C,站同时向,A,发送,RTS,幀，这两个,RTS,幀就会发生碰撞，,A,收不到正确的,RTS,幀，因而也不会发送后续的,CTS,幀，这时，,B,和,C,发现超时后，会随机推迟一段时间后重新发送其,RTS,幀，推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。,知识点归纳,71,隐终端问题解决方式,节点,A,欲发送一数据包给节点,B,首先,A,发送一,RTS,给,B;,B,发送,CTS;,A,收到,CTS,后发送数据,;,C,监听到,CTS,，知道有节点在发送数据，,A,和,B,数据传输时间,C,不会发数据包。,72,暴露终端问题解决方式,1,、,发送者发送,RTS,。,2,、接收者返回,CTS,。,3,、邻居节点：,如果收到,CTS,则保持安静，不能传输数据。,如果只收到,RTS,而没收到,CTS,可以传输数据。,73,802.11,MAC: CSMA/CA,计算随机退避时,间,(2,i+2,个时隙选,一）以再次重新,试图接入信道,74,二进制指数退避 (,Binary Backoff),冲突避免的另一个措施：,当信道从忙态变为空闲时，多个等着发送的站点此时可能都想发送数据帧，当这些站点要发送数据幀时，不仅都必须等待一个,IFS,间隔， 而且还要进入,争用窗口,，计算随机退避时间和进行各自退避，退避后再次重新试图接入信道， 这样就可以减少发生冲突的概率（当多个站都等着信道忙变闲、打算占用信道时）,总结,WLAN,使用,CSMA/CA,竞争无线信道时，,CA,冲突避免措施一共采用了以下这些方法：,1. 二进制指数退避,2. 虚拟载波监听,3.,RTS/CTS,预约信道,4. 各站根据所发帧的优先级，采用不同的帧间间隔延迟,DIFS,、,PIFS,或,SIFS,75,Binary Backoff,具体的802.11使用的二进制指数退避算法（,Binary Backoff）,如下：,第,i,次退避时，在 2,i+2,个时隙中随机选择一个。,例 第1次退避在8个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第1次冲突后在2个时隙中选）；,第2次退避在16个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第2次冲突后在4个时隙中选）。,。,然后,根据该时隙数,设置一个退避计时器进行,减1计时,，当计时器时间,减小到0时,就开始,发送,数据。,若,时间还未减到0,信道又变为忙,，则,冻结,该计时值重新,等待信道变为空闲,、再经过时间,DIFS,后，,继续启动退避计时器,（从剩下的时间开始）。这样规定有利于该继续启动计时器的站更早地接入信道中。,76,点协调功能,PCF,（,选项,）,以上内容为：,分布协调功能,DCF,CSMA/CA,争用服务,（,必选项）,所有的,AP,、,STA,都须具有此功能,IEEE 802.11,还有：,点协调功能,PCF,无争用服务,（,可,选项,）,( Point Coordination Function ),某些,AP,有此功能。,具有该功能的,AP,使用,集中控制,的接入算法将发送数据权,轮流,交给各个站，从而避免了冲突的产生。,可以用在时间敏感的服务场合，如音频、视频传输时；,AP,通过使用短的帧间间隔,PIFS，,可获得优先发送权；,AP,有了优先发送权，就可以轮流向各个无线站点发送查询请求，从而控制无线介质的访问。,77,无线接入过程,STA (,工作站）启动初始化、开始正式使用,AP,传送数据幀前，要经过三个阶段才能接入:,(1) 扫描(,Scan),(2),认证(,Authentication),(3) 关联(,Association),78,无线接入过程,无线接入第一阶段,:,扫描（,Scan ),阶段,1,、,主动扫描方式,（特点：能迅速找到）,STA,依次在11个信道发出,Probe Request,帧，寻找与,STA,所属有相同,SSID,的,AP,，若找不到有相同,SSID,的,AP，,则一直扫描下去,2,、,被动扫描方式,（默认，特点：找到时间较长，但,STA,节电）,STA,被动等待,AP,每隔一段时间定时送出的,Beacon,信标幀，该帧提供了,AP MAC,地址及所在,SSID,相关信息,：,“我在这里,”,79,无线接入第二阶段,:,认证（,Authentication,）阶段,当,STA,找到与其有相同,SSID,的,AP,，在,SSID,匹配的,AP,中，根据收到的,AP,信号强度，选择一个信号最强的,AP，,然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。802.11提供几种认证方法，有简单有复杂，如采用802.1,x/EAP,认证方法时大致为：,STA,向,AP,发送认证请求,AP,向认证服务器发送请求信息要求验证,STA,的身份,认证服务器认证完毕后向,AP,返回相应信息,如果,STA,身份不符，,AP,向,STA,返回错误信息,如果,STA,身份相符，,AP,向,STA,返回认证响应信息,无线接入过程,80,无线接入第三阶段,:,关联（,Association,）阶段,当,AP,向,STA,返回认证响应信息、身份认证获得通过后， 进入关联阶段：,STA,向,AP,发送关联请求,AP,向,STA,返回关联响应,至此，接入过程才完成，,STA,初始化完毕，,STA,此时和该,AP,间才建立起无线链路，,可以开始向,AP,传送数据幀。此后，若,STA,再进一步与,DHCP,服务器交互，得到,IP,地址后，便可,Internet,上网。,无线接入过程,81,无线接入过程示意图,Authentication Server,AP,STA,Probe Request,Probe Response, ,Probe Request,Probe Response,SSID,比较,Authentication Request,Authentication Response,Association Request,Association Response,扫描,认证,关联,Y,82,802.11协议定义三类幀,数据幀,控制幀-,RTS,幀、,CTS,幀、,ACK,幀 等,管理幀-,Probe Request / Response,幀,(主动扫描时),Beacon,幀,(信标幀, 被动扫描时,AP,发出,),Authentication Request / Response,幀、,DeAuthentication,幀,(,去掉认证,),Association Request / Response,幀、,Disassociation,幀,(,去掉关联,),ReAssociation Request / Response,幀,(,从,ESS,的一个,BSS,漫游到另一个,BSS,进行,重新关联，以便新,AP,联系老,AP,取得,原来的关联信息,),83,IEEE 802.11 MAC,无线数据帧格式,字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4,帧控制,持续期,地址 1,地址 2,地址 3,序号控制,地址 4,帧主体,FCS,协议,版本,类型,子类型,到,DS,从,DS,更多,分片,重试,功率,管理,更多,数据,WEP,顺序,位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1,MAC,首部(30字节),类型、子类型,：区分数据帧、各种控制帧、管理帧,到,DS,、从,DS,：,与,地址,1,、,地址,2,、,地址,3,、,地址,4,结合使用,更多分片,：,有线等效保密,WEP,：,持续期：,将要占用信道的持续时间,序号控制：,帧主体：,高层传下来的封包,FCS,：,CRC,帧校验,84,IEEE 802.11 MAC/PHY,小结,为,CSMA/CA,冲突避免采取的四个措施,无线接入过程,85,知识点归纳,4.,令牌环网与,IEEE 802.5,拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,传输媒体：,STP、,光纤，速率4/16,Mbps；,最多站点数：250， 信号采用差分曼彻斯特编码,令牌环工作过程：,当网络空闲时，只有令牌在环路上不停流动。 令牌实际上是一个特殊的帧， 其中有一位称为令牌比特（即帧格式中的,T,比特）。当其为0时，表示该令牌空闲，当其为1时，表示某站正发送数据。,当一个站想发送数据时，必须首先截获空闲令牌，这时发送站将令牌比特置为1，然后发送数据；如果经过的令牌其令牌比特为1，则只能耐心等待。,86,知识点归纳,每个站检测所经过的数据帧中的目的地址， 如果与本站地址相符，则复制该帧，然后将该帧转发给下一个站；否则仅转发该数据帧。,数据帧回到发送站时，发送站在检查该帧是否已被目的站接收的同时，清除该帧，产生一个新的令牌，并将它发送给下一站，使环路中有令牌继续流动。,87,知识点归纳,88,知识点归纳,令牌环的两种幀结构：令牌帧、数据幀,:,89,知识点归纳,起始、结束定界符（违例差分,Manchester,码）,访问控制字节包括：,起始,访问控制,结束,1,1,令牌帧：,非令牌帧（信息帧/控制帧）：,起始,访问控制,帧控制,目的地址,源地址,数据,FCS,结束,帧状态,1,1,1,2/6,2/6, 0,4,1,1,监督位,PPP，RRR,：,优先级位，预约位。,T：,令牌位，帧类型标识。0 - 令牌；1 - 信息/控制帧,M：,监督位，防止无效帧在环路中无限循环。,1,P P P T M R R R,优先级位,令牌位,预约位,访问控制字节：,90,幀控制字节：,F F C C C C C C,用于指明幀的内容：,FF01，,表示数据幀，此时,CCCCCC,位不起作用。,FF00，,为环管理幀，,CCCCCC,位用于指示控制功能，可以有,2,6,64种之多，如响应幀，退出幀，各类出错等。,AC,为双冗余位：,A：,发送时，该位清0，目的站将该位置1，表示目的地址存在,C：,发送时，该位清0，目的站把该幀拷贝下来后，将该位置1,S：,软错误指示位,当数据幀返回到发送站后，发送站会检查,A,和,C,位：,A0,且,C0：,表示接收站不存在或没加电；,A1,且,C0：,接收站存在，但没接收，可能是缓冲不够等原因；,A1,且,C1：,接收站存在，且接收了该幀。,幀状态字节：,A C 0 0 A C 0 S,知识点归纳,91,知识点归纳,令牌环中的优先级控制策略,访问控制字节中的,PPP,(,优先级位,)，,RRR,位(,预约位,)：,(1) 在无优先级的环路中，,PPPRRR0，,不起作用；,(2) 在有优先级的环路中，幀中,PPP,三位可有8个优先级，每个站点都有,一个优先级码，只