信道分配策略多址协议105048

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,介质（媒体）访问控制子层,M,edium,A,ccess,C,ontrol Sublayer,本章主要内容,信道分配策略,多址协议,令牌环网,以太网：共享式以太网，交换式以太网，快速以太网，千兆位以太网,无线局域网,数据链路层交换：网桥，虚拟局域网,几个术语,Multiaccess channel：,多址信道,random access channel：随机访问信道,medium：介质，媒体，信道,medium access：使用信道发送数据,medium access control（MAC）：决定谁可以使用信道发送数据,1 信道分配策略,静态分配：,固定分配信道的方式，如,FDM和同步TDM；,适用于用户数少且数量固定、每个用户通信量较大的情况，不会产生冲突。,动态分配：,按需分配信道的方式，如异步,TDM；,适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况。,信道分配策略（,2,）,动态分配的三种策略：,竞争方式：各个用户竞争使用信道，不需要取得发送权就可以发送数据，这种方式会产生冲突。,无冲突方式：每个用户必须先获得发送权，然后才能发送数据，这种方式不会产生冲突，如预约或轮转方式。,有限竞争方式：以上两种方式的折衷。,2,多址协议,ALOHA,载波侦听多址协议（CSMA）,无冲突协议,有限竞争协议,无线局域网协议,2.1 ALOHA系统（1）,纯ALOHA的基本思想：,任何节点有数据发送就可以发送；,每个节点通过监听信道判断是否发生了冲突；,一旦发现冲突，随机等待一段时间后重新发送。,随机访问信道的效率：,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。,几个概念,帧时（,frame time,）：发送一个标准长度的帧所需的时间。,N：每帧时内系统产生的新帧数目（0N1),G：每帧时内系统需要发送的总帧数（包括新帧和重发帧），这其实就是系统负载。,P,0,：发送的帧不产生冲突的概率。,S：系统吞吐量，指每帧时内系统能够成功传输的帧数，S = GP,0,。,纯ALOHA的易损时间区,纯ALOHA系统的信道效率,假设,G,服从泊松分布，则：,在一个给定的帧时内，产生k个帧的概率为：,Prk= G,k,e,-G,/k!,在一个给定的帧时内，没有帧出现的概率为：,Pr0= e,-G,对于一个给定的帧，在两个帧时内没有其它帧的概率为：P,0,= e,-G,e,-G,= e,-2G,S = GP,0,= Ge,-2G,当G = 0.5时，S达到最大值，为0.184。,ALOHA,系统,（2）,时分ALOHA的基本思想,将时间分成离散的时间片（slot），每个时间片用来传输一个帧；,每个节点只能在一个时间片的开始传送帧，其,它与纯ALOHA系统同。,时分ALOHA系统要求全局时钟同步。,时隙ALOHA的易损时间区,时分ALOHA系统的信道效率,与纯ALOHA相比，每个帧的易损时间区缩小了，冲突的概率随之减小，系统吞吐量随之提高。,P,0,= e,-G,S =,GP,0,= Ge,-G,当G = 1时，S达到最大值，为0.368。,纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较,2.2 载波侦听多址协议-,C,arrier,S,ense,M,ultiple,A,ccess Protocols,1-坚持CSMA,发送前先监听信道，信道忙则,坚持,监听直至发现信道空闲；若信道空闲立即（,概率1,）发送；发现冲突后随机等待一段时间，重新监听信道。,影响协议性能的因素：信号传播延迟，1-坚持的策略。,该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。,CSMA协议（续）,非坚持CSMA,发送前先监听信道，信道忙则,放弃,监听，等待一个随机时间后再监听，信道空闲则发送数据。,信道利用率高于1-坚持CSMA，但延迟特性要差些 。,CSMA协议（续）,p-坚持CSMA，适用于时分信道：,发送前先监听信道，信道忙则等到下一个时间片再监听；信道空闲则以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时间片。下一个时间片执行相同的操作直至发送成功或检测到信道忙。,该协议试图在1-坚持CSMA和非坚持CSMA间取得性能折衷，影响协议性能的关键在于p的选择。,几个CSMA协议的性能比较,2.3 CSMA/CD-CSMA with,C,ollision,D,etection,节点检测到冲突后立即停止冲突帧的发送，以节省时间和带宽。,协议的状态周期：由竞争周期、传输周期和空闲周期交织而成。,协议的效率近似为：,= 1/（1+5t,prop,/t,trans,），其中t,prop,为信号在任意两个节点之间传播的最大时间，t,trans,为传输一个最大长度的帧所需的时间。,该公式表明，当信道很长（即网络规模较大）或帧传输时间很短（帧很短或数据速率很高）时，协议的效率较低。,CSMA/CD,的状态周期,2.4,无冲突协议（,1,）,位图协议：,节点在发送前先预约，然后按预约的顺序发送。该协议不会产生冲突。,轻负载时，每个节点在发送前平均等待N比特；若帧长为d比特，不考虑其它开销，信道效率为：,= d/(N + d)。,重负载时，每帧的开销为1比特，不考虑其它开销，信道效率为：,= d/(d+1) 。,位图协议,无冲突协议（,2,）,Binary Countdown：,节点发送数据前先发送其二进制地址（长度相等），这些地址在信道中被线性相加，地址最高的节点胜出，可继续发送数据。,不考虑其它开销，信道效率为：,= d/(d+log,2,N)。,若将地址作为帧的第一个字段，则信道效率：,= 100%。,Binary Countdown图示,无冲突协议（,3,）,令牌传递协议：,一个小的、称为令牌（token）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。,网络中只有一个令牌，只有持有令牌的节点允许发送，所以不会有冲突发生。,2.5,有限竞争协议,竞争协议：轻负载下延迟特性好，重负载下信道利用率低。,无冲突协议：重负载下信道利用率高，轻负载下延迟特性不好。,有限竞争协议：结合以上两类协议的优点，克服各自的缺点，在轻负载下获得良好的延迟特性，而在重负载下获得较高的信道利用率。,协议基本思想,对节点分组，每个时隙（slot）内只允许一个组的节点竞争信道，目的是通过减少同一个时隙内的竞争节点数来提高发送成功的概率。,组内节点数随系统负载的变化动态调整，负载轻则节点数多，负载重则节点数少，在两个极端上分别退化为竞争协议和无冲突协议。,协议的关键在于如何根据系统负载自适应调整组的划分，将时隙分配给节点。,adaptive tree walk,时间片0：A以下站点发送，冲突,时间片1：B以下站点发送，冲突,时间片2：D以下站点发送，无发送,时间片3：E以下站点发送，冲突,时间片4：,2发送，成功,时间片5：,3发送，成功,时间片6：C,以下站点发送，无发送,2.6,无线局域网协议,无线局域网的两种模式：,（a）,有基站的无线局域网,（b） 自组织网（ad hoc network）,Ad Hoc模式的无线网络,单个节点的通信范围不能覆盖整个网络，即节点的活动不能被网络中所有节点检测到。这种网络也称多跳无线网络。,若节点位于两个发送节点的通信范围内，该节点接收失败。,为什么,CSMA,不适用于多跳无线网络？,为什么,CSMA,不适用于多跳无线网络？,通过载波侦听，,发送节点只能知道其周围是否有节点在发送；但真正影响此次通信的是接收节点周围是否有节点在发送。,隐藏节点：不在发送节点的通信范围内、但在接收节点通信范围内的活跃节点。,暴露节点：在发送节点的通信范围内、但不在接收节点通信范围内的活跃节点。,M,ultiple,A,ccess with,C,ollision,A,voidance,问题：,当节点,A准备向节点B发送数据时，如何让节点B,附近的节点保持沉默？,MACA,的基本思想：,由发送方主动发起一次握手过程，引起接收方发送一个短的确认帧；接收端周围的节点检测到这个确认帧，并在随后的一段时间里保持沉默。,MACA,协议图示,(a) A sending an RTS to B. (b) B responding with a CTS to A.,MACA,协议过程,A向B发送一个RTS帧，帧中给出后继数据帧的长度。,B收到后回复一个CTS帧，帧中也给出数据帧的长度。,A收到CTS帧后就可以发送。,在此过程中，若A周围的节点监听到了A的RTS帧，它们会在随后的一段时间内保持沉默，以便让A无冲突地收到CTS帧；而B周围的节点监听到B的CTS帧后，也会在随后的一段时间（由CTS帧中的数据长度决定）内保持沉默，从而让B能够无冲突地收到A发送的数据帧。,若B和C同时向A发送RTS帧，则会产生冲突，这时不成功的发送方会随机等待一段时间后再重试。,MACA for Wireless（MACAW）,MACAW是对MACA的改进：,每当接收端正确收到一个帧后，发送一个确认帧；,发送端在发送,RTS前，使用CSMA监听信道，避免两个节点同时向同一个接收节点发送RTS；,改进了冲突后的回退算法；,增加了节点间交换拥塞信息的机制。,3 局域网标准,IEEE于1980年2月成立局域网标准化委员会，形成的一系列标准统称为IEEE 802标准。,IEEE 802标准于1984年3月被ISO采纳，作为局域网的国际标准，称为ISO 8802标准。,IEEE 802标准主要涉及物理层、数据链路层、网络层的一部分；数据链路层又进一步分为介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。,将数据链路层分成两个子层的好处是，利用统一的LLC子层屏蔽物理网络的细节，使得网络层协议可以独立于物理介质及介质访问控制方法。,IEEE 802标准系列,4 令牌环网,令牌环由环接口和环接口间的点到点链路组成，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。,令牌环的帧结构,（1）,令牌环的帧结构（2）,AC：格式为,T：令牌比特，令牌帧中T=0，数据帧中T=1。当节点为发送数据而捕获到一个令牌帧后，将T翻转为1。,PPP：优先级比特，当节点想发送优先级为的数据帧时，必须捕获到优先级小于或等于的令牌才能发送。,RRR：预约比特，节点在数据帧通过时，将自己想要发送的帧的优先级写到预约比特中（除非已有其它站预约了更高的优先级）。当一帧数据发完后，新产生的令牌具有已预约的优先级。,M：监控比特，监控站用来检测未被发送站取消的数据帧。数据帧发送时M=0；第一次通过监控站时被置为1；第二次通过监控站时被检测到。,P,P,P,M,T,R,R,R,令牌环的帧结构（3）,FS：格式为,A：地址识别比特。数据帧发送时A=0；通过接收站时，接收站置A=1。,C：帧复制比特。数据帧发送时C=0，接收站将帧接收下来后，置C=1。,数据帧返回发送站时，发送站检查A和C，有三种情况：,A0，C0：接收站不存在或没加电；,A1，C0：接收站存在，但没有接收帧；,A1，C1：接收站存在，且接收了该帧。,A,C,r,r,A,C,r,r,星型环结构,5,以太网（,Ethernet,）,传统以太网,交换式以太网,快速以太网,千兆以太网,5.1 传统,以太网（,Traditional Ethernet,）,组网方式：,10Base-5（粗缆以太网）：,使用粗的,基带,同轴电缆作为传输介质，采用总线型拓扑；,数据速率,10,Mbps，,每段电缆最大长度,5,00米。,10Base-2（细缆以太网）：,使用细的,基带,同轴电缆，采用总线型拓扑；,数据速率,10,Mbps，,每段电缆最大长度约,2,00米。,*这两种以太网在新建的局域网中已很少使用。,图示,Three kinds of Ethernet cabling.,(a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.,传统以太网组网方式（2）,10Base-T,使用3类双绞线和集线器（hub）,连接计算机，物理上是星型拓扑，逻辑上是总线型拓扑；,数据速率10Mbps，双绞线最大长度100米；,使用RJ-45连接器，插拔非常方便；,双绞线以太网是连接桌面系统最流行的技术。,传统以太网组网方式（3）,10Base-F,使用多模光纤作为传输介质，采用星型拓扑；,数据速率10Mbps，光纤最大长度2000米。,光纤以太网常用于建筑物间的连接。,使用中继器连接多个以太网段,物理层编码,传统以太网在物理层上使用曼彻斯特编码。,为达到10Mbps数据速率，信号速率（波特率）要达到20Mbaud。,以太网帧结构,DIX以太帧与802.3帧,DIX,以太帧结构：,帧边界：8个前导码（0xAA）,类型：指出处理数据域的协议实体,802.3帧结构：,SOF：使用与802.4和802.5相兼容的帧起始标记,长度：替代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。,MAC地址,每一块网络适配器（网卡）都固定分配了一个地址，称为MAC地址，也称物理地址。,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：由网管分配且只在本网内有效。,全局地址：由IEEE统一分配，确保每块适配器的地址都是唯一的。,全局地址和局部地址,全局地址和局部地址是以地址的次高比特（地址在线路上传输时的第二个比特）来标识的：,全局地址：地址次高比特为0,局部地址：地址次高比特为1,TCP/IP规定包头中的整数值在传输时用网络字节序表示， TCP/IP定义网络字节序为大端，即高位字节存放在较小的地址。,地址类型,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：标识一个多播组的逻辑地址，地址最高比特为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，为减轻主机的工作负担，适配器仅将发给本节点的帧交给主机。,网桥、协议分析器等特殊设备的适配器可设置成杂收模式（promiscuous mode），将收到的所有帧交给主机。,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（监听到信号能量）则坚持监听；,一旦发现信道空闲，立即发送；,发送时继续监听信道，若检测到冲突（发现异常的信号能量），立即停止传送，并发送一个阻塞信号（加强冲突）；,进入指数回退（exponential backoff）阶段，随机等待一段时间后重新监听信道。,检测冲突,当信号传播延迟不可忽略时，为确保发送节点能够检测到冲突，发送的帧必须具有足够的长度。,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，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。,这解释了为什么以太帧中需要046字节的填充域。,检测冲突所需的最大时间,解决冲突,指数回退：,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，从01中随机选择一个整数 k，等待 k51.2s 后重试。,以后每发生一次冲突，就将 n 加倍，然后从02,n,-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。10次冲突后，随机等待的最大时隙数固定在1023。,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，一般而言，信道利用率超过30%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。,5.2,交换式,以太网,（Switched Ethernet）,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。,交换机以太网（2）,交换机是交换式以太网的核心：,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,A simple example of switched Ethernet.,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（端口）的增多，网络带宽不断增加，即使网络负载很重也不会导致网络性能下降。,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。,交换式以太网的最小帧长及规模,交换式以太网不再使用CSMA/CD协议，理论上说，不再需要限制帧的最小长度；但为了向后兼容，帧的最小长度仍为64字节。这样协议软件不需要做任何改动。,由于交换式以太网不再使用CSMA/CD协议，传输介质的长度只和信号强度及介质传输能力有关，与信号的最大往返时间无关：,3类双绞线：在不超过100米的距离内支持10Mbps,5类双绞线：在不超过100米的距离内支持100Mbps,光纤：可以达到数千米以上,5.3 快速以太网（Fast Ethernet）,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、接口及处理规程）。,定义了三种新的物理层标准（组网方案）：,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类双绞线组网方案。,5类双绞线可工作在125MHz的时钟频率下，在不超过100米的距离内，使用4B/5B编码可获得100Mbps的数据速率。,因此，,使用两对双绞线连接集线器和适配器（采用RJ-45连接器），一对用于输入，一对用于输出。,每对双绞线运行在125Mbaud，可获得125M4/5 = 100Mbps数据速率。,该方案可在两个方向上获得100Mbps数据速率。,100Base-T4,3类双绞线组网方案。,3类双绞线无法在100米内支持100Mb/s，因此使用了一根电缆中的全部四对双绞线，一对固定作为输入，一对固定作为输出，还有两对总是切换到当前传输方向上。,每对双绞线运行在25M Baud，传输3状态信号，将三对双绞线视为一体，信号状态共有27种，每种状态至少携带4比特数据（8B/6T编码）。,当前传输方向上可以获得425M = 100Mbps的数据速率，另一方向上提供33.3Mbps,带宽（一对双绞线）。,该方案仅在一个方向上获得100Mbps数据速率。,该方案仍然采用RJ-45连接器。,100Base-FX,光纤组网方案。,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2000米。,快速以太网使用的网络设备,集线器:,所有节点位于一个冲突域中，采用CSMA/CD协议，工作于半双工工作方式。,交换机：,每个端口是一个冲突域，不再执行CSMA/CD协议，工作于全双工方式 。,100Base-T（100Base-T4和100Base-TX）,可以使用集线器，也可以使用交换机；但100Base-FX只能使用交换机。,自动协商模式,允许两个节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。,10Mbp、100Mbps及1000M的设备都可以通过自动协商模式进行互操作。,5.4,千兆以太网,（Gigabit Ethernet）,标准是802.3z，,除数据速率提高到1Gbps以外，仍然与已有的以太网标准相兼容，包括帧格式、最小和最大帧长限制等。,千兆以太网的所有配置都是点到点的，它允许两台计算机直接相连，也允许用hub或交换机连接计算机，或连接其它的hub或交换机。,千兆以太网的连接方式,千兆以太网的操作模式（1）,全双工模式：,这是正常模式，当使用交换机连接时使用这种模式。两根光纤或两对双绞线，一根（对）用作输入，一根（对）用作输出。,由于不使用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。,千兆以太网的操作模式（2）,半双工模式：,当使用hub连接时使用这种模式。,使用CSMA/CD协议，网络规模200米，线路上传输的最小帧长增大为512字节。,为向后兼容，增加以下两个特性：,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。,帧突发传输（frame 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。,千兆以太网物理层标准,千兆以太网组网方式,（1）,光纤组网：,激光作为光源，波长0.85m（,只用于多模光纤）和1.3m两种。,光纤10m（单模）、50m（多模）和62.5m（多模）三种。,传输距离与所使用的光纤类型及光波段有关，使用10m光纤和1.3m波长时可以达到5公里。,传输时使用8B/10B编码，1250Mbaud信号速率，数据速率1250M 8/10 = 1000Mbps。,千兆以太网组网方式（2）,双绞线组网：,屏蔽双绞线：2对，由于距离太近，很少使用。,5类双绞线：,使用4对5类线，最大长度100米。,每对运行在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，因此可全双工地获得1000Mbps数据速率。,流量控制,千兆以太网支持流量控制，原因是：,在1Gb/s这样的高速下，收发双方的同步非常重要；,当位于千兆以太网上的主机向传统以太网上的主机发送数据时，很容易造成接收主机缓存溢出。,流量控制的方法：,接收端向发送端发送一个特殊的控制帧，要求暂停发送。,控制帧是类型为0x8808的普通以太帧，数据域的头两个字节给出命令，后续字节给出参数，说明要暂停多长时间，单位为发送最短帧所需的时间。,在千兆以太网中，时间单位为512ns，最长允许暂停的时间为33.6ms。,6 无线局域网802.11,协议栈,物理层,MAC,子层协议,帧结构,服务,802.11协议栈,802.11物理层,802.11 infrared：红外通信，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，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， 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2.4GHz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。,两种结构的无线局域网,802.11的操作模式（1）,PCF,（,P,oint,C,oordination,F,unction,）模式：,该模式只能用于有基础设施（基站）的无线网络，由基站控制单元内的所有通信活动。,轮询：基站依次询问单元中的节点，被询问到的节点可以发送它们的帧，不会有冲突发生。,新节点注册：新加入的节点可以注册一个恒定速率的轮询服务，声明自己希望得到的带宽。,电源管理：基站可以指示某些节点进入睡眠状态，当有数据要发给这些节点时唤醒它们。,PCF的实现是可选的。,802.11的操作模式（2）,DCF（,D,istributed,C,oordination,F,unction）：,该模式可用于有基础设施的无线网络和无基础设施的无线网络，所有实现必须支持DCF模式。,所有节点（包括AP）使用CSMA/CA协议竞争信道。,CSMA/CA支持两种机制：,信道预约机制（可选）,无信道预约的机制,使用信道预约机制的CSMA/CA,B欲向C发送一个数据帧：,B向C发送一个RTS帧，帧中给出随后要发送的数据帧及确认帧需要的总时间。,C收到后回复一个CTS帧，帧中给出同样的时间。,B收到CTS帧后开始发送，并启动一个定时器等待确认。,C收到帧后，发送一个ACK帧进行确认。,A和D收到RTS和CTS后，分别沉默一段时间，直至B收到ACK。,若B定时器超时，重复以上过程。,若有两个站同时发送RTS帧，产生冲突，不成功的发送方随机等待一段时间后重试。,使用RTS/CTS预约信道,段突发传输机制,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。,段突发传输,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。,帧间距机制（续）,SIFS：允许正处于会话中的节点优先发送，如收到RTS的节点发送一个CTS，收到数据的节点发送一个ACK，收到ACK的节点发送下一个段。,PIFS：如果在SIFS后没有节点发送，在PIFS之后基站（PCF模式）可以发送一个信标帧或一个轮询帧。,DIFS：如果没有基站发送，DIFS之后任何节点可以竞争信道。,EIFS：如果以上间隔都没有发送，EIFS之后收到坏帧或未知帧的节点可以发送一个帧报告错误。,不使用信道预约机制的CSMA/CA,当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道：,1）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。,2）若信道忙，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。,3）当计数值减为0时，该节点发送整个帧并等待确认。,4）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。,因此，如果有k个节点在等待发送，则它们随机选取的回退值确定了它们的发送顺序。,CSMA/CA与CSMA/CD的不同,最根本的不同：,CSMA/CD在发送过程中检测冲突，而CSMA/CA在发送过程中不检测冲突。,冲突对无线网络的损害要大得多，应当尽可能地避免。,由此带来的协议处理方面的不同：,在CSMA/CD中，节点侦听到信道空闲时立即发送。,在CSMA/CA中，节点侦听到信道空闲后要推迟发送，尤其在第2步中要随机回退。这些措施都是为了尽可能避免冲突。,802.11的帧结构,帧类型：,数据帧、控制帧和管理帧。,每种帧都有一个被MAC层使用的头，还有一些被物理层使用的头。,802.11的数据帧（只给出MAC层的头）,802.11的服务,每个遵从802.11的无线局域网必须提供2类共9种服务。,分配服务（Distribution service）：由基站提供，管理cell成员关系，与其它cell中的站进行交互。,建立联系（association）：移动节点进入一个cell后使用该服务与基站建立联系。,解除联系（,disassociation,）：节点关机或离开前与基站解除联系。,重建联系（reassociation）：节点使用该服务改变首选基站。,分发（distribution）：基站转发收到的帧。,集成（integration）：将802.11格式转换成目的网络要求的格式。,802.11服务（续）,站服务（station services）：在联系建立起来后使用，用于管理cell内的活动。,身份鉴别（authentication）：,基站验证移动节点的身份。,解除鉴别（deauthentication）：一个此前经过认证的节点离开网络前解除认证。,保密（privacy）：处理数据的加密和解密。,数据传递（data delivery）：数据收发服务，802.11提供的数据传输服务是不可靠的。,7 宽带无线网络（802.16）,802.16传输环境,802.11与802.16的比较,802.11主要为个人移动用户提供因特网接入服务；802.16主要为建筑物中的固定用户提供包括话音、视频、因特网接入在内的综合服务。,802.11是覆盖范围很小的专用网络；802.16是覆盖城区范围的公用通信网络，因此802.16的安全性要求比802.11高得多。,一个802.11 cell,支持的用户数量不多，用户要求的带宽也不高；一个802.16 cell要支持上千户家庭，且每个用户的带宽要求可能很高，因此802.16要提供比802.11高得多的带宽。,尽管802.11支持实时通信，但并不是专门针对电话和视频服务设计的；而802.16却不是这样，因此802.16要求更好的服务质量。,8 蓝牙（Bluetooth）,蓝牙最初的目的是用短距离、低功率和廉价的无线收发器将计算设备与通信设备、外设等连接起来。,蓝牙也可用于组建无线局域网，但它和802.11系统是互相干扰的， 因为802.11和蓝牙都工作在2.4GHz频带相同的79个信道上。目前尚无解决办法。,蓝牙是关于一个完整系统（从物理层到应用层）的规范。,无线个人区域网标准802.15采纳了蓝牙1.0版本的规范，但只标准化了物理层和数据链路层。,蓝牙体系结构,蓝牙系统的基本单元是piconet（皮可网，微微网），,半径不超过10米，有一个 主节点，最多七个活跃的从节点，和最多255个处于低功耗状态的停留节点。,多个piconet可以通过桥节点连接起来，形成scatternet。,Piconet的核心是一个集中式的TDM系统，主节点控制时钟并且决定哪个从节点在什么时候可以通信.,所有通信都发生在主节点和某个从节点之间，从节点之间的直接通信是不允许的。,Piconet,和,scatternet,蓝牙应用,13种蓝牙应用大致分为4类：,为其它应用提供支撑服务（1-4）,提供联网接入服务（5-7）,提供电话服务（8-10）,提供数据交换服务（11-13）,9 逻辑链路控制协议802.2,逻辑链路控制子层（LLC）的作用：,向网络层提供统一的接口，隐藏各种802局域网的差别,为网络层提供不同的服务,服务类型：,不可靠的数据报服务（因特网只使用这种服务）,可靠的数据报服务,可靠的面向连接的服务,LLC的位置,(a) Position of LLC. (b) Protocol formats.,802.2帧结构,802.2帧结构,目的访问点：接收该帧的协议实体，作用相当于DIX帧中的类型域。,源访问点：发送该帧的协议实体。,控制：类似于HDLC的控制字段，但做了一些修改，其中序号及确认仅在要求可靠传输的情况下使用。,信息：携带上层数据。,10 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,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：,帧格式不同：需要重新组帧和重新计算校验和。,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。,10.1 透明桥,设计目标：,即插即用：只需将网桥与各个欲通过它互联的局域网连接起来，整个系统就能够正常工作，不需要做任何硬件或软件上的设置。,网桥的插入不会中断现有网络的运行。,网桥的存在对网络用户是透明的。,透明桥连接局域网示例,透明桥工作原理（1）,网桥的任务是接收与之相连的网上传送的全部帧，筛选出需要转发的帧发送到相应的端口。,问题一：,网桥如何知道是否应当转发帧，以及应往哪个端口转发？,解决方法：,网桥内部使用一张转发表，表中记录各个目的地址在网桥的哪个端口上。,网桥用帧的目的地址查找转发表，若目的地址所在端口与帧的输入端口相同，丢弃帧；否则从目的地址所在端口转发帧。,透明桥工作原理（2）,问题二：,网桥中的转发表从何而来？,答案：,网桥通过逆向学习法获知各个目的地址所在的端口，逐步建立转发表。,逆向学习：网桥通过检查帧的源地址及输入端口来发现网络中的节点及所在的端口。,透明桥工作原理（3）,问题三：,若转发表尚未完全建立或出现了新节点，即帧的目的地址不在转发表中，网桥该如何转发？,方法：,使用扩散法转发。,扩散法：将帧在除输入端口以外的所有端口上发送。,透明桥工作原理（4）,问题四：,网桥学习到的知识过时了怎么办？,解决方法：,给转发表的每个表项添加一个时间项，称为生存期。,网桥定期扫描转发表，递减每个表项的生存期值，将生存期值减为0的表项删去。,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，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。,管理程序定期扫描转发表，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。,10.2,生成树算法,问题：,树型拓扑的网络中，每个网桥是一个单故障点，系统可靠性差。,使用冗余的网桥可提高可靠性，但网络中又会形成环。,如何解决环的问题？,解决思路：,在有环的网络中，仅在网桥发生故障时才启用冗余链路，平时只使用没有环的拓扑转发帧。,问题描述：,将网桥抽象成边，局域网抽象成顶点，形成网络拓扑图。求该图的一棵生成树（spanning tree），使得覆盖图中所有的顶点但没有环路。,基于生成树转发帧：,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。,用生成树消除冗余链路,(a) Interconnected LANs. (b) A spanning tree covering the LANs,生成树的构造算法（802.1D）,选举根网桥：各个网桥广播自己的序列号，序列号最小的网桥成为生成树的根。根网桥可在所有的端口上转发帧。,每个网桥计算自己到根的最短路径（跳数），记录自己的哪个端口在最短路径上，这个端口即为该网桥到根的优先路径。,所有连接到同一个LAN上的网桥选出一个指派网桥（designated bridge），指派网桥是这些网桥中离根最近的；若距离相等，则选序列号最小的。,生成树的节点由根网桥和指派网桥组成，指派网桥到根网桥最短路径上的端口成为生成树上的边。,生成树算法始终在每个网桥（包括非指派网桥）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。,构造生成树的例子,10.3,远程桥,远程桥之间通过点到点线路相连。,点到点线路上运行某种点到点数据链路层协议，如PPP。,Remote bridges can be used to interconnect distant LANs.,远程桥之间帧的传输方式,若源网络和目的网络相同：,完整的MAC帧放在点到点链路层帧的载荷中传输。,这种方式最简单，避免了帧格式转换的麻烦，称为隧道方式。,若源网络和目的网络不同：,源网桥将MAC帧的载荷取出，装入点到点链路层帧的载荷，目的网桥再取出组装成目的网络上的MAC帧。,这种方式需要较多的处理开销，而且会由于网桥存储器中某个内存位的损坏引入不可检测的错误。,10.4 用交换机连接局域网,交换机的应用：,可以作为集线设备，每个端口连接一台主机。,可以用来连接以太网，每个端口连接一个网段。,大型交换机提供不同网络体系结构的端口，可以用来连接不同类型的局域网，类似于网桥。,交换机与网桥类似的地方：,采用逆向学习法构造转发表,采用生成树算法去除冗余链路,交换机与网桥不同的地方,转发模式：,网桥只使用存储-转发模式；而交换机支持存储-转发和快速转发（cut through）两种模式，缺省模式是存储-转发。,快速转发：交换机在收到帧的前6个节字后即查找转发表，在输入和输出端口之间建立直通连接，开始转发帧。,转发速率：,交换机的转发速率远高于网桥，因为交换机采用专用集成电路芯片实现协议解析和帧转发，而不是基于CPU的软件方法。,端口密度：,网桥一般只有很少的几个端口，用于连接局域网；交换机主要用于连接单个主机，有许多端口。,应用多种交换机实现局域网组网,使用二层设备连接局域网的局限性,可扩展性问题：,生成树算法假设网络是扁平结构的，而扁平结构的网络不具有可扩展性。,用二层设备连接的局域网在同一个广播域中，不能阻断广播帧在网络中的传播，会造成广播风暴。,异构性问题：,二层设备使用帧头信息来转发，一般只支持相同地址格式的网络（如48比特地址格式的网络），不易推广到其它类型的网络（如ATM网络） 。,使用网络层设备（如路由器）连接局域网是解决以上两个问题的有效方案；在阻断广播帧方面，虚拟局域网是一种有效的解决方案。,11 虚拟局域网（VLAN）,双绞线和集线器/交换机的使用，使得管理员可以不依赖于用户的物理位置来组织网络。,为什么要将用户组织到不同的网络中？,安全的需要,不同部门的网络在运行时互不干扰,阻断广播风暴,使用集线器和交换机的集中布线,网络重配置的问题,当人员在部门之间流动时，经常需要改变用户计算机连接的网络，管理员通过改变用户计算机的连接器在集线器或交换机上的端口来完成配置。,当这种改变非常频繁的时候，重新配置网络是一件很麻烦的事；而且有时这种方法不可行，比如网线不够长。,网络提供商开始使用软件的方法来完成网络的配置，导致了虚拟局域网概念的提出。,VLAN的基本概念,VLAN的基本思想将网络的物理拓扑和逻辑拓扑分开，用软件的方法将一个物理网络划分成逻辑上独立的若干个子网，每个子网称为一个VLAN。,每个VLAN在逻辑上是一个独立的网络：,每个VLAN是一个单独的广播域，一个VLAN中的所有帧流量被限制在该VLAN中。,属于不同VLAN的节点不能互相访问，它们之间的通信一般要依赖于网络层路由。,使用VLAN配置网络,VLAN的实现基础是支持VLAN功能的交换机，不同厂商的VLAN交换机的工作方式可能有差异。,使用VLAN配置网络：,管理员决定将物理网络划分成几个VLAN，每个机器在哪个VLAN上，以及每个VLAN的名字。,为每个VLAN交换机建立一个配置表，说明通过交换机的哪个端口可以到达哪个VLAN的成员。一个交换机端口可能可以到达多个VLAN的成员。,4个物理网络组织成2个虚拟网络,交换机如何在VLAN间转发帧？,当一个帧到达时，,交换机判断该帧属于哪个VLAN,查找转发表得到该VLAN对应的端口,在该VLAN对应的所有端口上转发帧,VLAN与物理网络的不同,VLAN不是一个物理网络，但存在于一个物理网络上。,一个物理网络由连接到相同物理介质上的所有设备构成，而VLAN由所有配置为该VLAN成员的节点组成。,VLAN实现的两个问题,如何确定一个节点在哪个VLAN上？,如何确定一个帧属于哪个VLAN？,VLAN的划分方法（1）,基于交换机端口进行划分：,网络管理员将某些交换机端口直接、强制性地分配给某个VLAN。,对于一些网络配置相对稳定的局域网（如校园网）来说，这种方式容易配置和维护，也相对安全。,可以将一些公共资源（如服务器）所连的端口划为公共端口，让其属于所有的VLAN。,在网络配置经常变化的网络中，这种方式自动化程度低，灵活性差。,VLAN的划分方法（2）,基于MAC地址进行划分：,根据用户节点的MAC地址划分VLAN（基于用户的网络划分）。,管理员事先对所有用户进行配置，规定哪个MAC地址属于哪个VLAN，并将配置表保存在交换机中。,交换机根据帧的源MAC地址确定其所属的VLAN，将该帧的输入端口动态地划分到相应的VLAN中。,优点：当终端在不同的交换机端口间移动时，不需要重新配置VLAN，交换机能够自动识别和定义。,缺点：,初始配置的工作量较大,支持的MAC地址数量有限（交换机端口只能存储有限个MAC地址）,每个端口可能存在多个VLAN成员，无法有效抑制广播帧。,VLAN的划分方法（3）,基于IP地址进行划分：,根据IP子网地址划分VLAN（同一个IP子网的节点具有相同的IP地址前缀） 。,交换机通过检查数据包的源IP地址确定端口应属于哪一个VLAN。,优点：当终端改变其IP地址或者在网络内部移动时，交换机能够自动识别和重新定义VLAN，不需要管理员的干预。,缺点：,检查每个数据包的网络层地址很费时。,每个端口可能存在多个VLAN成员，无法有效抑制广播帧。,IP地址可以人为设置，使用该方法划分VLAN会带来安全上的隐患。,如何知道一个帧属于哪个VLAN？,根据帧的到达端口、源MAC地址或源IP地址（由VLAN的划分方法确定），查找VLAN的配置表来获悉。,为每个VLAN分配一个标识，每个帧头携带其所属的VLAN标识，交换机通过检查帧头的VLAN标识得知这个帧所属的VLAN。,IEEE 802.1Q,802.1Q规定了新的以太帧格式，帧头中包含一个VLAN标签（tag），用于指明帧属于哪个VLAN。,802.1Q 如何与已有网卡兼容？,问题：,我们需要抛弃已有的以太网卡吗？,如果不用，那么谁来产生这些新的域？,如果帧已经达到了最大长度，怎么办?,解决方案：,不需要抛弃以太网卡，因为只有交换机会使用新的域。,由第一个接收到帧且支持VLAN的交换机添加新的域，而由路径上最后一个这样的交换机将新增的域去掉。,802.1Q将帧的最大长度提高到1522字节。,VLAN以太网与已有以太网共存,Transition from legacy Ethernet to VLAN-aware Ethernet.,The shaded symbols are VLAN aware. The empty ones are not.,12 几种网段/网络连接设备,(a) Which device is in which layer.,(b) Frames, packets, and headers.,中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关,中继器和集线器：工作在物理层，不检查帧头。中继器放大电信号，起延长电缆的作用；集线器的作用相当于一条共享电缆，通常不放大电信号。,网桥和交换机：工作在数据链路层，根据帧的目的地址转发帧。,路由器：工作在网络层，根据分组的网络地址（如IP地址）转发分组。,网关：工作在传输层及以上层次，传输网关和应用网关分别在传输层和应用层上进行协议转换。,本章主要知识点,多址访问协议：ALOHA，CSMA/CD，CSMA/CA，自适应树搜索,以太网技术,无线局域网802.11的基本原理,网桥与交换机,虚拟局域网,课外练习,作业,2，6，10，17，18，21，37,