1、計計 算算 機機 網網 絡絡第六講第六講劉威第第2章章 開始連接開始連接 問題：連接到網絡問題：連接到網絡 2.5 可靠傳輸可靠傳輸 2.6 以太網和多路訪問網絡以太網和多路訪問網絡 多路訪問網絡概述多路訪問網絡概述 802.x標準背景介紹標準背景介紹 2.6.1 以太網物理特性以太網物理特性 2.6.2 以太網訪問協議以太網訪問協議 2.7 無線無線 2.8 小結小結802.x 標準背景介紹標準背景介紹IEEE,電氣和電子工程師學會電氣和電子工程師學會(IEEE, I-Triple-E) IEEE 802 標準委員會標準委員會 成立于成立于Aug., 1979, 起初主要集中與局域網標準研究

2、起初主要集中與局域網標準研究, 目前已擴展到目前已擴展到LAN/MAN領域領域802.x 標準背景介紹標準背景介紹 1980s, IEEE 802成立了多個不同的工作組分別研究不同的局成立了多個不同的工作組分別研究不同的局域網技術域網技術: 802.3: 以太網以太網, DIX (DEC, Intel, Xerox) 802.4: 令牌總線網令牌總線網, GM 802.5: 令牌環形網令牌環形網, IBM IEEE 802將數據鏈路層功能劃分為兩個子層將數據鏈路層功能劃分為兩個子層 LLC (Logical Link Control, 邏輯鏈路控制邏輯鏈路控制) 子層子層 MAC (Media

3、 Access Control, 介質訪問控制介質訪問控制) 子層子層第第2章章 開始連接開始連接 問題：連接到網絡問題：連接到網絡 2.5 可靠傳輸可靠傳輸 2.6 以太網和多路訪問網絡以太網和多路訪問網絡 多路訪問網絡概述多路訪問網絡概述 2.6.1 以太網物理特性以太網物理特性 2.6.2 以太網訪問協議以太網訪問協議 2.7 無線無線 2.8 小結小結2.6.1 物理屬性物理屬性 Ether = ? 以太是希臘語，原意為上層的空氣，指在天上的神所呼吸的空氣以太是希臘語，原意為上層的空氣，指在天上的神所呼吸的空氣 物理：以太物理：以太 占據天體空間的物質。占據天體空間的物質。 Ether

4、 in EtherNet 用于描述共享媒質的某些共同特征用于描述共享媒質的某些共同特征1973 年Bob Metcalfe提出的Ethernet 的草案物理屬性物理屬性 早期早期Ethernet的設計采用總線拓撲結構的設計采用總線拓撲結構 電纜總長度不超過500米最多4個中繼器覆蓋范圍不超過2500米一個以太網中最多容納1024臺主機實現MAC協議檢測信道是否空閑, 收發信號物理屬性物理屬性 收發器和傳輸媒質收發器和傳輸媒質 10Base5 (粗纜粗纜) 10Base2 (細纜細纜) 10BaseT/100BaseT ( T:5類類雙絞線雙絞線)總線拓撲結構總線拓撲結構: T接頭連接接頭連接星

5、型拓撲結構星型拓撲結構: : 集線器連接集線器連接 現行的現行的Ethernet, 常采用星型拓撲結構常采用星型拓撲結構 總線型拓撲結構中總線型拓撲結構中: 所有節點在同一個沖突域內所有節點在同一個沖突域內, 相互之間相互之間可能產生沖突可能產生沖突 基于集線器基于集線器(Hub)連接的星型拓撲結構中，所有節點在一連接的星型拓撲結構中，所有節點在一個沖突域內，個沖突域內， 相互之間仍然可能產生沖突相互之間仍然可能產生沖突HubHub通過集線器和雙絞線連接星型拓撲結構星型拓撲結構: : 集線器集線器/ /交換設備交換設備Ethernet Hub總線型細纜Ethernet基于集線器連接星型拓撲Et

6、hernet總線型細纜Ethernet基于集線器連接星型拓撲Ethernet以太網以太網 (10Base2, 10Base5)粗纜粗纜/細纜細纜 + T型連接頭型連接頭總線拓撲總線拓撲 Bus topology共享介質共享介質 Shared media, 共享共享10 Mbps以太網以太網 (10BaseT)雙絞線雙絞線 + 集線器集線器星型拓撲星型拓撲 Star topology采用集線器時，共享介質采用集線器時，共享介質 Shared media, 共享共享10Mbps第第2章章 開始連接開始連接 問題：連接到網絡問題：連接到網絡 2.5 可靠傳輸可靠傳輸 2.6 以太網和多路訪問網絡以太

7、網和多路訪問網絡 多路訪問網絡概述多路訪問網絡概述 2.6.1 以太網物理特性以太網物理特性 2.6.2 以太網訪問協議以太網訪問協議 2.7 無線無線 2.8 小結小結2.6.2 介質訪問控制協議介質訪問控制協議 幀定界幀定界 面向比特面向比特, 數據字段大小為數據字段大小為46 1500字節字節 前導碼前導碼: 同步同步, 7個連續的個連續的 10101010位串位串, 后續后續1個個 10101011位串位串 尋址尋址: 目的地址和源地址目的地址和源地址, 占占48 比特比特 差錯檢測差錯檢測 CRC: 接收方檢測接收方檢測 如果檢測出錯誤如果檢測出錯誤, , 丟棄數據幀丟棄數據幀Des

8、taddr644832CRCPreambleSrcaddrTypeBody1648幀定界和差錯檢測幀定界和差錯檢測: 介質訪問控制協議介質訪問控制協議 MAC地址，又稱物理地址地址，又稱物理地址 為每一個網絡適配器分配一個全球唯一的為每一個網絡適配器分配一個全球唯一的48比特單播地址比特單播地址 示例示例: 8:0:2B:E4:B1:2 廣播廣播: 全全1 多播多播: 第一個比特為第一個比特為 1 地址操作地址操作 網絡適配器收到所有的數據幀網絡適配器收到所有的數據幀, 但僅接收處理目的地址為本機地址的數據幀但僅接收處理目的地址為本機地址的數據幀: 目的地址為本機的單播地址目的地址為本機的單播

9、地址 廣播地址廣播地址 多播地址多播地址(要求支持多播要求支持多播)尋址尋址: CSMA/CD算法算法 帶有沖突檢測的載波監聽多路訪問控制帶有沖突檢測的載波監聽多路訪問控制 (CSMA/CD) 基本思路基本思路 先聽后發，邊聽邊發，沖突停發，隨機重發先聽后發，邊聽邊發，沖突停發，隨機重發 載波監聽載波監聽 (1-persistant CSMA) 所有節點可以區分信道是否空閑所有節點可以區分信道是否空閑 發送前監聽信道發送前監聽信道, 且不影響現有通信且不影響現有通信 監測是否已有其他人正在發送數據監測是否已有其他人正在發送數據 等待直到對方發送完畢等待直到對方發送完畢 沖突檢測沖突檢測 (Co

10、llision Detection, CD) 節點可以檢測數據幀發送過程是否發生沖突節點可以檢測數據幀發送過程是否發生沖突 如果其他人同時開始發送如果其他人同時開始發送, 則停止發送行為則停止發送行為多路訪問控制算法多路訪問控制算法: CSMA/CD 沖突檢測沖突檢測Original CSMA CSMA/CD CSMA/CD 算法算法1. NIC 接收來自于網絡層的數據接收來自于網絡層的數據, 構造數據幀構造數據幀2. 監聽信道監聽信道(1-persistant CSMA)：如果發現信道空閑：如果發現信道空閑, 則開始發送數據幀則開始發送數據幀. 如果信如果信道忙道忙, 則等待直到信道空閑再發

11、送數據幀則等待直到信道空閑再發送數據幀3. 如果整個數據幀的發送過程未檢測到其他數據發送過程如果整個數據幀的發送過程未檢測到其他數據發送過程, 則完成數據幀的發送則完成數據幀的發送!4. 沖突檢測沖突檢測(Collision Detection)：如果在數據幀發送過程中監測到其他數據發送：如果在數據幀發送過程中監測到其他數據發送過程過程, 則退出并發送則退出并發送48bit擁塞信號通知所有其他節點沖突的發生擁塞信號通知所有其他節點沖突的發生5. 沖突恢復沖突恢復(Collision Recovery)：退出數據幀發送后：退出數據幀發送后, NIC執行執行二進制指數退避算二進制指數退避算法法:

12、發生第發生第m次沖突后次沖突后, NIC 從中從中0,1,2,2m-1隨機選擇隨機選擇K. NIC 等待等待K512比特時比特時延后延后, 重新執行第重新執行第2步步采用嘗試重傳來估計當前的負載采用嘗試重傳來估計當前的負載 第一次沖突第一次沖突: 從從0,1中選擇中選擇K; 等待時延為等待時延為K*512比特傳輸時延比特傳輸時延 第二次沖突第二次沖突:從從0,1,2,3中選擇中選擇K 第十次沖突第十次沖突:從從0,1,2,3,4,1023中選擇中選擇KCSMA/CD 沖突恢復沖突恢復STA1和STA3有一個數據幀待發送, STA2有兩個待發送數據幀假設所有數據幀長度相同第一次沖突各站點的退避值

13、 : STA1 = 1; STA2 = 0; STA3=0第二次沖突各站點的退避值: STA1 = 1; STA2 = 0; STA3=2第三次沖突各站點的退避值: STA1 = 3; STA2 = 1; STA3=3觀察退避窗口的大小 (CW)變化STA 1STA 2STA 3PreviousframeSTA2, 1st frameTime01 0001 02 1 01303CWSTA1= 2CWSTA2= 0CWSTA1= 8CWSTA3= 2CWSTA3= 4STA2, 2nd frameSTA3, 1st frame221 01 062 1504 3CWSTA1= 16CWSTA3=

14、162 1 0STA1, 1st frameCWSTA1= 4CWSTA3= 8Collision (aborttransmission)Jam signalKey:Backoff slotCWSTA2= 0CWSTA3= 0CWSTA2= 2CWSTA2= 4CWSTA2= 2STA 1STA 2STA 3PreviousframeSTA2, 1st frameTimeTime01 0001 02 1 01303CWSTA1= 2CWSTA2= 0CWSTA1= 8CWSTA3= 2CWSTA3= 4STA2, 2nd frameSTA3, 1st frame221 01 062 1504

15、3CWSTA1= 16CWSTA3= 162 1 0STA1, 1st frameCWSTA1= 4CWSTA3= 8Collision (aborttransmission)Jam signalKey:Backoff slotCollision (aborttransmission)Jam signalKey:Backoff slotCWSTA2= 0CWSTA3= 0CWSTA2= 2CWSTA2= 4CWSTA2= 2802.3 MAC 爭用期爭用期 與與 最小幀長最小幀長 802.3 MAC 的沖突檢測的沖突檢測 采用采用CSMA/CD的以太網處于半雙工模式，邊聽邊發的以太網處于半雙工

16、模式，邊聽邊發 約定一段固定的時間（爭用期）內沒有檢測到沖突，后續發送就約定一段固定的時間（爭用期）內沒有檢測到沖突，后續發送就不會發生沖突不會發生沖突l爭用期爭用期l根據介質傳播特性，以端到端往返時延設置根據介質傳播特性，以端到端往返時延設置“爭用期爭用期”( (或稱沖突窗口、碰撞窗口或稱沖突窗口、碰撞窗口) )l802.3 802.3 規定規定 51.2us51.2us爭用期，爭用期，10Mbps10Mbps以太網以太網可以發送可以發送512bit512bit，即，即64byte64bytel換而言之，如果發送沖突，就會在前換而言之，如果發送沖突，就會在前64B64B中中l最小幀長最小幀長

17、(64B)(64B)l站點收到小于最小幀長的視之為無效幀而丟棄；站點收到小于最小幀長的視之為無效幀而丟棄；待發送的有效數據幀必須大于最小幀長待發送的有效數據幀必須大于最小幀長Ethernet的實際應用的實際應用“占主導地位占主導地位”的的有線局域網技術有線局域網技術: NIC的價格的價格: $20 第一個廣泛使用的局域網技術第一個廣泛使用的局域網技術 通信帶寬通信帶寬: 10 Mbps 10 Gbps 實際規模實際規模 大部分以太網上連接的主機數比大部分以太網上連接的主機數比200少少, 遠小于最大值遠小于最大值 1024 大部分以太網的覆蓋范圍遠小于大部分以太網的覆蓋范圍遠小于2500米米,

18、 往返時延接近往返時延接近5 s 而不而不是是51.2 s.成功的原因成功的原因 首先首先, 以太網易于維護和管理以太網易于維護和管理, 易于新的節點加入易于新的節點加入. 其次其次, 成本低廉成本低廉: 電纜價格便宜電纜價格便宜, 已成為每臺主機標配網絡適配已成為每臺主機標配網絡適配器器第第2章章 開始連接開始連接 問題：連接到網絡問題：連接到網絡 2.5 可靠傳輸可靠傳輸 2.6 以太網和多路訪問網絡以太網和多路訪問網絡 2.7 無線無線 2.7.1 802.11/WiFi 2.7.2 802.15藍牙藍牙 2.7.3 蜂窩電話技術蜂窩電話技術 2.8 小結小結無線鏈路特性無線鏈路特性 無

19、線鏈路與有線鏈路的區別：無線鏈路與有線鏈路的區別： 信號強度遞減信號強度遞減: 電磁波在穿越物體時強度將減弱電磁波在穿越物體時強度將減弱 (路徑損耗路徑損耗) 存在來自于其他信號源的干擾存在來自于其他信號源的干擾: 其他設備（如手機）也使用其他設備（如手機）也使用同一個無線頻段同一個無線頻段(如如2.4 GHz)發送信號；環境中其他設備（如發送信號；環境中其他設備（如電動機）也能形成干擾電動機）也能形成干擾 多徑傳播多徑傳播: 電磁波的一部分受物體和地面反射，在不同的時電磁波的一部分受物體和地面反射，在不同的時間到達接收端間到達接收端 無線網絡特性無線網絡特性 隱藏終端問題隱藏終端問題ABCl

20、物理遮擋：lB, A能互相監測到對方lB, C能互相監測到對方lA, C之間不能互相監測到對方l這意味著A,C不確定它們的傳輸會不會在目的地B發生干擾ABCA的信號強度空間C的信號強度l信號衰減：lB, A能互相監測到對方lB, C能互相監測到對方lA, C不能監測到對方與自己的傳輸是否在目的地B形成干擾隱藏終端和暴露終端問題隱藏終端和暴露終端問題 C B A暴露發送終端：在發送節點范圍內，暴露發送終端：在發送節點范圍內，而在接收節點范圍外的節點。而在接收節點范圍外的節點。例如：A 和 D 無法監聽到對方，互為暴露終端節點。B向A、C向D同時發送數據，這兩個會話因為B和C相互干擾而不能并發通信

21、。 C B A D隱藏發送終端：在接收節點范圍內，隱藏發送終端：在接收節點范圍內，而在發送節點范圍外的節點。而在發送節點范圍外的節點。例如：A 和 C 無法監聽到對方，互為隱藏終端節點。它們同時向B發送數據，在B處造成數據幀沖突CA: 沖突避免沖突避免, 而不是檢測而不是檢測 有線以太網的沖突檢測有線以太網的沖突檢測CSMA/CD 站點在傳輸過程中監聽信道站點在傳輸過程中監聽信道 如果存在其他站點發送數據則檢測到沖突發生如果存在其他站點發送數據則檢測到沖突發生 終止當前數據發送過程并嘗試重傳終止當前數據發送過程并嘗試重傳 CSMA/CD 在無線網絡中的問題在無線網絡中的問題 問題問題 #1:

22、無法檢測所有的沖突無法檢測所有的沖突 隱藏終端問題隱藏終端問題 信道衰落信道衰落 問題問題 #2: 難以同時收發難以同時收發 接收信號強度明顯弱于發送信號強度接收信號強度明顯弱于發送信號強度 硬件限制硬件限制 因此因此, 802.11 采用沖突避免機制采用沖突避免機制(Collision Avoidance), 而非沖而非沖突檢測突檢測(Collision Detection)基于基于RTS/CTSRTS/CTS的沖突避免的沖突避免 沖突避免沖突避免 Collision Avoidance 又稱為虛擬載波偵聽又稱為虛擬載波偵聽 Virtual Carrier Sense，即希望通過，即希望通過

23、信令協商達到實際載波偵聽的效果信令協商達到實際載波偵聽的效果 在發送數據幀之前交換控制信息在發送數據幀之前交換控制信息 發送方發送方 詢問詢問 “Request-to-Send” (RTS), 包括數據幀長度包括數據幀長度 接收方接收方 響應響應 “Clear-to-Send” (CTS) 如果發送方收到如果發送方收到 CTS, 則開始發送數據則開始發送數據 (指定長度指定長度) 其他節點收到其他節點收到 CTS, 則保持指定長度數據幀發送時延的空則保持指定長度數據幀發送時延的空閑狀態閑狀態 如果其他節點收到如果其他節點收到 RTS, 則禁止發送數據則禁止發送數據APAB時間RTS(A)RTS

24、(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)DATA (A)ACK(A)ACK(A)預約碰撞802.11 局域網體系結構局域網體系結構l無線主機與基站通信l基站 = 接入點 (AP)l基本服務集 (BSS) 一個BBS通常包含:l“網絡名” 通過SSID識別l無線主機l接入點 (AP): 基站l自組織（ad hoc）模式:只有主機BSS 1BSS 2Internet交換機或路由器APAPSSID: 服務集標識802.11 協議層次協議層次IEEE802.11b IEEE802.11b是無線局域網的一個標準是無線局域網的一個標準 其載波的頻率為其載波的頻率為2.4GHz，傳送速度為，傳送速度為11

25、Mbit/s。在。在2.4-GHz-ISM頻段共有頻段共有14個頻寬為個頻寬為22MHz的頻道可供使用。的頻道可供使用。 IEEE802.11b是所有無線局域網標準中最著名，也是普及是所有無線局域網標準中最著名，也是普及最廣的標準。它有時也被錯誤地標為最廣的標準。它有時也被錯誤地標為Wi-Fi。 實際上實際上Wi-Fi是無線局域網聯盟（是無線局域網聯盟（WLANA）的一個商標，該商標僅保障）的一個商標，該商標僅保障使用該商標的商品互相之間可以合作，與標準本身實際上沒有關系。使用該商標的商品互相之間可以合作，與標準本身實際上沒有關系。 IEEE802.11b的后繼標準是的后繼標準是IEEE802

26、.11g，其傳送速度為，其傳送速度為54Mbit/s。802.11: 信道與關聯信道與關聯 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 頻段被分為頻段被分為11個部分重個部分重疊的信道疊的信道 AP管理員為管理員為AP選擇工作頻段選擇工作頻段 可能發生的沖突：相鄰可能發生的沖突：相鄰AP有可能選擇了相同的頻段。有可能選擇了相同的頻段。802.11: 信道與關聯信道與關聯 主機必須與一個主機必須與一個AP關聯關聯 掃描信道，監聽信標幀（掃描信道，監聽信標幀（beacon frames），每個信標幀包含該），每個信標幀包含該AP的的SSID和和MAC地址地址 選擇一個選擇一個AP建立關聯建立

27、關聯 可能需要認證可能需要認證 通常使用通常使用DHCP協議在協議在AP的子網中獲取的子網中獲取IP Beacon frames from APs Associate request from host Association response from AP802.11 幀結構與編址幀結構與編址802.11 幀結構與編址幀結構與編址FunctionAddr 1 (Receiver)Addr 2(Transmitter)Addr 3Addr 4Intra-BSSDestSourceTo APBSS IDSourceDestFrom APDestBSS IDSourceBridged APsRe

28、ceiverTransmitterDestSourceIEEE 802.11: CSMA/CA 避免碰撞避免碰撞:2個以上的節點同時發送數據個以上的節點同時發送數據 802.11: CSMA 傳輸數據前偵聽傳輸數據前偵聽 不與正在傳輸數據的其他節點碰撞不與正在傳輸數據的其他節點碰撞 802.11: 沒有碰撞檢測沒有碰撞檢測! 在接收信號很弱的情況下（衰減）很難接收監測碰撞信號在接收信號很弱的情況下（衰減）很難接收監測碰撞信號 所有碰撞都監測不到的情況：隱藏終端問題，衰減問題所有碰撞都監測不到的情況：隱藏終端問題，衰減問題 目標目標: 避免碰撞避免碰撞，帶碰撞避免的載波監聽多路訪問協議（帶碰撞避免的載波監聽多路訪問協議（CSMA/CA）ABCABCA的信號強度空間C的信號強度IEEE 802.11: CSMA/CA 802.11 發送端發送端 如果監聽到信道空閑如果監聽到信道空閑 它將在一個被稱作分布式幀間間隔它將在一個被稱作分布式幀間間隔（DIFS）的