計算機通信網2011教案作者：段景山2

第4章介質訪問子層背景及介質訪問子層功能介質訪問基本方法競爭訪問信道、無沖突協議、有限競爭協議以太網協議其他協議Wi－Fi、Wi－Max網橋及交換34.1背景及功能問題提出兩個以上站點使用共享信道廣播信道、多路訪問信道、隨機訪問信道不能有多個站點同時發送－－沖突接收站如何從幀流中識別送給自己的數據問題解決目標對等式通信共享介質、無中心無沖突或能降低沖突，實現通信信道利用率高關STOPRejectAcceptCollision4背景問題解決方法初探從提高效率角度應當采用當信道空閑時，其他站點能將空閑的信道利用起來的方法例，設教室的門是共享資源“魚貫而出”是對門的最好利用但控制的不好會出現擁擠，“門”得不到利用的現象問題解決的關鍵需要復雜控制機制實現信道分配，達到充分利用信道的目標5信道分配功能功能控制廣播信道中信道分配多路訪問信道（multiaccesschannel）隨機訪問信道（randomaccesschannel）介質訪問子層（mediumaccesscontrol）制定數據發送和接收的規則基本的廣播信道分配方法將廣播信道劃分為多個“子”信道，TDM、FDM每個用戶使用其中的一個子信道多路訪問單個信道，CSMA/CD等所有用戶共享一個信道重6背景及功能本章內容具有廣播信道的網絡局域網、無線網、衛星網、光纖網相關協議局域網協議、波分多路復用等關74.2廣播信道分配問題靜態分配將廣播信道分為多個“子”信道FDMTDM…每個用戶分配一個子信道較大延時，較多帶寬浪費（P210）N倍延時，40％的帶寬利用動態分配動態不劃分子信道，根據用戶數據需求進行信道分配非固定使用信道資源：時隙、頻段……(ALOHA、slottedALOHA、CSMA、CSMA/CD…)重8動態分配的環境設定（P211）站點模型一次發送一個幀，直到成功發送信道所有站共用一個信道－－單信道沖突兩個站同時在信道上傳輸時，其它站收到的信號是混亂的9廣播信道分配問題動態分配棘手的問題多于兩個站同時發送，就會產生沖突分布式協調信道“爭搶”得太厲害，導致混亂大家太“謙讓”，導致浪費資源關10廣播信道分配問題動態分配動態分配方法類型競爭信道節點無序搶占信道允許沖突存在有序訪問控制節點訪問信道次序無沖突有限競爭結合競爭方式和無沖突方式輕負載時，使用競爭方式重負載時，使用無沖突方式4.3競爭訪問信道4.4有序訪問信道4.5有限競爭信道重114.3多路訪問協議4.3.1競爭訪問信道協議ALOHAPureALOHASlottedALOHACSMA載波偵聽多路訪問1-堅持CSMA非堅持CSMAP-堅持CSMACSMA/CD（以太網）重12ALOHA協議發送：每個站點在任何時刻只要有數據就可發送然后等待接收方的確認－－設置等待的定時器收到確認，說明發送成功，否則，重發報文。多次重發不成功就放棄報文。接收：接收方收到報文，校驗正確后，發送確認。70年代，夏威夷大學為了用無線電將分散在各個島嶼的計算機連接起來，NormanAbramson等人設計了一種巧妙地解決信道分配問題的新算法，稱為ALOHA（orpureALOHA)。該協議開創了通信介質共享領域的新時代13ALOHAALOHA協議的沖突現象很嚴重發送太隨意傳輸前不監聽沖突嚴重，又不設法減輕利用“停等協議”解決差錯站A站B站Ctt+Tt+2Tt-TT站D14SlotedALOHA時槽式ALOHA將信道使用時間分成離散的時槽每個時槽發送一幀數據規定只能在時槽的起始處發送幀沖突要么完全重疊，要么完全分開站A站B站C站Dt時槽起始處15SlotedALOHA改變了ALOHA隨機發送時間的特性僅在特定時刻沖突概率下降－－“沖突窗口”減小一半信道吞吐率增加一倍（37％）16CSMA載波偵聽多路訪問發送前偵聽線路如果線路空閑就立即發送如果信道忙，就持續偵聽直到信道空閑，此時還有以下三種策略：1堅持CSMAP堅持CSMA0堅持CSMA發送前偵聽線路使沖突窗口減小為傳播延時沖突概率下降17CSMA載波偵聽動畫（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發送數據信號到達B處B偵聽信道，抑制發送AB18CSMA載波偵聽動畫連續（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發送數據信號到達B處B偵聽信道，抑制發送AB19CSMA載波偵聽動畫（二）t信道空閑A偵聽信道，立即發送數據信號到達B處，產生沖突B偵聽信道，立即發送AB信號傳播延時CSMA降低了沖突概率因為信號傳播延時是很短的－－以2/3光速傳播201堅持CSMA發送前偵聽信道，如果空閑就立即發送如果信道忙，就持續偵聽直到信道空閑此時（信道由忙轉閑時），立即發送稱為以1的概率發送在信道被占用的一段時間內很容易出現兩個以上的站點偵聽信道信道由忙轉閑時，肯定沖突1堅持CSMA的沖突概率仍比較高站A站B站C站D偵聽偵聽21P堅持CSMA發送前偵聽信道，如果空閑就立即發送信道由忙轉閑時以P的概率發送以（1－P）的概率進行隨機延時后再嘗試發送降低了多個站點同時偵聽信道造成的沖突概率站A站B站C站D偵聽偵聽A計算概率為可以發送D計算概率為不能發送延時后偵聽思考1、D的隨機延時最少為多大？2、有多少個站點同時偵聽時一定會發生沖突220堅持CSMA發送前偵聽信道，如果空閑就立即發送信道由忙轉閑時都需要進行隨機延時，再嘗試發送稱為以0的概率發送也能降低多個站點同時偵聽信道造成的沖突概率站A站B站C站D隨機延時后偵聽偵聽A計算概率為可以發送D計算概率為不能發送隨機延時后偵聽23幾種競爭協議的效率吞吐率輕負載下，1-堅持的性能好，0-堅持差，p-堅持中等重負載下，1-堅持的性能差，0-堅持好，p-堅持中等1-堅持和0-堅持與網絡的具體站點數無關，性能相對穩定24CSMA/CD（結合P216、P233）載波偵聽多路訪問/沖突檢測引入已經發生沖突的幀，繼續發送的部分是浪費沖突檢測發送的過程中繼續檢測信道，以及時發現沖突發生沖突后，立即停止發送站A站B站C沖突浪費25

沖突檢測方法電平判斷沖突信號相互疊加，總電平將超過額定值邏輯判斷發送的數據與同時收回來的數據不一致集線器上有兩個及以上的端口“活動”+=超高26沖突檢測時間最多花多長時間發現沖突ε接近于0，但不等于0τ為傳播時延＝距離/0.7光速發送超過2τ時間后不需要再檢測沖突了27沖突檢測后的處理檢測到沖突后立即停止傳輸停止傳輸后，隨機延遲一段時間再嘗試發送若各站的延遲時間相同，則一定會再次沖突延遲時間以時間片為單位一個時間片＝最大沖突檢測時間隨機延時算法－－截斷二進制指數回退算法whileattempts<attemptlimitandcollisionk=min(attempts,10);r=radom(0,2k);attempts=attempts+1;endofwhiler為計算出的延時時間片28競爭訪問信道競爭訪問信道面臨的問題有沖突出現盡量減少沖突－－降低沖突概率監聽載波隨機后退盡量減小沖突帶來影響－－減小沖突窗口分時槽監聽載波沖突檢測減少用戶發送延遲發送延遲：從準備發送到正確發送數據的時間間隔降低沖突概率減小沖突持續時間294.3.2無沖突協議預定協議－－信道申請自定方式用特定信息指揮發送30無沖突協議預定協議－－信道申請在信道訪問前先申請（預定）信道，然后按序訪問爭用時隙的使用發送站在自己的爭用時隙中置位在爭用時隙結束后，各發送站按順序發送基本位圖：建立爭用時隙與站點的映射 （圖4-6）31無沖突協議自定方式不預定信道，而是利用站點自帶的信息（地址）決定使用信道的順序二進制倒計數法各發送站發送自己的地址，同時監聽自己發出的地址是否改變地址發完后，沒有發現地址改變的發送站繼續發送數據32無沖突協議二進制倒計數法例站A、站B、站C、站D，地址分別為0010、0100、1001、10100010010010011010假設四個站點同時希望發送，它們將自己的地址送出，并同時監聽網絡上的數據。ABCD發送順序先后00111111D站可以發送數據發送站中地址最高的可以發送數據地址動態變化，以使保證公平性33無沖突協議用特定信息指揮發送令牌－－令牌環、令牌總線由監控站向指定站發送一個“令牌”，拿到“令牌”的站才能發送數據監控站保證只有一個令牌出現。擴344.3.3有限競爭協議產生背景競爭協議與無沖突協議在輕載和重載下的不同特性－－各有優劣輕載時，競爭協議具有低發送延時特性重載時，無沖突協議具有高信道利用率的特性分組分時隙法分組：組數－－N組內成員數－－M組間用競爭方式，組內用無沖突方式組間用無沖突方式（固定時隙），組內用競爭方式輕載時，增加減少重載時，增加減少組的數量組內成員數量組的數量組內成員數量組的數量組內成員數量優優354.3.4波分多路訪問協議應用環境無源光柱－－共享信道接收器發送器關36波分多路復用（自學）波分利用不同的波長作為不同的信道（類似FDM）每個節點具有各自的發送信道、接收信道一個波長固定的接收端，收控制信息一個波長可調的發送端，發控制信息一個波長固定的發送端，發送數據一個波長可調的接收端，接收數據控制數據接收控制數據發送波長固定波長可調37波分多路復用小結波分復用與純廣播式通信不同，各節點有自己的信道與FDM方式的信道固定分配不同，帶有動態分配的思想，具有統計復用的特點，信道利用率高數據發送信道波長雖然固定，但并不限制只能將數據發送給一個站點當多個站點同時請求向一個站點發送數據時，也會出現沖突重384.3.5無線局域網協議無線局域網的廣播特性信道共用無基站，對等式無線環境的特殊性： 沖突域不固定ABCAC之間并不沖突，但在B看來，大家都是沖突的39無線局域網隱藏站點A向B發送數據時

C監測不到載波C也向B發送數據，造成沖突A對C隱藏暴露站點B向A發送數據

C向D發送數據本來互不干擾但在B發送時，

C檢測信道，以為會 發生沖突，而停止B暴露在C、D之間

ABCABCD難40無線局域網協議MACA沖突避免解決隱藏站點沖突A欲向B發送數據，先發送RTS幀提醒BB應答CTS，阻止在B覆蓋范圍內的其他所有站點發送數據（不包括A）C收到CTS后，不向B發送數據而避免了沖突（在B周圍的所有站點中只有A能發送數據）ABCRTSCTSRTS－RequestToSendCTS－ClearToSend41無線局域網協議MACA解決暴露站點問題C收不到A發出的CTS－－發送抑制幀C可以在B向A發送數據的同時向D發送數據ABCDCTS424.4以太網采用了CSMA/CD技術的局域網范圍小、數傳速率高，共享介質一根電纜連接所有的站點背景IEEE802委員會IEEE802.3MAC媒體訪問控制層PHY物理層LLC邏輯鏈路控制層高層數據鏈路層434.4.1以太網“電”纜同軸電纜10BASE2細纜，近200m距離10BASE5粗纜，近500m距離雙絞線10BASET100BASET1000BASET光纖10BASEF100BASEF1000BASELx、SX444.4.2以太網物理層接口BNC－－同軸電纜接口RJ45－－雙絞線接口SC－－光纖接口45以太網物理層曼徹斯特編碼歸零較多跳變有違例編碼效率較低464.4.3以太網MAC層媒體訪問技術－－CSMA/CD傳輸前偵聽載波信道空閑立即發送信道忙則一直偵聽，直到信道空閑，然后立即發送發送過程中同時檢測沖突發現沖突立即停止傳輸，并在隨機延時后嘗試發送停止傳輸后，用二進制指數回退算法計算延時一些重要的規定最小幀長64字節，最大幀長1518字節最多連續沖突次數：16次幀間間隔12字節47以太網MAC層幀格式前導碼：10101010串，用于同步目的地址：6字節三種形式單播、單目、普通地址指定站點接收多播、組播、組地址一組站點同時接收廣播地址所有站點全部接收前導碼目的地址源地址長度/類型數據幀校驗8字節6字節6字節2字節46～1500字節4字節48以太網幀格式目的地址第一字節，最“高”位為0表示單播地址－－普通地址為1表示多播地址－－組地址全部為1表示廣播地址例：0x01005E730C01組播地址0x00900A270B0C單播地址0xFFFFFFFFFFFF廣播地址49以太網幀格式長度/類型字段小于1536表示幀長度－－幀中數據字段的長度數據內容是變長的，最大為1500大于1536表示幀類型－－數據字段封裝的協議類型0x800：表示數據內容是IP分組0x806：ARP分組前導碼目的地址源地址長度/類型數據幀校驗8字節6字節6字節2字節46～1500字節4字節目的地址源地址0x800IP分組50以太網幀格式幀校驗字段32位CRC校驗MAC層發現幀錯誤后，僅向上層報告而不進行差錯控制前導碼目的地址源地址長度/類型數據幀校驗8字節6字節6字節2字節46～1500字節4字節514.4.4共享式與交換式以太網共享式以太網傳統的以太網是共享式的一根電纜連接所有的站點一個集線器連接所有站點集線器將一個端口的數據送到所有端口多個站點同時發送時就產生沖突集線器相當于一個共享的電纜52共享式與交換式以太網交換式以太網交換機僅把收到的數據放到目的站所在的端口多個站同時發送時，只要目的不同，就可以同時進行交換機提供獨享的信道534.4.5快速以太網數傳速率為100Mbps的以太網802.3u與10Mbps的以太網兼容－－10/100M自適應電纜：5類雙絞線接口：RJ45編碼：8B/6TMAC層：CSMA/CD全雙工（交換式）下不用544.4.6千兆以太網數傳速率為1000Mbps的以太網802.3z，802.3ab等“電”纜：802.3z－－光纖，802.3ab－－雙絞線編碼：8B/10BMAC層：CSMA/CD全雙工（交換式）下不用幀擴充（載荷擴充）技術，將小于64字節的幀擴充到512字節發送幀突發（幀串）技術，一次可連續發送多個小于512字節的幀，直到1500字節554.5無線局域網協議標準IEEE802.11系列協議11b11g11a11n11i……無線的“以太網”希望像以太網那樣普及、方便、易用技術和CSMA/CD類似CSMA/CA高層LLC802.3MAC802.3PHY802.11MAC802.11PHY564.5.1WLAN的組網結構對等結構－－無中心結構基礎架構－－有中心結構(APAccessPoint)AP無線網卡574.5.2WLAN物理層紅外線IR1Mbps或2Mbps的數傳速率光波長：850nm沒有穿越性，較少使用跳頻擴頻FHSS2Mbps2.4GHz抗干擾性好較少使用不同時隙工作在不同頻率上58WLAN物理層（續）直接序列擴頻DSSS2Mbps、11Mbps，2.4GHz類似CDMA應用較為廣泛正交頻分多路復用OFDM54Mbps，2.4GHz、5GHz分割子頻率復雜的編碼技術594.5.3WLAN的MAC層操作模式DCF與PCF，DCF是對CSMA技術的繼承更常用CSMA/CA技術載波偵聽多路訪問/沖突避免邏輯載波偵聽根據偵長度字段判斷信道空閑的時刻RTS/CTS技術避免沖突604.5.4WLAN幀格式幀控制中含有幀類型管理幀、控制幀（RTS、CTS）、數據幀比以太網復雜地址字段多了兩個地址源、目的、接收者、發送者ABAP1AP2BAAP2AP1614.5.5WLAN組網服務AP1AP2BSS1BSS2ESSDS移動兩種組網形態獨立基本服務組（IBSS）又叫Ad-Hoc方式沒有中心站，形成單跳獨立網絡臨時的小型應用擴展服務組（ESS）有中心結構（AP）無線站與AP相連形成BSS通過AP間的有線連接實現多個無線網的互連兩種組網形態是互斥的62WLAN組網服務服務關聯無線站與AP之間互相發現的過程主要靠AP定期發送“信標”幀，讓無線站識別和選擇保密無線網保密性不夠，容易被截聽數據需用“密鑰”進行加密認證網絡對用戶身份的確定無線網太容易接入了，因此需要靠認證用戶身份的方法來確定共享密鑰（WEP）WPA，利用認證服務器和數據庫63WLAN的認證系統APAPBSS1BSS2認證二級RadiusServerRouterInternet網管中心一級RadiusServerAP……認證客戶認證系統認證服務系統644.5.6WLAN擴展標準物理層802.11b－－11Mbps802.11g－－54Mbps802.11a－－54Mbps802.11n－－將超過100Mbps其他802.11e－－Qos，提高可靠性802.11f－－站點在AP間的“漫游”802.11p－－在車里和車輛之間實現WLAN802.11s－－AP之間用無線形成多跳網654.7網橋與交換機4.7.1網橋的應用環境－－網橋的產生局域網內依靠線路、環路、集線器等已經能夠實現連接局域網間需要互連橋66局域網互連需求LANs分散，相距較遠調節載荷，減輕主干負擔可靠性，限制故障范圍安全性需要，將局域網隔離……674.7.2網橋技術需要根據目的地址判斷轉發接口網橋工作在數據鏈路層可能涉及不同協議之間的互通數據鏈路層的協議轉換橋ABCD68網橋技術網橋的基本技術工作在數據鏈路層接收局域網上所有的幀根據幀內目的地址進行轉發采用存儲轉發技術不同的LAN之間可能需要進行協議轉換橋ABCD69網橋核心技術之一存儲轉發可進行速率匹配、信號轉換、協議轉換等70網橋核心技術之二根據幀內目的地址轉發只有跨網數據才轉發網間實現了隔離可允許多個端口同時收到數據對比集線器從一個端口收到的數據向所有端口轉發