[信息与通信]计算机通信网之媒质接入层.ppt

,1,媒质接入子层,第4章,2,主要内容,4.1 信道分配问题4.2 多址访问协议4.3 以太网4.4 WLANs4.5 宽带无线网络4.6 蓝牙4.7 数据链路层交换,3,4.1 信道分配问题,LANs 和 MANs中的静态信道分配方案对于有限的、固定的用户之间分配信道的传统做法是采用频分复用技术（很有效果）。当发送方的数量非常多且经常变化时，或者说流量是突发性的，此时采用固定分配信道的做法就不可取，因为会造成信道利用率低，浪费严重。,4,排队轮(M/M/1)T=mean time delay(total time cost in the system)C=capacity(bps)l=arrival frame rate(frames/sec)1/m=mean length(bits/frame)mC=service frame rate(frame/sec),1T=-mC-l,信道分配问题,5,将单个信道分成N个独立的子信道，每个子信道的容量为C/Nbps，每个子信道的平均输入率变成l/N。重新计算T，有：1 NT(FDM)=-=-=NT m(C/N)-l/N mC l由此可见，FDM的平均迟延将是单个信道的N倍。,6,LANs和MANs中的动态信道分配方案,5个关键假设1.站模型.2.单信道假设3.冲突假设4a 连续时间4b 时隙时间5a 载波检测5b 无载波检测,7,多址访问协议,ALOHA载波侦听多路访问协议无冲突协议有限竞争协议波分多路访问协议无线局域网协议,8,纯ALOHA,思想：当用户有数据要发送的时候就让他们传输。会发生冲突，冲突帧将被损坏。发送端通过侦听信道总能知道它的帧是否损坏，如果损坏则等待一个随机时间然后重发1.任何数据上的重叠都是冲突2.如果帧长相同则效率是最高的,9,纯 ALOHA,在纯ALOHA中,帧的传输完全是在任意时间进行的.,10,纯 ALOHA,阴影帧的冲突危险周期.,11,纯ALOHA,N=传输的帧.每个“帧时间”产生的帧的数量。对于合理的吞吐量，应该期望：0 N 1.G=N+因冲突而重传的帧(k次)，假设也服从泊松分布。P0=成功传输的概率.吞吐量：S=P0 x G在给定一个帧时间中共生成k帧的概率服从泊松分布：G k e-G Prk=-,Pr0=e-G k!在整个冲突危险期中，不存在其他流量的概率为 P0=e-2G 因此：每帧时间内的吞吐率为：S=G e-2G 最大的吞吐率发生在 G=0.5,即：S=1/2e,大约等于 0.184.,12,纯 ALOHA,ALOHA 系统中吞吐率与帧流量之间的关系.,13,时隙 ALOHA,假设：所有的帧等长时间分成相等的时隙，每个时隙发送一个帧站只在每个时隙开始时发送帧站是同步的如果两个以上的站在同一个时隙发送帧，所有的节点都能检测到冲突。操作当站产生一个新的帧，该站将在下一个时隙开始时发送此帧。如果没有冲突，该站继续在下一时隙发送新的帧如果冲突,该站将在后续的时隙中以概率P重发该帧直到成功发送为止。,14,时隙ALOHA,15,时隙 ALOHA,假设 N 个站 都有帧要发送,每次发送（一个时隙）的概率为p在该时隙中第一个站成功发送的概率：p(1-p)N-1任一个站发送成功的概率（吞吐量）：Np(1-p)N-1在上式中找一个最佳的p*使得 Np(1-p)N-1最大，p*=1/N进而在 Np*(1-p*)N-1 的限制下，N infinity,得到最大吞吐量为：1/e=0.37因此时隙ALOHA最大吞吐率为37%是纯ALOHA的2倍,16,载波检测多路访问协议,基本思想：每个站都监听是否存在载波（即是否有传输），并采取相应的动作，这样的一类协议成为CSMA。持续与非持续1-persistent CSMA Nonpersistent CSMA(equivalent to 0-persistent CSMA)p-persistent CSMA For slotted channels.,17,1-persistent CSMA 站首先侦听信道，如果信道空闲，则传输帧，如果忙则等待直到空闲，如果冲突，则等待一随机的时间，然后再一次检测和发送。传输数据成功的概率为1传播时延对协议的性能有重要的影响。传播时延越大，协议的性能越差问题：传播时延为0，会不会冲突？,载波检测多路访问协议,18,载波检测多路访问协议,Nonpersistent CSMA(equivalent to 0-persistent CSMA)与1-persistent CSMA不同之处在于当信道正在被使用时，站会等待一段随机的时间再对信道进行侦听。导致 1)更高的吞吐率 2)比 1 persistent更长的时延.,19,载波检测多路访问协议,p-persistent CSMA For slotted channels.当信道空闲时，以概率p发送数据，如果本次没有发送，则延迟到下一个时隙，如果下一时隙也空闲则以概率p发送数据，直到帧被发送出去。,20,Persistent and Nonpersistent CSMA,各种随机访问协议的信道利用率与负载之间的比较,21,CSMA/CD，用于LAN,CSMA/CD 可能出于三种状态之一：竞争,传输,或者 空闲.,CSMA WITH COLLISIONS DETECTION:当一个站检测到冲突后。它立即放弃它的传送任务，并等待一段随机的时间，然后再重新尝试传送。,22,冲突间隔？-一个站在传输完数据之后多久才能正确无误的检测到没有发生冲突？2tprop,CSMA/CD,23,无冲突协议,基本的位图协议,位图协议将一个竞争时隙分成bit，允许每个站声明本站在哪个时隙上发送帧，当所有的时隙都通过后，他们将按照数字顺序开始传送数据。在实际传送数据之前先广播自己的发送愿望的协议称为reservation protocol.,24,无冲突协议(2),二进制倒计数协议，虚线表示不再参与竞争,一个站要使用信道，它以二进制位串的形式广播它的地址，并且从高序的位开始。来自不同站的每个地址中的位被OR在一起。将这样的协议成为二进制倒计数协议。仲裁规则：在它的地址位中，一个值为0的高序位被改写为1，则它就放弃。,25,有限竞争协议,两个重要的性能指标：低负载下的迟延 高负载下的信道利用率有限竞争协议:使用竞争计数，在低负载下获得低迟延，在负载较高的情况下使用无冲突技术，从而获得很好的信道效率,26,有限竞争协议,对称竞争信道的成功概率.,首先将所有的站划分成组，这些组不必两两相交。只有0号组的成员才允许竞争0号时隙。如果竞争成功，则发送帧。如果时隙为空闲或者发生冲突，则1号组的成员竞争1号时隙，以此类推。通过适当的分组方法，每个时隙中竞争数量可以大大减少，从而使得每个时隙中的成功概率尽可能靠近下图的左侧！,27,自适应树搜索协议,包含8个站的树.,28,波分多路访问协议,Wavelength division multiple access.,Dynamically allocate subchannels as needed,29,Wireless LAN,A wireless LAN.(a)A transmitting.(b)B transmitting.,30,Wireless LAN(2),MACA协议.(a)A 发送一个 RTS to B.(b)B 向A送回一个CTS.,31,4.3 以太网-IEEE802.3,Ethernet 电缆曼彻斯特编码Ethernet MAC 子层协议二进制指数退避算法以太网性能交换式以太网快速以太网千兆EthernetIEEE 802.2：Logical Link ControlEthernet的回顾,32,IEEE 802 Family,PHY,Data Link,802.2 Logical Link Control,802.1Management,.,802.16BroadbandWireless,802.15PANBluetooth,802.11WirelessLAN,802.3CSMA/CDLAN,Media Access Control,Physical Layer Specifications,802.1 MAC Bridges(1D,1Q),802-2001(former 1a)Overview&Architecture,33,Ethernet 电缆,最常见的几种以太网电缆.10Base5 含义是：运行在10Mbps，使用基带信令，支持的分段长度达到500米。,34,IEEE 802.3 Family Standards,35,Ethernet 电缆,3种以太网电缆(a)10Base5,(b)10Base2,(c)10Base-T.,36,Ethernet 电缆,电缆拓扑(a)线形,(b)主干,(c)树,(d)分段.,37,中继器（repeater）,中继器是一个物理层设备。它在两个方向上接收、放大（重新生成）和重传信号。从软件角度看，通过中继器连接起来的一系列电缆段与单根电缆没有任何区别（除了中继器带来了一点迟延外）一个系统可以包含多根电缆段和多个中继器，但是两个收发器之间不能超过2.5公里远，并且任何两个收发器之间的路径上不得跨越多于4个中继器。,38,曼彻斯特编码,(a)Binary encoding,(b)Manchester encoding,(c)Differential Manchester encoding.,39,Ethernet MAC 子层协议,Frame formats（帧格式）(a)DIX Ethernet,(b)IEEE 802.3.,40,Ethernet MAC 子层协议,以太帧定义:Preamble=7 bytes of 10101010 Start=1 byte of 10101011 Destination=6 bytes of MAC address multicast=sending to a group of stations.broadcast=(destination=all 1s)to all stations on network Source=6 bytes of MAC address Length=number of bytes of data Data=comes down from network layer(=1500 B)Pad=ensures 64 bytes from destination address through checksum.checksum=4 bytes of CRC.,41,Ethernet MAC 子层协议,当一个收发器检测到冲突时，它会截断当前的帧，意味着冲突帧中已经送出的位将会出现在电缆上。为了更加容易的区分有效帧和垃圾数据，以太网要求有效帧至少64位。不够？填充（pad）。限制最小帧长还有一个更重要的原因：避免出现当一个短帧还没有到达电缆的远端的时候，发送端已经完成了该短帧的传送，而在电缆的远端，该帧可能与另一个帧发送冲突。在这种情况下，发端可能得出发送成功的结论。对10Mbps LAN,最坏情况下，往返时延大约50us。1bit 费时100ns，因此为了保证工作，最小帧长至少500bit，故取512bit或64字节。,42,Ethernet MAC 子层协议,43,二进制退避算法,1.站产生一个帧2.如果站检测到信道空闲，传输帧；如果检测到信道忙，等待直到信道空闲然后在传输。3.如果站发送一个完整的帧的过程中没有检测到其他的冲突，则表明站完成一个帧的传输。4.如果站在传输的过程中检测到有另一个传输产生，则放弃这次传输并产生一个jam signal(48-bit)5.在冲突发生以后,站进入指数退避：在第i次冲突以后，站在 0,1,2,2i-1之间随机选择一个数K，并等待.K*512 bit times然后转第2步。,44,以太网性能,信道效率取决于：F-帧长,B-带宽,L-电缆长度 c-信号传播速率 e-每帧竞争时隙的最优值 1channel efficiency=-1+2 B L e/c F,45,以太网性能,在给定帧长的情况下，B，L对性能都有影响，增加B，L将会降低网络的效率.人们希望在长的距离上有高的带宽，但是效率公式表明用传统方式实现的以太网并不适合这些应用。故只能采用其他方式。还有一点要注意：以太网的业务流量分布不是泊松分布的，而是自相似的，这意味着即使在一段较长的时间上进行平均也不能使流量变得平滑，即一个小时内每分钟的帧平均数的变化情况与一分钟内二秒钟帧平均数的变化情况是一致的。,46,以太网性能,速率为10Mbps，长为512位的时隙的以太网效率。,47,交换式 Ethernet,交换式Ethernet的一个简单示例,48,交换式 Ethernet,每个连接器有一个10Base-T 接口，连接到主机上。连接器之间用高速背板连接。当一个站希望传送一个以太帧的时候，它向交换机送出一个标准帧。帧的处理有两种情况：1.目标站在同一块卡上，则复制发送（不交换）；2.目标站不在同一块卡上，通过高速背板发送到目标站的插卡中。背板的速率可高达数G赫兹。冲突检测-如果卡上的所有端口都用线连在一起，从而构成一个卡上LAN，则处理冲突的方式同CSMA/CD.每块卡构成自己的冲突域。另一种类型的插卡中，每个输入端口支持缓存功能，所以可以确保无冲突发生。,49,快速Ethernet(802.3u),1995,最初的快速以太网电缆,KISS：Keep It Simple，Stupid。,所有的快速Ethernet 同样使用Hub和switches.,50,100Base-TX,5类线每个站只用两对双绞线，一个用于发送信号到集线器，另一个用于从集线器接收信号。5类双绞线可以处理125MHz的时钟频率。采用4B/5B编码(125MHz*4/5=100MHz)Half-duplex（hub方式下）(standard CSMA/CD)Full-duplex（交换方式下）(buffered and highs-peed backplane switching),51,千兆Ethernet(802.3z),Point-to-point configuration（a）A two-station Ethernet.(b)A multistation Ethernet.,52,千兆 Ethernet(2),千兆以太网的电缆类型.,53,IEEE 802.2:逻辑链路控制（LLC）,LLC提供了错误控制（确认机制）和流控制（滑窗）的能力。提供统一的格式，从而隐藏了各种802网络之间的差异。三种可能的选项:不可靠的数据报服务 确认的数据报服务 可靠的面向连接的服务,54,IEEE 802.2:Logical Link Control,(a)LLC的位置.(b)协议格式.,55,LLCProtocolEntity,LLCProtocolEntity,DestinationAddress,SourceAddress,Control,Information,LLC 头的控制域中包含了序列号和确认号。对于Internet，只要尽最大的努力投递IP分组就可以了，LLC层上不需要确认。,LLC Header,56,Ethernet的回顾,Ethernet 之所以有如此强大的生命力简单性和灵活性可靠廉价易于维护适合TCP/IP，易于互联 硬件的变化不需要软件也跟着变化。,57,4.4 无线LANs,802.11 协议栈802.11 物理层802.11 MAC 子层协议802.11 帧结构服务,58,The 802.11 协议栈,802.11 协议栈的部分视图,59,802.11物理层,5种传输技术红外线跳频扩频（FHSS）直接序列扩频（DSSS）正交频分多路复用（OFDM）高速直接序列扩频（HR-DSSS）,60,The 802.11 MAC子层协议,(a)隐藏站问题.(b)暴露站问题.,61,The 802.11 MAC子层协议(2)DCF 和 PCF,CSMA/CA中，使用虚拟信道侦听.,62,The 802.11 MAC子层协议(3),帧突发,63,The 802.11 MAC Sublayer Protocol(4),802.11中的帧间间隔,64,The 802.11 Frame Structure,802.11 数据帧,65,802.11 服务,关联：移动站利用该服务连接到基站上分离：一个站离开或者关闭之前使用重新关联：一个站可以改变它的首选基站分发：如何路由那些发给基站的帧融合：将802.11帧翻译成目标网络要求的帧格式,分发服务：涉及到对单元的成员关系的管理，并且会影响到单元之外的站。基站提供。,66,802.11 服务,认证：首先要证明自己的身份才允许发数据（认证过程是双向的）解除认证：已通过的认证的站离开网络则需要解除认证私密性：管理加密和解密数据投递：提供一种传送和接收数据的方法。,站服务：只与一个单元内部的活动有关,67,4.5 宽带无线网络,802.11 和 802.16的比较802.16 协议栈802.16 物理层802.16 MAC 子层协议802.16 帧结构,68,802.11 和 802.16的比较,相同点：提供高带宽的无线通信不同点：1.针对对象不同 2.提供的服务质量不同 3.覆盖范围不同 4.802.16更强调保密性和安全性 5.802.16不太注重多径问题,69,802.16 协议栈,802.16协议栈,70,802.16 物理层,802.16 传输环境,71,802.16 物理层(2),时分双工制中的帧和时帧.,72,802.16 MAC 子层协议,服务类：恒定比特率服务实时的可变比特率服务非实时的可变比特率服务尽力而为服务,73,802.16 帧结构,(a)一个通用的帧结构.(b)一个带宽请求帧,74,4.6 蓝牙(Bluetooth，802.15),Bluetooth的体系结构Bluetooth应用Bluetooth协议栈Bluetooth无线电层Bluetooth基带层Bluetooth L2CAP层Bluetooth帧结构,75,Bluetooth 的体系结构,两个微微网连接起来构成一个分散网.,76,Bluetooth 应用,The Bluetooth profiles.,N,O,77,The Bluetooth 协议栈,802.15 版本的蓝牙协议结构,78,Bluetooth 帧结构,一个典型的蓝牙数据帧,79,4.7 数据链路层交换,从802.x 到 802.y的网桥本地网络互联生成树网桥远程网桥中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关虚拟 LANs,80,Bridges and Virtual Bridges Protocols,PHY,Data Link,802.2 Logical Link Control,802.1Management,.,802.16BroadbandWireless,802.15PANBluetooth,802.11WirelessLAN,802.3CSMA/CDLAN,Media Access Control,Physical Layer Specifications,802.1 MAC Bridges(1D,1Q),802-2001(former 1a)Overview&Architecture,http:/standards.ieee.org/reading/ieee/std/lanman/,81,Bridges:连接多个局域网,网桥运行于数据链路层检测数据链路层地址用于路由能转化不同的数据链路层格式。设备Hub or repeater：物理层.Bridge&Switch：链路层Router：网络层,82,为什么使用网桥?,多个不同的LAN需要互联可以廉价的将物理分离的多个LAN进行互联将一个LAN分成一些小的LANs，以减少整个网络的负载。将LAN分成多个段，增加LAN的距离提供可靠性提供安全性,83,网桥示例,84,从802.x to 802.y的网桥,从802.11 到 802.3的LAN网桥的操作过程,85,若干问题,IEEE 802帧格式,每一种LAN使用了不同的帧格式,86,若干问题(2),相互连接的LANs之间并不一定工作在相同的速率上要么拒绝要么缓存最严重的问题：不同的LAN有不同的最大帧长的限制为了保持透明，太大的帧被丢弃。安全性 802.11的加密功能到Ethernet不再有效服务质量.Ethernet 没有服务质量,87,本地互联,透明网桥“完全”透明.人们不需要做任何事，它都可以工作不需要软/硬件配置.不需要交换，不需要路由表。无状态,88,本地网络互联,包含4个LAN和两个网桥的配置.,89,透明网桥,帧转发 接受所有跟它相联的LAN上传送的帧。如果目的地址是本地LAN，则丢弃，否则转发 使用 hash表选择需要转发的LAN网逆向学习法建立hash表最初所有的 hash 表都是空的，采用泛洪（flooding）算法转发帧当网络拓扑发生变化的时候，帧到达的时间也被记录在Hash表中，如果一个帧的源地址已经在Hash表中，则对应表项中的时间值被更新为当前时间。网桥定期的扫描Hash表，将时间值在几分钟以前的表项都清除掉。,90,生成树网桥,两个并行的透明网桥,91,生成树算法(STA),网桥连接的LAN必须形成一个树而不是一个环，也就是说任何两个主机之间仅有一条路径如果存在一条以上并行的路径，则会形成回路，导致帧在环中无限的循环。为了防止这种情况发生，IEEE 802.1D 中标准化STA算法，自动检测环并且避免回路,92,生成树算法(STA),算法描述：选择一个最低序列号的网桥作为树的根。建立起一棵从根到每个网桥和LAN的最短（权重）路径树。如果网桥或者LAN失效了，则在计算一棵新的数。虽然生成树覆盖了所有的LAN，但是树中并不是所有的网桥都必须要出现。算法不断的检查拓扑的变化,93,生成树网桥(2),（a）相互连接的LAN(b)覆盖所有LAN的生成树，虚线不属于生成树。,94,远程网桥,远程网桥可以连接远距离的LAN,95,中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关,(a)每一层的设备.(b)帧、分组和头.,96,中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关,(a)A hub.(b)A bridge.(c)a switch.,97,中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关,以太网交换机交换方式Store/forwardingCut-through,98,虚拟LANs,A building with centralized wiring using hubs and a switch.,99,虚拟LANs,LAN网上的用户反映了公司的组织结构而不是反映用户的物理位置。安全性:混杂模式负载广播:Broadcast storm,100,VLAN(Virtual LAN):802.1Q,将逻辑拓扑与物理拓扑分离用纯软件的方式对大楼进行布线。VLAN建立在一种特殊设计的、支持VLAN的交换机的基础之上,101,Virtual LANs,(a)通过两个网桥将四个物理LAN组织到两个VLAN（灰色和白色）中(b)通过交换机将同样的15台机器组织到两个VLAN中,102,Virtual LANs,三种方法知道帧的颜色每个端口都被分配一种VLAN颜色一个端口上的所有机器都属于同一个VLAN每个MAC地址都被分配一种VLAN颜色 网桥或交换机有张表，理出了与其连接的每台机器的48位MAC地址，以及该机器所属的VLAN 每个3层协议或者IP地址被分配一种VLAN颜色,103,IEEE 802.1Q Standard,从传统的以太网到VLAN-aware以太网之间的传递过程.其中阴影符号为VLAN-aware.,104,IEEE 802.1Q Standard(2),The 802.3(legacy,1518 bytes)and 802.1Q(1522 bytes)Ethernet frame formats.,Priority field:3bitCanonical Format Indicator:1bitVLAN ID:12bit,105,小结,公用信道系统和信道分配方法,