《介质访问子层》PPT课件.ppt

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1、计算机通信网,第四章介质访问控制子层,2,引言,上一章内容是两台计算机间连接和通信问题本章内容是：在局部区域内多台计算机的联网和通信问题局域网,如何连接？如何通信,可以自己敷设传输导线，自己来连接,全双工,半双工,或,网线连接,无线连接,3,引言(续1),连接是一个问题通信方式又是一个问题两个站点同时向对方发送数据，对方能收到吗？两个站点同时向第三方发送数据，第三方能收到吗？,答案是收不到或收到的数据是错误的,因此，局域网的通信需要站点间建立一种通信规则，才有可能实现通信,4,引言(续2),第三个问题：能否向指定的站点发送数据？上一章是点对点通信，不存在这个问题,其它站点是否收到数据不重要，重

2、要的是指定站点要收到数据，并且知道是谁送给自己的,因此，局域网需要在数据中有一种地址机制来标识站点。这就是局域网的协议问题之一,5,本章知识点,1、局域网的连接方式总线形连接、星形连接、环形连接、2、局域网的通信规则及性能分析竞争型通信方式无竞争通信方式有限竞争通信方式3、以太网协议4、其它协议(知识扩展)WiFi、Token-Ring以太网设备HUB、网桥、交换机,6,1、局域网的连接,连接方式1：总线形、星形,两者是等效的(需要半双工的接口),典型画法,7,局域网的连接,连接方式2：环形,利用全双工收发分开进行连接不好，若某个站点关机，环就断开了,加入小的单向传输阀好，某个站点关机，环不会

3、断开,典型画法,8,局域网的连接,其它连接方式的讨论用多条总线，在一条上发送，其余总线上接收或者反过来，在一条上接收，在其余总线上发送,A,B,C,D,总线1,总线2,总线3,总线4,？,？,？,9,局域网的连接,无线信道的情况可以有多个无线信道可用每个站点只有一个发射机和一个接收机讨论两种情况发射机和接收机都在同一个信道上工作(与总线等效)发射机和接收机可工作在不同信道上(与多总线基本等效）,10,不同连接下的通信基本问题,总线形连接单个站点发送数据一旦一个站点发送数据，其信号立即占满整个总线(光速传播)多于一个站点几乎同时发送数据多个信号在总线上叠加，信号产生混乱(冲突现象),time,A

4、,B,信号冲突,t1,t2,t3,t4,A,B,11,不同连接下的通信基本问题,环形连接通信情况同总线形完全一致,time,A,B,信号冲突,t1,t2,t3,t4,A,B,12,2、局域网的通信规则及性能分析,性能分析模型竞争型通信规则想说就说型：ALOHA，slot-ALOHA先听后说型：CSMA(载波侦听)先听后说+边听边说型：CSMA/CD无竞争型通信规则有令牌则说话：Token-Ring主站点名轮询：Polling有限竞争型先听后争，争到再说型：CSMA/CA,2.1 性能分析模型,局域网有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分析方便，假定：所有数据帧长度相同(L bits)，信

5、道速率为R(bits/s)每个数据帧持续时间为T=L/R信道的帧速率为C=1/T=R/L,13,1,2,3,C,单位时间=CT,1,2,3,g,成功帧数s,总帧数g,站点通信模型：-N个站点按某种通信规则发送数据帧。-数据帧在信道上可能出现重叠(冲突)-只有未被冲突的帧才能成功传输,三个重要分析参数：C：信道帧速率，单位时间内最大成功帧数 g：信道负载，单位时间内所在站点传输总数 s:有效传输，单位时间内成功传输总数,14,归一化性能参数,S=s/C，信道吞吐率成功帧速率占信道帧速率的比例=sT/CT,信道利用率单位时间内成功帧所需的传输时间比例0 1时，表明信道已达到满负荷G最大可达N(站点

6、数)，表示每个站点都以信道帧速率发送,1,2,3,C,单位时间=CT,1,2,3,g,成功帧数s,总帧数g,归一化：S=s/CG=g/C,例,15,64bytes,64bytes,64bytes,64bytes,64bytes,64bytes,ifg,ifg,ifg,ifg,ifg,16,信道竞争模型,竞争模型N个独立工作的站点，随机地发送数据帧,进入信道(帧速率G),成功传输出信道（吞吐率S）,冲突的帧（消失在信道上),G,S,A,B,一般化模型N个站点的数据帧从A点进入信道，出现冲突的帧消失在信道上，无冲突的帧(成功传输)从B点出信道,17,信道竞争模型,简单分析可知G的大小，影响到出现冲

7、突的概率G很小冲突概率小传输成功率高S也较小G很大冲突概率大传输成功率低S也较小存在最佳的G，使得S到达最大竞争规则的目标：S最大化最佳的G是多少，跟通信规则有关,G小,G适中,G过大,18,信道竞争模型,性能分析中使用的帧速率的概率分布：在任意的一个时间段T(帧长度)内，生成k个帧的概率服从泊松分布其中G为平均帧速率,典型值：T内生成0帧的概率为 pT(0)=e-G T内生成1帧的概率为 pT(1)=Ge-G 2T内生成0帧的概率为 p2T(0)=e-2G,G*C=10条件下，时间T内出现k个帧的概率分布图,k,19,信道竞争模型,背景知识：泊松(Poisson)分布无穷多个独立工作站点随机

8、生成(发送)帧的概率分布设有一小的时间间隔dt，若在dt内生成一帧的概率为dt(dt1),且独立于其它时间间隔当dt足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量概率结构与时间位置无关则可推出在t时间内生成n个帧的概率为且有：均值为方差为,为帧的平均生成速率(研究表明：当站点数超过20个时,其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）,2.2 ALOHA竞争方式,“想说就说”型竞争信道方式,20,N个站点，帧到达立即发送站点帧到达概率服从泊松分布，均值为G/NN个站点帧到达概率也是泊松分布，均值为G,信道上所有帧传输，在时间上有重叠(冲突)出现G越大帧越多冲突

9、越严重,设：成功传输概率P0 则：信道吞吐率S=G*P0如何计算P0,70年代，夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来，Norman Abramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（or pure ALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代,ALOHA性能分析,信道传输成功概率P0以下几种分析“似乎”都合理那个是正确的？研究和仿真证明2T的b是正确的,P0=p2T(0)=e-2G（1）,于是有：S=G*P0=G*e-2G（2）,ALOHA性能OPNET仿真,22,OPNET仿真场景,节点模型,发送状态机,设定速率,设定帧长设定帧产生时间间隔

10、,仿真结果,帧统计,G,站点数,/*Outgoing packet*/Packet*out_pkt;/*A packet has arrived for transmission.Acquire*/*the packet from the input stream,send the packet*/*and update the global submitted packet counter.*/out_pkt=op_pk_get(IN_STRM);op_pk_send(out_pkt,OUT_STRM);+subm_pkts;/*Compare the total number of pac

11、kets submitted with*/*the maximum set for this simulation run.If equal*/*end the simulation run.*/if(subm_pkts=max_packet_count)op_sim_end(max packet count reached.,);,代码,G,S,23,/*Outgoing packet*/Packet*out_pkt;/*A packet has arrived for transmission.Acquire*/*the packet from the input stream,send

12、the packet*/*and update the global submitted packet counter.*/out_pkt=op_pk_get(IN_STRM);op_pk_send(out_pkt,OUT_STRM);+subm_pkts;/*Compare the total number of packets submitted with*/*the maximum set for this simulation run.If equal*/*end the simulation run.*/if(subm_pkts=max_packet_count)op_sim_end

13、(max packet count reached.,);,24,Pure ALOHA 性能曲线,性能描述Pure ALOHA的最大吞吐率Smax=Ge-2G|G=0.5=1/2e=0.184适当大小的总帧数GG=1/2，即一半的信道帧容量时，S达到最大值帧丢失率丢失帧数/总共传输帧显然，G小时丢失率小，G大则大如何计算？,S=Ge-2G,理想吞吐率,吃惊吗？ALOHA的最高性能是18.4%！相当于：信道是1Mbps的话，最大传输能力只能到达184kbps,ALOHA的性能改进,Slot-ALOHA,P0=当有一帧要发送时，在T内再没有新帧产生=pT(0)=e-G 于是：S=G*P0=Ge-G

14、(3)或 S=每个时隙只产生一帧的概率=pT(1)=Ge-G,26,Slot ALOHA性能,性能描述最大吞吐率Smax=Ge-G|G=1=1/e=0.368，Pure ALOHA的2倍达到最大S时的GG=1，达到信道帧容量帧丢失率?,Slot-aloha,Pure-aloha,27,2.3 CSMA,对ALOHA或slot ALOHA的性能不够满意假设站点可以“听”到信道上是否有站点在发送准备发送时，若“听到”信道上有站点发送，就推迟发送，直到信道“空闲”为止，从而主动避免了冲突Carrier Sense Multi-Access(CSMA),28,CSMA,发送策略1坚持CSMA：等待信道

15、闲后立即发送(p=1)0坚持CSMA：等待信道闲后再等待一段随机长度(p=0)p坚持CSMA：等待信道闲后可能发送(概率p)，可能随机后退(概率1-p)随机后退情况下，都需要重新侦听信道,随机后退,29,CSMA载波侦听动画（一）,t,信道空闲,A侦听信道，立即发送数据,信号到达B处,B侦听信道，抑制发送,A,B,30,CSMA载波侦听动画连续（一）,t,信道空闲,A侦听信道，立即发送数据,信号到达B处,B侦听信道，抑制发送,A,B,31,CSMA载波侦听动画（二）,t,信道空闲,A侦听信道，立即发送数据,信号到达B处，产生冲突,B侦听信道，立即发送,A,B,信号传播延时,CSMA降低了冲突概

16、率因为信号传播延时是很短的以2/3光速传播,32,CSMA发送流程,1坚持CSMA,0坚持CSMA,p坚持CSMA,CSMA的几个说明,随机后退各个站点选择的后退时间是随机、各不相同后退后重新“侦听”信道，若发现“忙”，只有再后退！最坏情况：一直都在后退，站点的帧总发送不出去因此，要规定后退次数上限，后退达到上限放弃发送该帧发送概率p，例丢硬币：正面就发送，反面就后退(p=0.5)丢骰子：小于5点就发送(p=4/6)取随机数(0-100),小于5就发送(p=0.05),选择随机变量x01后退时间=x*,34,几种竞争协议的效率,轻负载下，1-坚持的性能好，0-坚持差，p-坚持中等重负载下，1-

17、坚持的性能差，0-坚持好，p-坚持中等1-坚持和0-坚持与网络的具体站点数无关，性能相对稳定,35,G-S图的理解,G大于1，意味着发送量大于信道容量G大于1，对流量出现瞬时过载能力的分析很重要当出现G1情况时，如果S很快就下降到零，即使以后G又回落到小于1情况，由于堆积在站点上等待发送的帧太多，进入信道的G也降不下来，网络恢复正常通信需要很长时间，或者无法恢复正常因此，过载情况下(G1)仍能有较高的S，是网络抗过载能力强的体现抗过载能力0坚持CSMA具有最强的抗过载能力Slot-aloha与1坚持CSMA在G4时的抗过载能力相当,t,流量,信道容量,G,S1,S2,CSMA的冲突问题,信道有

18、长度，信号有限传播速度(vC)，因此，信号从一端传播到另一端需要一定的时间考虑两个端点上的站点A和B当A在t0时刻开始发送数据，信号要在t0+才到达B因此，B在t0t0+内侦听信道都是“空闲”的。这个时间是发生冲突的危险时间段而且，越大，产生更多新帧概率越高，出现冲突概率更大减小，意味着减小信道长度因此CSMA不能再长信道上应用,=d/v,A,B,t0,t0+,300米信道，300/3*108=1us,3Km信道，10us,30Km信道，100us,100Mbps信道：100us*100*106=10000bits,37,CSMA后退算法,连续后退问题若连续多次都发现信道忙，说明信道确实很忙，

19、应该加大后退长度让站点在1.W区间内随机选择一个后退值W称为后退窗口，后退时间单位=二进制指数后退算法若节点在第k次准备发送时，仍发现信道忙，则W=2k站点在1.W区间中随机选择一个后退值N后退时间T=N*若k达到规定值(如15)，则放弃发送该帧，转而发送下一帧,38,2.4 CSMA/CD（结合P216、P233）,载波侦听多路访问/冲突检测改进CSMA性能CSMA仍有少量冲突存在，浪费信道资源引入条件：发送时如果能够发现冲突，就立即停止发送有线信道上：发送的信号能量与接收的信号能量相当冲突检测有线信道上，可以检测信号的能量，以发现是否冲突检测到冲突后，立即停止发送，让信道空闲,站A,站B,

20、站C,冲突,减少信道浪费,成功发送,39,冲突检测方法,电平判断冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值逻辑判断发送的数据与同时收回来的数据不一致,+,=,超高,收,发,冲突,信道,40,冲突检测时间,最坏情况站点A发送数据帧后在td时到达最远端的站点B，而B恰好在此时开始发送。站点B马上可以检测到冲突站点A要再经过后，才可能检测到冲突实际上，站点还需要用若干bit的来验证是否冲突故：冲突检测时间 2,41,冲突检测后的处理,检测到冲突后立即停止传输，停止传输后，随机延迟一段时间再尝试发送延迟时间以时间片为单位一个时间片最大冲突检测时间(2)随机延时算法截断二进制指数回退算法最大重试次数15次当k

21、10时，W维持210不变,while k attempt_limit k+;if(k=10)W+=W；r=random(0,W);end of while,42,2.5 CSMA/CA,无线局域网所有站点工作在相同的无线信道上无线信道构成一个空中共享总线与有线网不同之处收发不能同时(无法实现CD)传输距离有限，新冲突B不能检测到A的载波，在C处产生冲突B称为A的“隐藏终端”,发送40mW,接收40mW*10-7,发送时需要关闭接收机，否则泄漏来的信号都会使接收机过载,A,C,B,隐藏终端问题,43,CSMA/CA(Collusion Avoidance),要求A发送时，A周围的站点侦听到载波，

22、不会发送A发送数据到C时，C的附近不能有其它站点发送（不使C的接收受到冲突）CSMA/CA工作方式A先向C发送“请求发送”短报文:RTS(持续时间)C应答“允许发送”短报文:CTS(持续时间)产生抑制周围站点发送的效果A收到CTS后发送数据帧,A,C,解决隐藏终端问题,44,CSMA/CA,“暴露终端”问题在A向B发送报文的同时，C应该可以向D发送报文C不会干扰B的接收，A也不会干扰D的接收但C在A的范围内，A的发送抑制了C的发送C暴露在A的范围中而被禁止发送解决暴露终端的方法C收不到B的CTS，证明不会干扰B的接收设计节点的发送算法！,A,C,暴露终端问题,B,D,45,CSMA/CA 大规

23、模,通信范围外，信道可重复使用，从而增大了信道的利用效率,46,竞争访问信道,竞争访问信道面临的问题有冲突出现尽量减少冲突降低冲突概率监听载波随机后退尽量减小冲突带来影响减小冲突窗口分时槽监听载波冲突检测减少用户发送延迟发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔降低冲突概率减小冲突持续时间,47,4.3.2 无冲突协议,预定协议信道申请自定方式用特定信息指挥发送,无冲突协议,令牌环,48,TCU,SD,AC,ED,SD,AC,ED,AC,令牌,数据帧,TCU,TCU,无冲突协议,轮询方式,49,主,从,从,从,从,50,无冲突协议,预定协议信道申请在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问

24、争用时隙的作用发送站在自己的争用时隙中置位在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送基本位图：建立争用时隙与站点的映射（图4-6）,51,无冲突协议,自定方式不预定信道，而是利用站点自带的信息（地址）决定使用信道的顺序二进制倒计数法各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否改变地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据,52,无冲突协议,二进制倒计数法 例,站A、站B、站C、站D，地址分别为0010、0100、1001、1010,0 0 1 0,0 1 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,假设四个站点同时希望发送，它们将自己的地址送出，并同时监听网络上的数据。,A,B,C,D,发送

25、顺序,先,后,0,0,1,1,1,1,1,1,D站可以发送数据,发送站中地址最高的可以发送数据地址动态变化，以使保证公平性,53,4.3.3 有限竞争协议,产生背景竞争协议与无冲突协议在轻载和重载下的不同特性各有优劣轻载时，竞争协议具有低发送延时特性重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性分组分时隙法分组：组数N 组内成员数M组间用竞争方式，组内用无冲突方式组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式轻载时，增加 减少 重载时，增加 减少,组的数量,组内成员数量,组的数量,组内成员数量,组的数量,组内成员数量,优,优,54,4.3.4 波分多路访问协议,应用环境,无源光柱共享信道,接收器,发送

26、器,关,55,波分多路复用（自学）,波分利用不同的波长作为不同的信道（类似FDM）每个节点具有各自的发送信道、接收信道一个波长固定的接收端，收控制信息一个波长可调的发送端，发控制信息一个波长固定的发送端，发送数据一个波长可调的接收端，接收数据,控制,数据接收,控制,数据发送,波长固定,波长可调,56,波分多路复用,小结波分复用与纯广播式通信不同，各节点有自己的信道与FDM方式的信道固定分配不同，带有动态分配的思想，具有统计复用的特点，信道利用率高数据发送信道波长虽然固定，但并不限制只能将数据发送给一个站点当多个站点同时请求向一个站点发送数据时，也会出现冲突,重,57,4.4以太网,采用了CSM

27、A/CD技术的局域网范围小、数传速率高，共享介质一根电缆连接所有的站点背景IEEE802委员会IEEE802.3,MAC媒体访问控制层,PHY物理层,LLC逻辑链路控制层,高层,数据链路层,58,以太网“电”缆,同轴电缆10BASE 2细缆，近200m距离10BASE 5粗缆，近500m距离双绞线10BASE T100BASE T1000BASE T光纤10BASE F100BASE F1000BASE Lx、SX,59,以太网物理层,接口BNC同轴电缆接口RJ45双绞线接口SC光纤接口,60,以太网物理层,曼彻斯特编码归零较多跳变有违例编码效率较低,以太网物理层,物理接口介质无关接口，MII

28、介质相关接口，MDI,MII,MDI,双绞线输入输出是分开的信道同轴电缆输入输出是同一个信道,CRC,以太网MAC层,Media Access Control sub-layer,物理层,Init,空闲,侦听,发送,后退,信道闲,以太帧,冲突,jam,信道忙,后退结束,Jam后,发送完成,过滤,以太帧,MII,封装,解封装,IEEE802.3介质访问控制子层(MAC),MAC,LLC,源地址、目的地址，类型，待发数据块,源地址、目的地址，类型，数据块,IEEE802.2逻辑链路控制子层(LLC),以太网帧结构,Dst Addr,Src Addr,Type or Len,Data Unit,FC

29、S,6B,6B,2B,461500B,4B,地址域，指明发送方和接收方身份,类型/长度域，说明数据域的类型或数据长度,数据域，该帧传递的数据单元,校验域，检查该帧是否出错(物理层处理),以太帧类型/长度域：以1500(0 x5DC)为分界线，小于等于1500表示数据域的字节长度，大于1500则表示数据域类型，实现两种格式的统一例如：0 x800 表示数据为IP报文、0 x806表示数据为ARP报文、Type的其它定义见RFC1700,以太网地址格式,6字节(48bits)地址(地址空间非常大)，其中包括广播地址：代表全体站点(只能作目的地址使用)单播地址：代表个别站点(可作源和目的地址)多播地

30、址：代表一组站点(只能作目的地址使用),bit0,bit47,低bit,高bit,16机制表示 XX-XX-XX-XX-XX-XX，XX表示一个字节的16进制值,广播地址：仅1个，48bit全1FF-FF-FF-FF-FF-FF,多播地址：bit0=1，其余非全1的01-00-5E-1A-45-3C(首字节1为奇数),单播地址：bit0=0的地址00-90-0A-27-0B-0C(首字节为偶数）,注意bit0在48bit地址表示、在6字节地址表示中的不同,以太网规格参数,最大长度=2Km,信道定时规则,ifs,ifs,ifs,preamble,preamble,preamble,以太网信道长度

31、,ifs(inter-frame space)=至少12字节信号长度Preamble(前导码)=8字节01序列,100Mbps以太网最大帧速率计算：当所有帧长度为最小时，帧速率达到最大,4.4.4 以太网组网技术,Phy,MAC,LLC子层应用现状目前大多数网络协议(例如IP协议)抛开了LLC子层，直接通过MAC实现与其它站点通信,IC HUB,s1(t),sn(t),s(t)=si(t),输出是所有输入信号的叠加，与总线型连接等效部分输入断开不影响其余输入信号,68,网桥连接两个(多个)以太网,信道直接相连站点增加，信道容量不变，竞争更激烈一台计算机同时在两个网络上工作两个网络独立工作，双倍

32、的信道资源,竞争范围,竞争范围,竞争范围,网桥,69,网桥的结构,中继转发功能转发广播、多播或目的地址在对端的数据帧,MAC(CSMA/CD),MAC(CSMA/CD),M1,M2,M3,M4,网桥,通信状况M1向M3发送帧，网桥也能收到，但网桥不转发该帧M1向M2发送帧，网桥收到并转发该帧到M2所在网络上,网桥特性网桥一侧网络的竞争通信，不会影响另一侧网络的竞争通信网桥可以缓存数据帧，在另一侧竞争到信道后再发送,目的地址为广播/多播？或在另一侧？,信道帧情况1、本地通信帧2、远端到本地的帧3、本地到远端的帧,信道帧情况1、本地通信帧2、远端到本地的帧3、本地到远端的帧,70,以太网交换机,多

33、口网桥将网桥扩展到8口、16口，或更多引入的问题软件运算能力(CPU)无法达到预期性能要求提升性能方法：以太网交换机改进MAC查表算法采用硬件实现中继转发,MAC,中继转发,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,性能测算10M以太网每秒传输最大帧数(FPS)：FPS=107bits/64Bytes*81488010个以太网口，则有FPS=148800假设MAC表有2000项则平均每次转发需查1000项转发148800个帧需：查148800000次表/秒设每次查表需要100条指令，共需指令 条指令/秒 即CPU最低速度应达到：14.88G,71,以太网交换机的组网形式交换机的每个端口都

34、只接一台计算机计算机无需再竞争信道CSMA/CD 失去效用交换式以太网,交换式以太网,中继转发,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,交换机,全双工信道,72,共享信道技术,某些场合，仍需采用共享信道无线局域网(WLAN),73,快速以太网(Fast Ethernet),数传速率为100Mbps的以太网802.3u与10Mbps的以太网兼容10/100M自适应电缆：5类双绞线接口：RJ45编码：8B/6TMAC层：CSMA/CD全双工（交换式）下不用,74,千兆以太网,数传速率为1000Mbps的以太网802.3z，802.3ab等“电”缆：802.3z光纤，802.

35、3ab双绞线编码：8B/10BMAC层：CSMA/CD全双工（交换式）下不用帧扩充（载荷扩充）技术，将小于64字节的帧扩充到512字节发送帧突发（帧串）技术，一次可连续发送多个小于512字节的帧，直到1500字节,75,4.5无线局域网,协议标准IEEE802.11系列协议11b11g11a11n11i无线的“以太网”希望像以太网那样普及、方便、易用技术和CSMA/CD类似CSMA/CA,高层,LLC,802.3MAC,802.3PHY,802.11MAC,802.11PHY,76,的组网结构,对等结构无中心结构基础架构有中心结构(AP Access Point),AP,无线网卡,77,物理层

36、,红外线IR1Mbps或2Mbps的数传速率光波长：850nm没有穿越性，较少使用跳频扩频FHSS2Mbps2.4GHz抗干扰性好较少使用,不同时隙工作在不同频率上,78,WLAN物理层（续）,直接序列扩频DSSS2Mbps、11Mbps，2.4GHz类似CDMA应用较为广泛正交频分多路复用OFDM54Mbps，2.4GHz、5GHz分割子频率复杂的编码技术,79,的MAC层,操作模式DCF与PCF，DCF是对CSMA技术的继承更常用CSMA/CA技术载波侦听多路访问/冲突避免逻辑载波侦听根据侦长度字段判断信道空闲的时刻RTS/CTS技术避免冲突,80,帧格式,帧控制中含有帧类型管理帧、控制帧

37、（RTS、CTS）、数据帧比以太网复杂地址字段：四地址结构根据不同组网模式分别使用：2地址、3地址、4地址未用的地址域从帧中去除,A,B,AP1,AP2,B,A,AP2,AP1,81,4.5.5 WLAN组网模式,BSS：Basic Service Set基本服务模式（3地址帧结构）有中心结构，AP(Access Point)无线站点间不直接通信，而是通过AP的中继实现无线站点通过AP实现与有线网络通信,AP,以太网,A,D,S,Data,BSS-ID(6字节地址格式),A,D,S,Data,D,S,Data,S,D,D,BSS,A,D,S,Data,A,站点S：指明目的站、关联的AP站点D：

38、获知源站、发送的AP,82,BSS 组网服务,AP周期性发送信标(Beacon)供无线站点识别和实现关联关联(Association)无线站点关联到指定的AP通信的数据收发都通过关联的AP中继实现,beacon,beacon,beacon,Association_Req,Association_ACK,AP,无线站点,RTS,CTS,Data,ACK,83,ESS(Extended Service Set),扩展服务模式多个BSS的分布式扩展分布式系统(DS)连接各个BSS中的AP不同BSS间的站点也可以实现通信,BSS2,BSS1,BSS3,DS,A,D,S,Data,S,D,D,S,Dat

39、a,D,S,Data,D,S,Data,B,A,B,84,IBSS：Independent BSS,独立基本服务模式(2地址帧)无中心结构(无中继的AP)站点间直接通信（直接的无线覆盖范围）共享的空中总线又称：单跳无线Ad Hoc 网络目前研究的重点多跳Ad Hoc网络,IBSS,D,S,Data,多跳Ad Hoc,85,多跳无线中继组网模式,3地址+4地址帧结构,A,B,C,D,H1,H2,D,S,Data,A,D,S,Data,B,A,D,S,Data,C,B,D,S,Data,C,分析：不同组网模式使用2地址、3地址、4地址的原因,86,扩展标准,物理层802.11b11Mbps802.

40、11g54Mbps802.11a54Mbps802.11n将超过100Mbps其他802.11eQos，提高可靠性802.11f站点在AP间的“漫游”802.11p在车里和车辆之间实现WLAN802.11sAP之间用无线形成多跳网,87,4.7 网桥与交换机,中继系统实现数据在多条信道间的传输不同信道的连接信道的扩展便于组网在不同层次上的中继物理层的中继：repeater链路层的中继：Bridge网络层的中继：路由器(下一章内容),中继系统,信道A,信道B,88,数据bit或信号的中继信道变换电信道-光信道电信道-无线信道信号变换数字信号-调制-模拟信号数字信号-编码-数字信号通信特性各信道速

41、率相同中继引入的时延小数字信号的透明传输,4.7.1 物理层中继：repeater,接收-bit-传输或接收-信号-传输,信道A,信道B,物理层A,物理层B,中继,信道A,信道B,层次模型,功能模型,调制解调器,RS232,电话线,V.35,G.703,信号转换器,V.35,光纤,光电转换器,89,4.7.2 链路层中继:Bridge(网桥),数据帧的中继，搭建链路间通信的“桥”接收到完整的数据帧后，再转发出去（错误帧不再转发）“存储转发”（Store and Forward）与Repeater相比，Bridge可获得极大的功能提升各信道独立工作各信道的速率可以不同利用帧头的信息，实现更多的中

42、继功能与Repeater相比的弱点不再透明，仅中继特定的帧很大的时延（至少为帧的时间长度）,信道A,信道B,Frame,物理层A,物理层B,中继,信道A,信道B,层次模型,功能模型,链路层A,链路层B,Frame,Frame,t,信道A,信道B,中继时延,90,Bridge：不同速率信道间的中继,高速率链路中继低速率链路数据帧在低速率链路处堆积，排队发送低速率链路中继高速率链路不会产生帧堆积、排队现象总体的通信性能：等于低速率链路的性能通信的两端可以实现通信速率的匹配好处1：通信可以在不同速率的链路间进行好处2：多路中继时，不同速率的问题消失于无形中,Fm,Fm,Fm,Fm,Fm,Fm,高速率

43、链路,低速率链路,ADSL,100Mb以太网,电话线,1Mb,91,Bridge：选择性多路中继,如果帧头中含有地址信息(源地址、目的地址)就可实现多条链路上的、链路选择性中继系统选择性多路中继中继系统记录了所有站点的地址以及所在的链路对收到的数据帧，根据目的地址，从对应的链路转发出去,Phy-1,信道1,Link-1,Phy-2,Link-2,Phy-n,Link-n,信道2,信道n,OnRecv(),OnRecv(inIF,Frm)outIF=SelectIF(Frm-dAddr)sendto(outIF,Frm),92,4.7.3 以太网网桥,链路层选择性多路中继,dMac,sMac,T

44、,Data,以太网帧结构,网桥,?,通信过程描述,93,实例分析-1,总线型和HUB型组网HUB能否进行链路选择性中继？站点的工作过程有无差异？网络的性能有无差异？,HUB,物理层中继,94,实例分析-2,网桥的作用数据帧在网络中出现的位置不同组网形式下站点的工作方式不同组网形式的通信性能,HUB型组网,带网桥的组网,纯网桥的组网,95,实例分析-3,不同速率间的中继在C/S模型中的组网不同速率网络间的组网通信,1000Mb,100Mb,100M以太网,1000M以太网,100M以太网,100M以太网,Bridge,96,4.7.4 网桥的核心技术-1,地址表的生成与维护：自学习法对接收到的所

45、有帧，记录源地址和接收接口查找目的地址对应的接口，转发数据帧根据站点活动情况，刷新生命期删除长期不活动的站点记录初始化工作地址表为空记录源地址，逐步建立地址表对无记录的目的地址，向所有接口转发(广播),网桥,地址表,描述网桥建立地址表的过程,97,实例分析-4,描述网桥建立地址表的过程说明HUB是否也需要地址表？,98,实例分析-5,网桥的组网描述数据帧的传输过程描述各网桥中地址表的建立过程与上一页的图相比，说明功能和性能上的变化,99,网桥的核心技术-2,网桥环路问题网桥不能构成有环路形式的组网结构描述网桥的环路问题但环路能克服链路故障带来的通信中断问题生成树算法与协议生成树算法在有环路出现

46、的情况下，生成树状“工作”拓扑结构生成树协议工作中监测链路/网桥故障，一旦出现，更新树状结构，保持网桥间的连通,多环路组网,树状工作拓扑结构,100,实例分析-6,描述网桥的环路问题,网桥,网桥,网桥,网桥,101,网桥的核心技术-3,以太网交换机全硬件实现网桥基本功能(生成树协议除外),MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,地址表,交换、转发,级联通路,以太网交换芯片,控制接口,以太网交换机,以太网交换板,102,交换机硬件高速查表算法,Hash算法将48bit转换成13bit(8K)、14bit(16K)个表项h(13bit)=Hash(Mac48bit)例Has

47、h(Mac)=Mac/8191,结果在08191)范围内分析：采用Hash查表算法带来的问题,8K个表项,源MAC地址(48bit),Hash,记录/刷新第hs项,hs,目的MAC地址(48bit),Hash,hd,查找第hd项,103,网桥的核心技术-4,不同网络间的中继(例：以太网与令牌环)存在诸多技术障碍地址变换,以太网信道,令牌环信道,Body,以太网帧,Body,令牌环帧,帧头变换,物理层A,物理层B,中继,以太网,令牌环,若干障碍 以太网地址-令牌环地址?-优先级-应答时限 帧长度L1-帧长度L2。,104,网桥核心技术之三,互联不同LAN时面临的协议转换技术难题帧格式不同，需要“

48、翻译”。网桥技术的部分难点，至今没有很好地解决,105,网桥技术,远程网桥网桥之间采用点到点连接，使用点到点协议,MAC1,MAC2,D,S,Body,B1,B2,D,S,Body,P,D,S,Body,PPP Header,PPP,B,106,桥技术的深入理解,网桥的连接性网桥接收所有的数据透明性用户站点并不知道网桥的存在，因此以为目的站是直接相连的。网桥对未知目的地数据采用扩散方式，一定要送到目的。对于广播帧，网桥要将其转发到各个端口网桥隔离了冲突域存储转发的机制使桥两端可以同时有数据在线无论如何，网桥在数据链路层互连，其结果就是实现所有的站点“直接相连”。其互连规模有限，隔离性也有限,重,