《计算机通信网》第4章MAC子层.ppt

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1、第4章 介质访问子层（MAC子层）,4.1 背景4.2 共享介质的信道分配4.3 典型的多路访问协议4.4 网桥,4.1 概述,考虑本地有多台计算机联成一个网基本要求每台计算机只有一个通信接口任意计算机之间都可以相互发送数据计算机在网络中的地位平等采用何种方法可以把这些计算机都连起来？,A,C,B,D,E,F,任意一台计算机(例如A)，可以其它把数据送给其它的任意的计算机(例如C),基本的联网方式,用一个信道把所有计算机连接起来信道的通信容量为C(Capability)所有的计算机都利用该信道发送和接收数据联网问题转化为如何为每台计算机分配使用的信道资源？静态分配频分复用，FDM时分复用，TD

2、M动态分配,A,B,C,D,E,F,术语：多路复用与多路访问,多路复用：Multiplex多个通信复用到一个信道上TDM、FDM通过划分子信道，实现多个一对一的通信多路访问：Multi-Access在一个信道上，实现与多个站点的通信TDM的联网通信方式，称为TDMAFDM的联网通信方式，称为FDMA其它的还有CSMA，载波侦听多路访问CDMA，码分多路访问WDMA，波分多路访问,4.1 背景,计算机网络分为两类点到点信道的网络共享信道的网络（广播信道的网络或广播式网络）广播信道也称为：多路访问信道或随机访问信道广播信道网络的特点所有站点共享同一信道一个站发送的数据将传遍整个网络同时发送会产生冲

3、突需要某种信道访问机制介质访问子层研究的问题,频率f,4.1 背景,典型的广播信道网络卫星网络无线广域网（GSM、GPRS、WCDMA等）无线局域网WLAN（802.11）局域网共享式以太网令牌环网光纤网络广播信道网络面临和需要解决的问题如何识别不同的站点站点何时如何使用信道信道分配问题所有这些问题由MAC子层协议解决介质访问子层（medium access control）,4.2 共享介质的信道分配,静态分配（无竞争）频分多路复用FDM（频分，各站使用独立频段）需要考虑频段间隔，以免相互干扰时分多路复用TDM（时分，各站使用独立时间段）需要考虑时间段（时隙）独立，以免干扰静态分配方式简单可

4、靠，但延时较大，信道利用率低，不适应突发的数据传送和用户数量变化的情况,4.2 共享介质的信道分配,动态分配动态分配需要考虑的要素如何发送任意，想发就发发送前是否侦听载波：盲目 或 等待信道空闲得到许可再发送如何接收地址识别是否检测冲突冲突怎样解决不使冲突出现减少冲突减少冲突影响,STOP,NO,YES,Collision,4.2 共享介质的信道分配,动态分配不固定为每个站点分配信道需要时才分配空闲时可由其它站点使用动态分配的方式很多集中仲裁的动态分配（需要管理站）向管理站预约：需要时申请，许可后发送数据（举手的方式）申请时可能冲突，许可后发送无冲突由管理站轮询(点名的方式)单播轮询方式：依次

5、询问每个站，有数据发的站点发送，无冲突组播或广播轮询：可能有冲突分布仲裁的动态分配（无需管理站）允许竞争存在，尽量避免或减少冲突减少冲突的措施：发前侦听信道，检测冲突，冲突后随机后退等令牌控制信道的使用只有得到令牌的站，才能发送数据（无冲突方式）,另一种动态分配方式的分类,竞争信道节点无序抢占信道允许冲突存在有序访问控制节点访问信道次序无冲突有限竞争结合竞争方式和无冲突方式轻负载时，使用竞争方式重负载时，使用无冲突方式,本章重点随机竞争算法,算法优点信道利用率高其它站点不发送时，可占用更多的信道资源联网方式简单不需要进行信道划分站点数可变通信方式简单发，或者不发(不存在子信道带来的问题)适合于

6、计算机间的组网通信通信的对象可变通信的数据量可变，通信能力强站点可自由上下网最大问题如何最大限度避免出现发送冲突,4.3 典型的多路访问协议,有竞争的多路访问协议纯ALOHA协议各站想发就发，碰撞随时可能发生时槽ALOHA协议规定统一发送时刻，碰撞时帧完全重叠CSMA协议发前侦听信道，忙则随机后退有三种策略：0坚持、1坚持和P坚持CSMA/CD发前侦听信道，发送时同时检测信道检测到冲突立即停发，释放信道CSMA/CA：WLAN的MAC协议,发前不听不看，冲突严重,虽发前侦听信道，但冲突一旦发生不能立即停下，资源浪费,冲突立即释放信道，提高信道利用率,信道竞争模型,竞争模型N个独立工作的站点，随

7、机地发送数据帧进入信道的帧的速率是一个随机过程(设均值为G)某个帧成功传输的条件(无论谁接收、不考虑误码):没有与其它帧在时间上有重叠,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),S：归一化吞吐率 S=吞吐量/信道容量G：归一化帧速率 G=帧速率/信道容量 显然：SG,信道竞争模型,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,信道竞争模型,背景知识：泊松(Poisson

8、)分布无穷多个独立工作站点随机生成(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）,信道竞争模型,竞争模型的性能特性：吞吐率S与帧速率G的关系：S=GP0（P0成功传输概率）帧的数量少冲突概率小传输成功率高吞吐率高帧的数量多冲突概率大传输成功率低吞吐率低,帧速率小,帧速率适中,帧速率过大

9、,G(帧速率),S(吞吐率),G小,G适中,G过大,G小：吞吐率随帧速率的增加而增加(成功传输的帧增多),G过大：吞吐率随帧速率的增加反而下降(更多的冲突),理想情况,1,1,4.2.1 ALOHA,Pure ALOHA工作原理节点只要有数据就可以直接占用信道，启动发送不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，“想发就发”可以预测帧速率较大时，冲突会急剧上升只能工作在帧速率较小的场合何种帧速率适合Pure ALOHAPure ALOHA所能达到的吞吐率,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A

10、LOHA（or pure ALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代,Pure ALOHA 的性能,为简单起见，假定所有站点发送的帧是等长的，占用信道的时间为T设某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：在t-Tt+T的2T间隔内没有其它站点发送(如图所示)即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布)为P0=P2T内无帧产生=e-2G由S=GP0，可得Pure ALOHA的吞吐率S=Ge-2G,站1,站2,t,t+T,t-T,站N,Pure ALOHA 性能曲线,性能描述当帧速率G小于信道容量的 50%时，发送帧产生的冲突较少，吞吐率随帧速率而增加当帧速率G大于信道容量的 50%

11、后，发送帧产生的冲突急剧上升，吞吐率下降Pure ALOHA的最佳性能出现在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率为信道容量的18.4%)信道利用率(吞吐率)低的原因是站点的无序竞争,S=Ge-2G,理想吞吐率,Slot ALOHA,针对Pure ALOHA无序竞争的冲突，加以改进改进方法把信道划分为T为单位的时隙，站点只能在时隙的开始处发送帧没有冲突、或完全冲突，减少冲突帧的持续时间改进的代价是所有站点实现时隙的同步(增加了实现难度)谁负责时隙管理，管理者出故障怎么办等改进后，性能提高多少？,Slot ALOHA,设：某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：在t-Tt的间隔内

12、没有新帧产生(新帧将在t时刻发送)其概率为P0=PT内无帧产生=e-GSlot ALOHA的吞吐率为S=GP0=Ge-G与Pure ALOHA相比减少了冲突的可能性可容纳更高的帧速率从而提高了信道的吞吐率Pure ALOHA的2倍最大吞吐率出现在G=100%处S=1/e=36.8,CSMA,如果发送和接收都在同一个信道上，发送之前可发现信道是否被其它站点占用，从而可以降低冲突“先听后发”工作原理：载波侦听多路访问发送前侦听信道信道空闲，就启动发送信道被占用，就等到信道空闲再发送如果有两个以上站点都在等，一旦信道空闲就会同时发送而冲突。因此，需要错开各站点启动发送的时间。三种错开发送时间的策略1

13、坚持CSMA：立即发送0坚持CSMA：等待一段随机长度的时间(随机后退)p坚持CSMA：可能立即发送(概率p)，可能等待(概率1-p)错开时间后，后发的站点因又发现信道被占用而继续侦听信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响,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,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,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,CS

14、MA降低了冲突概率因为信号传播延时是很短的以2/3光速传播,1坚持CSMA,信道闲后，启动发送的概率p=1准备发送：侦听信道若信道闲,启动发送否则,持续侦听信道直到信道闲，启动发送前一发送完成，后面很容易产生冲突下一帧不冲突的概率：在一个T内最多产生一帧的概率 p=p(0)+p(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G,Ready,信道忙,否,侦听,Ready,是,站A,站B,站C,站D,侦听,侦听,0坚持CSMA,信道闲后，启动发送的概率(p=0)再等待一段时间后决定是否发准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，等到信道闲，再等待一随机时间后在尝试发送降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突

15、,Ready,信道忙,否,侦听,Ready,是,后退,站A,站B,站C,站D,随机延时后侦听,侦听,随机延时后侦听,p坚持CSMA,信道闲后，启动发送的概率为p，继续等待的概率为1-p准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，等到信道闲，以概率p启动发送，以概率1-p继续等待降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突最佳方案：调整概率p，使得发送的站点数=1,Ready,信道忙,否,侦听,Ready,是,后退,Rp,R=rand(),是,站A,站B,站C,站D,A计算概率为可以发送,D计算概率为不能发送,几种竞争协议的效率,吞吐率轻负载下，1-坚持的性能好，0-坚持差，p-坚持中等重负载下，1-坚

16、持的性能差，0-坚持好，p-坚持中等,CSMA/CD（结合P216、P233）,载波侦听多路访问/冲突检测引入已经发生冲突的帧，继续发送的部分是浪费冲突检测发送的过程中继续检测信道，以及时发现冲突发生冲突后，立即停止发送,站A,站B,站C,冲突,浪费,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集线器上有两个及以上的端口“活动”,+,=,超高,冲突检测时间,最多花多长时间发现冲突接近于0，但不等于0为传播时延距离/0.7光速发送超过2时间后不需要再检测冲突了,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

17、若各站的延迟时间相同，则一定会再次冲突延迟时间以时间片为单位一个时间片最大冲突检测时间随机延时算法截断二进制指数回退算法,while attempts attemptlimit and collision k=min(attempts,10);r=radom(0,2k);attempts=attempts+1;end of while,r为计算出的延时时间片,竞争访问信道,竞争访问信道面临的问题及解决方案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,4.3 典

18、型的多路访问协议,无冲突的协议：控制节点访问信道次序位图协议预定协议在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问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,4.3 典型的多路访问协议,无冲突的协议：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,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

19、送顺序,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高地址站具有高优先级地址动态变化，以使保证公平性,4.4以太网,采用了CSMA/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,以太网MAC层,媒体访问技术CSMA/CD传输前侦听载波信道空闲立即发送信道忙则一直侦听，直到信道空闲，然后立即发送发送过程中同时检测冲突发现冲突立即停止传输，并在随机延时后尝试发送停止传输后，用二进制指数回退算法计算延时一些重要的规定最

20、小帧长64字节，最大帧长1518字节最多连续冲突次数：16次帧间间隔12字节,以太网MAC层,帧格式前导码：10101010串，用于同步目的地址：6字节三种形式单播、单目、普通地址指定站点接收多播、组播、组地址一组站点同时接收广播地址所有站点全部接收,前导码,目的地址,源地址,长度/类型,数据,帧校验,8字节,6字节,6字节,2字节,461500字节,4字节,以太网帧格式,目的地址第一字节，最“高”位为0表示单播地址普通地址为1表示多播地址组地址全部为1表示广播地址例：0 x 01 00 5E 73 0C 01组播地址0 x 00 90 0A 27 0B 0C单播地址0 x FF FF FF

21、FF FF FF广播地址,以太网帧格式,长度/类型字段小于1536表示帧长度帧中数据字段的长度数据内容是变长的，最大为1500大于1536表示帧类型数据字段封装的协议类型0 x800：表示数据内容是IP分组0 x806：ARP分组,前导码,目的地址,源地址,长度/类型,数据,帧校验,8字节,6字节,6字节,2字节,461500字节,4字节,目的地址,源地址,0 x800,IP分组,以太网帧格式,帧校验字段32位CRC校验MAC层发现帧错误后，仅向上层报告而不进行差错控制,前导码,目的地址,源地址,长度/类型,数据,帧校验,8字节,6字节,6字节,2字节,461500字节,4字节,共享式与交换式

22、以太网,共享式以太网一根电缆(或HUB)连接所有的站点站点采用CSMA/CD竞争信道,HUB模拟共享信道,HUB,交换式以太网,交换式以太网端口与站点采用全双工通信共享缓冲区、交换矩阵、CrossBar等在端口间转发数据帧所有端口并行工作没有信道竞争，关闭了CSMA/CD,帧缓冲区,转发,根据目的MAC向相应端口转发帧,以太网交换机,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,千兆以太网,数传速率为1000Mbps

23、的以太网802.3z，802.3ab等“电”缆：802.3z光纤，802.3ab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,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,无线局域网协议,无线局域网的广播特性信道共用无基站

24、，对等式无线环境的特殊性：冲突域不固定,A,B,C,A C之间并不冲突，但在B看来，大家都是冲突的,无线局域网,隐藏站点A向B发送数据时C监测不到载波C也向发送数据，造成冲突A对C隐藏暴露站点B向A发送数据C向D发送数据 本来互不干扰但在B发送时，C检测信道，以为会发生冲突，而停止B暴露在C、D之间,A,B,C,A,B,C,D,难,无线局域网协议,MACA冲突避免解决隐藏站点冲突A欲向B发送数据，先发送RTS帧提醒BB应答CTS，阻止在B覆盖范围内的其他所有站点发送数据（不包括A）C收到CTS后，不向B发送数据而避免了冲突（在B周围的所有站点中只有A能发送数据）,A,B,C,RTS,CTS,R

25、TSRequest To SendCTSClear To Send,无线局域网协议,MACA解决暴露站点问题C收不到A发出的CTS发送抑制帧C可以在B向A发送数据的同时向D发送数据新的问题RTS帧的冲突,A,B,C,D,CTS,数字蜂窝,GSM数字数据与数字信号数字数据：集成、压缩、纠错、加密数字信号：抗干扰、高数据传输速率、可再生GSM的信道分配FDMTDM（图2-43）动态分配GSM的公共信道呼叫信道下行信道随机访问信道上行信道存在多路访问冲突问题，用slotted ALOHA解决访问授权信道下行信道,用于连接的建立,扩,4.4 网桥,网桥又称MAC桥，是一种L2中继设备主要强调互连网桥通

26、过多个端口互连不同的LAN多种LAN技术的发展催生了网桥各个LAN的MAC技术、速率均可不同初期典型网桥：用于多网互连、特别是主干网接入以太网桥：互连粗缆、细缆TR网桥：互连16Mbps、4MbpsFDDI网桥：互连FDDI、以太网传统网桥基于软件、性能不高、市场并不大交换机就是硬件化的多端口网桥，目前以太网的主要设备,网桥的特点,隔离冲突域网桥各端口具有独立的MAC实体各端口为独立的冲突域隔离流量只有必要的帧才被网桥中继宿地址与源地址同端口的帧，不转发网桥各端口的流量相对隔离可靠性，限制故障范围安全性需要，将局域网隔离特点的应用网桥可以用于互连（对于不同类型的LAN）网桥更可用于分段！（对于

27、相同的LAN）,网桥隔离冲突域,网桥隔离冲突域，但不隔离广播域,A站,B站,C站,D站,所有站点位于同一冲突域,网桥隔离冲突域将网络分隔成两个冲突域每一个端口及其相连的站点位于同一冲突域,网桥连接局域网,网桥互连多个不同的LAN各个局域网MAC技术和速率均可不同存储转发网桥可能需要做协议转换（现在较少使用）网桥分割同类型LAN为不同LAN段隔离冲突域、扩大LAN的范围、提高整体性能网桥对站点透明桥接局域网上的各站点不知道网桥的存在各站点认为所有站在同一个LAN或LAN段上,网桥,站,站,互连不同的LAN,网桥的类型,远程网桥：已退出市场使用点到点协议源路由网桥：较少使用桥将接收所有的数据帧由源

28、端在数据帧中指明发送路由，即经过的桥的序列协议转换网桥：较少使用透明网桥（目前的产品主要是交换机）以太网交换机的原理就是采用透明网桥的原理接收所有的数据帧根据帧的目的MAC地址，查地址表转发无线局域网网桥,网桥工作在对应OSI模型的第二层,网桥的协议模型,对应LAN的物理层、MAC子层，在MAC子层增加中继软件,网桥工作原理,网桥采用存储转发方式各端口独立工作，速率可不同网桥的转发策略接收所有帧，根据目的地址决定转发策路对广播帧，从网桥所有端口扩散出去对单播帧，查MAC表，如表中有目的地址项，则按表中端口转发（如果目的站与源站同端口，则不转发），否则也会扩散（目的站一定能收到）网桥逆向学习建立

29、MAC表对接收到的帧，将帧中的源MAC地址和端口记录到MAC表中，下次作为目的站时，可以及时找到转发端口,网桥技术,存储转发,网桥技术,互联不同LAN时面临的技术难题帧格式不同，需要重排。数据传输速率不同缓冲区的溢出帧的最大长度不同802.3:1500字节；802.4:8191字节;802.5:无上限,网桥小结,网桥是一个链路层的中继转发设备网桥的加入对站点无影响（除稍有延迟外）站点不知道网桥的存在站点之间感觉就好像是直接互连通信的网桥对帧的转发完全透明转发帧时，对帧不做任何改变只是按照帧中的目的地址转发到合适的端口网桥的目的是使其连接的站点能够互联互通其互连规模有限，隔离性也有限但毕竟网桥只能在数据链路层互连站点范围和规模都受限当站点要跨越子网通信时，网桥将无能为力,本章思考题,1、广播信道的网络，需要特别解决哪些点到点信道网络不需要考虑的问题？面对这些问题，解决的措施有哪些？2、网桥是在哪一层转发的设备？网桥的加入对站点通信有何影响？网桥的主要任务是什么？有何局限性？,