第4章 介质访问控制子层

计算机网络,第4章介质访问控制子层,第4章介质访问控制子层,主要内容4.1局域网的基本概念4.2多路访问协议4.3以太网4.4无线LAN4.5数据链路层交换,计算机网络第3章数据链路层,4.1局域网的基本概念,局域网的技术特点：(1)局域网覆盖有限的地理范围。(2)局域网提供高传输速率(10-100Mbps)、低误码率。(3)局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与拓展。(4)决定局域网的三要素是：拓扑、介质与介质访问控制方法。(5)从介质访问控制方法来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。,计算机网络第3章数据链路层,图4-1局域网参考模型与OSI/RM对照图,4.1.1IEEE802参考模型,1IEEE802LAN参考模型LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口(SAP)。MAC子层在支持LLC层完成介质访问控制功能。,计算机网络第3章数据链路层,4.1.1IEEE802参考模型,2IEEE802标准系列IEEE802委员会为局域网制订了一系列标准，它们统称为IEEE802标准。图4-2表示出了IEEE802标准之间的关系。其中主要包括：802.1局域网概述，体系结构，网络管理和性能测量等；802.1d(生成树协议SpanningTree)802.1p(GeneralRegistrationProtocol)802.1q(虚拟局域网VirtualLANs：VLan)802.1w(快速生成树协议RSTP)802.1s(多生成树协议MSTP)802.1x(基于端口的访问控制PortBasedNetworkAccessControl)802.2逻辑链路控制LLC；,计算机网络第3章数据链路层,4.1.1IEEE802参考模型,802.3总线网介质访问控制协议CSMA/CD及物理层技术规范；802.3u(快速以太网FastEthernet)802.3z(千兆以太网GigabitEthernet)802.3af(基于以太网供电POE：PowerOnEthernet)802.4令牌环总线Token-PassingBus(单一/多信道速率1，5，10MBit/s)网介质访问控制协议及其物理层技术规范；802.5令牌环Token-PassingRing(基带速率1，4，16MBit/s)网介质访问控制协议及其物理层技术规范；802.6城域网(MetropolitanAreaNetworks)MAC介质访问控制协议DQDB及其物理层技术规范；802.7宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议；802.8光纤技术咨询组，为其他分委员会提供光纤网络技术的建议；,计算机网络第3章数据链路层,4.1.1IEEE802参考模型,802.8光纤技术咨询组，为其他分委员会提供光纤网络技术的建议；802.9综合话音/数据的局域网(IVDLAN)介质访问控制协议及其物理层技术规范；802.10局域网安全技术标准；802.11无线局域网的介质访问控制协议CSMA/CA及其物理层技术规范；802.12100Mb/s高速以太网按需优先的介质访问控制协议100VG-AnyLAN(VoiceGrade-Sprachegeeignet)802.14(有线电视(CATV)802.15(无线个人区域网，WPAN)802.16(无线城域网，WMAN)802.17(弹性分组环(ResilientPacketRing)IEEE802委员会最先出台的标准是802.1802.6，这6个标准已被ISO采纳为国际标准，包含在ISO8802-18802-6等文件中。美国国家标准协会(ANSI)把IEEE802标准作为美国国家标准。,计算机网络第3章数据链路层,4.1.2局域网拓扑结构类型与特点,在局域网常用的拓扑结构有：星形结构、环形结构、总线型结构和网状型结构。1星形网络结构星形网通过点到点链路接到中央结点的各站点组成的。通过中心设备实现许多点到点连接。在数据网络中，这种设备是主机或集线器。这种拓扑结构网络的基本特点主要有如下几点：(1)容易实现；(2)节点扩展、移动方便；(3)维护容易；(4)采用广播信息传送方式；(5)网络传输数据快。,计算机网络第3章数据链路层,4.1.2局域网拓扑结构类型与特点,2总线型网络结构这种拓扑结构具有以下几个方面的特点：(1)组网费用低；(2)传输速度随着接入网络的用户的增多而下降；(3)网络用户扩展较灵活；(4)维护较容易；(5)可靠性不高。,计算机网络第3章数据链路层,4.1.2局域网拓扑结构类型与特点,3环形拓扑结构这种拓扑结构的网络主要有如下几个特点：(1)这种网络结构一般仅适用于IEEE802.5的令牌网(TokenRingnetwork)，在这种网络中，“令牌”是在环型连接中依次传递。所用的传输介质一般是同轴电缆。(2)这种网络实现也非常简单，投资小；(3)传输速度较快。(4)维护困难。(5)扩展性差。,计算机网络第3章数据链路层,4.1.2局域网拓扑结构类型与特点,4树型结构这种拓扑结构同时兼顾了星型网与总线型网络的优点。主要有如下几个特点：(1)应用相当广泛；(2)扩展灵活；,计算机网络第3章数据链路层,4.1.3LAN的信道分配问题,局域网大多采用广播传输技术(共享信道)。广播信道或多路访问信道中，所有站点共享一个传输信道，任何时候只允许一个站点使用信道(向信道上发送数据)。若有两个或多个站点同时发送数据，则信号在信道上就会发生碰撞或冲突(collision)，导致数据发送的失败。解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来协调各个站点如何使用信道，即介质访问控制MAC(MediumAccessControl)。,计算机网络第3章数据链路层,4.1.3LAN的信道分配问题,信道分配策略可分为两大类：静态信道分配方案：如传统的FDM和TDM，将频带或时间片固定地分配给各个站点，适用于站点数量少且固定的场所，控制简单，效率高，但不能适应突发性流量。动态信道分配方案：如异步时分多路复用。其中又分为两种：随机访问(争用，contention)和控制访问，随机访问是指只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。而控制访问则是指发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。主要有轮转(round-robin)和预约(reservation)两种方式。,计算机网络第3章数据链路层,4.2多路访问协议,在理想情况下，对于速率为Rbps的广播信道，多路访问协议应该有以下所希望的特性：(1)当只有一个节点有数据发送时，该节点具有Rbps的吞吐量。(2)当有N个节点要发送数据时，每个节点吞吐量为R/Nbps。(3)不会因某主节点故障而使整个系统崩溃。(4)协议是简单的，使得实现起来代价不是很高。具体协议主要有以下几种：ALOHA协议、CSMA协议和CSMA/CD协议。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.1ALOHA,1纯ALOHA协议(PureALOHA)当传输点有数据需要传送的时候，它会立即向通讯频道传送。接收点在收到数据后，会ACK传输点。如果接收的数据有错误，接收点会向传输点发送NAK。当网络上的两个传输点同时向频道传输数据的时候，会发生冲突，这种情况下，两个点都停止一段时间后(该时间必须是随机的，否则同样的帧会不停的冲突)，再次尝试传送。2分段ALOHA(SlottedALOHA)这是对纯ALOHA协议的一个改进。改进之处在于，它把信道在时间上分段，每个传输点只能在一个分段的开始处进行传送。每次传送的数据必须少于或者等于一个频道的一个时间分段。这样很大的减少了传输频道的冲突。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.1ALOHA,3通过量的计算假设传输点对频道的使用符合泊松分布，可得以下公式：纯ALOHA协议：分段ALOHA协议：S是通过量，G是提供的流量(即每单位时间上成功传输数据包的概率均值)。从公式可以看出，对纯ALOHA，当G=0.5的时候，S达到最大值，为，也就是说此时期望的信道利用率仅为18.4%。对分段ALOHA来说，当G=1的时候，S达到最大值36%，分段ALOHA系统才处于最佳状态。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.2载波检测多路访问协议,分段ALOHA协议的最大信道利用率仅为1/e，而纯ALOHA协议的信道利用率为1/2e，这一点并不奇怪。原因是上述的ALOHA协议中，各站点在发送数据时从不考虑其他站点是否已经在发送数据，这样当然会引起许多冲突。在局域网中，由于所有站点共享信道，站点能够检测出其他站点正在进行的发送，从而可以降低冲突概率，提高信道的利用率。将站点在发送数据前进行载波侦听，然后再采取相应动作的协议，人们称其为载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)协议。CSMA协议有几种类型，我们将分别进行讨论。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.2载波检测多路访问协议,11-坚持CSMA(1-persistentCSMA)1-坚持CSMA协议的工作过程是：某站点要发送数据时，它首先侦听信道，看看是否有其他站点正在发送数据。如果信道空闲，该站点立即发送数据；如果信道忙，该站点继续侦听信道直到信道变为空闲，然后发送数据；之所以称其为1-坚持CSMA，是因为站点一旦发现信道空闲，将以概率1发送数据。2非坚持CSMA(nonpersistentCSMA)对于非坚持CSMA协议，站点在发送数据之前侦听信道，如果信道空闲，立即发送数据；如果信道忙，站点不再继续侦听信道，而是等待一个随机长的时间后，再重复上述过程。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.2载波检测多路访问协议,3p-坚持CSMA(p-persistentCSMA)p-坚持CSMA主要是用于分槽ALOHA。其基本工作原理是，一个站点在发送数据之前，首先侦听信道。如果信道空闲，便以概率0p1发送数据，以概率q=1-p把数据发送推迟到下一个时间片；如果下一个时间片信道仍然空闲，便再次以概率p发送数据，以概率q将其推迟到下下一个时间片。此过程一直重复，直到将数据发送出去或是其他站点开始发送数据。如果该站点一开始侦听信道就发现信道忙，那么它就等到下一个时间片继续侦听信道，然后重复上述过程。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.2载波检测多路访问协议,在上述三个协议中，都要求站点在发送数据之前侦听信道，并且只有在信道空闲时才有可能发送数据。但即便如此，仍然存在发生冲突的可能。考虑下面的例子：假设某站点已经在发送数据，但由于信道的传播延迟，它的数据信号还未到达另外一个站点，而另外一个站点此时正好要发送数据，则它侦听到信道处于空闲状态，也开始发送数据从而导致冲突。一般来说，信道的传播延迟越长，协议的性能越差。图4-7显示了这三个协议，以及纯ALOHA和分段ALOHA的吞吐量和流量之间的关系。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.2载波检测多路访问协议,图4-7各种随机访问协议的信道利用率与负载之间的比较,计算机网络第3章数据链路层,4.2.3无冲突的协议,在上述介绍中，冲突不可避免的要发生，在本小节中，我们将介绍另外一些协议，即无冲突(collision-free)协议。它们解决了信道竞争问题，冲突根本不会发生。其中有两种无冲突协议：位图(bit-map)协议(也叫比特映像协议)和二进制倒计数(binarycountdown)协议(也叫二进制地址相加协议)。下面进行简单介绍：,计算机网络第3章数据链路层,4.2.3无冲突的协议,1位图协议：假设有N个站点(编号为0N-1)，设N=8。将信道时间划分成一系列交替的预约周期(位图)和数据传输周期：一个预约周期由N个1比特的竞争时隙组成，每个时隙对应一个站点。任何一个站点有数据发送时，必须在它的竞争时隙期间发送“1”进行预约。预约周期结束后，预约过的站点按编号顺序进行发送，永不冲突。最后一站点发完数据后，开始新一轮的预约周期。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.3无冲突的协议,位图协议的性能：(1)低负荷时，数据发送少，基本重复预约周期。(2)对于低编号的站点，平均需等待N/2时隙(本次预约周期)外加N时隙(下一轮预约周期)，共1.5N时隙后才可发送。(3)对于高编号的站点，平均只需等待N/2时隙(本次预约周期)就可发送。因此，所有站点平均等待时间为N个时隙。则低负荷下的效率为d/(N+d)，其中d为一个数据帧的比特量。(4)高负荷时，基本上N比特竞争时隙按比例平均分配给N帧数据，即每帧需要一比特的额外开销，则效率为d/(d+1)。位图协议的改进：小时隙轮换优先权协议：对位图协议稍加改进，一个站点在预约后可立即发送，发送后紧接着又进入预约周期，由后继站点进行预约发送。改善了位图协议在低负荷下的效率，每个站点的平均等待时间都为N/2个时隙。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.3无冲突的协议,2二进制倒计数协议每个站点的地址用等长的二进制数表示。每个要发送数据的站点先广播发送它们的二进制地址(按高位到低位的顺序)。这些地址在信道上被按位相加(逻辑或)。各站点在发送地址时监听信道，当发现自己地址中的某个“0”在信道上变为“1”时，即退出竞争。最后参与竞争的地址最高的站点获得发送权。发送结束后，重新进入下一轮竞争。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.3无冲突的协议,二进制倒计数协议的效率及改进：对共有N个站点的系统中，地址长度为，这也是每个站点为获得信道所需的额外开销，则其协议效率应为。将帧的第一个字段改为地址字段，则协议效率可达100%。显然，各站点具有不同的优先级，地址越高，优先级也越高。为了公平，采用一种虚拟站编号并轮换优先级的改进方案，编号可变，发送完数据的站点将其地址编号降到最低0，其它编号低于该站点的站点编号都加1。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.4有限竞争协议,争用协议在轻负荷时延迟特性好，但重负荷时信道效率低；而无冲突协议在轻负荷时延迟特性差，但重负荷时信道效率高。将争用协议和无冲突协议结合起来，在轻负荷时使用争用策略，而在重负荷时使用无冲突策略，即有限争用协议。有限争用协议的指导思想：根据网络的负荷情况，对所有的站点进行动态分组(负荷轻时，每组中的站点数多一些；负荷重时，站点数就少一点)，每个竞争时隙内只允许某个组中的站点进行竞争。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.4有限竞争协议,到目前学习过的竞争协议都是对称的，也就是说每个站点企图获得信道的概率值为p，并且所有的站点都使用同样的p值。如果在协议中为不同站点分配不同的概率值，有时候系统的整体性能会有所提高，这种方式称为非对称(asymmetric)争用方式自适应步进树(adaptivetreewalk)协议是有限争用协议的一个典型例子。把所有站点看作是一棵二叉树的树叶，树中的其它节点作为不同的组别。自顶开始采用深度优先搜索方式，将竞争时隙顺序地分配给不同的组别。若发生冲突，则对其左子树和右子树继续搜索，直到没有站点发送或某个站点竞争获得成功。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,无线LAN的站点隐藏问题：当A向B传送数据时，C准备给B传送，C检测介质，因为A未覆盖到C，所以C听不到A，得出结论，可以向B传送数据。如果C传了，则B将受到干扰。由于竞争者离得太远而导致一个站无法检测到潜在的介质竞争对手，这个问题称为隐藏站问题。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,无线LAN的站点暴露问题：考虑相反的问题，B向A传送数据，C准备给D传送，C检测介质，它将听到一个传输正在进行，从而得出结论，不能向D传送。实际上，它听到的时B向A传送数据，不会影响D的接收，这个问题称为暴露站问题。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,解决这样的问题有两种方式，DCF（分布式协调功能）和PCF（点协调功能）。PCF（点协调功能）中，传输由基站完全控制，不会发生冲突。DCF中使用CSMA/CA协议。CSMA/CA支持两种操作方法，ACK及以MACAW（无线的避免冲突的多路访问）为基础的冲突避免。站B、站C、站E在站A的无线信号覆盖的范围内。而站D不在其内。站A、站E、站D在站B的无线信号覆盖的范围内，但站C不在其内。,计算机网络第3章数据链路层,如站A要向站B发送数据，那么，站A在发送数据帧之前，要先向站B发送一个请求发送帧RTS(RequestToSend)。在RTS帧中已说明将要发送的数据帧的长度。站B收到RTS帧后就向站A回应一个允许发送帧CTS(ClearToSend)。在CTS帧中也附上A欲发送的数据帧的长度(从RTS帧中将此数据复制到CTS帧中)。站A收到CTS帧后就可发送其数据帧了。现在讨论在A和B两个站附近的一些站将做出什么反应。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,对于站C能够收到站A的RTS帧，但听不到站B的CTS帧。这样，在站A向站B发送数据的同时，站C也可以发送自己的数据而不会干扰站B接收数据。对于站D，站D收不到站A的RTS帧，但能收到站B的CTS帧。因此，站D在收到站B的CTS帧后，应在站B随后接收数据帧的时间内关闭数据发送操作，以避免干扰站B接收自A站发来的数据。对于站E，它能收到RTS帧和CTS帧，因此，站E在站A发送数据帧的整个过程中不能发送数据。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,虽然使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，它们的长度分别为20和14字节。而数据帧则最长可达2346字节，相比之下的开销并不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发，则浪费的时间就更大。虽然如此，但协议还是设有三种情况供用户选择：使用RTS和CTS帧；当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS和CTS帧；不使用RTS和CTS帧。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,尽管协议经过精心设计，但冲突仍然会发生。例如：站B和站C同时向站A发送RTS帧。这两个RTS帧发生冲突后，使得站A收不到正确的RTS帧因而站A就不会发送后续的CTS帧。这时，站B和站C像以太网发生冲突那样，各自随机地推迟一段时间后重新发送其RTS帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。为了尽量减少冲突，802.11标准设计了独特的MAC子层。,计算机网络第3章数据链路层,4.2.5无线LAN协议,CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是:1.送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由於每个设备