第四章介质访问控制子层

第四章介质访问控制子层,网络的分类点到点连接的网络使用广播信道的网络(多用于局域网)广播信道由多个用户共享，由此产生冲突，关键的问题是解决信道的争用，即MAC(MediaAccessControl)。,数据链路层的两个子层,将数据链路层拆为两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层介质访问控制MAC(MediumAccessControl)子层。介质访问控制MAC：当存在多方要竞争使用信道的时候，决定谁可以使用信道。逻辑链路控制LLC：主要负责向网络层提供可靠，有效的点到点数据链路，与传输媒体无关。通过逻辑连接，差错控制，流量控制等办法当不需要可靠性时，LLC可以是很薄的一层，甚至省略。,底层信道对LLC子层是透明的,广播式信道,网络层,物理层,站点1,网络层,物理层,数据链路层,站点2,LLC子层看不见下面到底是广播式信道还是点到点信道,MAC的设计目标,-冲突发生后再解决-提前避免冲突,信道只有一个，多方争用信道的时候，谁可以使用信道？,MAC的设计目标,公平接入,MAC的设计目标,低时延,MAC的设计目标,寻址,4.1信道分配问题,中心问题：如何在多个竞争的用户间分配单个广播信道在众多通信实体之间公平、有效的分配带宽。实现通信实体间良好的连通性，获得尽可能高的吞吐量。良好的报文时延特性。分类：静态信道分配方案动态信道分配方案,4.1.1静态信道分配方案,静态的信道分配方案FDM频分复用TDM时分复用将信道均分为若干个子信道，每个子信道为一个用户所独占。,FDM系统的性能分析：N个子信道时，每个子信道的带宽为Cbps，帧到达率为每秒帧平均帧长为1/bit子信道平均服务率为每秒C帧若到达率和服务速率均服从泊松分布，数据帧的平均时延TFDM若合并这N个子信道为一个信道为N个用户同时提供服务，对应的平均时延,静态的信道分配方案适用于,适用于用户数较少且每个用户都有平滑的流量负担（电话局间通信）不适用于数据流量突发性很大的网络，很多网络（如LAN）的流量具有突发性和间歇性特征，业务量和发送速率上都具有很高的峰值/平均比率，如1000:1,4.1.2动态信道分配方案,通常采用的信道访问方法有两类随机访问：各节点根据自已的意愿发送数据，可能会产生冲突。分布式，节点间协作化解冲突。受控访问：通过某种控制机制使得任何时刻只有一个接点接入信道，需要一个仲裁机制，可以是集中式的，也可以是分布式的。,后续讨论使用的假设（1）,站模型：信道上有N个独立的站，每个站可以产生供传输使用的帧。在t时间内，产生一帧的概率为t，为帧的到达率。单信道假设：所有的通信只有一条信道可用，所有的站都可以在信道上收发数据，在硬件上是平等的冲突假设：如果两帧同时被传输，在时间上会产生重叠，使得信号混乱，所有的站都能够检测冲突事件，冲突的帧必须在随后重发。信道上除了冲突，没有其它错误。,后续讨论使用的假设（2）,时间假设连续时间：任何时刻都可以开始传输帧，不需要一个主时钟将时间分成离散的间隔分时隙：时间被分隔成离散的间隔（时隙，slot），帧的传输总是从某一个时隙开始。一个时隙可能包含0个、1个或多个帧，分别对应空闲、成功发送和冲突载波载波检测（CarrierSense）：一个站在使用信道之前，可以辨别该信道是否正在被使用无载波检测：站在使用信道之前，无法检测信道,4.2多路访问协议,随机接入类（亡羊补牢）无冲突类（防患于未然）,4.2.1ALOHA纯ALOHA,想说就说：每当用户有数据要发送，立刻发送发送方通过广播的反馈特性侦听信道，可以知道是否发生了冲突；若发生冲突，则发送方等待一段随机的时间，再次发送该帧，直到发送成功为止,ALOHA性能分析,网络负载G：在一个帧时内等待发送的平均帧数（成功发送的+未成功发送的）又叫offeredload吞吐量S：在一个帧时内成功传送的平均帧数S=0信道上无成功数据帧传送S=1意味着数据帧一个接一个的传送，帧间无空隙。又叫carriedload显然，GS当G=S，说明数据帧在信道上无冲突,假设所有帧等长，称传输一个帧所需要的时间为帧时；假设每个帧时中帧的到达服从泊松分布，平均到达率为G。吞吐量S=GP0，P0是一帧没有冲突的概率在t个帧时内产生k帧的概率服从泊松分布在两个帧时内生成零帧的概率（无冲突）为P0=e-2GS=Ge-2G,S=Ge-2G，当G=0.5时，Smax=1/2e0.184,时隙ALOHA（SlottedALOHA）,将时间分成离散间隔（slot），所有用户遵守统一的时隙边界，用户只能在时隙开始时发送数据,时隙ALOHA的性能,危险周期减少一半，系统吞吐率S=Ge-GG=1时，Smax=1/e0.368，是纯ALOHA的两倍每帧平均重传次数随着G的增大而呈指数增长,S=Ge-G，当G=1时，Smax=1/e0.369,D表示以帧时为单位的归一化平均报文发送时延,4.2.2载波检测多路访问协议,ALOHA的信道利用率很低，根本原因在于想说就说，导致了频繁的冲突。载波检测（载波侦听）（carriersense）：可以检测到信道上当前是否有数据在传输载波侦听多路访问（CarrierSenseMultipleAccess,CSMA）-先听再说1坚持CSMA0坚持CSMAp坚持CSMA,1-坚持CSMA,工作原理：发送站一直侦听信道，一旦发现信道空闲马上发送数据；发生冲突后，等待一段随机的时间后再次检测和发送。优点：减少了信道空闲缺点：增大的冲突发生的概率,非坚持CSMA,工作原理：发送站侦听信道，发现信道空闲，则开始传送数据；如果信道不空闲，则等待一段随机的时间后再次侦听信道优点：减少了冲突概率缺点：增加了信道空闲时间，增大了数据发送延迟,p-坚持CSMA（时隙信道）,工作原理：如果信道忙，则发送站持续侦听信道；如果信道空闲，以概率p发送数据，以概率1-p将数据的发送延迟到下一时隙并重复这一过程。当发生冲突时，等待一段随机时间后再重新开始,非坚持CSMA可以大大减少碰撞机会，提高系统吞吐量，但是因为退避会造成时延特性变差。1坚持CSMA无退避措施，在业务量很小时，报文的发送机会多，响应速度快，当业务量增加时，碰撞的机会增多，使得吞吐量和迟延特性急剧变差。P坚持CSMA是两者的折中，选择合适的p值可以获得较为满意的系统性能。坚持对信道的检测，以利于及时知道信道的忙闲情况，避免浪费。即便发现信道空闲，也不一定非要坚持发送，若某个结点能主动退避一下的话，可以减少冲突的可能性。,Q：0.01坚持的CSMA在G=9时整体性能如何？,D表示以帧时为单位的归一化平均报文发送时延,带冲突检测Collisiondetection的CSMA边说边听：正在发送数据的站点一旦检测到冲突，立刻停止发送。半双工系统工作流程先听再说边说边听冲突停止延时再试,CSMA/CD,CSMA/CD性能分析模型,CSMA/CD由三种状态交替组成竞争传输空闲,竞争周期,竞争周期为2,是信道上间隔最远的两台机器间的传播时延每个节点发出一帧后，在2时间内无冲突，则可以肯定该帧必将成功发送。,L,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,CSMA/CD的性能(4.3.5以太网的性能),CSMA/CD的性能(4.3.5以太网的性能),假设总线上有k个站要传送数据，每个站要发送帧的概率为p，则在一个竞争周期中总线上只有一个站发送帧的概率A=kp(1-p)k-1当p=1/k时，A最大，k时，A1/e则需要j个竞争周期才能成功发送一帧的概率为A(1-A)j故一个帧要成功发送所需的平均竞争周期数为：,其中a表示以帧时为单位的归一化传播时延，设F为帧长，B为网络带宽，L为电缆长度，c是信号传播的速度，则有：,2=51.2us,B=10Mbps时的网络性能,CSMA/CD的性能分析,CSMA/CD不适用于长距离（卫星），高带宽（光纤）或短帧的网络环境，应寻求其他解决思路。,信道利用率就越低。,电缆越长，竞争周期越长帧越短，传送帧所需要的时间越短带宽越大，传送帧所需要的时间越短,4.2.3无冲突的协议,不再使用随机接入的思路，而是通过某种机制提前避免冲突。位图协议（比特映射协议）二进制倒计数协议。,位图协议（BasicBitmapMethod）,由竞争周期和帧传输周期组成。每个竞争周期包含N个时隙，如果站点n需要占用信道，则在第n个时隙中写入1，构成位图。当所有的N个时隙都通过后，每一个站点都知道了哪些站点希望发送数据，然后按照数字顺序开始传送数据,位图协议,特点：各站需严格同步各站需监听信道以了解发送时机扩展性不好假设帧长为d比特低负载情况下：信道利用率为d/(N+d)高负载情况下：信道利用率为d/(d+1),位图协议不适用于站点众多的情况站点同时按照从高比特到低比特的顺序广播其地址，同时监听信道。假定信道能够将各站的地址的对应位进行布尔或运算。冲突检测：如果某站发现其地址中原本为0的位变为1，则放弃发送。赢得信道后，站点便可发送帧，然后另一竞争周期重新开始。,二进制倒计数法（binarycountdown）,二进制倒计数法,地址采用二进制编码，开销减少。设d为数据帧长，N为站点数，则信道利用率为d/(d+log2N)如果帧格式选择恰当，帧中第一字段为发送方地址，则效率为100%。特点各站需严格同步公平性差可能的改进？,4.2.4有限竞争协议,结合随机访问法和无冲突法的优点：在轻负载时采用随机访问法来尽快接入信道。在重负载时采用无冲突法来保证信道利用率。自适应树搜索协议：把站点看作是二叉树的叶子,在一次成功传送之后的第一个时隙，slot0，所有的站都允许尝试获取信道，如果发生了冲突，则在slot1中，只有树中2号节点之下的那些站才可以竞争。如果其中之一获得了信道，则这一帧之后的那个时隙被保留给节点3下面的那些站。另外，如果节点2下面的两个或者多个站希望发送数据，在slot1中会发生冲突，则slot2就由节点4下面的站来竞争。如果网络的负载很重，可以直接把slot0分配给节点2，甚至层次更深的节点。也就是说，负载越重，则越该从树的下面节点开始搜索。,自适应树搜索协议原理,4.2.5波分多路访问协议,WDMA（WavelengthDivisionMultipleAccess，波分复用多路访问）利用不同的波长将光纤信道分给不同的用户（WDM）每一个波长又分成若干时隙（TDM）,每个站在固定波长1上利用TDM向其他站发送数据每个站在固定波长2上以TDMA方式接受其他站的接入请求,每个站：两个发送器，两个接收器。一个固定波长接收器，用于监听自己的控制信道，以TDMA方式接受其他站的接入请求；一个固定波长发送器，用于发送数据，以TDM方式向其他站发送数据，并声明自己的信道使用和分配情况；一个可调波长接收器，用于选择监听一个数据收发器，接收他站数据；一个可调波长发送器，用于在其它站点的控制信道上发送信息，向他站发送接入请求。,A站与B站如何建立一个连接（单向AB）：A将其数据接收器调节到B的数据信道上，等待状态时隙到来通过B的状态时隙，A知道哪些B的控制时隙是空闲的（0,4,5）。A将可调谐发送器调谐到B的控制信道A在B的控制信道中选择一个空闲时隙（比如4），A在B的控制时隙4中插入自己的连接请求B监听自己的控制信道，在其控制时隙4中读到A的请求并将时隙4分配给站A(通过B的状态时隙)。因此A占用了B的控制信道时隙4，双方建立了一个单向连接A可以通过B的控制时隙4，告知B：A将利用其数据信道的时隙3向B发送数据帧。B将在时隙3的时候将自己的可调谐接收器调谐到A的波长A利用自己的波长在时隙3向B发送数据,4.2.6无线LAN协议,移动特性低功耗,CSMA/CD协议失效，因为发送方可能检测不到冲突。隐藏站问题（hiddenstationproblem）：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。暴露站问题（exposedstationproblem）：发送者侦听到一个正在进行的传输，而这个传输实际上不会影响接收方的接收。,无线局域网的特殊问题,当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。,这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏站问题(hiddenstationproblem),A的作用范围,C的作用范围,A,B,C,D,无线局域网的特殊问题,B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。,其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题(exposedstationproblem),A,D,C,B,？,B的作用范围,C的作用范围,MACA和MACAW：MACA：MultipleAccesswithCollisionAvoidance，避免冲突的多路访问WACAW：WACAforWireless，无线的WACAMACA是802.11协议的基础基本思想：发送方刺激一下接收方，让它发出一个短帧，接收方附近的站可以收到该帧，从而这些站在接下来的数据传输过程中不再发送数据。,AB：发送RTS（RequestToSend）BA：发送CTS（ClearToSend）AB：开始传输数据如果一个站听到RTS，则它一定离A很近，它必须保持沉默一段时间，以便让B把CTS传送给A（比如站C、E）如果一个站听到了CTS，它一定离B很近，他必须在接下来的数据传输过程中保持沉默（时间可以从CTS中获取，如站D、E）,隐藏站问题解决,结点A欲发送一数据包给结点B,首先A发送一RTS给B;B发送CTS;A收到CTS后发送数据;C监听到CTS，知道有结点在发送数据，A和B数据传输时间C不会发数据包。,暴露站问题解决,1、发送者发送RTS。2、接收者返回CTS。3、邻居结点：如果收到CTS则保持安静，不能传输数据。如果只收到RTS而没收到CTS,可以传输数据。,4.3以太网,以太网和它的两个标准,1975年，施乐（Xerox）公司研制成功基于总线的2.94Mbps局域网，以无源总线电缆作为总线传送数据帧，以曾经在历史上表示传播电磁波的以太（Ether）命名。1980年，DEC、Intel和施乐联合提出了10Mbps的以太网规范DIXV1，1982年提出了DIXV2版本（也是最后的版本），成为世界上第一个局域网产品的规范，即通常所谓的“以太网”。1983年，IEEE802委员会以此为基础制定了第一个IEEE的以太网标准802.3，和DIXV2只有很小的差别。传输介质物理层编码MAC子层协议百兆千兆以太网,4.3.1以太网电缆,10Base5：10Mbps，基带传输，最大传输距离为500mT：Twistedpair，双绞线F：Fiber，光纤,连接方式：10Base5：收发器+收发器电缆+接口卡10Base2：BNCT型连接器+电缆（收发器+控制器）10BaseT：双绞线+集线器+接口卡（网卡）,直通线（平行线，正线，568B），两端线序相同从左到右：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕对连线（交叉线，反线）一端为568B另一端为568A，从左到右：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕,使用集线器的双绞线以太网,集线器,双绞线,站点,RJ-45插头,具有三个接口的集线器,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,4.3.2曼彻斯特编码,以太网上直接传输基带信号曼彻斯特编码：每一个周期分成两个相等的间隔1：第一个间隔高电平，第二个间隔低电平（高低）0：第一个间隔低电平，第二个间隔高电平（低高）差分曼彻斯特编码1：在间隔起始处没有相变0：在间隔起始处存在相变,曼彻斯特编码的优点接收方可以在没有外部时钟参考的情况下，毫无歧义的确定每一位的开始、结束或中间位置（接收方可以从接收到的信号中提取发送方的时钟）缺点脉冲宽度是位宽度的一半，因此带宽是直接二进制编码的两倍差分曼彻斯特编码：提供更好的抗噪声能力以太网未使用,4.3.3以太网MAC子层协议,当一台计算机发送数据时，所有的计算机都能检测到这个数据；数据中携带接收站的地址，只有当数据帧的目的地址和本机地址一致的时候，该接收站才接收这个帧，否则就抛弃,B向D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接收,不接收,不接收,接收,B,只有D接收B发送的数据,以太网使用CSMA/CD协议接入媒质。以太网提供的服务是不可靠的交付，即“尽最大努力交付”采用无连接的工作方式，不必建立连接就可以直接发送数据以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认（假设信道质量很好，出错的概率很小），出错的帧直接丢弃，差错的纠正由高层解决。实现非常简单，网络的健壮性好，是以太网占有局域网最大市场份额的主要原因之一。,以太网的帧格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。,以太网的MAC帧格式,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,源地址、目的地址字段各6字节,1010101010101010101010101010101011,前同步码,帧开始定界符,7字节,1字节,8字节,以太网上用户的识别：MAC地址,以太网上的每一个适配器都有一个唯一的以太网地址（MAC地址），采用平坦编址方案。任何一个以太网上的网卡可以移到另外一个以太网上而不用更改MAC地址。平坦（flat）编址方案vs.分层（hierarchical）编址方案平坦编址方案：地址按照顺序分配（不包含关于位置的任何信息）分层编址方案：将整个地址划分为几个部分，每个部分按照一定的规律分配号码。典型的分层方案：电话系统（电话号码=国家号+区号+局号+用户号）；IP地址（IP地址=网络地址+主机地址，其中含有网络的信息），主机从一个网络换到另外一个网络需要更改IP地址。小网络：倾向于使用平坦编址方案，简单，高效大网络：分层编址，便于寻路,第一字节的最低位为0，代表单播地址；为1，代表组地址（组播）全1的地址，代表广播（广播）第一字节的次低比特（G/L）表示MAC地址是局部地址，还是全局地址。后者由IEEE统一分配：生产网络适配器（网卡）的厂家向IEEE购买地址空间，从而保证没有任何两个适配器的MAC地址相同，e.g.,3COM=02:60:8C（前3个字节）,MAC地址,以太网中的每一块网卡都有且有唯一的以太网地址连接两个（多个）以太网的路由器，每一个端口都有一个网卡（和一个以太网地址）Windows:ipconfig/allLinux:ifconfig,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网的MAC帧格式,类型字段2字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据递交给相应的上层协议。如0 x0800代表载荷是一个IP分组,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网的MAC帧格式,数据字段461500字节,当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。,数据帧长度有限制最大帧长：1500字节（因为早期RAM价格因素）最小帧长：64字节LAN中冲突窗口为2，距离最长两个站间的往返时延以太网最大范围为2500m(最多可使用4个中继器)，最大往返时延是50us，50us10Mbps=500位64字节,最短有效帧长,避免一个短帧还没有到达电缆的远端，发送方就已经完成了该短帧的发送。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节，也就是说如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网的MAC帧格式,FCS字段4字节,当传输媒体的误码率为1108时，MAC子层可使未检测到的差错小于11014。,IEEE802.3的帧差别：前导7字节，1字节做帧起始分界符（SOF，10101011）类型域长度域对于类型域的解释：只要大于1500的值，就解释成类型，小于1500的值，就解释成长度,抓包工具SnifferWinPcapWireShark,4.3.4二元指数退避算法,发生冲突后，时间被分成时隙，每个时隙为2(51.2us)第一次冲突，每个站随机等待0或者1个时隙再重试第i次冲突后，在02i-1之间选取一个随机数，然后等待这么多个时隙后再次重试到第10次冲突后，随机数的区间固定在01023到第16次冲突后，控制器放弃重发的努力，向计算机报告失败,集线器交换机,集线器：CSMA/CD半双工网络范围只受传输介质特性和2的约束交换机：交换式集线器全双工，无冲突网络范围只受传输介质特性的约束,4.3.7快速以太网,需要更多的带宽，但基于光纤的局域网过于复杂和昂贵。1995年，IEEE提出802.3u保留802.3的原貌不变（帧格式、接口、过程等）将数据速度从10Mbps提升到100Mbps将电缆最大长度降低到1/10250m只允许利用集线器和交换机构成的星型网络,100Base-T4（三类双绞线）3类UTP无法在100m距离上承载200Mbps带宽25MHz速率，4对双绞线：一对用于发送，一对用于接收，剩下两对可以切换8B/6T码：8个二进制映射到6个三进制数上一对双绞线的比特率为25*8/6=33.33Mbps，三对线上可传输100Mbps另一方向上最大33.33Mbps,100BaseTX5类UTP，125MHz的时钟速率每站两对双绞线：1对发，1对收5个时钟周期发送4个比特，254/5=100Mbps100BaseFX两根多模光纤每个方向100Mbps站和交换机间的距离可以达到2km不允许使用集线器,4.3.8千兆以太网802.z,使得以太网再快10倍与现有的以太网标准向后兼容必须提供无确认的数据报服务支持单播和多播使用已有的48位编址方案帧格式、帧的最小最大长度不变所有的配置都是点到点的,光纤激光作为光源使用8B/10B码5类UTP4对双绞线同时双向传输，时钟频率125MHz每对双绞线每个波特（一个时钟周期）含2个比特，总的速率为12524=1000Mbps,传输介质,两种操作模式,全双工（与交换机相连的时候）：允许两个方向上的流量同时进行，没有冲突问题半双工（与集线器相连的时候）：使用CSMA/CD最小帧长不能再保持64字节，Why？最小帧长：512字节，网络范围200m利用载荷扩充填充帧串将多个帧组合成一个长帧,4.3.9逻辑链路控制,IEEE802未能形成一个统一的局域网标准，制定了多个几个不同的标准，如802.4令牌总线网、802.5令牌环网等。为了使得数据链路层能更好的适应多种局域网标准，将数据链路层拆分为两个层：LLC和MACLLC提供三种服务不可靠的数据报有确认的数据报面向连接的可靠服务,4.4无线LAN,人们对移动接入的需求在办公室和笔记本上安装短距离的无线发射器和接收器，从而允许他们之间进行通信两种配置方式：有基站和无基站（adhoc）,有固定基础设施的无线局域网,AP1,AP2,一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站,AP1,AP2,AP1,AP2,基本服务集内的基站叫做AP(AccessPoint，接入点)。当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个服务集标识符SSID和一个信道。,AP1,AP2,一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到主干分配系统DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展服务集ESS(ExtendedServiceSet)。DS可以是以太网、点对点链路或其他无线网络。,AP1,AP2,ESS还可通过门户(portal)为无线用户提供到非802.11无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。,AP1,AP2,移动站A从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（到A的位置），仍可保持与另一个移动站B进行通信。,移动自组织网ad-hoc,自组网络是没有固定基础设施（即没有AP）的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。,自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,Ad-hoc的应用,在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效.,4.4.1802.11的协议栈,4.4.2802.11物理层,红外技术跳频扩频FHSS直接序列扩频DSSS802.11a802.11b802.11g802.11n802.11p,常见的几种802.11无线局域网,802.11b/g互不重叠信道的选择,同一空间多信道的使用增加了带宽,4.4.3802.11MAC子层协议,WLAN没有使用CSMA/CD协议。CSMA/CD协议要求站点在发送数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中实现这种功能花费过大。接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度无线电设备通常为半双工设备功耗问题即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。隐藏站和暴露站问题,802.11的MAC层,MAC层,无争用服务（选用）,争用服务（必须实现）,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,提供两种工作模式,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,DCF子层在每一个结点上使用CSMA/CA协议，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,PCF子层使用集中控制的接入算法把发送数据权轮流交给各个站从而避免碰撞的产生,DCF中的MAC子层协议,无线局域网使用CSMA/CA协议，即把碰撞检测改为碰撞避免，其主要思路是尽可能减少碰撞的概率。（WLAN中即使发生了碰撞，也不会停止发送）信道预约ACK机制物理信道监听：发送前先听，减少碰撞虚拟载波监听分片机制：提高传输成功概率。帧间间隔退避机制,源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧RTS(RequestToSend)，携带源地址、目的地址和本次通信所需的持续时间。,RTS/CTS信道预约,A,C,B,D,E,若信道空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧CTS(ClearToSend)，携带通信持续时间（从RTS帧中复制到CTS帧中）。A收到CTS帧后就可发送其数据帧。,RTS/CTS信道预约,RTS/CTS信道预约,RTS/CTS可解决暴露站和隐藏站问题。引入了开销，降低了网络效率。碰撞还是可能发生。关于RTS/CTS，802.11规定了三种做法：使用RTS/CTS只有当帧长度超过某一阈值时才使用RTS/CTS不使用RTS/CTS,虚拟载波监听(VirtualCarrierSense),源站将它要占用信道的时间通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据，大大减少了碰撞的机会。当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV，NAV指出了必须经过多少时间信道才能空闲。“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于NAV才不发送数据。这种效果好像是其他站都监听了信道。,帧越长，越容易出错。为了解决噪声造成的差错，802.11允许帧被分割成小的分片，每个分片被单独编号和确认，发送方只有在收到第k个分片的确认后才能发送第k+1个分片。只重传出错的分片，无需重传整个帧。,分片传输,帧间间隔,在完成发送后，所有的站必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送帧。这段时间称为帧间间隔IFS(InterFrameSpace)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到信道上，则信道变为忙态。因而低优先级帧只能推迟发送，这样就减少了发生碰撞的机会。,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第1帧,SIFS,PIFS,时间,NAV（媒体忙）,DIFS,争用窗口,发送下一帧,推迟接入,等待重试时间,有帧要发送,源站,时间,目的站,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,SIFS，即短(Short)帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。,使用SIFS的帧类型有：ACK帧、CTS帧、下一个分片，以及所有回答AP探询的帧和在PCF方式中接入点AP发送出的任何帧。,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第1帧,SIFS,PIFS,时间,NAV（媒体忙）,DIFS,争用窗口,发送下一帧,推迟接入,等待重试时间,有帧要发送,源站,时间,目的站,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比SIFS长，是为了在使用PCF方式时，AP能够有机会获得信道。PIFS的长度是SIFS加一个时隙(slot)长度。,时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集BSS内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第1帧,SIFS,PIFS,时间,NAV（媒体忙）,DIFS,争用窗口,发送下一帧,推迟接入,等待重试时间,有帧要发送,源站,时间,目的站,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的IFS），在DCF方式中使用，与DCF有关的帧可以在这里发送，包括竞争信道。DIFS的长度比PIFS再增加一个时隙长度。,不同的802.11网络的IFS,CSMA/CA的原理(信道空闲),欲发送数据的站先检测信道。若检测到信道空闲，则等待一段时间DIFS，如果这段时间信道一直空闲，就发送整个数据帧。这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送目的站正确收到此帧后，经过时间间隔SIFS，向源站发送确认帧ACK。在1,2阶段的同时，所有其他站设置网络分配向量NAV，表示这段时间内信道忙，不能发送数据。若源站在规定时间内没有收到确认帧ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。,当某个站需要发送数据并且发现信道忙，则其推迟争用信道，直到当前的数据传输完毕，然后执行退避算法，随机退避一段时间后再次争用信道。当确认帧ACK结束时，NAV也就结束了。经历了帧间间隔后，接着会出现一段空闲的时间，称为争用窗口，表示这段时间内可能出现各站点争用信道的情况。802.11使用二进制指数退避算法，并且规定退避时间必须是整数倍的时隙时间。,CSMA/CA的原理(信道忙),二进制指数退避,第i次退避就在22+i个时隙中随机地选择一个第1次退避是在8个时隙（而不是2个）中随机选择一个。第2次退避是在16个时隙（而不是4个）中随机选择一个。,图例冻结剩余的退避时间,帧,帧,帧,帧,帧,DIFS,DIFS,DIFS,DIFS,争用窗口,争用窗口,退避,退避,退避,退避,A,B,C,D,E,t,t,t,t,t,冻结,冻结,冻结,冻结,冻结,802.11的退避机制,推迟争用,推迟争用,推迟争用,推迟争用,退避计时器（backofftimer）,站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况。若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。,退避机制,以下情况不使用退避算法：当一个站要发送的是它的第一个数据帧时，并检测到信道为空闲。其余情况下，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道为忙每一次的重传在每一次的成功发送后再要发送下一帧,CSMA/CA原理（全部）,源站点检测到信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送数据否则，执行退避算法，当退避计时器减少到0时，站点发送整个数据帧。若收到确认，还需发送第二帧，则执行退避算法，随机选定退避时间。若未能收到ACK，同样需要执行退避算法。,RTS/CTS/数据/ACK帧的时间关系,时间,DIFS,RTS,SIFS,时间,NAV（RTS）,DIFS,争用窗口,推迟接入,源站,时间,目的站,ACK,其他站,CTS,SIFS,SIFS,数据,NAV（CTS）,NAV（数据）,CSMA/CA中使用的技术,RTS/CTS：可以选用解决隐藏站问题和暴露站问题载波侦听：两种载波检测方法，检测信道是否繁忙。只要其中之一指示信道正在被使用，信道就被认为已处于忙状态。基于物理层的载波检测CS，从接收射频或天线信号检测信号能量或根据接收信号的质量来估计信道的忙闲状态；虚拟载波侦听，通过MAC报头或RTS/CTS中的持续时间结合NAV来实现。帧间间隔ACK机制退避，冻结,4.4.4802.11的帧结构,Version：协议版本Type：帧类型指示（数据、控制、管理等）Subtype：子类型（RTS或CTS等）ToDS/FromDS：该帧是发送或来自于跨单元的分布系统MF：后面还有更多的分片Retry：是重发的帧，相当于停等协议中的序号Pwr：基站对移动站的功率控制More：发送方还有更多的帧要发W：数据利用WiredEquivalentPrivacy加密过O：该位为1就必须严格按照顺序处理,字节2266626023124,帧控制,持续期,地址1,地址2,地址3,序号控制,地址4,帧主体,FCS,协议版本,类型,子类型,到DS,从DS,更多分片,重试,功率管理,更多数据,WEP,顺序,位22411111111,MAC首部,Duration：帧持续时间地址域：站内源地址、目的地址，跨单元的源基站和目的基站地址序列号：12位帧序列号+4位分片序号。重传帧的帧序列号和分片序号的值不变(使得接收方能够区分)Data：净荷域Check-sum：校验和,字节2266626023124,帧控制,持续期,地址1,地址2,地址3,序号控制,地址4,帧主体,FCS,MAC首部,802.11帧中的地址,802.11数据帧有四个地址字段。地址4用于自组网络。,802.11的设备,4.5宽带无线网络,IEEE802.16固定宽带无线访问系统的空中接口（AirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystem）无线本地环路无线城域网,4.5.1802.11vs.802.16,802.11的设计目标是移动以太网，802.16的设计目标是固定位置的无线设备。802.16针对建筑物提供服务，不涉及频繁移动的问题；而802.11针对移动用户提供服务，需要解决移动性问题。建筑物中通常有多台电脑存在，802.16可以使用全双工模式，而802.11却避免使用这种模式以降低无线电的开销。802.16覆盖范围远大于802.11。802.16需要更多的带宽，为更多的用户提供服务，工作在更高的1066GHz。相对于室内，毫米波传输差错更频繁毫米波可以被聚焦到定向波束中，而802.11是全向的。,802.16无线城域网服务范围的示意图,4.5.2802.16协议栈,物理层与物理介质相关的子层传输汇聚子层：将不同的物理传输技术与数据链路层隔开,数据链路层安全子层：处理私密性和安全性MAC子层公共部分：信道管理，基站控制整个系统，调度下行（从基站到用户）信道，并且管理上行（用户到基站）信道QoS保证：完全面向连接的子层，每个连接所需要的QoS参数在连接建立时就决定与服务相关的会聚子层：为网络层提供一个一致的接口,4.5.3802.16物理层,802.16工作频段特性范围1066GHz，毫米波，按直线传播基站可以有多个天线，指向周边不同的扇形区域，每个扇区有它自己的用户，与相邻扇区保持相对独立,毫米波段信号强度随着与基站距离的增加而急剧衰减，信噪比也会随着与基站的距离增加而下降，25MHz距离较近的用户，使用QAM64，6位/波特，150Mbps中等距离的用户，使用QAM16，4位/波特，100Mbps远距离用户，使用QPSK，2位/波特，50Mbps,信道安排(TDD的情况)上下行信道流量不对称下行：只有基站用户，没有竞争，使用TDM（TimeDivisionMultiplexing，时分复用）上行：用户基站，多个用户会产生竞争，使用TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）基站周期性的向外发送帧，每一帧包含若干时隙，前面的时隙用于下行流量，中间间隔保护时间，各站利用这段时间切换转换方向，后面的时隙用于上行流量。各个方向上的流量分配关系可以动态改变,4.5.4802.16MAC子层协议,安全子层MAC子层公共部分MAC帧占用整数倍物理层时隙MAC帧由若干子帧组成，其中前两个子帧分别是下行流和上行流的映射图。基站对信道的管理方法两种带宽分配方式按站分配按连接分配,802.16MAC子层协议,802.16提供以下四类服务（全部为面向连接的）恒定速率的服务，目标是传输未经压缩的语音信号；通过分配周期性的时隙实现。可变速率的实时服务，目标是传输压缩的多媒体或一些软的实时应用，基站每隔固定的时间就选出一个用户询问其时隙需求。可变速率的非实时服务，目标是非实时的繁重的传输任务，基站经常性的选出用户询问其带宽（时隙）需求尽力投递服务，其它应用；通过竞争时隙向基站请求带宽。,4.5.5802.16帧结构,通用帧EC：净荷域是否经过加密Type：帧类型，是否存在包装和分段CI：是否有校验和EK：使用了哪一个加密密钥Length：帧总长度ConnectionID：属于哪一个连接的帧HeaderCRC：对头部的校验带宽请求帧,4.6蓝牙技术,历史1994，Ericsson和IBM，Intel，Nokia，Toshiba的SIG：将计算和通信设备或附加部件通过短距离、低功耗、低成本的无线电波相互连接起来，这个项目被称为蓝牙（bluetooth）1999年发布规范1.0IEEE的802.15：PAN（PeripheralAreaNetwork，周边区域网络）标准，以蓝牙为基础，只规定了物理层和数据链路层（而蓝牙规范却针对整个系统，从物理层到应用层都有规范）2002年IEEE批准了第一个802.15.1,4.6.1蓝牙体系结构,蓝牙系统的基本单元是微微网（piconet）一个piconet包含一个主节点，以及10m范围内的最多7个活动从节点多个piconet可以通过桥节点连接，一组互连的piconet形成一个scatternet（分散网）,4.6.2蓝牙应用,蓝牙规范规定了从物理层到应用层的内容规定了13种专门应用，每种应用提供不同的协议栈应用轮廓（profile）,一般的访问：主从节点之间建立和维护安全的链路（是其它应用赖以存在的基础，必选）服务发现轮廓：可以发现其它设备提供哪些服务（必选）串行端口轮廓：模拟串行线一般的对象交换轮廓：为数据移动定义了客户-服务器关系LAN访问轮廓：使得蓝牙设备可以接入局域网拨号联网轮廓：笔记本电脑可以连接到移动电话传真轮廓：无线传真机利用移动电话收发传真无绳电话轮廓：无绳电话的手持机和基站连接内部通信联络系统：使得两部电话象步话机一样头戴通话轮廓：头戴设备和基站之间提供免提话音通信的能力对象推送：提供一种交换简单对象的方法文件传送：提供更为通用的文件传送设施同步：允许PDA和另外的计算机之间进行数据同步,4.6.3蓝牙协议栈,物理无线电层：无线电传送和调制基带层：节点如何控制时隙，如何成帧链路管理器：负责在设备之间建立逻辑信道逻辑链路控制适应协议L2CAP：为上层屏蔽传输细节中间层件其它LLCRFcomm：模拟PC上连接键盘、鼠标及其他设备的标准串口通信电话：用于三种面向语音的轮廓，呼叫建立和终止服务发现：找到网络内的服务应用和轮廓,4.6.4蓝牙无线电层,低功耗系统，工作范围10m运行在2.4GHzISM频段，该频段分为79个1MHz信道采用频移调制方案，每Hz1位，总速率1Mbps跳频扩频技术，每秒1600跳，停延时间625us主节点规定跳频序列，其它所有节点同步跳频和802.11工作在同一频段，相互间存在干扰,4.6.5蓝牙基带层,基带层将原始位流转变成帧，并定义关键的格式主/从式设计，piconet是一个中心化的TDM系统，主节点控制时钟，决定每个时隙内哪个节点可以进行通信所有的通信都是在主节点和从节点之间进行，从节点和从节点之间不能进行直接通信主节点定义一个时隙序列，每个时隙625us（1us1位），主节点使用偶数时隙，从节点共享奇数时隙，帧长可以为1，3，5个时隙跳频过程中，每一跳都有250260us的停顿时间，625位中剩下366位，出去126位的访问码和头部，剩余240位数据5个时隙可以被串在一起使用，只需一个停顿时间，从而提高利用率每帧都是在位于主节点和从节点之间的逻辑信道（link）上传输异步无连接链路（AsynchronousConnec