第5讲 介质访问控制与局域网技术Li-1

1、.,第五讲介质访问控制与局域网技术 李敏 ,.,第5讲 介质访问控制与局域网技术,局域网的特点 局域网体系结构 多路访问协议 IEEE802.3标准及以太网 IEEE802.5标准令牌环 IEEE802.4标准令牌总线 三种局域网的比较 IEEE802.6标准 -DQDB 光纤分布数据接口FDDI 高速局域网技术；虚拟局域网VLAN；无线局域网技术,.,局域网的特点,特点： 地理分布范围较小； 误码率低，一般在10-11-10-8以下； 以PC机为主体，数据传输速率高，一般为0.1-100Mbps。 类别： 普遍应用的局部区域网LAN 采用电路交换技术的局域网，称计算机交换机CBX（Compu

2、ter Branch eXchange）或专门小交换机 PBX（Private Branch eXchange） 新发展的高速局域网HSLN (High Speed Local Network） 常用的拓扑结构：总线型、环型、星型,.,IEEE/LAN参考模型,.,局域网体系结构,物理层负责体现机械、电气和过程方面的特性，完成建立、维持和拆除物理链路的功能，它提供在物理层实体间发送和接收比特的能力。 介质访问控制子层MAC（Media Access Control）数据的封装与解封，包括组帧、寻址和错误检测；介质访问管理，包括介质分配和冲突解决 逻辑链路控制子层LLC（Logical Link

3、 Control）向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口，主要执行OSI 基本数据链路协议的大部分功能和网络层的部分功能，如帧的收发、差错控制、流量控制、帧同步. IEEE的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI接受为美国国家标准，被ISO作为国际标准（称为ISO8802标准，现在IEEE802.1IEEE802.6已成为ISO8802.18802.6）。,.,MAC子层功能信道分配,MAC（Media Access Control，介质访问控制）是一种控制使用通信介质的机制，它是数据链路层协议的一部分。下图是MAC子层功能结构图。,.,介质访

4、问子层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配一个单独的广播信道。 1、静态分配(频分多路复用)：只要一个用户得到了信道就不会和别的用户冲突。(用户数据流量具有突发性和间歇性，1000：1) 2、动态分配：称为多路访问（Multiple Access）或多点接入，指多个用户共用一条线路，而信道并非是在用户通信时固定分配给用户，这样的系统又称为竞争系统。动态分配方法又可以分为：随机访问，典型ALOHA协议、CSMA协议 ；受控访问，典型令牌网竞争系统和集中控制的多点线路轮询,.,5个关键假设,站模型：站独立，以恒定速率产生帧，每个站只有一个程序，一旦一帧被生成，则该站被阻塞，直到该帧被成功地发送出

5、去为止； 单信道假设：对于所有的通信都只有一个信道可以使用； 冲突假设：两个帧同时传送，就会冲突，所有站点能检测到，冲突帧需重发 发送时间：连续任意时刻可发送；分槽时间 载波检测：有载波检测；无载波检测 LAN 无线网络,.,ALOHA协议,纯ALOHA协议：用户有数据要发送时，可以直接发至信道，若在规定时间内收到应答，表示发送成功，否则重发。重发策略：发送数据后侦听信道是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发，直到发送成功为止，如下图所示。,.,ALOHA信道的效率怎么样？ 帧时：传输一个标准的、固定长度的帧所需要的时间。 如果从一帧被发送出去开始，在一个帧时内没有其他的帧被发送，

6、则这一帧不会遭到冲突,冲突窗口 2t,.,假设无穷多用户按照泊松分布产生新的帧，平均每个帧时产生N帧，如果N1，则这群用户生成帧的速度大于信道的处理速度，几乎每帧都要经受冲突，要求0=N, 也服从泊松分布。吞吐量S=GP0, P0是一帧没有遭到冲突的概率。 一个帧时中生成k帧的概率服从泊松分布 在冲突窗口内不存在其他流量的概率是P0=e-2G G=0.5时，S达到最大，为1/2e,ALOHA系统中吞吐率与帧流量之间的关系,.,分槽ALOHA协议： 把使用信道的时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间，每个站点只能在时间槽开始时才允许发送，其他过程与纯ALOHA协议相同。 冲突主要发生在

7、时间槽的起点，一旦发送成功就不会出现冲突，分槽ALOHA大幅度降低了冲突的可能性，信道利用率比纯ALOHA提高了约一倍。 冲突窗口t,.,载波侦听多路访问协议CSMA,载波侦听（Carrier Sense）：站点在发送帧之前，首先侦听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。三种方式： 1、坚持型CSMA （1-persistent CSMA） 2、非坚持型CSMA （nonpersistent CSMA） 3、p-坚持型CSMA （p-persistent CSMA）,.,（1）站点有数据发送，先侦听信道； （2）若站点发现信道空闲，则发送； （3）若信道忙，则继

8、续侦听直至发现信道空闲，然后完成发送； （4）若产生冲突，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程（回到（1）。 优点：减少了信道空闲时间， 缺点：增加了发生冲突的概率。广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。,1、坚持型CSMA（1-persistent CSMA）,.,（1）若站点有数据发送，先侦听信道； （2）若站点发现信道空闲，则发送； （3）若信道忙，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程（回到（1）； （4）若产生冲突，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程（回到（1）。 优点：减少了冲突的概率，信道效率比1-坚持CSMA高 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大。传输

9、延迟比1-坚持CSMA大。,2、非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）,.,（1）若站点有数据发送，先侦听信道； （2）若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p 延迟至下一个时间槽发送。若下一个时间槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时间槽被其他站点所占用 （3）若信道忙，则等待下一个时间槽，重新开始发送 （4）若产生冲突，等待一随机时间，重新开始发送 折中方案，既能像非坚持型CSMA那样减少冲突，又能像1-坚持型CSMA那样减少媒体空闲时间的，适用于分槽信道。,3. p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）,.,五种多路访问协议性能比较,

10、以上五种多路访问方法的信道利用率和载荷曲 线的比较见下图。,.,带冲突检测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD,检测冲突：边发边收,.,CSMA/CD工作状态包括三个周期：传输周期、竞争周期和空闲周期,.,一个站点确定发生冲突所花的时间到底为多少？2 最小帧长,.,思考： 考虑在一条1km长的电缆（无中继器）上建立一个1Gbps速度的CSMA/CD网络。信号在电缆中的速度为200000km/s。 请问最小的帧长度为多少？,.,无冲突的协议-基本的位图协议,预留协议，每个站的开销是一位，不可能扩展到包含上千个站的网络中。,.,无冲突的协议-二进制倒计数协议,.,有限竞争协议,K个站竞争信道的使用

11、权，每个时槽中传送概率是p.在一给定时间槽，某一个站点成功获得信道的概率kp(1-p)k-1 当p=1/k时，最佳,.,动态分配站点到各时隙的方法,当负载很低时，每个时槽有很多站点竞争 当负载重时，每个时槽只有很少的站，甚至只有一个站。 自适应树搜索协议,.,波分多路访问协议,利用FDM,TDM或者两者结合起来.将信道分为多个子信道,动态根据需要分配这些子信道.通常被用于光纤LAN,允许同一时刻,不同会话使用不同的波长. 全光学LAN 可使用一个无源的星型连接器,.,信道分配,每个站分配两个信道: 控制信道;数据信道 每个信道被分成时槽组 面向连接通信的基本思想: 若A要与B通信,A先要在B的

12、控制信道的一个空时隙中插入一个连接请求帧,若B接受,则在A的数据信道上进行通信. 每个站点有两个发送器和两个接收器 固定波长的接收器-监听自己的控制信道 可调波长接收器-选择监听一个数据发送器 固定波长发送器-发送数据帧 可调波长发送器-在其他站的控制信道上发送信息,.,全局同步的时钟用于同步所有的信道. 数据信道中有一个时槽用于报告状态,如两个信道中哪些时槽是空的. 0号时槽需要特殊的方法标记.,.,支持的三类通信流量,恒定速率,面向连接通信流量.如未压缩视频流 可变速率的面向连接的通信流.如文件传输 数据报流量 如UDP报文,.,A与B建立信道过程（文件传输）,A将数据接收器调节到B的数据

13、信道上,等待状态时槽,得到空的控制时槽. 选择一个空的控制时槽插入连接请求.B看到请求,分配空闲控制时槽，并通过数据信道的状态时槽宣布分配结果。 文件传输，A向B发送控制信息，告诉B在A的数据信道的哪个时槽有发送给B的数据帧。B就将调节器调到A的输出信道，以接收数据。 问题：若A和C与B都有连接，都突然告诉B去检查3号时槽的数据，B随机选一个，就会丢失另一个。 人们提出了很多的WDMA协议,.,无线LAN协议,笔记本计算机通过无线电波通信 无线LAN的常见配置，基站通过有线介质连接，基站和笔记本的传输功率被调节到大约3-4米， 每个蜂窝只有一个信道，带宽11-54Mbps,.,隐藏站问题,暴露

14、站问题,用CSMA存在的问题 冲突发生在接收方而不是发送方,A向B发送，C侦听不到，就会向B发数据,B向A发送，C能检测到，C不能向D发数据,.,MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）避免冲突的多路访问,基本思想：发送方刺激一下接收方，让它输出一个短帧。从而使接收方附近的站检测到该帧，在数据帧传输过程中不再发送数据。,.,RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send) 都包含了要发送的数据帧长度. C听到了RTS,但听不到CTS,可以发送数据 D没听到RTS,听到了CTS,E听到了RTS和CTS都不能发数据.

15、 冲突仍可能发生,如B和C可能同时给A发送RTS,冲突会丢失,失败采用二进制指数后退算法.,.,MACAW(MACA for Wireless) 是对MACA的改进: 在每个确认帧后面引入ACK帧; 在发送RTS前先用CSMA侦测有无其他站点在向同一目的站发送RTS; 为单个数据流运行退避算法,而非站点,提高公平性; 各站可交换有关拥塞信息的机制.,.,LLC的帧格式,基于HDLC协议，3种LLC协议都使用同样的PDU格式，包括4个字段，如下图所示：,（1）DSAP字段：目的地址，低位为0时为单地址；低位为1时为组地址；各位全为1时为广播地址。 （2）SSAP字段：源地址，命令帧时低位为0；

16、响应帧时低位为1。 （3）控制字段：与HDLC类似，包含了序列号和确认号。当要可靠连接时才用到。,.,LLC与MAC的接口,它们的数据间的关系见下图：,.,IEEE802.3标准及以太网,IEEE802.3标准是一个介质访问控制协议 以太网：802.3标准的一个具体产品；总线拓扑，CSMA/CD协议。优点传输速率高、网络软件丰富、安装连接简单、使用维护方便。目前已成为国际流行的局域网标准之一。 CSMA/CD 802.3网络 802.3的MAC帧 二进制指数后退算法,.,802.3网络,由IEEE定义的以太网标准有几个不同的变种。差别表现在：介质；网段的最大长度；网段上的站点数目；数据速率。,

17、.,.,10Base5：原始的以太网标准，使用AUI接口的50欧姆粗缆直径（10mm） ，总线拓扑结构。10代表10Mbps；Base代表基带传输（baseband medium）；5代表500米。 收发器用于检测线路冲突,发送强化干扰信号. 收发器电缆可达50米长. 10BASE2是为降低10Base5的安装成本和复杂性而设计的。使用BNC接口的50欧姆细缆（5mm） 数据速率为10Mbps。 由于两者数据传输率相同，10BASE2电缆段和10BASE5电缆段可以共存于一个网络中。,.,10BASE-T：1990年发布的以太网物理层标准，物理上的星形拓扑网，T表示采用双绞线。中央节点是一个集

18、线器，每个节点通过两对双绞线与集线器相连，一对线发送数据，另一对线接收数据。 集线器的作用类似于一个转发器，接收来自一条线上的信号并向其他的所有线转发。由于任意一个站点发出的信号都能被其他所有站点接收，若有两个站点同时要求传输，冲突就必然发生。所以尽管这种策略在物理上是一个星形结构，但从逻辑上看与CSMA/CD总线拓扑的功能是一样的。,.,10BASE-F:以光纤作为介质的系统的规范。每条传输线路均使用一条光纤，每条光纤采用曼切斯特编码传输一个方向上的信号。包含三个标准： 10BASE-FP（Passive，无源的） 10BASE-FL（Link， 链路） 10BASE-FB（Backbone

19、，主干）,.,10BROAD36: 针对宽带系统的规范，采用双电缆带宽或中分带宽的75欧姆CATV同轴电缆。 使用与10BASE5规定的相同AUI，数据速率10Mbps。10BROAD36结构中的MAU（收发器）完成下列功能： （1）往媒体发送信号； （2）自媒体接收信号； （3）识别媒体上是否存在信号； （4）识别碰撞。,.,802.3的MAC帧,802.3的MAC子层帧格式,DIX以太网的MAC帧格式,地址:最高位0-普通地址 1组播地址 次高位用于区分局部地址(管理员分配)还是全局地址(IEEE统一分配的) 全局地址可用46位,地址空间246.,10101010,.,类型网络层协议类型

20、数据域1-1500字节 填充域46字节 最小帧长限制.要求有效帧至少是64字节. 2500米,4个中继器的10M以太网, 往返时间50us. 500bit.64字节,.,采用曼彻斯特编码,.,二进制指数后退算法（binary exponential backoff）,IEEE 802.3使用截断的二进制指数退避算法，将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时间槽。 （1）发生第一次冲突后，各个站点等待 0或1个时间槽再开始重传； （2）发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0、1、2或3个时间槽再开始重传； （3）第 i 次冲突后，在 0至2i-1间随机地选择一个等待的时间槽数，再开始重

21、传； （4）10次冲突后，等待的时间槽数固定在0至210-1间； （5）16次冲突后，发送失败，报告上层。,.,交换式以太网,高速底板速度可以是几个Gbps 冲突域每块插卡;每个端口有缓存,独立冲突域,.,快速以太网,（1）1973-1982：以太网的产生与DIX联盟； （2）1982-1990：10Mbps以太网发展成熟； （3）1983-1997：LAN网桥接与交换； （4）1992-1997：快速以太网； （5）1996-2002：千兆以太网; （6）2002至今：万兆以太网;,.,100Base-T4: 4对3类双绞线, 2对可以切换传输方向25MHz. 三根线一个方向，三态信号，可以

22、有27种状态，每个周期可传输4位数据，达到100Mbps。反向信道33.3Mbps. 8B/6T(8位用6个三进制表示)。 100Base-TX:5类双绞线，125MHz,2对双绞线，一对到集线器，一对从集线器收。使用4B/5B编码。 100Base-FX:2根多模光纤，全双工，100Mbps。站与集线器的距离可达2公里。只能用交换机，因为对冲突算法而言光纤太长。,.,千兆以太网（gigabit Ethernet）,802.3z目标：提供无确认的数据报服务，支持单播，多播。使用已有的48位编址方式，同样的帧格式，帧的最大最小长度。 千兆以太网的配置 交换机全双工，不会冲突，电缆最大长度由信号强

23、度决定 集线器半双工，最大距离25米。 802.3z增加2个特性，加大此距离 载荷扩充（由硬件填充帧长到512字节） 帧串（多帧连接在一起传输出去，扩展到200米）,.,.,千兆以太网的电缆类型,要达到1Gbps左右的速率，使用激光，可用0.85um 1.3um波长。光纤直径可以是10,50,62.5um. 1.3um的激光作用在10um的光纤上才能达到5000m的距离。采用8B/10B编码方案，每个8位字节编成10位。 1000Base-T使用4对5类双绞线。5级电压值，每对双绞线2位，每个时钟周期8位，125MHz,可达1Gbp速率。 千兆以太网支持流控制：特殊控制帧，类型0 x8808,

24、数据域前两个字节给出命令，后续为参数，暂停多少个最小帧长时间（512ns）允许暂停的时间可以长达33.6ms。,.,万兆以太网（10 Gigabit Ethernet）,万兆以太网技术的研究始于1999年底，成立了IEEE802.3ae工作组 2000年方案成型并进行互操作性测试 2002年6月由IEEE正式发布了万兆以太网(1OGE)标准 产生的背景： 因带宽和传输距离，以太网作城域网不太合适。 城域网其他技术：FDDI和DQDB ，ATM技术成为热点，大家都认为ATM将成为统一局域网、城域网和广域网的唯一技术。 万兆以太网:仍使用IEEE802.3以太网MAC介质访问控制)协议和帧长度，但

25、在物理层实现方式、帧格式和MAC的工作速率及适配策略方面都做了改进,.,IEEE802.5标准令牌环,IBM选择Token Ring作为它的LAN技术，IEEE802.5标准定义了令牌环介质访问控制协议。环中各个站点是平等的，站点获得信道的时间有上限，令牌环可以避免冲突发生。 令牌环的结构 环长计算 令牌环的操作与维护 令牌环介质访问控制协议,.,令牌环的结构,由一系列环接口和这些接口间的点到点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上。环接口有两种操作模式：侦听模式和传输模式,.,环比特长度=传播时延数据传输速率接口延迟位数 环路介质长度/ 200（m/s） 例：某令牌环介质长度为10Km

26、，数据传输速率为4Mbps，环路上共有50个站点，每个站点的接口引入1位延迟，则可计算得： 环的比特长度=10（Km）/ 200（m/s） 4（Mbps）1（bit）50=500（bit）,环长计算,.,令牌环的操作与维护,令牌环的故障处理功能主要体现在对令牌和数据帧的维护上。 令牌丢失：令牌本身就是比特串，绕环传递过程中也可能受干扰而出错，以至造成环路上无令牌循环的差错。 数据帧无法撤消：当某站点发送数据帧后，由于故障而无法将所发的数据帧从网上撤消时，又会造成网上数据帧持续循环的差错。 主动令牌管理站：超时机制来检测令牌丢失，将数据帧上监控位置为1。,.,令牌环介质访问控制协议,1、IEEE

27、 802.5MAC 帧格式 IEEE 802.5令牌环的MAC帧有两种基本格式：令牌帧和数据帧，如下图所示。,.,（1）访问控制字段AC,（2）帧控制字段FC,（3）帧状态字段FS,.,IEEE 802.5的介质访问控制功能,（1）帧发送：采用沿环传递令牌的方法来实现对介质的访问控制，取得令牌的站点具有发送一个数据帧或一系列数据帧的机会。 （2）令牌发送：发送站完成数据帧发送后，等待数据帧的返回。在等待期间，继续发送填充字符。一旦源地址与本站相符的数据帧返回后，即发送令牌。令牌发送之后，该站仍保持在发送状态，直到该站点发送的所有数据帧从环路上撤消为止。 （3）帧接收：若接收到的帧为信息帧，则将

28、FC、DA、Data等字段复制到接收缓冲区中，并随后将其转至适当的子层。 （4）优先权操作：访问控制字段中的优先权和预约位配合工作，使环路服务优先权与环上准备发送的PDU最高优先级匹配。,.,IEEE802.4标准令牌总线,CSMA/CD介质访问控制采用总线争用方式，具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，但随着负载的增加，冲突概率增加，性能将明显下降。 Token ring介质访问控制具有重负载下利用率高、网络性能对距离不敏感以及具有公平访问等优越性能，但环形网结构复杂，存在可靠性等问题。 令牌总线介质访问控制综合了以上两种介质访问控制优点的基础上形成的一种介质访问控制方法，IEEE802.4

29、提出的就是令牌总线（Token Bus）介质访问控制方法的标准。,.,令牌总线工作原理,逻辑环：每一个站点都在一个有序的序列中被指定一个逻辑位置，序列中最后一个站点的后面又跟着第一个站点。每个站点都知道它的前趋站和后继站标识。,.,环初始化 令牌传递算法 站插队入环算法 站退出环算法 故障处理,令牌总线的主要操作：,.,IEEE 802.4MAC帧,IEEE 802.4标准规定了令牌总线介质访问控制（MAC）子层、物理层（PHY）所使用的格式和协议，以及连接令牌总线物理介质的方法。,.,三种局域网的比较,1. 802.3协议： 使用最为广泛；电缆是无源的，站点的接入与安装很方便；在低负载时网络

30、基本上没有时延。 缺点：发送时延的不确定性，对某些实时应用非常不利。在使用转发器的情况下，电缆的最大长度只有2.8km。电磁波在电缆线上的往返时间决定了争用期的长度，它和数据的发送速率无关，但这一点限制了数据的发送速率。当网络的负载很重时，由于冲突增多，网络的效率下降很多。,.,2. 802.4协议 使用高可靠的电视电缆。发送时延一般是确定的。802.4协议没有对数据帧的长度设置下限；可以设定优先级，有利于传送数字化的分组话音信号。令牌总线局域网在重载时的性能非常好，采用的是宽带电缆，可以支持多个信道，除了数据外，还可以传送话音和电视。 但是802.4协议使用了许多的模拟部件，包括调制解调器和

31、宽带放大器。该协议非常复杂，在负载很轻时也要等待令牌的到来，产生了不必要的发送时延。和总线局域网相似，令牌总线局域网也很难用光纤来实现。,.,3. 802.5协议 既可用双绞线连接，也较易用光纤来实现；可自动检测和排除电缆的故障；可设置优先级；允许发送很短的帧。重载时，效率和吞吐率都是很高的。 主要缺点是令牌的管理采用了集中管理方式。当管理令牌的站出现故障时，虽然按照协议可以再产生一个新的管理令牌的站，但还是会造成一些麻烦。在低负载时，发送数据的站由于要等待令牌，会产生附加的时延。,三种局域网的标准不兼容，差别很大。,.,IEEE802.6标准 -DQDB（分布式队列双总线 ）,两条平行的单向总线穿绕于整个城市，站点同时连接于两条总线之上。每条总线都有一个首端，它产生一个稳定的53字节的信元流。每个信元从首端沿总线往下传，当它到达终点时，就从总线中消失了，每个信元带有44字节的有效载荷。,.,光纤分布数据接口FDDI,以光纤作为传输介质，逻辑拓扑结构是一个环，物理拓扑结构可以是环形带树形或者是带星形的环。数据传输速率可达100Mbps，覆盖的范围