第十讲 数据链路层之三：媒体访问控制和802.3ppt课件

1、媒体访问控制协议：媒体访问控制协议：为每个连接分配一个为每个连接分配一个专用规定的传输容量专用规定的传输容量。动态分配每个连接的动态分配每个连接的传输量，或多或少地传输量，或多或少地响应即时需要。响应即时需要。异步异步一、媒体访问控制一、媒体访问控制1. 概述概述 访问控制技术访问控制技术将传输媒体的带宽有效地分配给将传输媒体的带宽有效地分配给网上各站点用户的方法。网上各站点用户的方法。同步同步指定某个控制器拥指定某个控制器拥有控制网络访问的有控制网络访问的权利。权利。集中方式集中方式由各个站共同完成媒由各个站共同完成媒体访问控制功能，动体访问控制功能，动态地确定站的发送顺态地确定站的发送顺序

2、。序。 能提供优先权等其他功能能提供优先权等其他功能 每个站的逻辑相对简单每个站的逻辑相对简单 避免协调问题避免协调问题 访问控制方式访问控制方式分布方式分布方式 单点故障会影响全网单点故障会影响全网 易形成瓶颈易形成瓶颈 降低效率降低效率 增加传播延迟增加传播延迟2. ALOHA协议协议用户节点通过一公用频带采用随机方式与中心节点相连；用户节点通过一公用频带采用随机方式与中心节点相连；中心节点则用另一专用频带采用广播方式向用户节点传播信息；中心节点则用另一专用频带采用广播方式向用户节点传播信息；多个用户以某多个用户以某种可能导致冲种可能导致冲突的方式共享突的方式共享公用信道的系公用信道的系统

3、。统。竞争系统竞争系统 纯纯ALOHA“不按时间片不按时间片- 不监听不监听-随机重发随机重发”timeABCD访问方式：访问方式：“发送发送冲突冲突再发送再发送”t0t0+tt0+2tt0+3ttime与阴影帧的头部冲突 与阴影帧的尾部冲突 t冲突危险区冲突危险区信道效率：所有发送帧中有多少可避开碰撞而正确到达。信道效率：所有发送帧中有多少可避开碰撞而正确到达。帧时：发送一个标准长度的帧所需时间。帧时：发送一个标准长度的帧所需时间。每帧时内产生每帧时内产生K次传输次传输(包括新帧和重传帧包括新帧和重传帧)的概率也的概率也服从泊松分布，平均值为服从泊松分布，平均值为G帧帧/帧时。显然帧时。显然

4、GS。if S1， then用户产生帧的速度用户产生帧的速度信道的处理能力信道的处理能力性能性能轻负载下，冲突较少，故重传很少，轻负载下，冲突较少，故重传很少，G S重负载下，冲突较多，故重传亦多，重负载下，冲突较多，故重传亦多，G S假设：有无限多个用户按泊松分布产生新帧，平均假设：有无限多个用户按泊松分布产生新帧，平均S帧帧/帧时。帧时。故故 0S1假设：假设：在一帧时内产生在一帧时内产生K帧的概率：帧的概率：PrK = GK*e-G/K! 在一帧时内产生在一帧时内产生0帧的概率：帧的概率：Pr0 = e-G 在二帧时内产生在二帧时内产生K帧的概率：帧的概率：PrK = (2G)K*e-2

5、G/K! 在二帧时内产生在二帧时内产生0帧的概率：帧的概率：Pr0 = e-2G 设：成功发送的概论为设：成功发送的概论为P0，则吞吐率，则吞吐率S S = G P0S = G P0 = Ge-2G 能够期待的信道利用率最多为能够期待的信道利用率最多为18% Smax = 0.5e-2*0.5 = 1/(2e) 0.184各用户节点只能在下一时间片的起始时刻开始发送信息。各用户节点只能在下一时间片的起始时刻开始发送信息。关键：所有用户必须同步。关键：所有用户必须同步。P0 = e-G 分槽分槽ALOHA时间片长度时间片长度1帧时帧时性能性能Smax = 1/e 0.368 S = G P0 =

6、 Ge-G 能够期待的信道利用率最多为能够期待的信道利用率最多为36%分槽分槽ALOHA的最大吞吐率是纯的最大吞吐率是纯ALOHA最大吞吐率的两倍最大吞吐率的两倍3. 载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议LAN的一个主要特性：站间传播延迟的一个主要特性：站间传播延迟 帧的传输时间帧的传输时间载波侦听协议：载波侦听协议：想要传输的站点首先听一听媒体上是否有其想要传输的站点首先听一听媒体上是否有其他站点在传输他站点在传输(载波监听载波监听)； if 媒体忙，媒体忙，then 必须等待；必须等待；else 传输。传输。影响协议性能的因素：帧的长度和传播延迟影响协议性能的因素：帧的长度和传播延迟载

7、波侦听协议基本思想：载波侦听协议基本思想： “讲前先听讲前先听”网络站点监听载波是否存在网络站点监听载波是否存在(即有无传输即有无传输)并并随之采取相应的行动。随之采取相应的行动。 1-坚持坚持CSMA冲突性大冲突性大(1)若媒体空闲，传输；否则转若媒体空闲，传输；否则转(2)(2)若媒体忙，一直监听直到空闲马上传输若媒体忙，一直监听直到空闲马上传输(3)若发生冲突，等待一个随机长的时间若发生冲突，等待一个随机长的时间 非坚持非坚持CSMA容量可能被浪费容量可能被浪费(1)若媒体空闲，则传输；否则转若媒体空闲，则传输；否则转(2)(2)若媒体忙，不再监听信道，等待一若媒体忙，不再监听信道，等待

8、一个随机时间个随机时间 P坚持坚持CSMA(1)若媒体空闲，则以概率若媒体空闲，则以概率P传输，传输， 以概率以概率(1-P)把此次传输推迟一个时间槽把此次传输推迟一个时间槽(2)若媒体忙，等待一个时间槽，转若媒体忙，等待一个时间槽，转(1)(3)若传输被延迟了一个时间槽，转若传输被延迟了一个时间槽，转(1)适用：分时间槽的信道适用：分时间槽的信道用户就绪用户就绪?信道忙信道忙?等到下一等到下一个时间槽个时间槽发送帧发送帧等待一个时间槽等待一个时间槽信道忙信道忙?胜利胜利?等待一段随机时间等待一段随机时间NYY概率概率P概率概率1-PNNYY入口入口浪费容量。一旦有两个帧发生冲突，这两个帧已浪

9、费容量。一旦有两个帧发生冲突，这两个帧已受损，要重发。帧越长，浪费的容量越大。受损，要重发。帧越长，浪费的容量越大。 “讲前先听讲前先听”、“边讲边听边讲边听”传输站点按如下规则：监听信道传输站点按如下规则：监听信道 带冲突检测的带冲突检测的CSMA(1)若媒体空闲，则传输；否则若媒体空闲，则传输；否则(2)(2)若媒体忙，一直监听直到信道空闲，马上传输；若媒体忙，一直监听直到信道空闲，马上传输；(3)若检测到冲突，立即停止传输；若检测到冲突，立即停止传输； 等待一个随机时间，转等待一个随机时间，转(1)Frame Frame Frame Frame 传输周期传输周期竞争周期竞争周期t0t1空

10、闲周期空闲周期CSMA/CD的三种状态：竞争、传输、空闲的三种状态：竞争、传输、空闲空闲期：所有站都处于静止时空闲期：所有站都处于静止时(无帧发送无帧发送)竞争周期：检测到帧冲突的最短时间竞争周期：检测到帧冲突的最短时间传输周期传输周期传输周期传输周期传输周期传输周期等等2长的时间未听到冲突，才能确信抓住了电缆长的时间未听到冲突，才能确信抓住了电缆.t0设设A到到B的传播时延为的传播时延为ABABABt0+t0+24.无冲突的协议无冲突的协议假设：有假设：有N个站，每个站有唯一的地址，从个站，每个站有唯一的地址，从0N1。每个竞争周期恰好由每个竞争周期恰好由N个时槽构成。个时槽构成。11111

11、10 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 71 3 71 58 竞争槽竞争槽传输帧传输帧2time 基本位图法基本位图法(basic bit-map method)8 竞争槽竞争槽8 竞争槽竞争槽传输帧传输帧预约协议：在实际传输之前先广播传输需求的协议。预约协议：在实际传输之前先广播传输需求的协议。假设数据帧由假设数据帧由d个时间单位组成。个时间单位组成。所有站的平均等待时间所有站的平均等待时间 = (1.5N + 0.5N)/2 = N个位槽个位槽低负载情况下低负载情况下小序号站点按平均计算要等待小序号站点按平均计算要等待N/2+N1.5N槽；

12、槽；大序号站点一般只需等约大序号站点一般只需等约N/2个位槽；个位槽；N位竞争分配给位竞争分配给N帧数据，每帧的额外开销仅一位。帧数据，每帧的额外开销仅一位。 效率效率Ud/(N+d)重负载情况下重负载情况下 效率效率U d/(d+1)想使用信道的站广播其地址想使用信道的站广播其地址(二进制位串二进制位串)，次序从高到低；，次序从高到低；0 0 1 00 1 0 01 0 0 11 0 1 0站站A站站B站站C站站D0 0 1 0 0 1 0 1 01 0 1 00 1 2 3Bit time结果结果t1：A,B看到高位为看到高位为1，停止广播。，停止广播。t3：C看到高位为看到高位为1，停止

13、广播。停止广播。 二进倒数法二进倒数法(Binary Countdown)仲裁规则：仲裁规则：一旦站看到其地址为一旦站看到其地址为0的高位被的高位被1覆盖就放弃广播。覆盖就放弃广播。效率效率dd+lnN IEEE802.2：逻辑链路控制：逻辑链路控制 IEEE802.3：CSMA/CD访问方法和物理层技术规范访问方法和物理层技术规范 IEEE802.4：令牌总线访问方法和物理层技术规范：令牌总线访问方法和物理层技术规范 IEEE802.5：令牌环访问方法和物理层技术规范：令牌环访问方法和物理层技术规范 IEEE802.6：城域网访问方法和物理层技术规范：城域网访问方法和物理层技术规范 IEEE

14、802.7：宽带网络：宽带网络(广域技术建议组广域技术建议组BBTAG) IEEE802.8：光纤分布式数据接口：光纤分布式数据接口(FDDI) IEEE802.9：综合业务局域网接口：综合业务局域网接口5. 常用的协议标准常用的协议标准IEEE802.1AIEEE802.1BIEEE802.1D IEEE802.1：高层接口：高层接口综述、体系结综述、体系结构及高层接口构及高层接口以太网桥以太网桥寻址、网络互寻址、网络互连及网络管理连及网络管理802.1B 网络互连网络互连802.2 逻辑链路控制逻辑链路控制802.1B 802.1A 802.3LLCMACPHY802.4802.5802.

15、6FDDI令令牌牌总总线线令令牌牌环环双双队队列列双双总总线线冲冲突突检检测测载载波波监监听听光光纤纤分分布布数数据据接接口口网网络络互互连连体体系系结结构构1.IEEE802.3标准的范围标准的范围Upper layerLLCMACPLSMAUAUI MAC服务规范服务规范 MAC协议协议 与媒体无关的物理规范与媒体无关的物理规范 与媒体相关的物理规范与媒体相关的物理规范二、二、 IEEE802.3CSMA/CD协议协议MAC层与层与物理物理层的层的界面界面与媒体的接与媒体的接口；口；媒体间交换媒体间交换的信号形式；的信号形式；802.3采用采用1-坚持的坚持的CSMA/CD。发送站监听媒体

16、：发送站监听媒体： 媒体访问规则媒体访问规则2.IEEE802.3媒体访问控制媒体访问控制(1)如果媒体空闲，则传输；否则，转如果媒体空闲，则传输；否则，转(2)(2)如果媒体忙，继续监听，直到媒体空如果媒体忙，继续监听，直到媒体空闲马上传输；闲马上传输；(3)如果在传输期间检测到冲突，发送一如果在传输期间检测到冲突，发送一简短的简短的JAM信号信号(4)发出发出JAM信号后，等待一随机时间；信号后，等待一随机时间； 从从(1)开场。开场。立即停止发送帧的其余内容，并发阻塞信号立即停止发送帧的其余内容，并发阻塞信号JAM；按一定的后退算法计算重发时间延迟；按一定的后退算法计算重发时间延迟； 若

17、重发若重发16次仍不成功，则放弃；次仍不成功，则放弃；发送帧时监听是否发生冲突的那段时间。发送帧时监听是否发生冲突的那段时间。 冲突窗口冲突窗口 冲突处理冲突处理2(+ tCD + tJAM )2 ：最远节点之间的往返传播时间：最远节点之间的往返传播时间 tCD：冲突检测所需的时间：冲突检测所需的时间tJAM：阻塞信号：阻塞信号JAM的传送时间的传送时间JAM信号信号(“冲突加强信号冲突加强信号)：46字节字节例例1.802.3的操作时序图的操作时序图ABCDt0t1t2t3A发送发送B、C准备准备B监听到监听到信道忙；信道忙；C发送发送C测到冲突，测到冲突，停止发送；停止发送；发发JAM信号

18、信号A测到冲突；测到冲突；ABCDABCDABCD最大帧长最大帧长1518字节字节8位；位；信道的数据传输率信道的数据传输率10Mbps任意两个收发器的最大距离任意两个收发器的最大距离1500m电信号在同轴电缆中的传播速率电信号在同轴电缆中的传播速率0.77C例例2.计算论证计算论证CSMA/CD的信道利用率高于的信道利用率高于CSMA那么那么 一个帧所对应的时间宽度一个帧所对应的时间宽度：假设：假设： 即即2T2/T = 13*10-3/1.2 0.01最大端最大端-端的往返传播延迟与帧对应的时间宽度之比：端的往返传播延迟与帧对应的时间宽度之比： 2 = 1500*2/0.77C 13us最

19、大端最大端-端的往返传播延迟：端的往返传播延迟：T = 1518*8/(10*106) 1.2ms基带系统：标准规定如果收发器收到的信基带系统：标准规定如果收发器收到的信号强度高于收发器能发出的最大值，即可号强度高于收发器能发出的最大值，即可断定发生了冲突。断定发生了冲突。3.基带基带CSMA/CD和宽带和宽带CSMA/CD 实施载波监听的方式不同实施载波监听的方式不同基带系统：数字信号；基带系统：数字信号；宽带系统：载波宽带系统：载波 冲突检测不同冲突检测不同宽带系统：将发送和接收数据进行位对位的比宽带系统：将发送和接收数据进行位对位的比较；在有源头端进行碰撞检测较；在有源头端进行碰撞检测例

20、例3.星型结构的双绞线系统星型结构的双绞线系统Pa(a)A发送发送PaPaPaPaPaPaPaPaPa：A站的站的PDU冲突检测方案：检测基于冲突检测方案：检测基于逻辑而非监听电压大小。逻辑而非监听电压大小。DCBAEPaCPCPCPCPCPCPCPCPDCBAE(b)A、B发送发送Pa：A站的站的PDUPb：B站的站的PDUCP：collision presencePbt0ABABABt0+t0+2基带冲突检测基带冲突检测 冲突检测时间不同冲突检测时间不同冲突检测的最大时间：冲突检测的最大时间：2两个相距最远的站点之间传播延迟为两个相距最远的站点之间传播延迟为宽带冲突检测宽带冲突检测t0t0

21、+2t0+4冲突检测的最大时间：冲突检测的最大时间：4AAABBBCSMA/CD总线网络的关键问题：冲突控制或冲突分解问题。总线网络的关键问题：冲突控制或冲突分解问题。平均等待延迟为：平均等待延迟为： MBEN = 2i-1(2)4.后退算法后退算法 二进制指数后退算法二进制指数后退算法BEB(Binary Exponential Back off)平均重发延迟为：平均重发延迟为： MBEN = 2i-1(2)主要问题：重发延迟将随冲突次数的增加而急剧增大。主要问题：重发延迟将随冲突次数的增加而急剧增大。i为帧的冲突次数；为帧的冲突次数；2为冲突窗口为冲突窗口 截断二进制指数后退算法截断二进制

22、指数后退算法(Truncated BEB)i = min(n,10) n为实际冲突次数为实际冲突次数 多项式后退算法多项式后退算法PB(Polynomial Back off)平均重发延迟：平均重发延迟： MLIB = 2 + b(i-1)b的取值的取值a7ak的取值的取值03 a = /T 平均重发延迟为：平均重发延迟为： MPB = 2 + b(i-1)k 为一对最为一对最远站点间远站点间的端的端-端传端传播延迟播延迟T为一帧的为一帧的传输时间传输时间 线性增值后退算法线性增值后退算法LIB(Linear Incremented Back off)b=3a时，系统传输延迟最小时，系统传输延

23、迟最小i5时，时，LIB与与BEB性能相仿性能相仿i5时，时，LIB明显优于明显优于BEB平均重发延迟：平均重发延迟： MFMB = C系统启动时为系统启动时为CSMA/CD模模式，若发生冲突，则立即夭式，若发生冲突，则立即夭折其发送，并发出折其发送，并发出 一个启动一个启动顺序后退信号，使所有节点顺序后退信号，使所有节点转入顺序后退转入顺序后退(OB)方式；方式； 固定平均后退算法固定平均后退算法FMB(Fixed Mean Back off)C为常数为常数当当C50时算法时算法具有最佳性能具有最佳性能 顺序后退算法顺序后退算法OB(Orderly Back off)在重负荷下，在重负荷下，

24、OB接近于理想的接近于理想的M/M/I排队系统。排队系统。在在OB模式中，各节点按照模式中，各节点按照一定的预约顺序进行发送一定的预约顺序进行发送，待最后一个节点发送完，待最后一个节点发送完毕后，系统将返回毕后，系统将返回CSMA/CD模式。模式。系统完成一个周期两种模式的操作过程。系统完成一个周期两种模式的操作过程。 IEEE802.3 MAC帧结构帧结构DSAPSSAPControl Information1 1 12 N BPreambleSFDDASALengthLLCPADFCS7 1 26 26 2 01500 046 4 B FCS的作用范围的作用范围5.MAC帧结构帧结构“10

25、101010”接收器接收器用来建用来建立位同立位同步步“10101011”标示一个标示一个有效帧的有效帧的开始开始帧校验帧校验序列序列G(x) = x32+x26+x23+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1标识标识LLC数数据的字节数据的字节数 *留意：帧长不包含帧头留意：帧长不包含帧头(即即Preamble & SFD)满足最满足最小帧长小帧长要求要求 DA 目的地址目的地址16b48bI/GI/G U/L15b46bI/G ：地址类型标志：地址类型标志0 单地址单地址1 组地址组地址U/L：管理权限位：管理权限位0：全局管理：全局管理1：局部管理：

26、局部管理 SA 源地址源地址 与与DA长度相同，一般只能是单地址。长度相同，一般只能是单地址。 以太网以太网2.0版本帧结构版本帧结构DSAPSSAPControl Information1 1 12 N BPreambleDASATypeLLCFCS8 6 6 2 461500 4 最小帧长最小帧长 = 64个字节；最大帧长个字节；最大帧长 = 1518个字节；个字节；为了识别有效帧为了识别有效帧满足冲突检测的时间满足冲突检测的时间6.MAC服务服务 MA_UNITDATA_STATUS.indication(send_status) CSMA/CD MAC服务原语与参数服务原语与参数 MA

27、_UNITDATA.request(DA, m-sdu, service_type)MA_UNITDATA.indication(DA, SA, m-sdu, receive_status) 接收接收OK 长度差错长度差错 帧校验差错帧校验差错 同步差错同步差错 发送发送OK 过多的碰撞差错过多的碰撞差错 802.3 MAC子层功能及流程子层功能及流程数据封装数据封装(发送和接收发送和接收) 802.3标准提供了标准提供了MAC子层的两个主要功能：子层的两个主要功能： 媒体分配媒体分配(避免冲突避免冲突) 解决争用解决争用(处理冲突处理冲突) 成帧成帧 编址编址 差错检测差错检测媒体访问管理媒体访问管理发送数据封装发送数据封装接收数据拆封接收数据拆封发送媒体发送媒体访问管理访问管理接收媒体接收媒体访问管理访问管理发送数据编码发送数据编码接收数据解码接收数据解码LLC子层子层物理层信令物理层信令(PLS)面向面向LLC子层子层面向面向PHL层层 成帧成帧 需要时填需要时填PAD 加地址、长度及校验和加地址、长度及校验和 下交该帧下交该帧 在媒体空时发送帧在媒体空时发送帧 处理冲突处理冲突发送数据封装发送数据封装发送媒体访问管理发送媒体访问管理接收媒体访