2020年秋季学期计算机网络课件access

1、计计 算算 机机 网网 络络第六讲第六讲刘威第第2章章 开始连接开始连接 问题：连接到网络问题：连接到网络 2.5 可靠传输可靠传输 2.6 以太网和多路访问网络以太网和多路访问网络 多路访问网络概述多路访问网络概述 802.x标准背景介绍标准背景介绍 2.6.1 以太网物理特性以太网物理特性 2.6.2 以太网访问协议以太网访问协议 2.7 无线无线 2.8 小结小结802.x 标准背景介绍标准背景介绍IEEE,电气和电子工程师学会电气和电子工程师学会(IEEE, I-Triple-E) IEEE 802 标准委员会标准委员会 成立于成立于Aug., 1979, 起初主要集中与局域网标准研究

2、起初主要集中与局域网标准研究, 目前已扩展到目前已扩展到LAN/MAN领域领域802.x 标准背景介绍标准背景介绍 1980s, IEEE 802成立了多个不同的工作组分别研究不同的局成立了多个不同的工作组分别研究不同的局域网技术域网技术: 802.3: 以太网以太网, DIX (DEC, Intel, Xerox) 802.4: 令牌总线网令牌总线网, GM 802.5: 令牌环形网令牌环形网, IBM IEEE 802将数据链路层功能划分为两个子层将数据链路层功能划分为两个子层 LLC (Logical Link Control, 逻辑链路控制逻辑链路控制) 子层子层 MAC (Media

3、 Access Control, 介质访问控制介质访问控制) 子层子层第第2章章 开始连接开始连接 问题：连接到网络问题：连接到网络 2.5 可靠传输可靠传输 2.6 以太网和多路访问网络以太网和多路访问网络 多路访问网络概述多路访问网络概述 2.6.1 以太网物理特性以太网物理特性 2.6.2 以太网访问协议以太网访问协议 2.7 无线无线 2.8 小结小结2.6.1 物理属性物理属性 Ether = ? 以太是希腊语，原意为上层的空气，指在天上的神所呼吸的空气以太是希腊语，原意为上层的空气，指在天上的神所呼吸的空气 物理：以太物理：以太 占据天体空间的物质。占据天体空间的物质。 Ether

4、 in EtherNet 用于描述共享媒质的某些共同特征用于描述共享媒质的某些共同特征1973 年Bob Metcalfe提出的Ethernet 的草案物理属性物理属性 早期早期Ethernet的设计采用总线拓扑结构的设计采用总线拓扑结构 电缆总长度不超过500米最多4个中继器覆盖范围不超过2500米一个以太网中最多容纳1024台主机实现MAC协议检测信道是否空闲, 收发信号物理属性物理属性 收发器和传输媒质收发器和传输媒质 10Base5 (粗缆粗缆) 10Base2 (细缆细缆) 10BaseT/100BaseT ( T:5类类双绞线双绞线)总线拓扑结构总线拓扑结构: T接头连接接头连接星

5、型拓扑结构星型拓扑结构: : 集线器连接集线器连接 现行的现行的Ethernet, 常采用星型拓扑结构常采用星型拓扑结构 总线型拓扑结构中总线型拓扑结构中: 所有节点在同一个冲突域内所有节点在同一个冲突域内, 相互之间相互之间可能产生冲突可能产生冲突 基于集线器基于集线器(Hub)连接的星型拓扑结构中，所有节点在一连接的星型拓扑结构中，所有节点在一个冲突域内，个冲突域内， 相互之间仍然可能产生冲突相互之间仍然可能产生冲突HubHub通过集线器和双绞线连接星型拓扑结构星型拓扑结构: : 集线器集线器/ /交换设备交换设备Ethernet Hub总线型细缆Ethernet基于集线器连接星型拓扑Et

6、hernet总线型细缆Ethernet基于集线器连接星型拓扑Ethernet以太网以太网 (10Base2, 10Base5)粗缆粗缆/细缆细缆 + T型连接头型连接头总线拓扑总线拓扑 Bus topology共享介质共享介质 Shared media, 共享共享10 Mbps以太网以太网 (10BaseT)双绞线双绞线 + 集线器集线器星型拓扑星型拓扑 Star topology采用集线器时，共享介质采用集线器时，共享介质 Shared media, 共享共享10Mbps第第2章章 开始连接开始连接 问题：连接到网络问题：连接到网络 2.5 可靠传输可靠传输 2.6 以太网和多路访问网络以太

7、网和多路访问网络 多路访问网络概述多路访问网络概述 2.6.1 以太网物理特性以太网物理特性 2.6.2 以太网访问协议以太网访问协议 2.7 无线无线 2.8 小结小结2.6.2 介质访问控制协议介质访问控制协议 帧定界帧定界 面向比特面向比特, 数据字段大小为数据字段大小为46 1500字节字节 前导码前导码: 同步同步, 7个连续的个连续的 10101010位串位串, 后续后续1个个 10101011位串位串 寻址寻址: 目的地址和源地址目的地址和源地址, 占占48 比特比特 差错检测差错检测 CRC: 接收方检测接收方检测 如果检测出错误如果检测出错误, , 丢弃数据帧丢弃数据帧Des

8、taddr644832CRCPreambleSrcaddrTypeBody1648帧定界和差错检测帧定界和差错检测: 介质访问控制协议介质访问控制协议 MAC地址，又称物理地址地址，又称物理地址 为每一个网络适配器分配一个全球唯一的为每一个网络适配器分配一个全球唯一的48比特单播地址比特单播地址 示例示例: 8:0:2B:E4:B1:2 广播广播: 全全1 多播多播: 第一个比特为第一个比特为 1 地址操作地址操作 网络适配器收到所有的数据帧网络适配器收到所有的数据帧, 但仅接收处理目的地址为本机地址的数据帧但仅接收处理目的地址为本机地址的数据帧: 目的地址为本机的单播地址目的地址为本机的单播

9、地址 广播地址广播地址 多播地址多播地址(要求支持多播要求支持多播)寻址寻址: CSMA/CD算法算法 带有冲突检测的载波监听多路访问控制带有冲突检测的载波监听多路访问控制 (CSMA/CD) 基本思路基本思路 先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发 载波监听载波监听 (1-persistant CSMA) 所有节点可以区分信道是否空闲所有节点可以区分信道是否空闲 发送前监听信道发送前监听信道, 且不影响现有通信且不影响现有通信 监测是否已有其他人正在发送数据监测是否已有其他人正在发送数据 等待直到对方发送完毕等待直到对方发送完毕 冲突检测冲突检测 (Co

10、llision Detection, CD) 节点可以检测数据帧发送过程是否发生冲突节点可以检测数据帧发送过程是否发生冲突 如果其他人同时开始发送如果其他人同时开始发送, 则停止发送行为则停止发送行为多路访问控制算法多路访问控制算法: CSMA/CD 冲突检测冲突检测Original CSMA CSMA/CD CSMA/CD 算法算法1. NIC 接收来自于网络层的数据接收来自于网络层的数据, 构造数据帧构造数据帧2. 监听信道监听信道(1-persistant CSMA)：如果发现信道空闲：如果发现信道空闲, 则开始发送数据帧则开始发送数据帧. 如果信如果信道忙道忙, 则等待直到信道空闲再发

11、送数据帧则等待直到信道空闲再发送数据帧3. 如果整个数据帧的发送过程未检测到其他数据发送过程如果整个数据帧的发送过程未检测到其他数据发送过程, 则完成数据帧的发送则完成数据帧的发送!4. 冲突检测冲突检测(Collision Detection)：如果在数据帧发送过程中监测到其他数据发送：如果在数据帧发送过程中监测到其他数据发送过程过程, 则退出并发送则退出并发送48bit拥塞信号通知所有其他节点冲突的发生拥塞信号通知所有其他节点冲突的发生5. 冲突恢复冲突恢复(Collision Recovery)：退出数据帧发送后：退出数据帧发送后, NIC执行执行二进制指数退避算二进制指数退避算法法:

12、发生第发生第m次冲突后次冲突后, NIC 从中从中0,1,2,2m-1随机选择随机选择K. NIC 等待等待K512比特时比特时延后延后, 重新执行第重新执行第2步步采用尝试重传来估计当前的负载采用尝试重传来估计当前的负载 第一次冲突第一次冲突: 从从0,1中选择中选择K; 等待时延为等待时延为K*512比特传输时延比特传输时延 第二次冲突第二次冲突:从从0,1,2,3中选择中选择K 第十次冲突第十次冲突:从从0,1,2,3,4,1023中选择中选择KCSMA/CD 冲突恢复冲突恢复STA1和STA3有一个数据帧待发送, STA2有两个待发送数据帧假设所有数据帧长度相同第一次冲突各站点的退避值

13、 : STA1 = 1; STA2 = 0; STA3=0第二次冲突各站点的退避值: STA1 = 1; STA2 = 0; STA3=2第三次冲突各站点的退避值: STA1 = 3; STA2 = 1; STA3=3观察退避窗口的大小 (CW)变化STA 1STA 2STA 3PreviousframeSTA2, 1st frameTime01 0001 02 1 01303CWSTA1= 2CWSTA2= 0CWSTA1= 8CWSTA3= 2CWSTA3= 4STA2, 2nd frameSTA3, 1st frame221 01 062 1504 3CWSTA1= 16CWSTA3=

14、162 1 0STA1, 1st frameCWSTA1= 4CWSTA3= 8Collision (aborttransmission)Jam signalKey:Backoff slotCWSTA2= 0CWSTA3= 0CWSTA2= 2CWSTA2= 4CWSTA2= 2STA 1STA 2STA 3PreviousframeSTA2, 1st frameTimeTime01 0001 02 1 01303CWSTA1= 2CWSTA2= 0CWSTA1= 8CWSTA3= 2CWSTA3= 4STA2, 2nd frameSTA3, 1st frame221 01 062 1504

15、3CWSTA1= 16CWSTA3= 162 1 0STA1, 1st frameCWSTA1= 4CWSTA3= 8Collision (aborttransmission)Jam signalKey:Backoff slotCollision (aborttransmission)Jam signalKey:Backoff slotCWSTA2= 0CWSTA3= 0CWSTA2= 2CWSTA2= 4CWSTA2= 2802.3 MAC 争用期争用期 与与 最小帧长最小帧长 802.3 MAC 的冲突检测的冲突检测 采用采用CSMA/CD的以太网处于半双工模式，边听边发的以太网处于半双工

16、模式，边听边发 约定一段固定的时间（争用期）内没有检测到冲突，后续发送就约定一段固定的时间（争用期）内没有检测到冲突，后续发送就不会发生冲突不会发生冲突l争用期争用期l根据介质传播特性，以端到端往返时延设置根据介质传播特性，以端到端往返时延设置“争用期争用期”( (或称冲突窗口、碰撞窗口或称冲突窗口、碰撞窗口) )l802.3 802.3 规定规定 51.2us51.2us争用期，争用期，10Mbps10Mbps以太网以太网可以发送可以发送512bit512bit，即，即64byte64bytel换而言之，如果发送冲突，就会在前换而言之，如果发送冲突，就会在前64B64B中中l最小帧长最小帧长

17、(64B)(64B)l站点收到小于最小帧长的视之为无效帧而丢弃；站点收到小于最小帧长的视之为无效帧而丢弃；待发送的有效数据帧必须大于最小帧长待发送的有效数据帧必须大于最小帧长Ethernet的实际应用的实际应用“占主导地位占主导地位”的的有线局域网技术有线局域网技术: NIC的价格的价格: $20 第一个广泛使用的局域网技术第一个广泛使用的局域网技术 通信带宽通信带宽: 10 Mbps 10 Gbps 实际规模实际规模 大部分以太网上连接的主机数比大部分以太网上连接的主机数比200少少, 远小于最大值远小于最大值 1024 大部分以太网的覆盖范围远小于大部分以太网的覆盖范围远小于2500米米,

18、 往返时延接近往返时延接近5 s 而不而不是是51.2 s.成功的原因成功的原因 首先首先, 以太网易于维护和管理以太网易于维护和管理, 易于新的节点加入易于新的节点加入. 其次其次, 成本低廉成本低廉: 电缆价格便宜电缆价格便宜, 已成为每台主机标配网络适配已成为每台主机标配网络适配器器第第2章章 开始连接开始连接 问题：连接到网络问题：连接到网络 2.5 可靠传输可靠传输 2.6 以太网和多路访问网络以太网和多路访问网络 2.7 无线无线 2.7.1 802.11/WiFi 2.7.2 802.15蓝牙蓝牙 2.7.3 蜂窝电话技术蜂窝电话技术 2.8 小结小结无线链路特性无线链路特性 无

19、线链路与有线链路的区别：无线链路与有线链路的区别： 信号强度递减信号强度递减: 电磁波在穿越物体时强度将减弱电磁波在穿越物体时强度将减弱 (路径损耗路径损耗) 存在来自于其他信号源的干扰存在来自于其他信号源的干扰: 其他设备（如手机）也使用其他设备（如手机）也使用同一个无线频段同一个无线频段(如如2.4 GHz)发送信号；环境中其他设备（如发送信号；环境中其他设备（如电动机）也能形成干扰电动机）也能形成干扰 多径传播多径传播: 电磁波的一部分受物体和地面反射，在不同的时电磁波的一部分受物体和地面反射，在不同的时间到达接收端间到达接收端 无线网络特性无线网络特性 隐藏终端问题隐藏终端问题ABCl

20、物理遮挡：lB, A能互相监测到对方lB, C能互相监测到对方lA, C之间不能互相监测到对方l这意味着A,C不确定它们的传输会不会在目的地B发生干扰ABCA的信号强度空间C的信号强度l信号衰减：lB, A能互相监测到对方lB, C能互相监测到对方lA, C不能监测到对方与自己的传输是否在目的地B形成干扰隐藏终端和暴露终端问题隐藏终端和暴露终端问题 C B A暴露发送终端：在发送节点范围内，暴露发送终端：在发送节点范围内，而在接收节点范围外的节点。而在接收节点范围外的节点。例如：A 和 D 无法监听到对方，互为暴露终端节点。B向A、C向D同时发送数据，这两个会话因为B和C相互干扰而不能并发通信

21、。 C B A D隐藏发送终端：在接收节点范围内，隐藏发送终端：在接收节点范围内，而在发送节点范围外的节点。而在发送节点范围外的节点。例如：A 和 C 无法监听到对方，互为隐藏终端节点。它们同时向B发送数据，在B处造成数据帧冲突CA: 冲突避免冲突避免, 而不是检测而不是检测 有线以太网的冲突检测有线以太网的冲突检测CSMA/CD 站点在传输过程中监听信道站点在传输过程中监听信道 如果存在其他站点发送数据则检测到冲突发生如果存在其他站点发送数据则检测到冲突发生 终止当前数据发送过程并尝试重传终止当前数据发送过程并尝试重传 CSMA/CD 在无线网络中的问题在无线网络中的问题 问题问题 #1:

22、无法检测所有的冲突无法检测所有的冲突 隐藏终端问题隐藏终端问题 信道衰落信道衰落 问题问题 #2: 难以同时收发难以同时收发 接收信号强度明显弱于发送信号强度接收信号强度明显弱于发送信号强度 硬件限制硬件限制 因此因此, 802.11 采用冲突避免机制采用冲突避免机制(Collision Avoidance), 而非冲而非冲突检测突检测(Collision Detection)基于基于RTS/CTSRTS/CTS的冲突避免的冲突避免 冲突避免冲突避免 Collision Avoidance 又称为虚拟载波侦听又称为虚拟载波侦听 Virtual Carrier Sense，即希望通过，即希望通过

23、信令协商达到实际载波侦听的效果信令协商达到实际载波侦听的效果 在发送数据帧之前交换控制信息在发送数据帧之前交换控制信息 发送方发送方 询问询问 “Request-to-Send” (RTS), 包括数据帧长度包括数据帧长度 接收方接收方 响应响应 “Clear-to-Send” (CTS) 如果发送方收到如果发送方收到 CTS, 则开始发送数据则开始发送数据 (指定长度指定长度) 其他节点收到其他节点收到 CTS, 则保持指定长度数据帧发送时延的空则保持指定长度数据帧发送时延的空闲状态闲状态 如果其他节点收到如果其他节点收到 RTS, 则禁止发送数据则禁止发送数据APAB时间RTS(A)RTS

24、(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)DATA (A)ACK(A)ACK(A)预约碰撞802.11 局域网体系结构局域网体系结构l无线主机与基站通信l基站 = 接入点 (AP)l基本服务集 (BSS) 一个BBS通常包含:l“网络名” 通过SSID识别l无线主机l接入点 (AP): 基站l自组织（ad hoc）模式:只有主机BSS 1BSS 2Internet交换机或路由器APAPSSID: 服务集标识802.11 协议层次协议层次IEEE802.11b IEEE802.11b是无线局域网的一个标准是无线局域网的一个标准 其载波的频率为其载波的频率为2.4GHz，传送速度为，传送速度为11

25、Mbit/s。在。在2.4-GHz-ISM频段共有频段共有14个频宽为个频宽为22MHz的频道可供使用。的频道可供使用。 IEEE802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。它有时也被错误地标为最广的标准。它有时也被错误地标为Wi-Fi。 实际上实际上Wi-Fi是无线局域网联盟（是无线局域网联盟（WLANA）的一个商标，该商标仅保障）的一个商标，该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。 IEEE802.11b的后继标准是的后继标准是IEEE802

26、.11g，其传送速度为，其传送速度为54Mbit/s。802.11: 信道与关联信道与关联 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 频段被分为频段被分为11个部分重个部分重叠的信道叠的信道 AP管理员为管理员为AP选择工作频段选择工作频段 可能发生的冲突：相邻可能发生的冲突：相邻AP有可能选择了相同的频段。有可能选择了相同的频段。802.11: 信道与关联信道与关联 主机必须与一个主机必须与一个AP关联关联 扫描信道，监听信标帧（扫描信道，监听信标帧（beacon frames），每个信标帧包含该），每个信标帧包含该AP的的SSID和和MAC地址地址 选择一个选择一个AP建立关联建立

27、关联 可能需要认证可能需要认证 通常使用通常使用DHCP协议在协议在AP的子网中获取的子网中获取IP Beacon frames from APs Associate request from host Association response from AP802.11 帧结构与编址帧结构与编址802.11 帧结构与编址帧结构与编址FunctionAddr 1 (Receiver)Addr 2(Transmitter)Addr 3Addr 4Intra-BSSDestSourceTo APBSS IDSourceDestFrom APDestBSS IDSourceBridged APsRe

28、ceiverTransmitterDestSourceIEEE 802.11: CSMA/CA 避免碰撞避免碰撞:2个以上的节点同时发送数据个以上的节点同时发送数据 802.11: CSMA 传输数据前侦听传输数据前侦听 不与正在传输数据的其他节点碰撞不与正在传输数据的其他节点碰撞 802.11: 没有碰撞检测没有碰撞检测! 在接收信号很弱的情况下（衰减）很难接收监测碰撞信号在接收信号很弱的情况下（衰减）很难接收监测碰撞信号 所有碰撞都监测不到的情况：隐藏终端问题，衰减问题所有碰撞都监测不到的情况：隐藏终端问题，衰减问题 目标目标: 避免碰撞避免碰撞，带碰撞避免的载波监听多路访问协议（带碰撞避免的载波监听多路访问协议（CSMA/CA）ABCABCA的信号强度空间C的信号强度IEEE 802.11: CSMA/CA 802.11 发送端发送端 如果监听到信道空闲如果监听到信道空闲 它将在一个被称作分布式帧间间隔它将在一个被称作分布式帧间间隔（DIFS）的