第10讲 介质访问控制技术

1、计算机网络第10讲 介质访问控制技术n局域网概述n局域网的参考模型及协议n介质访问控制技术n局域网的特点：n地理分布范围较小；n误码率低，一般在10-1110-8以下；n以PC机为主体，数据传输速率高1 局域网概述n常用的拓扑结构：星型、总线型、环型1 局域网概述2 局域网的参考模型及协议n局域网的体系结构及传输控制具有不独立设置网络层、低层协议简单而介质访问控制技术复杂的特点2.1 局域网各层的主要功能n物理层：提供发送和接收信号的能力，包括对宽带频道的分配和对基带信号的调制等n介质访问控制子层MAC：数据的封装与解封，包括成帧、寻址和错误检测；介质访问管理，包括介质分配和冲突解决n逻辑链路

2、控制子层LLC：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。2.2 IEEE802协议标标 准准主要功能描述主要功能描述IEEE 802.1IEEE 802.1A局域网体系结构，局域网体系结构，IEEE 802.1B寻址、网络互连与网络管理寻址、网络互连与网络管理IEEE 802.2逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层(LLC)IEEE 802.3CSMA/CD及及100BASE-XIEEE 802.4令牌总线网令牌总线网IEEE 802.5令牌环网令牌环网IEEE 802.6

3、城域网（城域网（MAN）IEEE 802.7宽带网宽带网IEEE 802.8FDDI访问控制方法与物理层规范访问控制方法与物理层规范IEEE 802.9综合数据话音网络综合数据话音网络IEEE 802.10LAN的安全与保密技术的安全与保密技术IEEE 802.11无线局域网访问控制方法无线局域网访问控制方法IEEE 802.12100VG-AnyLAN访问控制方法与物理层规范访问控制方法与物理层规范IEEE 802.13100BASE-TIEEE 802.14交互式电视网（交互式电视网（Cable Modem）IEEE 802.15近距离个人无线网络近距离个人无线网络 IEEE 802.16

4、宽带无线城域网宽带无线城域网2.3 IEEE802标准系列间的关系 802.1802.2802.3802.4802.5802.6802.7802.x物理层技术规范物理层技术规范物理层技术规范物理层技术规范物理层技术规范物理层技术规范物理层技术规范802.83 介质访问控制技术nMAC子层的功能n信道分配n信道动态分配中的5个关键假设n信道访问控制协议 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。MAC子层功能信道分配n介质访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n静态分配：只要一个用户得到了信

5、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)n动态分配：称为多路访问或多点接入，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竞争系统争系统。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。n站模型：站独立，以恒定速率产生帧，每个站只有一个程序n单信道假设(核心)n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n发送时间n连续时间、时隙n载波检测n有载波侦听、无载波侦听信道动态分配中的5个关键假设3.1 争用协议n纯ALOHA协议n分槽ALOHA协议

6、nCSMA/CD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。n重发策略：发送数据后侦听信道是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机随机的时间重发，直到发送成功为止，如下图所示：3.1.1 纯ALOHA协议冲突窗口2t 3.1.2 分槽ALOHA协议n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。n冲突主要发生在时间槽的起点，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。n冲突窗口为t 载波侦听（Carr

7、ier 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： n坚持型CSMA（1-persistent CSMA） n非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA） np-坚持型CSMA（p-persistent CSMA） 3.1.3 载波侦听多路访问协议CSMA 1 坚持型CSMAn协议思想n站点有数据发送，先侦听信道；n若站点发现信道空闲，则发送；n若信道忙，则继续侦听直至发现信道空闲，然后 完成发送；n若产生冲突，等待一个随机时间重新开始发送过程n优点n缺点1 坚持型CSMAn协议思想n优点n减少了信道空闲

8、时间n缺点n增加了发生冲突的概率；n广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差2 非坚持型CSMAn协议思想n若站点有数据发送，先侦听信道；n若站点发现信道空闲，则发送；n若信道忙，等待一个随机时间重新开始发送过程；n若产生冲突，等待一随机时间重新开始发送过程n优点n缺点2 非坚持型CSMAn协议思想n优点n减少了冲突的概率,信道效率比1-坚持CSMA高n缺点n不能找出信道刚一变空闲的时刻n增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大n传输延迟比1-坚持CSMA大3 P-坚持型CSMAn协议思想n若站点有数据发送，先侦听信道；n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

9、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；n若信道忙，则等待下一个时间槽重新开始发送过程n若产生冲突，等待一随机时间，重新开始发送过程3 P-坚持型CSMAn协议思想n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。监听信道信道忙YN发送数据等待随机时间（a）不坚持CSMA（b）1坚持CSMA监听信道信道忙YN发送数据Y监听信道信道忙IP选择I（01）YNN发送数据等待随机时间（c）P坚持CSMA三种CSMA协议的比较信道利用率和载荷曲线的比较五种多路访问协议性能比较 3.1.4 CS

10、MA/CDn引入原因n当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD。3.1.4 CSMA/CDn原理n站点使用CSMA协议进行数据发送；n在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；n在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。3.1.4 CSMA/CDnCSMA/CD工作状态包括三个周期：传输周期、竞争周期和空闲周期3.1.4 CSMA/CD3.1.4 CSMA/CD

11、n一个站点确定发生冲突所花的时间到底为多少？(2倍电缆传输时间)3.1.4 CSMA/CDn二进制指数退避算法确定等待的随机时间n当站点发生第1次冲突,等待021-1个时间片。n当站点发生第2次冲突,等待022-1个时间片。n依此类推，当站点发生第n次冲突，在n10时，等待02n 1个时间片；n10后，等待0210个时间片 n当站点发生冲突的次数达到第16次时，将放弃该数据帧的发送3.2 令牌环介质访问控制技术n产生原因n环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到点链路组成的环，点到点链路有很多技术优势；n各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生；nIBM选择Token Ring作

12、为它的LAN技术。3.2 令牌环介质访问控制技术n令牌环的结构n环长的计算n令牌帧和数据帧的格式n令牌环介质访问控制协议n令牌环的操作与维护3.2.1 令牌环的结构n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。令牌环iMaciMaciMaciMac网络接口卡令牌环网端口内部线路n环接口的两种操作模式n侦听模式n传输模式3.2.1 令牌环的结构3.2.2 环长的计算n环比特长度=传播时延数据传输速率接口延迟位数传播时延=环路介质长度/ 200（m/s）n例：某令牌环介质长度为10Km，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，

13、则可计算得：环的比特长度=10（Km）/ 200（m/s） 4（Mbps）1（bit）50=250（bit）3.2.3 令牌帧和数据帧的格式nIEEE 802.5令牌环的MAC帧有两种基本格式：令牌帧和数据帧n令牌帧3.2.3 令牌帧和数据帧的格式n令牌帧nSD (JK00JK000)和ED (JK11JK111)标志着帧的开始和结束，用差分曼彻斯特编模式(J和K的中间没有跳变)n无信息传输时，3字节的令牌在环上循环；有信息要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成 1，将令牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分；3.2.3 令牌帧和数据帧的格式n数据帧n访问控制字

14、段AC3.2.3 令牌帧和数据帧的格式n帧控制字段FCn帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；前两位为”00”：表示此帧为控制帧；后六位为“000011”：表示一个新的站点试图成为新的控制帧3.2.3 令牌帧和数据帧的格式n帧状态字段FS 用于报告帧的传送情况，包括地址位A和拷贝位C，帧经过目的站，A置为“1”，帧被接收，C置为“1”。A、C位提供了自动确认。为增加可靠性，A、C在 FS中出现两次。nA = 0，C = 0，目的站不存在或未加电；nA = 1，C = 0，目的站存在但帧未被接收；nA = 1，C = 1，目的站存在且帧被复制。3.2.4 令牌环介质访问控制

15、协议 n使用一个特殊的令牌帧，当某个站点有数据帧要发送时，必须等待标记为空的令牌帧到来，将令牌帧的空标记改为忙，并将数据帧发送到环上。n 发送的数据帧在环上循环的过程中，所经过的环上的各个站点都将帧上的目的地址与本站点的地址进行比较，若不等则直接传给后面的站点，若相等则将帧复制接收，然后继续传给后面的站点。3.2.4 令牌环介质访问控制协议 n发送的数据帧在环上循环一周后再回到发送站，由发送站将该帧从环上移去，同时将令牌的忙标记改为空标记，传给后面的站。n 空令牌帧在环上循环，经过某站点时，若该站点有数据帧要发送则重复上述过程，若该站点没有数据帧发送则直接将令牌帧传给下一个站点。 3.2.4

16、令牌环介质访问控制协议 n令牌环工作举例：A站点向C站点发送数据帧3.2.5 令牌环的维护n需要对令牌环进行维护的情况n站点发送帧，帧未返回到该站点前该站点崩溃：产生了一个不能移去的帧（无主帧）n站点接收帧或令牌后就崩溃：环上没有令牌3.2.5 令牌环的维护n通过监控站和帧控制字段来完成对令牌环的维护n设置监控站，对新帧监控位监控位设置为0，帧通过监控站时，将监控位改为1，如该帧再通过监控站（表明是不能移去的帧），移去并产生一个新令牌n监控站设置计时器，只要监控站发送一个帧或令牌，就启动计时器，超时（帧或令牌丢失），则产生一个新令牌3.3 令牌总线访问控制技术nCSMA/CD介质访问控制采用总

17、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nToken Ring具有重负载下利用率高、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n令牌总线是综合了以上两种机制的优点而形成的一种介质访问控制方法，IEEE802.4提出了相关标准：令牌总线(Token Bus)介质访问控制方法3.3.1 令牌总线局域网的结构n物理结构是总线的，逻辑结构是环型的n应用于工厂自动化和过程控制及需要实时处理的场合iMaciMaciMaciMaciMacABCDE逻辑环3.3.2 逻辑环n每个站点都有一个逻辑标识/地址，逻辑环中各站点根据其地址由大到小有序排列