计算机网络原理

计算机网络原理

2008

第四章介质访问子层

■计算机网络分两类：采用点到点连接的网络,

采用广播信道的网络。

■本章讨论广播网络及其协议。

■在所有广播网络中，关键的问题是：当信道的

使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。

■广播信道有时也称作多路访问信道，或随机访

问彳言道。

■介质访问子层MAC：属于数据链路层的子层,

用来决定广播信道中信道的分配。

■几乎所有的局域网都以多路复用信道作

为通信的基础。

■广域网通常采用点到点连接，卫星网除外。

■因此，MAC子层在局域网尤其重要。

出分配问题一

■在相互竞争的多个用户之间如何分配一个单

独的广播信道。

■解决的方法：静态，动态

■具体算法

局域网和城域网中信道的静态分配

■传统的分配单个信道的方法：频分多路复用FDM。

■应用场合：用户较少且数目固定，每个用户通信量都较大。

・不适用场合：用户较多且数目经常变化，通信量具有突发

性特点。

■FDM最基本的缺陷是无通信量时分配给用户的频段被浪费

了，而不能被其它用户所用。

・大多数计算机系统的数据流具有突发性，因此，多数信道

在大部分时间内都被闲置了。

■采用时分复用TDM会产生同样的问题。

域网和城域网中信道的动态分配

■5个关键性假定：

■1、站模型：由N个独立的站组成，每个站有一个可以

产生待发送帧的程序或用户。一旦生成一帧，该站就被

阻塞，直到帧被成功传出。

■2、单通道假设：所有通信都通过单个信道进行。所有

的站都在该信道上发送和接收信息。尽管软件可赋予各

站优先级，但就硬件来说，各站是平等的。

■3、冲突假设：若两帧同时发送，它们会相互重叠，使

信号难以辨认。所有的站都能检测到冲突。冲突的帧必

须事后重发。除了冲突产生的差错外，不再有其他任何

差错。

4a、连续时诃：帧能在任何时候开始发送。没有主时

钟将时间分隔为离散的发送区间。

4b、时隙：时间被分为离散的区间（时隙）。帧总是

在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可发送0,

1或多个帧，它们分别对应空闲时隙、成功时隙、发生

）巾O

5a、蓝波侦听：所有站在使用信道以前都可以检测到

信道是否正在使用。若忙，其他站不会去使用它，直

到它变得空闲。

5b、非载波侦听：各站在使用信道前不检测信道，只

是盲目地发送，事后才能确定本次传送是否成功。

多路访问协议

■ALOHA协议

■载波侦听多路访问协议

■无冲突的协议

■有限竞争协议

■波分多路访问协议

■无线局域网协议

ALOHA协议

■基本思想适用于任何无协调关系的多用户竞争

单信道使用权的系统。

■纯ALOHA

■分隙ALOHA

■区别：是否将时间分成离散的时隙。纯ALOHA

无需全局时间同步，而分隙ALOHA则必须时间

同步。

纯ALOHA

■基本思想：用户只要有数据待发，就让他们发。

■当产生冲突，使帧受损时，发送方只要侦听信道就

会知道。

■对于LAN,反馈信息传播很快。

■对于卫星网，发送方在延时270nls后才能确定。

■若帧遭破坏，则发送方随机等待一段时间后重发。

■竞争系统：多个用户以某种可能导致冲突的方式共

享公用信道的系统。

■在ALOHA系统中，各帧长度相同，能使系统取得

最大吞吐率。

A|||

B

C

D

E

在纯ALOHA中，完全任意地发送帧

■ALOHA信道的效率？

■没有发生冲突的帧比例有多大？

■P187（新书P213）的一个情景。

■“帧时”：表示发送一个标准长度的帧所需的时间，也就

是帧长度除以位传输率。

-假定无限多的用户产生的新帧服从泊松分布，平均每帧时

产生S个新帧。

■若S>1,则几乎每帧都会受到冲突。

■合理值要求在0〈s<l。

■每站除了产生新帧外，还要产生受到冲突的重传帧。

■假设每帧时内新、旧帧共传送K,也服从泊松分布，

平均值为G每帧时。

-在低负荷时，S约等于0,几乎没有冲突，也不用重

传，G与S几乎相等。

■在IWJ负荷时，G>So

■在各种载荷下，S=GP0,Po——不冲突的概率

,阴影帧的冲突危险区

■若在to到to+t时间内，则头部冲突

■若在to+t到to+2t时间内，则尾部冲突

开始碰撞结尾碰撞

t

时间

to+t

toto+2tto+3t

易破坏区

■在任一帧时内生成K帧的概率服从泊松分布：

kG

■Pr[k]=Ge-/K!

■生成0帧的概率为e-G,两个帧时内产生的帧数平均为2G,

在整个冲突危险区内无任何其他帧产生的概率为P°=e-2G,

代入S=GP0得：S=Ge-2G.

■吞吐率S与帧产生率G之间的关系见图(P189,新P215)

■当G=0.5时,吞吐率S最大，其值为S=l/2e=0.184.

■对于这种站可以随意发送的工作方式,100%的利用率几

乎是不可能的.

।分隙ALOHA

-可将系统利用率提高一倍。

-方法是：把时间分为离散的时间段，每段时间

对应一帧。

■要求用户时间同步。

■方法之一：设置一个特殊的站点，在每段时间

的开始像时钟一样发送一个信号。

■为了和纯ALOHA方法相区别，被称为分隙ALOHA

-在分隙ALOHA方法中，计算机并不是在按下回

车键后就立即传送信息帧，而是要等到下一时

隙开始时才传送。

■由于冲突危险区减少为原来的一半，所以在任

一帧的时隙内无其他帧发送的概率为eq从而

得出：S=GeG.

■从图(P189,新P215)中关系看出，当G=1时,

吞吐率S最大，其值为S=l/e=0.368.

载波侦听多路访问协议

■载波侦听协议：网络站点侦听载波是否存在

（即有无传输）并相应动作的协议。

■持续和非持续CSMA

■有冲突检测的CSMA

持续和非持续CSMA

■1-持续CSMA：当一个站点要传送数据时，它首先侦听信

道，看是否有其他站点正在传送。若信道忙，则持续等

待直到信道空闲，便将数据送出。若发生冲突，站点就

等待一个随机长的时间，然后重新开始。

■此协议被称作1-持续CSMA。是因为站点一旦发现信道空

闲，其发送数据的概率为1。

■传输延时对协议性能的影响：传输延时越长，冲突可能

性越大，系统性能也就越差。

-即使传输延时为0,仍然有可能发生冲突。

■非持续CSMA：在该协议中，站点发送前会侦听信道的状

态，如果没有其他站点在发送，它就开始发送。但如果

信道正在使用中，该站点将不再继续侦听信道，而是等

待一个随机的时间后，再重复上述过程。

-P-持续CSMA：用于分隙信道，工作过程如下：一个站点

在发送之前，首先侦听信道，若空闲，便以概率p传送，

而以概率q=l-p把该次发送推迟到下一时隙。若下一时

隙仍空闲，便再次以概率p传送，而以概率q=l-p把该次

发送推迟到下下一时隙。此过程一直重复，直到发送成

功或另外一站开始发送为止。

4有冲突检测的CSMA

■持续和非持续CSMA是对ALOHA协议的改进，它们

保证在侦听到信道忙时无新站开始发送。

■带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD：若两

站侦听到信道空闲并同时开始传送，几乎会同时

检测到冲突。一旦检测到冲突，不是继续传完帧,

而是尽快停止。

■CSMA/CD以及许多其他局域网协议都采用以下概念模型。

在to点处，一个站点已完成了帧的传送，其他想要发送

的站点现在都可以尝试发送。如果两个或两个以上的站

点同时决定传送，将会产生冲突。

CSMA/CD有三种状态：竞争、传输或空闲

无冲突的协议

■在CSMA/CD中，虽然抓住信道，便不会产生冲突，但

在竞争周期冲突仍不可避免。

■在电缆很长而帧很短时，系统性能很低。

■位图协议

-二进制倒计数法

-以上两协议的假设：都假定有N个站，每个站均有一个

唯一的地址，从0到N-1——对应。

-关键问题：在一次成功的传送之后，哪个站将会得到

这个竞争的信道。

位图协议

■竞争周期恰好由N个时隙组成。若站点0想发送

一帧，它就在第0个时隙内发送1比特。该时隙

内，不允许其他任何站点发送。

8个争用时隙

01234567帧01234567

11111

二进制倒计数法

每个想要使用信道的站点,首先将其地址以二进

制位串的形式，按照由高到低的顺序进行广播,

并且假定所有地址的长度相同。然后，将各站的

地址的对应位进行布尔或运算。

为了避免冲突,就必须进行仲裁：若某站发现其

地址中原本为。的高位被置换为1,则它便放弃发

送。

有限竞争协议

前面讨论了电缆网络中两种基本的信道获取策略：竞争法和无冲突

法。

可根据两项指标加以评定：轻载荷下的时延，重载荷下的信道利用

率。

有限竞争协议结合了竞争法和无冲突法的优点。

自适应树搜索协议1

波分多路访问协议

-在波分多路访问中，每个站点分配两个信道。其中窄

信道作为通知站点的控制信道，宽信道作为站点输出

数据帧的信道。

■每个信道被分成不同的时隙组。取控制信道的时隙数

为m,数据信道的时隙数为n+1,其中n个用于数据，最

后一个用来报告站点的状态。

■在两条信道中，时隙序列无尽地循环，其中时隙。用某

种特殊的方式标记以便后续时隙识别。

■所有的信道均用同一个全程时钟来同步。

波分多路访问

M个时隙用于控制

A的控制信

道被另一个

XM1X1X1X1X1[XI1IX1<—站点用来与

A联系

S

N+1个时隙用于数据

1IX1XIXI11X1X111IXIXIXI1X1X1<—_B的控制信道

B

被B用来传

的数据信道

B送数据

波分多路访问协议

■支持三种类型的通信流量（1）恒定速率的，面向连接的

通信流量；（2）可变速率的，面向连接的通信流量；（3）

数据报流量，比如UDP分组。

■每个站都有两个发送器和两个接收器。P197,新书P223

■一个波长固定不变的接收端，用来侦听本站点的控制信道。

■一个波长可调的发送端，用来向其他站点的控制信道发送

帧。

■一个波长固定不变的发送端，用来输出数据帧。

■一个波长可调的接收端，用来选择要侦听的数据发送端。

■每个站点都侦听自己的控制信道，看是否有请求产生，并

将接收端的波长调为发送端的波长，从而得到数据。

无线LAN协议

如果一个系统中的笔记本计算机通过无线电波进行通信,

则该系统可以被认为是一个无线LAN。

■要求特殊MAC子层协议。

］以太网

-信道分配协议在局域网中的应用。

-IEEE对许多局域网和城域网做了标准化工作，这

些标准都在IEEE802的名字下面。

■IEEE802.3（以太网）

■IEEE802.ll（无线LAN）

■IEEE802.15（蓝牙）

■IEEE802・16（无线MAN）

■IEEE802.3和IEEE802.il有不同的物理层,不

同的MAC子层，但有共同的逻辑链路控制子层

（定义在IEEE802.2中）。

■以前介绍了以太网的基本概念，此节将介绍以

太网的技术细节、协议等。

■对于以太网和IEEE8023,除了下面将要讨论

的两个小区别，它们几乎相同。

以太网电缆

■10Base5：俗称粗以太网

■10Base2：俗称细以太网

-10Base-T：采用双绞线

■10Base-F：采用光纤

10Base5

■最先出现

■每隔2.5米标记了分接头的插入处。

-插入式分接头将设备连到电缆上。

■10Base5的含义：运行在10Mbps的速率上，使用基带信

令，支持的分段长度可达500米。

-在分接头中，有一根针被非常小心地插入到同轴电缆的

内芯中。收发器则紧紧夹住电缆以便分接头可接触内芯。

-通过一根收发器电缆将收发器连到计算机的接口卡上。

■收发器电缆可长达50米，包含5对独立的屏蔽双绞线。

-接口卡包含一个控制器芯片，用来向收发器传送帧，

或从收发器接收帧。

■控制器负责将数据装配成正确的帧格式，为发送的帧

计算校验和，为接收的帧检验校验和。

■有些控制器芯片也为进来的帧管理一个缓冲池；为要

传输的帧管理一个缓冲队列；并且可以与主计算机进

行直接的内存传输，以及其他的网络管理功能。

10Base2

■使用工业标准的BNC连接器来构成T型接头。

■每段最长185米。

■10Base5和10Base2存在的问题：对电缆断裂、电缆超长、

分接头坏掉，或BNC连接器松动的检测困难。

■人们研制了许多技术来捕捉故障。比例，时间域反射计。

■时间域反射计：P210,新书229

>lOBase-T

■由于找电缆断裂处不方便，导致了10Base-T的出现。

■所有的站都连到一个集线器上，集线器并不缓存流量,

但交换机则缓存。

-每个站通过一根非共享的电缆连接到集线器。

■优点：增、删一个站容易，电缆断裂很容易检测到。

-缺点：从集线器出来的电缆的最大长度只有100米。但

使用高质量的5类双绞线能达到200米。

■还有一个更快的100Base-T。

lOBase-F

■这种连接方式由于连接器和终结器的成本开销

而非常昂贵。但它有极好的抗噪声能力。

■适用于楼与楼之间的连接，或用于远距离隔开

的集线器之间的连接。

■长度可达上千米。

■安全性好，因为在光纤上窃听比在铜线上要难。

电缆拓扑结构

C

D

线形主干

电缆拓扑结构

BCD

中继器

树型分段

-在各种以太网中，每段电缆的长度都有一个上限，为

了构建更大的网络，多根电缆可以通过中继器连接起

来。

■中继器是一个物理层设备。它在两个方向上接收、放

大和重传信号。

■从软件角度看，通过中继器连接起来的一系列电缆段

与单根电缆没有任何区别。

■两个收发器之间不能超过2.5公里。

■任意两个收发器之间的路径上不得跨越多于4个中继器。

曼彻斯特编码

■使用直接的二进制编码会导致歧义。P212,新

书P231

■让接收方在没有外部时钟参考的情况下，可以

毫无歧义地确定每一位的起始、结束、中间位

置的方法：

・曼彻斯特编码

■差分曼彻斯特编码

《曼彻斯特编码

■每一位的周期分成两个相等的间隔。二进制“1”位

在发送时，在第一个间隔中为高电压，在第二个

间隔中为低电压。二进制“0”位则正相反。

■优点：这种方案可以保证每一个位周期中都有一

个中间电压变化，这使得接收方很容易与发送方

同步起来。

■缺点：它所要求的带宽是直接二进制编码的两倍。

差分曼彻斯特编码

■差分曼彻斯特编码是基本曼彻斯特编码的一个

变种。

■在这种编码中，如果在间隔的起始处没有相变,

则表示位“1”；如果在间隔的起始处出现了相

变，则表示位“0”。在这两种情况下，位周期

的中间也会有一个相变。

■优点：提供了更好的抗噪声能力。

-缺点：需要更复杂的设备。

■以太网使用了曼彻斯特编码

■令牌环网使用了差分曼彻斯特编码

二进制编码

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

以太网MAC子层协议

■早期的DIX(DEC,Intel,Xerox)帧结构如图(a)所示。

■当IEEE标准化以太网时，做了两个改动，如图(b)所示。

■第一个改动是将前导域降低到7个字节，将空出的一个用

作帧起始分界符，便于与IEEE802.4和IEEE802.5兼容。

■第二个改动是将类型域变成了长度域。

86621-15000—464

先导域目标地址源地址类型数据域填充域校验和

先导域目标地址源地址长度数据域填充域校验和

帧起始

-每个帧都以前导域开始，该前导域包含了位模式

IOIOIOIOO

-这个位模式经过曼彻斯特编码后便于发送方与接收方

的时钟同步。

-对于一帧的剩余部分，也必须保持同步，利用曼彻斯

特编码可以识别位的边界。

■帧结构中包含两个地址：目标地址和源地址。

-标准中允许使用2字节或6字节的地址。

-对10Mbps基带标准定义的参数只使用6字节的地址。

>多播

向一组站发送数据帧。

■在作为目标地址的组地址中，最高位为“1”

■利用组地址，多个站可监听同一地址。当一帧被

发送给一个组地址的时候，该组中的所有站都会

接收到该帧，

I广播

■由全部的“1”位构成的地址被保留用于广播。

■若一帧的目的地址域中包含全部的“1”，则网络上所有

的站都会接受该帧。

■多播与广播的差异：

■一个多播帧被发送给以太网上选择出来的一组站。

■一个广播帧被发送给以太网上的所有站。

■多播是有选择性的，但要涉及到组的管理。

■广播是粗粒度的，并不要求任何组管理的支持。

局部地址与全局地址

■局部地址是由网络管理员分配，在局部网络之

外无意义。

■全局地址是由IEEE统一分配，可以保证世界上

任何两个站点都不会相同。

■这两种地址由第46位来区分。

■全局地址的可用位数48—2=46

类型域

■告诉接收方应该如何处理这一帧。

-在同一机器上可能有多个网络层协议在使用，所以，

但一个以太网帧到达时，由类型域指定应该将它交给

哪个网络层进程。

■IEEE802.3标准规定的MAC帧稍复杂些。它和以太网V2的MAC帧

的区别之一是：

■第三个字段是长度/类型字段。根据长度/类型字段的数值大小，

这个字段可以表示MAC客户数据字段的长度（请注意：不是整个

数据帧的长度），也可以等同于以太网V2的类型字段。具体地讲:

•若长度/类型字段的数值小于MAC客户数据字段的最大值1500

（字节），这个字段就表示MAC客户数据的长度。

•若长度/类型字段的数值大于0X0600（相当于十进制的1536）,

那么这个数值就不可能表示以太网合法的数据字段长度，因而这

个字段就表示类型。

数据域

最长可达1500个字节。

■在制定DIX标准时，这个值的选择依据主

要是：新书P233

■最小的帧长度限制：P213,新书

P233-P234

802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：

■1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；

■2）帧的长度不是整数个字节；

-3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；

■4）收到的帧的MAC数据字段的长度不在46-1500字节之间。

■对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃

的帧。

■当MAC客户数据字段的长度小于46字节时，则应加以填充（内容

不限）。这样，MAC帧（包含14字节首部和四字节尾部）的最小

长度是64字节或512BIT。

为什么长度不够的帧就是无效帧呢？这是因为

■CSMA/CD协议的一个要点就是当发送站正在发送时，若检测到碰

撞则立即中止发送，然后推迟一段时间后再发送。

■如果所发送的帧太短，还没有来得及检测到磁撞就已经发送完了,

那么就无法进行磁撞检测，因而就会使CSMA/CD协议变得没有意

义。因此，所发送的帧的最短长度应当要保证在发送完毕之前，

必须能够检测到可能最晚来到的磁撞信号。

-这段时间就是以太网的端到端往返时延。在802.3标准中，这段时

间取为51.22。

■对于10Mbit/s速率的以太网，这段时间可以发送512bit。这样就

得出了MAC帧的最短长度为512bit,或64字节。在接收端，凡长

度不够64字节的帧就都认为是应丢弃的无效帧。

■如果仅仅从以太网的最大容许长度（2500m）来计算,

并假定信号在电缆上的传输速率为2.3xi05km/s,则

端到端的往返时延就还不到222。考虑到实际上还有

许多因素影响到端到端的往返时延，因此，802.3标准

将长度达到最大值的以太网两倍往返时延取为5L2ps。

■MAC子层的标准还规定了帧间最小间隔为9.6卬才能发

送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收

缓存来得及清理做好接收下一帧的准备。

■随着网络速度的提高，最小的帧长度必

须成比例的增加，或者最大电缆长度成

比例地减短。

■校验和：P214,新书PP234

［二元指数后退法

■当发生冲突时，如何确定随机等待时间？P214,

新书P235

以太网的性能

■若每个站在一个竞争时槽中传送帧的概率为P,

那么，在这个时槽中，某个站获得信道的概率

A为：A=KP(1-P)KJ

■当P=l/K,A最大;

■当K趋向无穷，A趋向1/e

■竞争间隔正好等于j个时槽的概率为A(l-A)”

001

■每一次竞争的平均时槽数:2〃(1"二二

j=0/

■由于每个时槽的时间间隔为2u

■平均竞争间隔W为2/

-假设最优的P,并且竞争时槽的平均数永远不

超过e,则W至多为2/e25AT

■若传送每一帧平均需要P秒，则

-信道利用率=尸

尸十2上^

■电缆越长，则竞争间隔越长，这正是规定电缆

长度的原因。P215,新书P236

■在高载荷下，准备传送的站的平均数？

■每秒钟传送的帧数为1/(P+W).

■若每个站生成帧的平均速率为；I

■则当系统在状态K时，所有未阻塞的站的总输

入率为左；I

■利用输入与输出相等可求出K

-有许多对性能分析的工作都假设网络流量是泊

松分布，但实际的流量却很少是泊松分布，而

是自相似的。

交换式以太网

随着以太网中的站越来越多，流量也急剧上升。

一种办法是提高速度，从10Mbps到100Mbps。

■随着多媒体的增长，100Mbps或lGbps也会变得

饱和。

■另一种办法：交换式以太网，P217,新书P237

快速以太网

-为了挖掘出速度的潜力，两种基于环的光纤LAN被

提出。

■FDDI（光纤分布式数据接口）

-光纤信道

■都可以用作骨干网，但不能突破到桌面上。

■站的管理太复杂，导致了复杂的电路和昂贵的价格。

■光纤LAN的失败，为大于10Mbps的普通以太网留下

了发展空间。

■1992年，IEEE重新召集8023委员会，要求提

出一个快速的LAN。P245,新书P239

■快速以太网的基本思想。

千兆以太网

■所有配置都是点对点的

■以前的以太网称为经典以太网

IEEE802,2：逻辑链路控制

-利用各种数据链路协议，两台机器可以在不可靠的线

路上进行可靠的通信。

■这些协议提供了错误控制（使用确认）和流控制（使

用一个滑动窗口）的能力。

-IEEE定义了一个协议，可以运行在以太网或其他的802

协议之上，这就是LLC。

■LLC通过提供一种统一的格式，以及向网络层提供一个

接口，从而隐藏了各种802网络之间的差异。

■此格式、接口和协议基本上都以HDLC协议为基础。

■P229~P231,新书P244~P225

■LLC提供三种服务：

■不可靠的数据报服务

■有确认的数据报服务

■面向连接的可靠服务

■LLC头部包含三个域：目标访问点、源访问点、

控制域。

■对因特网，LLC层不要求确认。

无线局域网

有两种配置：有一个基站，没有基站

■802.11LAN对两种方案都提供支持

■在802.11中，MAC子层确定了信道的分配方式，也就是说,

由谁来传输数据。

-802.11标准规定了在物理层上允许三种传输技术：红外线

使用了与电视遥控器相同的技术；其它两种方法使用了短

距离的无线电波，所用到的技术分别称为FHSS（跳频扩频）

和DSSS（直接序列扩频）。

-FHSS和DSSS都用到了一部分不需要许可的频段（2.4GHz

ISM频段）。

*--------

■所有这些技术都工作在1Mbps或2Mbps的速率上，并且

功率非常低，因此一般不会有严重的冲突。

■1999年，两种新的技术被引进，以便达到更高的带宽,

即OFDM（正交频分多路复用）和HR-DSSS（高速率的

直接序列扩频）。工作速率分别达到54Mbps和

llMbpSo

■2001年，第二种OFDM调制技术又被引入进来，它与

第一种OFDM调制技术工作在不同的频段。

■从技术上讲，它们都属于物理层，但与802.11MAC子

层更加接近，所以放在这里讨论。

802.11协议栈部分视图

上面各层

数据链路层

物理层

802.11物理层

■红外线技术使用了0.85或0.95微米波段上的漫射传输。

有1Mbps或2Mbps两种速率。在1Mbps采用灰色编码，

即每4位成一组，每个组被编码成一个16位的码字，其

中包括15个0和一个1。

■FHSS（跳频扩频）使用了79个信道，每个信道的宽度

为1MHz,从24GHzISM频段的低端开始往上。使用

一个伪随机数发生器来产生跳频序列。

■DSSS（直接序列扩频）：限制在1Mbps或2Mbps的速

率上。编码方案与CDMA有些相似之处。

■其他见新书P247〜P248

802.11MAC子层协议

■802.11MAC子层协议与以太网的MAC子层不同,

因为与有线环境相比，无线环境具有一些内在

的复杂性。

■在以太网中，一个站只要等到以太空闲下来，

就可以开始传输了。若在前64个字节以内没有

收到送回来的噪声尖峰的话，则几乎可以肯定

该帧已经被正确地递交了。

■在无线环境中，这样的条件并不成立。

■首先，前面提到的站点隐藏问题不可避免。

■再者，站点暴露问题也存在。

-大多数无线电设备都是半双工的，不能同时既传输数

据，又监听噪声尖峰。

■因此，802.11并没像以太网那样采用CSMA/CD。

■为了解决这些问题，802.11支持两种操作模式。

■第一种称为DCF（分布式协调功能），没有中心控制；

第二种称为PCF（点协调功能），用基站来控制单元内

的所有洁动。

■所有的802.11实现必须支持DCF,而PCF则是可选的。

时间

RTS

A—------------------------------------------------------------------------------------

B

C

NAV

D

时间

DCF

■当使用DCF时，802.11使用了CSMA/CA。

-用到了物理信道的监听手段和虚拟信道的监听手段。

■CSMA/CA支持两种操作方法。

-在第一种方法中，当一个站点想要传送数据的时候，

它首先监听信道。若空闲，就开始传送。在传送过程

中它并不监听信道，而是直接送出整个帧；在接收方,

有可能由于干扰而使该帧数据被毁坏。

-若信道正忙，则发送方推迟到信道空闲时再传送。若

冲突发生，则冲突的站等待一段随机的时间，使用以

太网的二元指数后退算法。

■第二种方法是以MACAW为基础，用到了虚拟信道监听

方法，新书P250

-与有线网络相反，无线网络是有噪声的，也是不可靠

的，不要许可的频段也为其他电器所用，这会干扰无

线网络。因此，一帧被成功传送的概率随着帧长的增

加而减少。

■若一帧中任何一位发生错误的概率为p,则n位长度帧被

完整正确接收的概率是（1-p）n。

-为了解决噪声信道的问题，802.11允许所传输的帧被

分成小的碎片，每片有自己的校验和。

PCF

-以上所讨论的模式没有中心控制，所有的站都在竞争时

间，就好像以太网中的站所做的那样。

■在PCF这种模式中，基站对其他的站进行表决，问它们是

否要发送帧。

■传送顺序完全由基站控制，不会发生冲突。

■标准中规定了表决机制，但没有规定表决频率、表决顺

序等。

■基本机制：让基站周期性地广播一个信标帧，包含了系

统参数，比如调频和停延时间、时钟同步等。新书P251

■在一个单元内，PCF和DCF可以共存，802.11提供一种办法可以做

到这一点。它是通过小心地定义帧间的时间间隔来做到的。

■当一帧被发送出去以后，对于任意一个站，必须等待一段特定长

度的死时间之后，它才可以发送帧数据。

-总共有4种不同的时间间隔定义，每一种都有特殊的用途。新书

P251

■SIFS,短帧间间隔

■PIFS,PCF帧间间隔

■DIFS,DCF帧间间隔

■EIFS,扩展帧间间隔

SIFS

■最短的时间间隔

-用途：允许一个对话的各个部分有机会首先被发送。

■包括：让接收方发送一个CTS来响应一个RTS；让接收

方发送一个ACK作为对一个分片的确认，或者对一个

完整数据帧的确认；让一个分片串的发送方传输下一

个分片，而无需再发送一个RTS。

-在一个SIFS间隔之后，总是恰好只有一个站会得到发

送应答的授权。若它未能利用它的机会，则经过一段

时间会到达PIFS时间点。

PIFS

■在PIFS时间点，基站可能会发送一个信标帧，或一个

表决帧。

-这种机制使得一个正在发送数据帧或者分片序列的站

可以在无人妨碍的情况下完成该帧的发送任务，但是,

当前面的发送方已经完成了发送任务时，基站无需跟

饥渴的用户竞争就有机会获得信道。

DIFS

■若基站不想有任何动作，则会到达DIFS时间点,

任何一个站都可能试图获得信道以便发送一个

帧。

■常用的竞争规则在这里仍然适用，若发生冲突,

则可能需要用到二元指数后退算法。

EIFS

■被用来报告坏帧，只有刚刚接收到坏帧或未知帧的

站才会使用这个间隔。

・优先级最低

-由于接收方可能不知道接下去怎么办，所以它应该

实实在在地等待一段时间，以避免干扰两个站之间

的一个正在进行的对话。

802.11中的帧间间隔

J------------------------

时间

802.11帧结构

-JI----------------------------

■802.11标准定义了三种类型的帧：数据帧、控制帧、管理帧。

-每一种帧都有一个头，该头部包含了各种用于MAC子层的域。

-还有一些头是由物理层使用的，但绝大多数被用来处理所涉

及到的调制技术。

字

节22666260~23124

FrameChecksu

DurationAddress1Address2Address3Seq.Address4Data

controlm

____

.ToFrom

VersionTypeSubtype口$DSMFRetryPwrMoreWO控制帧

802」1数据帧

■帧控制域：有11个子域，依次是：协议版本，类型域（数

据帧、控制帧、管理帧），子类型域（RTS,CTS）等。

■TODS和FROMDS域表明了该帧是发送到或来自于跨单元

的分布系统。

-MF域意味着后面有更多分片。

-Retry域表明是以前发送的某一帧的重传。

■电源管理域由基站使用。

■MORE域表明有更多的帧要发送给接收方。

■W域表明帧体已加密。

-0域指示接收方要按顺序处理。

■持续时间(Duration)域提供如下信息：该帧和它的

确认帧将会占用信道多长时间。

■序列号(Sequence)域使得分片可以被编号。

-管理帧的格式与数据帧的格式非常相似，唯一不同的

是，管理帧少了一个基站地址，因为管理帧被严格限

定在一个单元中。

■控制帧也要短一些，它只有一个或两个地址，没有

DATA域，Sequence域。

■对于控制帧，关键的信息在于subtype域，通常为RTS、

CTS、ACKo

I服务

■802.11标准声明了每个符合标准的无线LAN必须提供9中

服务。

-这些服务分成两类：5种分发服务，4种站服务

-分发服务涉及到对单元的成员关系的管理，并且会影响

到单元之外的站。

■站服务只与单元内部的活动有关系。

分发服务

■由基站提供，处理站的移动性：当移动站进入单元时,

通过这些服务与基站关联；当移动站离开单元时，通

过这些服务与基站断开联系。

■5种分发服务：关联：移动站利用该服务连到基站上。

-分离：一个站在离开或关闭之前，应该先使用该服务。

■重新关联：利用这项服务可改变首选基站。

-分发：决定如何路由那些发送给基站的帧。

■融合：可以将802.11格式的帧翻译成目标网络所要求

的帧格式。

站服务

■在单元内部进行，当关联过程完成后，这些服

务才会用到。

■认证：P254

■解除认证：P254

■私密性：P254

■数据投递：P254

蓝牙的体系结构

■蓝牙系统的基本单元是一个微微网（piconet）,包含

一个主节点，以及10米距离之内至多7个活动的从节点。

■在微微网中，除了7个活动的从节点外，还可以有多达

255个静观节点。

-静观节点：主节点已经将它们切换到一种低功耗状态，

以便降低它们的电源消耗。

■在活动状态和静观状态之间，还有两种中间电源状态：

限制，监听。

■微微网是一个中心化的TDM系统，主节点控制了时钟，

它决定了每个时槽中哪个设备可以通信。

-----------------------------------------------------------

两个微微网连接起来构成一个分散网

蓝牙应用

■蓝牙Vl.l规范列出了13种需要支持的专

门应用。并为每种应用提供不同的协议

栈。这些应用也被称作应用轮廓。新书

P262

蓝牙协议栈

-经过802委员会修改后的蓝牙基本协议结构:

应用/轮廓应用层

苴他

八分RFcomm电话服务发现

Ll_iK_Z中间件层

音频控制

逻辑链路控制适应协议

链路管理器链路层

基带

物理无线电物理层

802.15版本的蓝牙协议结构

■物理无线电层处于最低层，很好地对应

了OSI和802模型中的物理层，处理与无

线电传送和调制有关的问题

■基带层有点类似育MAC子层，但也包含

了物理层的要素

■涉及到主节点如何控制时槽，以及这些

时槽如何组织成帧

■链路管理器负责在设备之间建立逻辑信道，包

括电源管理、认证、服务质量。

■逻辑链路控制协议(L2CAP)为上面各层屏蔽

了传输细节。类似于标准的802LLC子层。

■音频协议处理与音频相关的事宜。

■控制协议处理与控制相关的事宜。

■中间件层由不同的协议混合而成的。

■为了与802的其他网络保持兼容，IEEE将802LLC

插在这里。

■Rfcomm（射频通信）：指模拟PC上用于连接键

盘、鼠标、调制解调器，以及其他设备的标准串

口通信。

■电话协议：是一个实时协议，用于三种面向话音

的轮廓。

■服务发现协议：可用来找到网络内的服务。

■最上面是应用和轮廓所在的地方。

-利用底层的协议来完成任务。

■每个应用都有它自己的专用协议子集。

蓝牙技术

■用于将计算和通看设备或附件通过短距离的、低功耗的、

低成本的无线电波相互连接起来。

-最初的想法只是要去掉设备之间的电缆，但后来扩大了

范围，开始侵入到无线LAN的领地，造成与802.11的竞

争。

■1999年7月，蓝牙SIG发布了一份1500页的规范。不久，

正在考虑无线个人域网络（PAN）的IEEE标准组802.15

采纳了蓝牙的文档作为它的基础，并对它进行修订。

■蓝牙规范是针对整个系统的，从物理层到应用层，面面

俱到。

■IEEE802.15委员会仅仅对物理层和数据链路层进行了

标准化。

蓝牙无线电层

■将位信息从主节点移动到从节点，或反

过来。

■是一个低功率的系统，距离范围为10米,

运行在2.4GHzISM频段上。该频段被分

成79个信道，每个1MHz。

■采用频移调制方案，每Hz一位，所以总

数据率为1Mbps。

蓝牙基带层

■是蓝牙标准中最接近MAC子层的地方。

-将原始的位流转变为帧，并定义了一些关键的

格式。P265

■每一帧都在一个逻辑信道上进行传输，该逻辑

信道位于主节点与某个从节点之间，称为链路。

■蓝牙标准中共有两种链路：ACL,SCO

ACL（异步无连接链路）

■用于那些无时间规律的分组交换数据。

■在发送方，这些数据来自于L2cAp层；在

接收方，这些数据被递交给L2cAp层。

■ACL流量的投递模型为尽力而为投递型，

没有任何保证。

■对于一个从节点，它与主节点之间只可

以有一条ACL链路。

SCO（面向连接的同步链路）

■主要用于实时数据，比如电话连接。

■这种信道是在每个方向中的固定时槽中分

配的。

■由于SCO链路的实时性本质，在这种链路

上发送的帧永远不会被重传。

■通过前向纠错机制可以提供高的可靠性。

蓝牙L2cAp层

■三个主要功能：

■第一，它接受来自上面各层的分组，分组可以

达到64KB大小，并且L2cAp层将这些分组打碎

到帧中，以便于传输。在远端，这些被打碎的

帧又被重组到分组中。

■第二，L2cAp层处理多个分组源的多路复用和解

复用。

■第三，L2cAp层处理与服务质量有关的需求。

蓝牙的帧结构

-帧格式有几种，最重要的如下图所示:

位72540-2744

AccesscodeHeader数据

位/41118、

18位的头重复三次,

AddrTypeFASChecksum总共54位

■访问码(Accesscode)：标识了主节点。当从

节点位于两个主节点的无线电覆盖范围内时，

利用这个来区分主节点。

■头(header)：包含了典型的MAC子层的域。

■数据域：对5时槽的传输，最多可达2744位，

对一个单时槽的帧，除了数据域为240位外，

格式的其他方面都相同。

头（header）中的内容

■Addr域标识了该帧的接收目标是8个活动设备中的那一个。

■Type域标识了帧的类型（ACL、SCO、表决、空），数据

域中所使用的纠错类型，以及该帧有多少个时槽长度。

-F（Flow,流）位是由从节点使用的，当它的缓冲区满了因而

不能再接收任何数据的时候，从节点会利用F位来声明这

个事实。

-A（确认）位被用来在一帧中捎带一个ACK。

■S（序列）位被用于帧的编号，以便检测重传帧。

■CHECKSUM：头部校验和。

■18位的头部重复3次，在接收方，通过一个简单的电路可

以检测每一位的三份副本。

数据链路层交换

■网桥：连接多个LAN,运行在数据链路层上，通

过查看数据链路层的地址来完成帧转发的任务。

■路由器：工作在网络层，检查分组中的地址，据

此进行路由。

■交换式以太网等现代技术的出现，使得两者的界

限模糊。

网桥的应用

-适合使用网桥的常见情形：

■第一，许多大学和公司的部门都有自己的LAN,各个LAN存在差

异。需要网桥沟通。

■第二，一个组织可能分布在几个大楼，这些楼之间有一定的距离。

■第三，有时候可能有必要将一个逻辑上的单个LAN分成多个独立

的LAN以便适应网络的载荷。

■第四，物理距离太长，例如，超过了以太网限制的2.5公里。

■第五，存在可靠性问题。

■网桥可提升一个组织的安全性。

■网桥与中继器的区别：新书P269

■网桥是透明的，这意味着移动机器跨越网桥，不需要改变任何硬

件、软件和配置表。

■新书P267~269

从802.X到802.Y的网桥

主机B

主机A

分组

网络层分组网桥

分组

分组分组

LLC层

802.3分组

MAC

802.11分组802.11分组802.3分组

层

802.3分组

物理层802.11分组802.11分组802.3分组

>802.11分组>802.3分组

CSMA/CD

将一帧从一个LAN传送到另一个LAN碰到的困难:

第一，每一种LAN的帧格式存在差别。新书P270

第二，数据速率存在差别。

第三，对最大帧长度的限制存在差别。

第四，安全问题

第五，服务质量

本地的网络互连

LAN1LAN2LAN3

-对一个进入的帧，在网桥中的路由过程取决于它在哪个

LAN上到达（源LAN）,以及它的目标地址在哪个LAN上

（目的LAN）。过程如下：

■（1）若目标LAN和源LAN相同，则丢弃该帧；

■（2）若目标LAN和源LAN不相同，则转发该帧；

■（3）若目标LAN未知，则使用扩散法。

生成树网桥

Bl复制＞B2复制、

的帧F1的帧F2

LAN2

原始帧

桥

远程网桥

网桥

LAN1

LAN2

［中继器

■在最底层，即物理层，

■是模拟设备，用于连接两根电缆段。

-在一段上的信号被放大后放到另一段上。

■它不理解帧、分组和头的概念，只理解电压值。

I集线器

■将许多条输入线路连起来，在任何一条线路上到达的帧

都将被发送到所有其他的线路上。

-若两帧同时到达，则会发生冲突，就好像它们在同一根

同轴电缆上一样。

■整个集线器构成了一个冲突域。

■连接到同一个集线器上的所有线路必须运行在同样的速

度上。

-集线器不检查802地址，也不以任何方式使用802地址。

-集线器可以容纳多块线卡，每块线卡上有多个输入。

■一个网桥连接两个或多个LAN。

-当一个帧到达时，网桥内部的软件从帧头中提取出目标

地址，然后在一张表中查找该地址，以确定该把这一帧

发送到哪里去。

-现代的网桥也有线卡，每块线卡通常支持某种特定类型

的4条或8条输入线路。

■通常，一个网桥有多块线卡，每块线卡针对不