《计算机网络第三章》PPT课件.ppt

1、第三章（第二部分）,介质访问控制子层 MAC （Medium Access Control）,主要内容,一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例,一、介质访问控制子层的的概念,数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。 广域网 广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。 局域网 关键问题：如何解决对共享信道的分配问题,介质访问控制子层（MAC）：它是数据链路层上特有的一个子层，用于解决共享信道

2、的分配问题,典型的共享信道的网络有： 卫星通信系统、移动通信系统、局域网,介质访问控制子层在网络协议中的位置,从分层的角度来看，介质访问控制层（MAC）是数据链路层 的一个子层。它处于数据链路逻辑控制层LLC (Logical Link Control) 的下方，物理层的上方。,主要内容,一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例,二、信道分配问题,静态分配 动态分配,二、信道分配问题,静态分配(固定多址接入协议) 指在用户接入信道时，专门为其分配一定的信道 资源（如频率、时隙、码字和空间），用户独享 该资源，直至通信结束 典型的固定多址

3、接入协议有： FDMA、TDMA CDMA、SDMA,频分多址Frequency Division Multiple Access（FDMA） 把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的、互不重叠的频道（或称信道），并将这些频道分配给不同的用户使用,FDMA 的优点：相互之间不会产生干扰 用户较少且数量大致固定，每个用户的业务量都较大时（如在 电话交换网中） 缺点：频道资源的浪费 用户数较多且数量经常变化，业务量具有突发性 存在问题： 实际用户数少于已经划分的频道数时，造成频道资源的浪费； 当网络中的频道已经分配完毕，即使已经被分配到频道的用户没有通信，其他一些没有被分配到频道的用户也不能通信,时

4、分多址Time Division Multiple Access（TDMA） 将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个用户只能在指定的时隙内发送。,二、信道分配问题,静态分配 动态分配,动态分配,信道分配模型的五个基本假设： 站点模型：每个站点是独立的,并以统计固定的速率产生帧,一帧产生后到被成功发送之前,站点被封锁（即不再会有新帧产生）； 单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都是平等的，都可以从信道上收发信息 冲突假设：若两站点同时发送帧，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检

5、测到冲突，冲突帧必须重发； 时间假设：连续时间和时间分时隙（确定何时发送）； 监听假设：载波监听和非载波监听（确定能否发送）。,二、信道分配问题,动态分配 适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况。 竞争方式：各个用户竞争使用信道，不需要取得发送权就可以发送数据，这种方式会产生冲突。 无冲突方式：每个用户必须先获得发送权，然后才能发送数据，这种方式不会产生冲突，如预约或轮转方式。 有限竞争方式：以上两种方式的折衷（低负载和高负载）。,主要内容,一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例,三、多路访问协议,ALOHA 载波检测多路访问协议

6、无冲突的协议 有限竞争协议 无线LAN协议,ALOHA协议,ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题，在多个数据终端和计算中心之间的通信网络中使用。 基本思想：若一个空闲的站点上有一个帧到达，则立刻发送该帧，并期望不会和其他站点发生碰撞（冲突）。 纯 ALOHA 协议 时隙 ALOHA 协议,在信道上，有两个帧同时发送,1 纯ALOHA协议 最基本的ALOHA协议 基本思想：只要有新的帧到达，就立即被发送并期望不与别的帧发生碰撞。如果帧发生碰撞，则随机退避一段时间后进行重传。,纯ALOHA系统的工作原理图,A

7、1,帧产生,B1,A2,A2,B1,冲突,随机时间t1,t2,B2,A2,t3,B2,t4,B3,A3,站A,站B,信道上的总效应,A1,B1,A2,B2,在什么情况下数据帧可以不受任何干扰（不发生碰撞）的发送呢？ 很显然，在纯ALOHA协议中，只有在数据帧的易破坏区间内没有 其它的帧传输，该帧才可以成功的传输。所以，一个帧成功传输的概 率，就是在其产生时刻前、后各一个时间单位内没有帧到达的概率。,系统吞吐量（系统的利用率）：每帧时内系统能够成功 传输的帧数。 纯ALOHA系统利用率最高只有18.4%,如何提高系统利用率？,如何提高系统利用率？,根据上面的分析，纯ALOHA系统的特点是：站点只

8、要有帧就发送。它的易破坏区间为两个单位时间。 如果我们缩小易破坏区间，就可以减少帧碰撞的概率，提高系统的利用率。,2 时隙ALOHA协议 把时间轴划分为若干个时隙，各个站点只能在时隙的开始时刻进行传输，时隙宽度等于一个帧的传输时间。当一个帧到达某时隙后，它将在下一时隙开始传输，并期望不会与其它站点发生碰撞。,冲突危险期,系统的最大利用率：36.8%,纯ALOHA和时隙ALOHA的比较,纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，不管是否有 用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着整个发送过 程； 时隙ALOHA中，发送行为必须在时隙的开始，一旦在发 送开始时没有冲突，则该帧将成功发送。,纯ALOH

9、A和时隙ALOHA的性能比较,三、多路访问协议,ALOHA 载波检测多路访问协议 无冲突的协议 有限竞争协议 无线LAN协议,ALOHA协议,载波检测多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 载波检测（Carrier Sense） 站点在发送帧之前，首先监听信道有无载波，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。 各工作站不断地监视电缆段上的载波， “载波”是指电缆上的信号，通常由表明电缆正在使用的电压来识别。 多路访问（Multiple Access） 多个用户共用一条线路,常见的四种CSMA协议： 持续和非持续：

10、1-持续CSMA（1-persistent CSMA） 非持续CSMA（non-persistent） p-持续CSMA（p-persistent CSMA） 冲突检测 带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection）,1-持续CSMA（1-persistent CSMA） 原理 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则持续监听直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即（概率1）发送数据，发现冲突后随机等待一段时间，然后重新开始监听信道。 优点：减少了信道空闲时间； 缺点：增加了发生冲突的概率； 该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。,非持续CSMA（nonpersi

11、stent CSMA） 原理 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲则发送数据。 优点：减少了冲突的概率； 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大 信道效率比 1-持续CSMA高，传输延迟比 1-持续CSMA大。,p-持续CSMA（p-persistent CSMA） 适用于时分信道。 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则等到下一个时间片再监听，若信道空闲则以概率p发送数据，以概率1-p将发送推迟到下一个时间片。如果下一个时间片信道仍然空闲，则仍以概率p发送，以概率1-p将发送推迟到下一个时间片。此过程一直重复，直至发送成功或另一个用户开始发

12、送（检测到信道忙）。若发生后一种情况，该站的动作与发生冲突时一样，即等待一个随机时间后重新开始。 该协议试图在1-持续CSMA和非持续CSMA间取得性能的折衷，影响协议性能的关键在于p的选择。,几个CSMA协议的性能比较,常见的四种CSMA协议： 持续和非持续： 1-持续CSMA（1-persistent CSMA） 非持续CSMA（non-persistent） p-持续CSMA（p-persistent CSMA） 冲突检测 带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection）,CSMA不能避免冲突,带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD 引入原因

13、当两个帧发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 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。 解决方法：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。,CSMA/CD,CSMA/CD的要点,在一帧传输完成以后的时刻t0，任何需要发送数据的站点都可以尝试发送； 如果两个或两个以上的站点同时发送，则发生冲突； 判断出发生冲突以后，立即停止发送，并等待一个随机的时隙后，再继续发送。,CSMA/CD的状态周期：由传输周期、竞争周期和空闲周期交织而成。,CSMA/CD的要点,如果两个站点在

14、时刻t0发送数据，它们需要多长时间才能意识到已经发生冲突了？即一个站点在开始传送数据之后多长时间，才可以认为它已经“抓住”电缆了？,站点从开始传送至检测到冲突，所需的最长时间等于信号在相距最远的两个站之间的来回传输时间（2）。,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,站点从开始传送至检测到冲突，所需的最长时间等于信号在相距最远的两个站之间的来回传输时间（2）。,CSMA/CD协

15、议的工作过程,CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为： 先听后发、 边听边发、 冲突停发、 随机重发。,CSMA/CD协议的特点,在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各站点通过竞争的方法强占对介质的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。 因此，站点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。 网络在轻负载（站点数较少）的情况下效率较高。但是随着网络中站点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。,CSMA 与 CSMA/CD,CSMA协议（持续和非持续）的“讲前先听”对ALOHA系统进行了有效的改进，

16、但在发送过程中若发生冲突，仍要将剩余的无效数据发送完，既浪费了时间又浪费了带宽。 CSMA/CD协议的“边讲边听”可对CSMA作进一步的改进。发送过程中，仍然监听信道，通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将其与发送的信号作比较，就可判断是否发生冲突。一旦发生冲突，立即取消发送，等待一随机时间后再重新尝试发送。,三、多路访问协议,ALOHA 载波检测多路访问协议 无冲突的协议 有限竞争协议 无线LAN协议,主要内容,一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例,四、局域网,局域网的体系结构 以太网与IEEE802.3 WLANIEEE802.1

17、1,四、局域网,IEEE的802标准化委员会制定了局域网和城域网的标准,IEEE802局域网体系结构,局域网不存在路由选择问题，其IEEE802标准的体系结构只有ISO/RM中的最低二层：数据链路层，物理层;,局域网的种类繁多，其介质接入控制方式各不相同，为了使局域网中的数据链路层不致于过于复杂，将局域网的数据链路层划分两个子层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法；,LLC子层为本站点提供 组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关； MAC子层如何协调本站点和其他站点有效地共享带宽资源,LLC,MAC,四、局域网,局域网的体系结构 以太网与IEEE

18、802.3 WLANIEEE802.11,以太网的产生和发展 Xerox （施乐）公司创建第一个实验性的以太网(1972) DEC、Intel和Xerox三个公司制定了一个针对10Mbps以太网的标准，称为 DIX Ethernet V1(1978)，后经1982年修改后的版本为DIX Ethernet V2 标准； 这三家公司将此规范提交给IEEE(电子电气工程师协会)802委员会，经过IEEE成员的修改并通过，变成了IEEE的正式标准，并编号为IEEE802.3 （1983年）；,以太网与IEEE802.3,DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 802.3 标准只有很小的差别，

19、因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。,Ethernet: 以太网的英文是Ethernet。ether，就是以太，本来是物理上的一个词，有一种物理观点认为宇宙空间充满着以太这种物质。这个网络起这个名字就是希望将来这种网络遍布世界，目前看来实现了。,物理层标准 1、传输介质,传统以太网：10Mb/s 802.3 粗同轴电缆 802.3a 细同轴电缆 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网（FE）：100Mb/s 802.3u 双绞线，光纤 千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s） 802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 802.3ab 双绞线 万兆以太网（10GE）：

20、10Gb/s 802.3ae 光纤,物理层标准 1、传输介质,传统以太网：10Mb/s 802.3 粗同轴电缆 802.3a 细同轴电缆 802.3i 双绞线 802.3j 光纤,传统以太网就有四种不同的物理层,粗/细缆以太网在新建的局域网中已很少使用；双绞线以太网成为连接桌面系统最流行的局域网技术；光纤以太网常用于建筑物间的连接。,2、802.3的信号编码 由于曼彻斯特编码的简单，所有的802.3基带系统都使用曼彻斯特编码。,以太网MAC子层协议 包括数据帧格式定义和CSMA/CD协议,数据帧格式定义,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 8

21、02.3 标准,数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,DIX Ethernet V2 标准,数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧起始 定界符,7 字节,1 字节,先导域:7个Bytes的10101010，该字段经过曼彻斯特编码会产生一个10MHz的方波（持续时间为 5.6us），以便接收方和发送的时钟进行同步； 帧起始符:10101011，标志着一帧的开始。与802.4和802.5相兼容,数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,通常各使用6字节地址（MAC地址）；,MAC地址,每一块网络适配器

22、（网卡）固定分配了一个地址，称为MAC地址，也称物理地址。 MAC地址长6个字节，一般用由冒号分隔的6个十六进制数表示，如： 08:00:20:e4:b1:02 其中前24比特是分配给每个制造公司的代号。 例如，AMD的前缀是08:00:20，然后，制造商必须保证其产 品的地址后缀在该品牌中是唯一的。,08 00 20 e4 b1 02,数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,IEEE802.3 长度字段：指明数据部分的长度 （1500 ),数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,数据字段 1 1500 字节,数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,填充域PAD：保证数据帧达到最小

23、帧长度,以太网要求有效帧必须至少64字节长（从目的地址算起一直到校验和）,最小帧长度,若信号在以太网上相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2 要求：保证在帧的传输过程中检测到冲突，即： 帧的传输时延 t = 2 在最大配置的以太网（带有4个中继器、直径为2500米的粗缆以太网）中， 2=51.2s ，这在10Mbps速率下对应于512比特（64字节）的最小帧长： 648/10M = 51.2s 所以，帧的长度必须 大于 64 Bytes（不含前导符和起始符）,结论： 冲突只可能在一帧的前64字节内发生； 帧长度小于64字节时，在发送过程中将无法检测出冲突； 长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无

24、效帧。,数据帧格式定义,802.3 MAC 帧格式,CRC校验,以太网MAC子层协议 包括数据帧格式定义和CSMA/CD协议,以太网采用CSMA/CD作为介质访问控制协议： 发送前监听信道： 信道忙则坚持监听，直至信道空闲； 一旦发现信道空闲，立即发送； 发送时继续监听信道，若检测到冲突立即停止传送帧，并发送一个阻塞信号； 进入指数退避（exponential backoff）阶段，随机等待一段时间，重新监听信道。,二元指数退避算法 冲突产生后，时间被分成一系列长度为2的时隙； 第一次冲突后，发生冲突的站点从0、1中随机挑选一个时隙进行等待，然后重试； 以后每发生一次冲突，站点可以选择等待的时

25、隙数就增加一倍，即第i次冲突后，站点可从0 2i-1中随机挑选一个时隙进行等待，然后重试； 达到10次冲突后，随机等待的最大时隙数固定在1023； 16次冲突后不再重发，向上层报告出错。,LLC帧与MAC帧之间的关系,局域网对 LLC 子层是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,LLC子层为本站点提供 组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关； MAC子层如何协调本站点和其他站点有效地共享带宽资源,与接入到传输介质有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输介质无关，

26、不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,以后一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。 很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。,四、局域网,局域网的体系结构 以太网与IEEE802.3 WLANIEEE802.11,无线局域网 WLAN,无线局域网主要用作有线局域网的补充： 有线局域网用来连接服务器和固定的工作站，并连接到因特网上； 无线局域网用来连接不易布线的

27、节点或移动节点； 无线局域网的设备通常连接到有线局域网上。 目前无线局域网最流行的标准是IEEE802.11。,无线局域网的标准：IEEE802.11协议标准是第一个被全球认可 的无线局域网协议标准。 802.11： 原始标准，速率2Mbps，工作在2.4GHz 802.11a：物理层补充，速率54Mbps，工作在5GHz 802.11b：物理层补充，速率11Mbps，工作在2.4GHz 802.11c：符合802.11d桥接协议； 802.11d：根据各国无线电规定做的调整。 802.11e：对服务等级（Quality of Server，QS）的支持。 802.11f：基站的互连性（Int

28、eroperability）。 802.11g：物理层补充，速率54Mbps，工作在2.4GHz。 802.11h：无线覆盖半径的调整，室内和室外信道（5GHz）。 802.11i：安全和认证方面的补充。,Wi-Fi 与 WAPI,我国自己建立的无线局域网标准 WAPI （WLAN Authentication and Privacy Infrastructure ） 是我国具有自主知识产权的无线局域网标准 Wi-Fi （ Wireless Fidelity 无线保真）联盟是一个全球性组织，主要是推广无线局域网标准IEEE 802.11。这是美国力推的一项技术标准，现在全球大部分的无线局域网产

29、品都在采用，而且它的触角已经伸到了消费电子和手机领域。 802.11的安全漏洞一直是业内人事对其争议的焦点所在，也正是它的安全漏洞使得很多消费者只把它用在对安全性要求不高的非正式场合，而WAPI对无线局域网安全机制方面的规范进行了改进，国标GB15629.11和GB15629.1102,无线局域网的两种结构,802.11协议栈,802.11 MAC子层协议 CSMA/CA （CSMA with Collision Avoidance）,主要内容,一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例,网络互联设备,网络互联主要在四个层次上进行： 物理

30、层中继器、HUB 数据链路层网桥、交换机 网络层路由器 传输层及以上网关（协议转换器）,局域网扩展,在物理层扩展局域网 - 使用中继器、集线器 在电缆段之间复制比特信号，信号整形、放大、再生,扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络,局域网扩展,在数据链路层扩展局域网 - 使用网桥、交换机 在网段之间转发数据帧（根据MAC层物理地址）,网络互连,在网络层对多个网络互连 - 使用路由器 在网络之间转发 IP 分组（根据 IP 逻辑地址）,路由器在多个网络之间进行网络互连，内容将在下一章介绍。,在传输层及更高层互连 - 使用网关 在传输层及更高层上进行处理或协议转换,网络互连,(1) 在物理层扩展局

31、域网,物理层扩展设备： 中继器（Repeater）和集线器（Hub）,中继器,作用 在物理层上实现局域网网段的扩展，主要起到信号再生、放大、延长网络距离的作用。 优点 安装简单、使用方便、价格便宜。 缺点 不能够无限制地扩展网络长度。 中继器处理的对象是数据比特，它不能识别数据链路层的帧格式或网络层的分组格式。不提供网段之间的隔离。,集线器,集线器：多端口中继器 用多个集线器可连成更大的局域网,优点 使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 冲突域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的冲突域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,在数据链路层扩展局域网用的设备： 网桥（Bridge）和交换机（Switch）,(2) 在数据链路层扩展局域网,广播域,冲突域,冲突域,网桥或网络交换机,HUB,冲突域/广播域,网段2,网段1,总带宽: BW*2 节点带宽: BW/4,总带宽: BW