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1、1,第5章介质访问控制子层,2,本章学习要求：了解：局域网与城域网的主要技术特点。了解：局域网拓扑结构的类型与特点。了解：IEEE 802参考模型与协议的基本概念。掌握：Ethernet局域网的基本工作原理。了解：令牌环网与FDDI的基本工作原理。掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网的基本工作原理。了解：无线局域网的基本工作原理。掌握：网桥的基本工作原理。,3,5.1 局域网与城域网基本概念 一、决定局域网与城域网性能的三要素,网络拓扑 传输介质 介质访问控制方法,4,二、局域网的拓扑,匹配电阻,干线耦合器,总线网,树形网,环形网,5,总线型拓扑构型,特点：总线型局域网的介质访问控制方法采
2、用的是“共享介质”方式；所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突（collision）”是不可避免的；“冲突”会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC，medium access control）问题。,6,总线结构与冲突,7,介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。,8,环型拓扑构型,结点使用点点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；环中数据沿
3、着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立、维护、结点的插入与撤出。,9,星型拓扑构型,逻辑结构与物理结构的关系交换局域网(switched LAN)的物理结构,10,三、传输介质类型与介质访问控制方法,局域网的传输介质类型 同轴电缆双绞线光纤无线通信信道讨论：双绞线已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s 的高速局域网中；在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。,11,介质访问控制方法:带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD令牌总线 token bus令牌环 token ring,12,信道
4、共享技术分类,信道共享,时分多路复用,频分多路复用,ATDM,CSMA/CD,令牌,静态分配,动态分配,13,LAN参考模型,IEEE802标准,IEEE 802,14,IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准；IEEE 802标准之间的关系：,15,一、以太网的工作原理,1.两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合
5、DIX Ethernet V2 标准的局域网,5.2 Ethernet局域网,16,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,17,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
6、层看不见下面的局域网,18,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。,19,二、Ethernet的发展,Ethernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；1972年，Xerox公司开始Ethernet实验网的研究；1979年，Xerox公司宣布了Ethernet产品；1980年，
7、Xerox、DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范；20世纪90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。,20,二、Ethernet帧结构与帧发送、接收流程分析 1.Ethernet数据发送流程的分析,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,21,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,二、Etherne
8、t帧结构与帧发送、接收流程分析 1.Ethernet数据发送流程的分析,B向 D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,22,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,23,为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连
9、接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,24,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,25,Ethernet/802.3操作,每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该
10、帧,信号由终端电阻吸收,26,CSMA/CD的发送流程可以概括为：先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发,27,CSMA/CD的流程图,媒体忙？,发送帧,碰撞？,发送完？,发送Jam,N16?,No,发送成功,发送失败,延迟随机时间,发送帧,碰撞次数N+,28,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发
11、送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,29,冲突检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,30,冲突检测：比较法和编码违例判决法,31,冲突窗口的概念,32,检测到冲突后,在发生碰撞时，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
12、息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,33,电磁波在总线上的有限传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。,34,1 km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,35,1 km,A,B,t,t=B 检测到信道空闲发送数据,t=/2发生
13、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,36,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,37,争用期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,38,二进制指
14、数类型退避算法(truncated binary exponential type),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。定义重传次数 k，k 10，即 k=Min重传次数,10从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,39,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突
15、，则后续的数据就不会发生冲突。,40,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,41,强化碰撞,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,42,2.Ethernet帧结构,前导码与帧前定界符字段目的地址和源地址字段 长度字段LLC数据字段帧校验字段,43,Ethernet
16、帧结构的讨论：,前导码与帧前定界符字段 前导码：7个字节，10101010101010比特序列。帧前定界符：1字节，10101011。目的地址和源地址字段 地址字段长度：2个字节或6个字节。目的地址类型：单一结点地址（unicast address）；多点地址（multicast address）；广播地址（broadcast address）。,44,长度字段 帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节。LLC数据字段 LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节少于46个字节，需要填充。帧校验字段 采用32位的CRC校验 校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段。,
17、45,3.Ethernet接收流程,46,Ethernet实现方法,47,Ethernet网卡结构,48,四、Ethernet物理地址,Ethernet地址 网络物理地址 物理网络地址;Ethernet地址=Manufacture ID+NIC ID 24bit+24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址：00-60-8C-01-28-12 Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。,49,Ethernet物理地址的十六进制与二进制
18、的表示方法,50,五、网络协议分析器及其应用,网络分析器或网络监视器是一种用来测试网络系统运行状态的设备；当网络分析器连接到被测试的网络时，它能监控特定的事件，并且报告诸如每秒平均接收帧数或平均帧长度等统计数据；网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议（TCP/IP、FTP、HTTP）的解码，它按照指定的协议规则加以解释，然后将协议分析的结果显示出来。,51,网络分析器的连入方式,52,网络分析器捕获的帧数据,53,网络分析器显示的Ethernet帧结构,54,六、传统以太网的连接方法,传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。,
19、55,802.3的介质与网络拓扑规范,10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10BaseT 双绞线 10BaseF MMF100BaseT 双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线,56,铜缆或铜线连接到以太网的示意图,主机箱,主机箱,主机箱,双绞线,集线器,BNC T 型接头,收发器电缆,网卡,插入式分接头,MAU,MDI,保护外层,外导体屏蔽层,内导体,收发器,DB-15连接器,BNC 连接器插口,RJ-45插头,57,以太网的最大作用距离,250 m,750 m,网段 1,转发器,网段 2,网段 3,转发器,转
20、发器,转发器,58,细缆以太网 10BASE2,用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。,59,网卡的功能,数据的封装与解封 发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。,60,星形网 10BASE-T,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双
21、绞线，分别用于发送和接收。在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,61,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,62,集线器的一些特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
22、使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。,63,具有三个端口的集线器,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,64,5.3 令牌总线网 一、令牌总线的工作原理,65,Token Ring/802.5的操作举例,A,T=0,T,A,T=0,T,A,T=1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,66,二、
23、令牌总线的环维护工作,环初始化 新结点加入环 结点从环中撤出 环恢复 优先级,67,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,68,3.令牌总线（Token Bus）,IEEE 802.4特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s；传输机制为以太网和令牌环的结合：物理传输采用广播方式；介质访问控制采用令牌方式。,69,5.4光纤分布式数据接口,FDDI作为主干网互连多个局域网的结构,70,FDDI主要技术特点,使用 802.5的单令牌环网介质访问控制协议；使用 802.2协议，与符合 802标准局域网兼容；数据传输
24、速率为100Mb/s，连网的结点数最大为1000，环路长度为100km；可以使用双环结构，具有容错能力；可以使用多模或单模光纤；具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。,71,FDDI主要应用环境,计算机机房网 办公室或建筑物群的主干网 校园网的主干网多校园的主干网,72,5.5 高速局域网的工作原理一、高速局域网的研究方法 推动局域网技术发展的因素,个人计算机的广泛应用；在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通道或EISA总线的微型机能产生大约250Mb/s的流量；基于Web的Internet/Intranet应用也要求更
25、高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。,73,传统共享式局域网的缺点,传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus；介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。,74,高速局域网的研究方法,第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mb/s100Mb/s10G
26、b/s；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥 或路由器互连的子网，导致了局域网 互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致了“交换式局域网”技术的发展。,75,交换式局域网基于硬件交换技术,并发连接；S=N10Mb/s共享式局域网与交换式局域网的比较,76,局域网产品类型与相互之间的关系,77,二、快速以太网,Fast Ethernet的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据传输速率达到了100Mb/s；Fast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE 80
27、2委员会正式批准了Fast Ethernet标准IEEE 802.3u。,78,Fast Ethernet的协议结构,79,三、千兆以太网,用Ethernet组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的Fast Ethernet；企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的Gigabit Ethernet。,80,Gigabit Ethernet的协议结构,81,四、10Gb/s Ethernet 10Gb/s Ethernet主要具有以下特点,10Gb/s Ethernet的帧格式与10Mb/s、100Mb/s
28、和1Gb/s Ethernet相同；10Gb/s Ethernet保留了802.3标准对Ethernet最小帧长度和最大帧长度的规定；10Gb/s Ethernet的传输介质只使用光纤；10Gb/s Ethernet只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。,82,10Gb/s Ethernet的物理层协议,10Gb/s Ethernet有以下两种物理层协议标准：局域网物理层标准 一个10Gb/s Ethernet交换机可以支持10个Gigabit Ethernet网端口；可选的广域网物理层标准 广域网物理层符合光纤通道技术速率体的SONET/SDH的OC-192/STM-64的标准。,83,5
29、.6 交换式局域网的工作原理 一、交换式局域网的基本结构,84,二、局域网交换机的工作原理,85,三、局域网交换机的技术特点,低交换延迟 支持不同的传输速率和工作模式 支持虚拟局域网服务,86,5.7 无线局域网一、无线局域网的组成,有固定基础设施的无线局域网,基本服务集 BSS,扩展的服务集 ESS,基本服务集 BSS,A,B,漫游,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,87,有固定基础设施的无线局域网,扩展的服务集 ESS,A,B,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,一个基本服务集 BSS 包括一个基
30、站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。,88,有固定基础设施的无线局域网,扩展的服务集 ESS,A,B,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)其作用和网桥相似。,89,A,B,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。,90,
31、扩展的服务集 ESS,A,B,802.x局域网,因特网,ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。,91,扩展的服务集 ESS,B,802.x局域网,因特网,移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。,92,无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network),自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互
32、通信组成的临时网络。,93,移动自组网络的应用前景,在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的，,94,移动自组网络和移动 IP 并不相同,移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。,95,二、802.11 标准中的物理层
33、,1997 年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。802.11 的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS直接序列扩频 DSSS红外线 IR,96,802.11 标准中的物理层（续）,802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6,9,12,18,24,36,48 和 56 Mb/s。802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。
34、,97,三、802.11 标准中的 MAC 层1.CSMA/CA 协议,无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。,98,无线局域网的特殊问题,A,B,C,D,当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。,这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station pr
35、oblem),99,无线局域网的特殊问题,A,D,C,B,B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。,其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem),100,CSMA/CA 协议,无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。下面先介绍 802.11 的
36、MAC 层。,101,802.11 的 MAC 层,MAC 层,无争用服务,争用服务,分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),点协调功能 PCF(Point Coordination Function),物理层,802.11b,802.11a,IEEE 802.11,MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。,102,802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层,MAC 层,无争用服务,争用服务,分布协调功能 DCF(Distributed Coordination
37、Function)(CSMA/CA),点协调功能 PCF(Point Coordination Function),物理层,802.11b,802.11a,IEEE 802.11,103,DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。,MAC 层,无争用服务,争用服务,分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),点协调功能 PCF(Point Coordination Function),物理层,802.11b,802.11a,IEEE 802.1
38、1,104,PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生,MAC 层,无争用服务,争用服务,分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),点协调功能 PCF(Point Coordination Function),物理层,802.11b,802.11a,IEEE 802.11,105,帧间间隔 IFS,所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧
39、需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。,106,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第 1 帧,SIFS,PIFS,时间,NAV（媒体忙）,DIFS,争用窗口,发送下一 帧,推迟接入,等待重试时间,有帧要发送,源站,时间,目的站,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内
40、从发送方式切换到接收方式。,使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。,107,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第 1 帧,SIFS,PIFS,时间,NAV（媒体忙）,DIFS,争用窗口,发送下一 帧,推迟接入,等待重试时间,有帧要发送,源站,时间,目的站,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIF
41、S 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即78 s。,时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。,108,三种帧间间隔,时间,SIFS,PIFS,DIFS,媒体空闲,发送第 1 帧,SIFS,PIFS,时间,NAV（媒体忙）,DIFS,争用窗口,发送下一 帧,推迟接入,等待重试时间,有帧要发送,源站,时间,目的站,ACK,SIFS,其他站,有帧要发送,DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS
42、的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 s。,109,CSMA/CA 协议的原理,欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。,110,为什么信道空闲还要再等待,这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送。,111,假定没有高优先级帧要发送,源站发送了自己的数据帧。目的站若正确收到此帧，则经过时间间
43、隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。,112,虚拟载波监听,虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。,113,虚拟载波监听的效果,这种效果好像是其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就
44、是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。,114,网络分配向量,当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV(Network Allocation Vector)。NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。,115,争用窗口,信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。在信道从忙态转为空闲时
45、，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11 使用二进制指数退避算法。,116,二进制指数退避算法,第 i 次退避就在 22+i 个时隙中随机地选择一个。第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个。,117,使用退避算法,仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。,118,2.对信道进行预约,802.11 允许要发送数
46、据的站对信道进行预约。,A,C,B,D,E,源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。,119,2.对信道进行预约,802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。,CTS,A,C,B,D,E,CTS,若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS(Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。,A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。,120,RTS 和 CTS 帧以及数据帧和
47、ACK 帧的传输时间关系,时间,DIFS,RTS,SIFS,时间,NAV（RTS）,DIFS,争用窗口,推迟接入,源站,时间,目的站,ACK,其他站,CTS,SIFS,SIFS,数据,NAV（CTS）,NAV（数据）,121,5.8 局域网互连与网桥的基本工作原理 一、局域网互连的基本概念,局域网互连的应用环境 一个单位的多个部门局域网的互连；办公楼之间局域网的互连；将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个子网的互连；超过单个局域网的最大覆盖范围的多个局域网互连；企业中部门的信息对安全、保密方面要求不同的局域网互连。,122,用多个集线器可连成更大的局域网,在物理层扩展局域网,123,优点
48、使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞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,124,HUB原理1.HUB从某一端口A将收到的帧发送到所有端口,125,2.非广播帧时，地址与帧目的MAC地址相同的站响应用户A,126,3.广播帧时，所有用户都响应用户A,127,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的
49、MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口,二、网桥的基本工作原理,128,过滤通信量。扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,使用网桥带来的好处,129,存储转发增加了时延。在MAC 子层并没有流量控制功能。具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,130,用户层,IP,MAC,站 1,用户层,IP,MAC,站 2,物理层,网桥
50、1,网桥 2,A,B,用户数据,IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T,物理层,DL,R,MAC,物理层,物理层,DL,R,物理层,物理层,LAN,LAN,两个网桥之间还可使用一段点到点链路,131,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。,网桥和集线器（或转发器）不同,132,网桥基本特征：网桥在数据链路层上实现局域网互连；网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与
