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1、第4章 介质访问子层（MAC子层）,本章内容,背景及介质访问子层功能介质访问基本方法竞争访问信道、无冲突协议、有限竞争协议网桥及交换机以太网协议其他协议WiFi、WiMax,4.1背景及功能,考虑本地有多台计算机联成一个网基本要求每台计算机只有一个通信接口任意计算机之间都可以相互发送数据计算机在网络中的地位平等采用何种方法可以把这些计算机都连起来？,A,C,B,D,E,F,任意一台计算机(例如A)，可以其它把数据送给其它的任意的计算机(例如C),4.1背景及功能,计算机网络分为两类点到点信道的网络共享信道的网络（广播信道的网络或广播式网络）广播信道也称为：多路访问信道或随机访问信道广播信道网络
2、的特点所有站点共享同一信道一个站发送的数据将传遍整个网络同时发送会产生冲突需要某种信道访问机制介质访问子层研究的问题,频率f,4.1 背景及功能,问题提出两个以上站点使用共享信道不能有多个站点同时发送冲突接收站如何从帧流中识别送给自己的数据与点到点式信道相比有很多新的工作问题解决目标无冲突或能降低冲突，实现通信信道利用率高,STOP,Reject,Accept,Collision,在哪里解决共享式信道分配的问题？逻辑链路控制Logic Link Control关注两点之间的通信控制介质访问控制Media Access Control关注在共享媒体上收发数据,介质访问子层的位置,逻辑链路控制LL
3、C,介质访问控制MAC,术语：多路复用与多路访问,多路复用：Multiplex多个通信复用到一个信道上TDM、FDM通过划分子信道，实现多个一对一的通信多路访问：Multi-Access在一个信道上，实现与多个站点的通信TDM的联网通信方式，称为TDMAFDM的联网通信方式，称为FDMA其它的还有CSMA，载波侦听多路访问CDMA，码分多路访问WDMA，波分多路访问,4.2 广播信道分配问题,静态分配将广播信道分为多个“子”信道FDM TDM 每个用户分配一个子信道较大延时，较多带宽浪费（P210）N倍延时（排队论）困难的多路访问（MA）数据帧投递动态分配动态不划分子信道，根据用户数据需求进行
4、信道分配非固定使用信道资源：时隙、频段(ALOHA、slotted ALOHA、CSMA、CSMA/CD),重,广播信道分配方式,集中式分配由中心站（基站）主导资源分配分布式分配不存在中心站，由各站点相互协商、协调，共同完成节约成本本章的重点广播式信道动态的分布式分配方式,4.2.1静态信道分配,静态分配：多路复用技术频分复用FDM Band=f1,f2,fn整个信道从频段上划分为N个子频段，子频段的速率r=R/N站点工作在某个子频段上，以速率r全时工作时分复用TDM T=T1,T2,Tn时间周期，每个周期分为N个时隙，时隙的平均速率r=R/N站点工作在某个时隙上，以速率R分时工作,N个子频段
5、,A,B,C,D,E,F,速率=R,T,T,T,T,T,FDM,TDM,A,B,C,D,E,F,t,全时工作,t,分时工作,静态信道分配,低下的传输性能在数据流猝发性很强的计算机网络中尤为突出设信道传输能力为R，分为N个子信道每个子信道峰值传输能力仅为r=R/N设“峰均比”为100：1，子信道的平均流量只能达到r/100N个站的总传输能力仅为N*r/100=R/100即只有1%的利用率注：峰均比是猝发性流的评价指标之一,r,t,流量,静态信道分配,静态信道分配,多路访问（MA）难以实现将数据帧投递到任意指定的目的地目的地使用的接收子信道是哪个？什么时候实现频率转换？,N个子频段,A,B,C,D
6、,E,F,4.2.2动态分配的环境设定（P211）,站点模型一次发送一个帧，直到成功发送信道所有站共用一个信道单信道冲突两个站同时在信道上传输时，其它站收到的信号是混乱的连续时间或分槽时间载波检测或无载波检测,动态信道分配的性能优势,传输性能对猝发性的适应多路访问的简单实现利用共享信道的广播特性一发多收，或一发全收，不需要频道转换,t,流量,广播信道分配问题,动态分配棘手的问题多于两个站同时发送，就会产生冲突分布式协调信道“争抢”得太厉害，导致混乱大家太“谦让”，导致浪费资源,关,广播信道分配问题,动态分配动态分配方法类型竞争信道节点无序抢占信道允许冲突存在有序访问控制节点访问信道次序无冲突有
7、限竞争结合竞争方式和无冲突方式轻负载时，使用竞争方式重负载时，使用无冲突方式,4.3.1竞争访问信道,4.3.2有序访问信道,4.3.3有限竞争信道,重,本章重点竞争访问信道算法,算法优点信道利用率高其它站点不发送时，可占用更多的信道资源联网方式简单不需要进行信道划分站点数可变通信方式简单发，或者不发(不存在子信道带来的问题)适合于计算机间的组网通信通信的对象可变通信的数据量可变，通信能力强站点可自由上下网最大问题如何最大限度避免出现发送冲突,4.3 多路访问协议(教材4.2节),4.3.1有竞争的多路访问协议纯ALOHA协议各站想发就发，碰撞随时可能发生时槽ALOHA协议规定统一发送时刻，碰
8、撞时帧完全重叠CSMA协议发前侦听信道，忙则随机后退有三种策略：0坚持、1坚持和P坚持CSMA/CA：WLAN的MAC协议CSMA/CD发前侦听信道，发送时同时检测信道检测到冲突立即停发，释放信道,发前不听不看，冲突严重,虽发前侦听信道，但冲突一旦发生不能立即停下，造成资源浪费,冲突立即释放信道，提高信道利用率,信道竞争模型,竞争模型N个独立工作的站点，随机地发送数据帧进入信道的帧的速率是一个随机过程(设均值为G)某个帧成功传输的条件(无论谁接收、不考虑误码):没有与其它帧在时间上有重叠,进入信道(帧速率G),成功传输出信道（吞吐率S）,冲突的帧（消失在信道上),S：归一化吞吐率 S=吞吐量/
9、信道容量G：归一化帧速率 G=帧速率/信道容量 显然：SG,信道竞争模型,背景知识：泊松(Poisson)分布无穷多个独立工作站点随机生成(发送)帧的概率分布设有一小的时间间隔dt，若在dt内生成一帧的概率为dt(dt1),且独立于其它时间间隔当dt足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量概率结构与时间位置无关则可推出在t时间内生成n个帧的概率为均值为方差为,为帧的平均生成速率(研究表明：当站点数超过20个时,其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）,信道竞争模型,帧速率的概率分布在任意的一个时间段T(帧长度)内，生成k个帧的概率服从泊松分布其中G为
10、平均帧速率,典型值：T内生成0帧的概率为 pT(0)=e-G T内生成1帧的概率为 pT(1)=Ge-G 2T内生成0帧的概率为 p2T(0)=e-2G,信道竞争模型,竞争模型的性能特性：吞吐率S与帧速率G的关系：S=GP0（P0成功传输概率）帧的数量少冲突概率小传输成功率高吞吐率高帧的数量多冲突概率大传输成功率低吞吐率低,帧速率小,帧速率适中,帧速率过大,G(帧速率),S(吞吐率),G小,G适中,G过大,G小：吞吐率随帧速率的增加而增加(成功传输的帧增多),G过大：吞吐率随帧速率的增加反而下降(更多的冲突),理想情况,1,1,ALOHA,Pure ALOHA工作原理节点只要有数据就可以直接占
11、用信道，启动发送不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，“想发就发”可以预测帧速率较大时，冲突会急剧上升只能工作在帧速率较小的场合何种帧速率适合Pure ALOHAPure ALOHA所能达到的吞吐率,70年代，夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来，Norman Abramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（or pure ALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代,Pure ALOHA 的性能,为简单起见，假定所有站点发送的帧是等长的，占用信道的时间为T设某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：在t-Tt+T的2T间隔内没有其它
12、站点发送(如图所示)即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布)为P0=P2T内无帧产生=e-2G由S=GP0，可得Pure ALOHA的吞吐率S=Ge-2G,站1,站2,t,t+T,t-T,站N,Pure ALOHA 性能曲线,性能描述当帧速率G小于信道容量的 50%时，发送帧产生的冲突较少，吞吐率随帧速率而增加当帧速率G大于信道容量的 50%后，发送帧产生的冲突急剧上升，吞吐率下降Pure ALOHA的最佳性能出现在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率为信道容量的18.4%)信道利用率(吞吐率)低的原因是站点的无序竞争,S=Ge-2G,理想吞吐率,Slot ALOHA,针对Pure
13、ALOHA无序竞争的冲突，加以改进改进方法把信道划分为T为单位的时隙，站点只能在时隙的开始处发送帧没有冲突、或完全冲突，减少冲突帧的持续时间改进的代价是所有站点实现时隙的同步(增加了实现难度)谁负责时隙管理，管理者出故障怎么办等改进后，性能提高多少？,2009 SPLENG,Slot ALOHA,设：某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：在t-Tt的间隔内没有新帧产生(新帧将在t时刻发送)其概率为P0=PT内无帧产生=e-GSlot ALOHA的吞吐率为S=GP0=Ge-G与Pure ALOHA相比减少了冲突的可能性可容纳更高的帧速率从而提高了信道的吞吐率Pure ALOHA的2倍
14、最大吞吐率出现在G=1处S=1/e=0.368,CSMA,如果发送和接收都在同一个信道上，发送之前可发现信道是否被其它站点占用，从而可以降低冲突“先听后发”工作原理：载波侦听多路访问发送前侦听信道信道空闲，就启动发送信道被占用，就等到信道空闲再发送如果有两个以上站点都在等，一旦信道空闲就会同时发送而冲突。因此，需要错开各站点启动发送的时间。三种错开发送时间的策略1坚持CSMA：立即发送0坚持CSMA：等待一段随机长度的时间(随机后退)p坚持CSMA：可能立即发送(概率p)，可能等待(概率1-p),CSMA,发送前侦听线路使冲突窗口减小为传播延时即载波信号传播到全网范围前多个站点同时侦听，发现信
15、道“空闲”，产生冲突冲突概率下降典型数据：数传速率10Mbps，距离1km，平均帧长12kbALOHA 冲突窗口：2T=212k/10M=2.4 msSALOHA冲突窗口：T=1.2msCSMA 冲突窗口：Tp=1/（2105）=5 s,站A,站B,站C,t+Tp,t+T,t+2T,t,站D,t,侦听,CSMA载波侦听动画（一）,t,信道空闲,A侦听信道，立即发送数据,信号到达B处,B侦听信道，抑制发送,A,B,CSMA载波侦听动画连续（一）,t,信道空闲,A侦听信道，立即发送数据,信号到达B处,B侦听信道，抑制发送,A,B,CSMA载波侦听动画（二）,t,信道空闲,A侦听信道，立即发送数据,
16、信号到达B处，产生冲突,B侦听信道，立即发送,A,B,信号传播延时,CSMA降低了冲突概率因为信号传播延时是很短的以0.7光速传播,1坚持CSMA,信道闲后，启动发送的概率p=1准备发送：侦听信道若信道闲,启动发送否则,持续侦听信道直到信道闲，启动发送前一发送完成，后面很容易产生冲突下一帧不冲突的概率：在一个T内最多产生一帧的概率 p=p(0)+p(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G,Ready,信道忙,否,侦听,Ready,是,站A,站B,站C,站D,侦听,侦听,0坚持CSMA,信道闲后，启动发送的概率(p=0)再等待一段时间后决定是否发准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，等到信
17、道闲，再等待一随机时间后在尝试发送降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突,Ready,信道忙,否,侦听,Ready,是,后退,站A,站B,站C,站D,随机延时后侦听,侦听,随机延时后侦听,p坚持CSMA,信道闲后，启动发送的概率为p，继续等待的概率为1-p准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，等到信道闲，以概率p启动发送，以概率1-p继续等待降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突最佳方案：调整概率p，使得发送的站点数=1,Ready,信道忙,否,侦听,Ready,是,后退,Rp,R=rand(),是,站A,站B,站C,站D,A计算概率为可以发送,D计算概率为不能发送,几种竞争协议的效率,吞
18、吐率轻负载下，1-坚持的性能好，0-坚持差，p-坚持中等重负载下，1-坚持的性能差，0-坚持好，p-坚持中等,CSMA/CD（结合P216、P233）,载波侦听多路访问/冲突检测引入已经发生冲突的帧，继续发送的部分是浪费冲突检测发送的过程中继续检测信道，以及时发现冲突发生冲突后，立即停止发送,站A,站B,站C,冲突,浪费,冲突检测方法,电平判断冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值逻辑判断发送的数据与同时收回来的数据不一致集线器上有两个及以上的端口“活动”,+,=,超高,冲突检测时间,最多花多长时间发现冲突接近于0，但不等于0为传播时延距离/0.7光速发送超过2 时间后不需要再检测冲突了,冲突检
19、测后的处理,检测到冲突后立即停止传输停止传输后，随机延迟一段时间再尝试发送若各站的延迟时间相同，则一定会再次冲突延迟时间以时间片为单位一个时间片最大冲突检测时间随机延时算法截断二进制指数回退算法,while attempts attemptlimit and collision k=min(attempts,10);r=radom(0,2k);attempts=attempts+1;end of while,r为计算出的延时时间片以时间片为单位,CSMA/CA无线局域网协议,无线局域网的广播特性信道共用无基站，对等式无线环境的特殊性：冲突域不固定,A,B,C,A C之间并不冲突，但在B看来，大
20、家都是冲突的,无线局域网,隐藏站点A向B发送数据时C监测不到载波C也向发送数据，造成冲突A对C隐藏暴露站点B向A发送数据C向D发送数据 本来互不干扰但在B发送时，C检测信道，以为会发生冲突，而停止B暴露在C、D之间,A,B,C,A,B,C,D,难,无线局域网协议,MACA冲突避免解决隐藏站点冲突A欲向B发送数据，先发送RTS帧提醒BB应答CTS，阻止在B覆盖范围内的其他所有站点发送数据（不包括A）C收到CTS后，不向B发送数据而避免了冲突（在B周围的所有站点中只有A能发送数据）,A,B,C,RTS,CTS,RTSRequest To SendCTSClear To Send,无线局域网协议,M
21、ACA解决暴露站点问题C收不到A发出的CTS发送抑制帧C可以在B向A发送数据的同时向D发送数据新的问题RTS帧的冲突,A,B,C,D,CTS,竞争访问信道,竞争访问信道面临的问题及解决方案有冲突出现尽量减少冲突降低冲突概率监听载波随机后退尽量减小冲突带来影响分时槽监听载波冲突检测减少用户发送延迟发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔降低冲突概率减小冲突持续时间,4.3.2 无冲突协议,（1）预定协议信道申请（2）自定方式（3）用特定信息指挥发送,无冲突协议,（1）预定协议信道申请在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问争用时隙的使用发送站在自己的争用时隙中置位在争用时隙结束后，各发送
22、站按顺序发送基本位图：建立争用时隙与站点的映射（图4-6）,49,无冲突协议,（2）自定方式不预定信道，而是利用站点自带的信息（地址）决定使用信道的顺序二进制倒计数法各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否改变地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据,无冲突协议,二进制倒计数法 例,站A、站B、站C、站D，地址分别为0010、0100、1001、1010,0 0 1 0,0 1 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,假设四个站点同时希望发送，它们将自己的地址送出，并同时监听网络上的数据。,A,B,C,D,发送顺序,先,后,0,0,1,1,1,1,1,1,D站可以发送数据,发
23、送站中地址最高的可以发送数据地址动态变化，以使保证公平性,无冲突协议,（3）用特定信息指挥发送令牌令牌环、令牌总线由监控站向“指定站”发送一个“令牌”，拿到“令牌”的站才能发送数据监控站保证只有一个令牌出现。只有一个站能发送没有冲突令牌沿环依次传递轮询制从上游站得到令牌发送完数据向下游站发送令牌,扩,4.3.3 有限竞争协议,产生背景竞争协议与无冲突协议在轻载和重载下的不同特性各有优劣轻载时，竞争协议具有低发送延时特性重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性分组分时隙法分组：组数N 组内成员数M组间用竞争方式，组内用无冲突方式组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式轻载时，增加组内成员数量
24、，减少组的数量重载时，增加组的数量，减少组内成员数量,优,优,53,4.3.4 波分多路访问协议,应用环境,光在光纤内传输是有方向的点到点信道无源光柱共享信道,接收器,发送器,关,54,波分多路复用（自学）,波分利用不同的波长作为不同的信道（类似FDM）每个节点具有各自的发送信道、接收信道一个波长固定的接收端，收控制信息一个波长可调的发送端，发控制信息一个波长固定的发送端，发送数据一个波长可调的接收端，接收数据,控制接收,数据接收,控制发送,数据发送,波长固定,波长可调,55,波分多路复用,基本模型及关键问题：每个站的发送是固定波长,C,数据接收,数据发送,B,数据接收,数据发送,A,数据接收
25、,数据发送,1,2,3,何时调整接收波长到指定站？,56,波分多路复用,协议过程A向B发送数据B在数据信道定期发送信道状态信息（控制信道、数据信道何时空闲）A调整接收数据信道，监听B的状态通告A调整发送控制信息的波长，向B发出请求信息：“请在某时接收我发送的数据”B接受请求后，在议定的时候将接收数据波长调整与A的数据发送波长一致，接收数据,57,波分多路复用,数据发送,A,B,数据发送,数据接收,控制接收,控制发送,控制接收,控制发送,数据接收,A1,A2,B1,B2,S,S,S,S,S,req,Data to B,58,波分多路复用,复用：一段时间内，站点向多个目标发送了数据并从多个源接收了
26、数据,59,波分多路复用,小结波分复用与纯广播式通信不同，各节点有自己的独立信道，而不是大家都共用同一个信道与FDM方式的信道固定分配不同，带有动态分配的思想，具有统计复用的特点，信道利用率高数据发送信道波长虽然固定，但并不限制只能将数据发送给一个站点当多个站点同时请求向一个站点发送数据时，也会出现冲突,4.4以太网(教材4.3节)MAC子层应用例,采用了CSMA/CD技术的局域网范围小、数传速率高，共享介质一根电缆连接所有的站点背景IEEE802委员会IEEE802.3,MAC媒体访问控制层,PHY物理层,LLC逻辑链路控制层,高层,数据链路层,以太网MAC层,介质访问技术CSMA/CD传输
27、前侦听载波信道空闲立即发送信道忙则一直侦听，直到信道空闲，然后立即发送发送过程中同时检测冲突发现冲突立即停止传输，并在随机延时后尝试发送停止传输后，用二进制指数回退算法计算延时一些重要的规定最小帧长64字节，最大帧长1518字节最多连续冲突次数：16次帧间间隔12字节,以太网MAC层,帧格式前导码：10101010串，用于同步目的地址：6字节三种形式单播：单目的、普通地址指定站点接收多播、组播：组地址一组站点同时接收广播地址所有站点全部接收,前导码,目的地址,源地址,长度/类型,数据,帧校验,8字节,6字节,6字节,2字节,461500字节,4字节,以太网帧格式,目的地址第一字节，最低位为0表
28、示单播地址普通地址为1表示多播地址组地址全部为1表示广播地址例：0 x 01 00 5E 73 0C 01组播地址0 x 00 90 0A 27 0B 0C单播地址0 x FF FF FF FF FF FF广播地址,以太网帧格式,长度/类型字段小于1536表示帧长度帧中数据字段的长度数据内容是变长的，最大为1500大于1536表示帧类型数据字段封装的协议类型0 x800：表示数据内容是IP分组0 x806：ARP分组,前导码,目的地址,源地址,长度/类型,数据,帧校验,8字节,6字节,6字节,2字节,461500字节,4字节,目的地址,源地址,0 x800,IP分组,以太网帧格式,帧校验字段3
29、2位CRC校验MAC层发现帧错误后，仅向上层报告而不进行差错控制,前导码,目的地址,源地址,长度/类型,数据,帧校验,8字节,6字节,6字节,2字节,461500字节,4字节,共享式与交换式以太网,共享式以太网传统的以太网是共享式的站点采用CSMA/CD竞争信道一根电缆连接所有的站点一个集线器连接所有站点集线器将一个端口的数据同时送到所有端口多个站点同时发送时就产生冲突集线器相当于一个共享的电缆集线器是工作在物理层的设备,共享式与交换式以太网,交换式以太网端口与站点采用全双工通信共享缓冲区、交换矩阵、CrossBar等在端口间转发数据帧所有端口并行工作交换机提供独享的信道，没有信道竞争 关闭了
30、CSMA/CD交换机是数据链路层设备,帧缓冲区,转发,根据目的MAC向相应端口转发帧,以太网交换机,68,共享式与交换式,集线器提供各端口共享式带宽多个集线器级联共享同一带宽交换机提供各端口独享带宽多个交换机级联扩展带宽,HUB型组网,带交换机的组网,纯交换的组网,快速以太网(Fast Ethernet),数传速率为100Mbps的以太网802.3u与10Mbps的以太网兼容10/100M自适应电缆：5类双绞线接口：RJ45编码：8B/6TMAC层：CSMA/CD全双工（交换式）下不用,千兆以太网,数传速率为1000Mbps的以太网802.3z，802.3ab等“电”缆：802.3z光纤，80
31、2.3ab双绞线编码：8B/10BMAC层：CSMA/CD全双工（交换式）下不用帧扩充（载荷扩充）技术，将小于64字节的帧扩充到512字节发送帧突发（帧串）技术，一次可连续发送多个小于512字节的帧，直到8k字节,4.5 网桥与交换机（工作原理）,4.5.1 网桥的应用环境网桥的产生局域网内依靠线路、环路、集线器等已经能够实现连接局域网间需要互连,桥,局域网互连需求,LANs分散，相距较远调节载荷需要，减轻主干负担可靠性需要，限制故障范围安全性需要，将局域网隔离,WLAN里的AP（接入点、热点）也是网桥哦,4.5.2 网桥技术,网桥的基本技术工作在数据链路层接收局域网上所有的帧根据帧内目的地址
32、判断转发接口，进行转发采用存储转发技术不同的LAN之间可能需要进行协议转换,桥,A,B,C,D,网桥隔离冲突域,网桥隔离冲突域，但不隔离广播域,A站,B站,C站,D站,所有站点位于同一冲突域,网桥隔离冲突域将网络分隔成两个冲突域每一个端口及其相连的站点位于同一冲突域,网桥核心技术之一,存储转发可进行速率匹配、信号转换、协议转换等,网桥核心技术之二,根据帧内目的地址转发只有跨网数据才转发网间实现了隔离可允许多个端口同时收/发数据对比集线器从一个端口收到的数据向所有端口转发工作在物理层，作用是将线缆延长不允许多个端口同时收到数据,HUB,桥,网桥核心技术之三,互联不同LAN时面临的协议转换技术难题
33、帧格式不同，需要“翻译”。网桥技术的部分难点，至今没有很好地解决数据传输速率不同缓冲区的溢出帧的最大长度不同802.3:1500字节；802.4:8191字节;802.5:无上限,4.5.3 几种常用的网桥技术,（一）透明网桥（Transparent Bridge）接收所有的数据帧根据帧的目的MAC地址，查各端口地址表转发地址表中没有的以扩散方式转发到所有端口地址表的形成与维护逆向学习法生成树算法,桥,地址表的形成,透明网桥的逆向地址学习法使网桥通过接收的帧掌握各接口连接的站点信息通过帧的源地址“学习”记录到端口地址表中自动学习，非常方便,桥,A,B,C,A,B,D,地址表的维护,生成树算法反
34、向地址学习容易形成转发路径的环路环路造成转发的无限循环生成树就是在环路的情况下裁减部分分支，变成一颗树型拓扑没有环路,生成树算法,裁减分支破坏环路,桥1,桥2,桥3,A,B,C,A到D,A,D,A,A,A,D到A,A,网桥技术,（二）源路由网桥（自学）桥将接收所有的数据帧由源端在数据帧中指明发送路由，即经过的桥的序列网桥只关心自己是否在桥的序列中，若是，按照路径要求转发到下一个网桥不是，则不予理睬,网桥技术,（三）远程网桥网桥之间采用点到点连接，使用点到点协议,MAC1,MAC2,MAC2,MAC1,B1,B2,MAC2,MAC1,PPP,MAC2,MAC1,4.5.4 交换机,从原理角度，交
35、换机就是多端口桥全硬件实现网桥基本功能(生成树协议除外),MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,MAC,地址表,交换、转发,级联通路,以太网交换芯片,控制接口,以太网交换机,以太网交换板,交换机,从技术实现角度交换机具有较多端口，每个端口常只连接一台计算机交换机一般在相同类型的LAN端口间交换数据功能上：交换机不进行协议转换交换机可能采用部分存储转发技术，加快交换效率Cut Through只存储目的地址部分，就开始转发,A,Switch,A,存储转发,A,Switch,A,Cut Through,小结：桥技术的深入理解,网桥的连接性网桥接收所有的数据透明性用户站点并不知道网桥
36、的存在，因此以为目的站是直接相连的。网桥对未知目的地数据采用扩散方式，一定要送到目的。对于广播帧，网桥要将其转发到各个端口（注意与路由器相比）网桥隔离了冲突域存储转发的机制使桥两端可以同时有数据在线（注意与集线器相对比）无论如何，网桥在数据链路层互连，其结果就是实现所有的站点“直接相连”。其互连规模有限，隔离性也有限,重,4.6无线局域网（WLAN WiFi）共享介质的另一个实例,协议标准IEEE802.11系列协议11b11g11a11n11ac无线的“以太网”像以太网那样普及、方便、易用技术和CSMA/CD类似CSMA/CA,高层,LLC,802.3MAC,802.3PHY,802.11M
37、AC,802.11PHY,4.6.1WLAN的组网结构,对等结构无中心结构基础架构有中心结构(AP Access Point),AP,无线网卡,4.6.2WLAN物理层,红外线IR1Mbps或2Mbps的数传速率光波长：850nm没有穿越性，较少使用跳频扩频FHSS2Mbps2.4GHz抗干扰性好较少使用,不同时隙工作在不同频率上,WLAN物理层,直接序列扩频DSSS2Mbps、11Mbps，2.4GHz类似CDMA应用较为广泛正交频分多路复用OFDM54Mbps，150Mbps，2.4GHz、5GHz分割子频率复杂的编码技术,4.6.3WLAN的MAC层,操作模式DCF与PCFPCF是集中式
38、信道控制DCF是对CSMA技术的继承更常用CSMA/CA技术载波侦听多路访问/冲突避免虚拟载波侦听根据帧长度字段判断信道空闲的时刻RTS/CTS技术避免冲突,CSMA/CA,IEEE 802.11提出的经典算法先用握手信号（RTS/CTS段帧）阻止附件站点的发送企图RTS的发送采用CSMA算法,4.6.4WLAN帧格式,帧控制中含有帧类型管理帧、控制帧（RTS、CTS）、数据帧比以太网复杂地址字段多了两个地址源、目的、接收者、发送者,A,B,AP1,AP2,B,A,AP2,AP1,4.6.5WLAN组网服务,AP1,AP2,BSS1,BSS2,ESS,DS,移动,两种组网形态独立基本服务组（I
39、BSS）又叫Ad-Hoc方式没有中心站，形成单跳独立网络临时的小型应用扩展服务组（ESS）有中心结构（AP）无线站与AP相连形成BSS通过AP间的有线连接实现多个无线网的互连两种组网形态是互斥的,WLAN组网服务,服务无线场景的特殊服务关联无线站与AP之间互相发现的过程主要靠AP定期发送“信标”帧，让无线站识别和选择保密无线网保密性不够，容易被截听数据需用“密钥”进行加密认证网络对用户身份的确定无线网太容易接入了，因此需要靠认证用户身份的方法来确定共享密钥（WEP）WPA，利用认证服务器和数据库,WLAN的认证系统,AP,AP,BSS1,BSS2,认证,二级RadiusServer,Route
40、r,Internet,网管中心,一级RadiusServer,AP,认证,客户,认证系统,认证服务系统,4.6.6WLAN扩展标准,物理层802.11b11Mbps802.11g54Mbps802.11a54Mbps802.11n超过100Mbps802.11ac 300Mbps以上其他802.11eQos，提高可靠性802.11f站点在AP间的“漫游”802.11p在车里和车辆之间实现WLAN802.11sAP之间用无线形成多跳网,4.7宽带无线网络（自学）,802.11与802.16802.16协议架构802.16物理层802.16Mac层802.16帧结构,了解,4.7.1 802.16
41、与802.11,固定宽带无线访问系统的空中接口(WiMax)站点固定 Vs.站点移动几公里范围 Vs.几十米范围高带宽（1066GHz载波）Vs.相对窄带宽（2.4GHz）电话与重型多媒体业务支持 Vs.猝发性业务,99,4.7.2 802.16协议栈,与802协议栈总体相似增加了：传输汇聚子层为多种物理层技术提供统一的适配安全子层针对802.16用于公共户外场景，提供加密、解密和密钥管理等安全技术服务相关汇聚子层取代了LLC层，与IP和ATM进行无缝集成MAC层是面向连接的，所以需要实现从IP的无连接到MAC层有连接的映射,4.7.3 802.16物理层,1066GHz，毫米波沿直线定向传播
42、调制方式QPSK：2b/baud，距离最远QAM-16：4b/baud，距离中等QAM-64：6b/baud，距离最近带宽分配FDD，TDD上下行宽度灵活调整海明码纠错,4.7.4 802.16 MAC子层,时隙映射图描述各时隙内容和忙闲状态时隙分配由基站根据用户站建立连接来进行分配固定话音、恒定多媒体流业务可变压缩多媒体、普通计算机业务,4.7.5 802.16帧结构,通用帧可以不检错，实时帧不考虑重传连接标识替代了地址带宽请求帧,是否加密,连接标识,是否校验,密钥指示,4.8蓝牙技术（自学）,蓝牙的体系结构蓝牙的应用蓝牙协议栈蓝牙的物理层蓝牙的数据链路层蓝牙的协议帧结构,了解,北欧海盗王,
43、4.8.1 蓝牙体系结构,旨在将计算机和通信设备或附加部件通过短距离、低功耗、低成本的无线电波相互连接微微网（piconet）主从式网络主节点最多7个从节点完全受主节点控制其中一个可以做“桥”连接另一个微微网,105,4.8.2 蓝牙的应用,13种应用13种协议栈通用应用一般访问，服务发现等串口应用替代有线串口网络连接应用电话应用无绳电话点对点应用文件、图片,106,4.8.3 蓝牙协议栈,整个结构松散与常见协议栈有区别,4.8.4 蓝牙的物理层,低功率10m2.4GHz分为79个信道，每个1MHz频移调制跳频扩频对802.11破坏性更大一些,4.8.5蓝牙的数据链路层,基于TDM，主节点控制时钟，决定每个时槽中哪个设备可以进行通信帧结构access code（接入码）主节点标识地址字段3位，8个流控捎带应带停等协议头部校验：传三遍，多数判决,
