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1、1 1第第4章章 介质访问子层介质访问子层（MAC子层）子层）4.1 背景背景4.2 共享介质的信道分配共享介质的信道分配4.3 典型的多路访问协议典型的多路访问协议4.4 网桥网桥2 24.1 概述概述n考虑本地有多台计算机联成一个网考虑本地有多台计算机联成一个网n基本要求基本要求n每台计算机只有一个通信接口每台计算机只有一个通信接口n任意计算机之间都可以相互发送数据任意计算机之间都可以相互发送数据n计算机在网络中的地位平等计算机在网络中的地位平等n采用何种方法可以把这些计算机都连起来？采用何种方法可以把这些计算机都连起来？ACBDEF任意一台计算机任意一台计算机(例如例如A)，可以其它把数
2、据送给其它的可以其它把数据送给其它的任意的计算机任意的计算机(例如例如C)3 3基本的联网方式基本的联网方式n用一个信道把所有计算机连接起来用一个信道把所有计算机连接起来n信道的通信容量为信道的通信容量为C(Capability)n所有的计算机都利用该信道发送和接收数据所有的计算机都利用该信道发送和接收数据n联网问题转化为联网问题转化为n如何为每台计算机分配使用的信道资源？如何为每台计算机分配使用的信道资源？n静态分配静态分配n频分复用，频分复用，FDMn时分复用，时分复用，TDMn动态分配动态分配ABCDEF4 4术语：多路复用与多路访问术语：多路复用与多路访问n多路复用：多路复用：Mult
3、iplexn多个通信复用到一个信道上多个通信复用到一个信道上nTDM、FDM通过划分子信道，实现多个一对一的通信通过划分子信道，实现多个一对一的通信n多路访问：多路访问：Multi-Accessn在一个信道上，实现与多个站点的通信在一个信道上，实现与多个站点的通信nTDM的联网通信方式，称为的联网通信方式，称为TDMAnFDM的联网通信方式，称为的联网通信方式，称为FDMAn其它的还有其它的还有nCSMA，载波侦听多路访问，载波侦听多路访问nCDMA，码分多路访问，码分多路访问nWDMA，波分多路访问，波分多路访问5 54.1 背景背景n计算机网络分为两类计算机网络分为两类n点到点信道的网络点
4、到点信道的网络n共享信道的网络（广播信道的网络或广播式网络）共享信道的网络（广播信道的网络或广播式网络）n广播信道也称为：广播信道也称为：n多路访问信道或随机访问信道多路访问信道或随机访问信道n广播信道网络的特点广播信道网络的特点n所有站点共享同一信道所有站点共享同一信道n一个站发送的数据将传遍整个网络一个站发送的数据将传遍整个网络n同时发送会产生冲突同时发送会产生冲突n需要某种信道访问机制需要某种信道访问机制介质访问子层研究的问题介质访问子层研究的问题频率频率f6 64.1 背景背景n典型的广播信道网络典型的广播信道网络n卫星网络卫星网络n无线广域网（无线广域网（GSM、GPRS、WCDMA
5、等）等）n无线局域网无线局域网WLAN（802.11）n局域网局域网n共享式以太网共享式以太网n令牌环网令牌环网n光纤网络光纤网络n广播信道网络面临和需要解决的问题广播信道网络面临和需要解决的问题n如何识别不同的站点如何识别不同的站点n站点何时如何使用信道站点何时如何使用信道信道分配问题信道分配问题n所有这些问题由所有这些问题由MAC子层协议解决子层协议解决n介质访问子层（介质访问子层（medium access control）7 74.2 共享介质的信道分配共享介质的信道分配n静态分配（无竞争）静态分配（无竞争）n频分多路复用频分多路复用FDM（频分，各站使用独立频段）（频分，各站使用独立
6、频段）n需要考虑频段间隔，以免相互干扰需要考虑频段间隔，以免相互干扰n时分多路复用时分多路复用TDM（时分，各站使用独立时间段）（时分，各站使用独立时间段）n需要考虑时间段（时隙）独立，以免干扰需要考虑时间段（时隙）独立，以免干扰n静态分配方式简单可靠，但延时较大，信道利用率静态分配方式简单可靠，但延时较大，信道利用率低，不适应突发的数据传送和用户数量变化的情况低，不适应突发的数据传送和用户数量变化的情况8 84.2 共享介质的信道分配共享介质的信道分配n动态分配动态分配n动态分配需要考虑的要素动态分配需要考虑的要素n如何发送如何发送n任意，想发就发任意，想发就发n发送前是否侦听载波：盲目发送
7、前是否侦听载波：盲目 或或 等待信道空闲等待信道空闲n得到许可再发送得到许可再发送n如何接收如何接收n地址识别地址识别n是否检测冲突是否检测冲突n冲突怎样解决冲突怎样解决n不使冲突出现不使冲突出现n减少冲突减少冲突n减少冲突影响减少冲突影响STOPNOYESCollision9 94.2 共享介质的信道分配共享介质的信道分配n动态分配动态分配n不固定为每个站点分配信道不固定为每个站点分配信道n需要时才分配需要时才分配n空闲时可由其它站点使用空闲时可由其它站点使用n动态分配的方式很多动态分配的方式很多n集中仲裁的动态分配（需要管理站）集中仲裁的动态分配（需要管理站）n向管理站预约：需要时申请，许
8、可后发送数据（举手的方式）向管理站预约：需要时申请，许可后发送数据（举手的方式）n申请时可能冲突，许可后发送无冲突申请时可能冲突，许可后发送无冲突n由管理站轮询由管理站轮询 (点名的方式点名的方式)n单播轮询方式：依次询问每个站，有数据发的站点发送，无冲突单播轮询方式：依次询问每个站，有数据发的站点发送，无冲突n组播或广播轮询：可能有冲突组播或广播轮询：可能有冲突n分布仲裁的动态分配（无需管理站）分布仲裁的动态分配（无需管理站）n允许竞争存在，尽量避免或减少冲突允许竞争存在，尽量避免或减少冲突n减少冲突的措施：发前侦听信道，检测冲突，冲突后随机后退等减少冲突的措施：发前侦听信道，检测冲突，冲突
9、后随机后退等n令牌控制信道的使用令牌控制信道的使用n只有得到令牌的站，才能发送数据（无冲突方式）只有得到令牌的站，才能发送数据（无冲突方式）1010另一种动态分配方式的分类另一种动态分配方式的分类n竞争信道竞争信道n节点无序抢占信道节点无序抢占信道n允许冲突存在允许冲突存在n有序访问有序访问n控制节点访问信道次序控制节点访问信道次序n无冲突无冲突n有限竞争有限竞争n结合竞争方式和无冲突方式结合竞争方式和无冲突方式n轻负载时，使用竞争方式轻负载时，使用竞争方式n重负载时，使用无冲突方式重负载时，使用无冲突方式1111本章重点随机竞争算法本章重点随机竞争算法n算法优点算法优点n信道利用率高信道利用
10、率高n其它站点不发送时，可占用更多的信道资源其它站点不发送时，可占用更多的信道资源n联网方式简单联网方式简单n不需要进行信道划分不需要进行信道划分n站点数可变站点数可变n通信方式简单通信方式简单n发，或者不发发，或者不发(不存在子信道带来的问题不存在子信道带来的问题)n适合于计算机间的组网通信适合于计算机间的组网通信n通信的对象可变通信的对象可变n通信的数据量可变，通信能力强通信的数据量可变，通信能力强n站点可自由上下网站点可自由上下网n最大问题最大问题n如何最大限度避免出现发送冲突如何最大限度避免出现发送冲突12124.3 典型的多路访问协议典型的多路访问协议n有竞争的多路访问协议有竞争的多
11、路访问协议n纯纯ALOHA协议协议n各站想发就发，碰撞随时可能发生各站想发就发，碰撞随时可能发生n时槽时槽ALOHA协议协议n规定统一发送时刻，碰撞时帧完全重叠规定统一发送时刻，碰撞时帧完全重叠nCSMA协议协议n发前侦听信道，忙则随机后退发前侦听信道，忙则随机后退n有三种策略：有三种策略：0坚持、坚持、1坚持和坚持和P坚持坚持nCSMA/CDn发前侦听信道，发送时同时检测信道发前侦听信道，发送时同时检测信道n检测到冲突立即停发，释放信道检测到冲突立即停发，释放信道nCSMA/CA：WLAN的的MAC协议协议发前不听不看，发前不听不看，冲突严重冲突严重虽发前侦听信道，虽发前侦听信道，但冲突一旦
12、发生不但冲突一旦发生不能立即停下，资源能立即停下，资源浪费浪费冲突立即释放信道，冲突立即释放信道，提高信道利用率提高信道利用率1313信道竞争模型信道竞争模型n竞争模型竞争模型nN个独立工作的站点，随机地发送数据帧个独立工作的站点，随机地发送数据帧n进入信道的帧的速率是一个随机过程进入信道的帧的速率是一个随机过程(设均值为设均值为G)n某个帧成功传输的条件某个帧成功传输的条件(无论谁接收、不考虑误码无论谁接收、不考虑误码):没有与其它帧在时间上有重叠没有与其它帧在时间上有重叠进入信道进入信道(帧速率帧速率G)成功传输出信道成功传输出信道（吞吐率（吞吐率S）冲突的帧冲突的帧（消失在信道上（消失在
13、信道上)S：归一化吞吐率：归一化吞吐率 S=吞吐量吞吐量/信道容量信道容量G：归一化帧速率：归一化帧速率 G=帧速率帧速率/信道容量信道容量 显然：显然：SG1414信道竞争模型信道竞争模型n帧速率的概率分布帧速率的概率分布n在任意的一个时间段在任意的一个时间段T(帧长度帧长度)内，生成内，生成k个帧个帧的概率服从泊松分布的概率服从泊松分布n其中其中G为平均帧速率为平均帧速率典型值：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-2G1515信道竞争模型信道竞争模型n背景知识：泊松背景知识：泊松(Poisson)分
14、布分布n无穷多个独立工作站点随机生成无穷多个独立工作站点随机生成(发送发送)帧的概率分布帧的概率分布n设有一小的时间间隔设有一小的时间间隔dt，若，若n在在dt内生成一帧的概率为内生成一帧的概率为dt(dt1),且独立于其它时间且独立于其它时间间隔间隔n当当dt足够小时，生成多于足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计帧的概率可忽略不计n在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量n概率结构与时间位置无关概率结构与时间位置无关n则可推出在则可推出在t时间内生成时间内生成n个帧的概率为个帧的概率为n均值为均值为n方差为方差为 为帧的平均生成速率为
15、帧的平均生成速率(研究表明：当站点数超过研究表明：当站点数超过2020个时个时,其生成帧的概率分布已非常接近其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）泊松分布）1616信道竞争模型信道竞争模型n竞争模型的性能特性：竞争模型的性能特性：n吞吐率吞吐率S与帧速率与帧速率G的关系：的关系：S=GP0（P0成功传输概率）成功传输概率）n帧的数量少冲突概率小传输成功率高吞吐率高帧的数量少冲突概率小传输成功率高吞吐率高n帧的数量多冲突概率大传输成功率低吞吐率低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小帧速率适中帧速率适中帧速率过大帧速率过大G(帧速率帧速率)S(吞吐率吞吐率)G小小G适中适中G过
16、大过大G小：吞吐率随帧速小：吞吐率随帧速率的增加而增加率的增加而增加(成成功传输的帧增多功传输的帧增多)G过大：吞吐率随帧过大：吞吐率随帧速率的增加反而下降速率的增加反而下降(更多的冲突更多的冲突)理想情况理想情况1117174.2.1 ALOHAnPure ALOHAn工作原理工作原理n节点只要有数据就可以直接占用信道，启动发送节点只要有数据就可以直接占用信道，启动发送n不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，“想发就发想发就发”n可以预测可以预测n帧速率较大时，冲突会急剧上升帧速率较大时，冲突会急剧上升n只能工作在帧速率较小的场合只能工作在帧速率较小的场合n
17、何种帧速率适合何种帧速率适合Pure ALOHAnPure ALOHA所能达到的吞吐率所能达到的吞吐率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1818Pure ALOHA 的性能的性能n为简单起见，假定所有站点发送的帧是等长的，占为简单起见，假定所有站点发送的帧是等长的，占用信道的时间为用信道的时间为Tn设某个站点在设某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：条件是：n在在t
18、-Tt+T的的2T间隔内没有其它站点发送间隔内没有其它站点发送(如图所示如图所示)n即成功发送概率即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布根据帧速率的泊松分布)为为nP0=P2T内无帧产生内无帧产生=e-2Gn由由S=GP0，可得，可得Pure ALOHA的吞吐率的吞吐率nS=Ge-2G站站1 1站站2 2tt+Tt-T站站N N1919Pure ALOHA 性能曲线性能曲线n性能描述性能描述n当帧速率当帧速率G小于信道容量的小于信道容量的 50%时，发送帧产生的冲时，发送帧产生的冲突较少，吞吐率随帧速率突较少，吞吐率随帧速率而增加而增加n当帧速率当帧速率G大于信道容量的大于信道容量的 50%
19、后，发送帧产生的冲后，发送帧产生的冲突急剧上升，吞吐率下降突急剧上升，吞吐率下降nPure ALOHA的最佳性能的最佳性能出现在出现在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率（吞吐率为信道容量的为信道容量的18.4%)n信道利用率信道利用率(吞吐率吞吐率)低的低的原因是站点的无序竞争原因是站点的无序竞争S=Ge-2G理想吞吐率理想吞吐率2020Slot ALOHAn针对针对Pure ALOHA无序竞争的冲突，加以改进无序竞争的冲突，加以改进n改进方法改进方法n把信道划分为把信道划分为T为单位的时隙，站点只能在时隙的开始为单位的时隙，站点只能在时隙的开始处发送帧处发送帧n没有冲突、或完全冲突
20、，减少冲突帧的持续时间没有冲突、或完全冲突，减少冲突帧的持续时间n改进的代价是所有站点实现时隙的同步改进的代价是所有站点实现时隙的同步(增加了实现难度增加了实现难度)n谁负责时隙管理，管理者出故障怎么办等谁负责时隙管理，管理者出故障怎么办等n改进后，性能提高多少？改进后，性能提高多少？2121Slot ALOHAn设：某个站点在设：某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：的条件是：n在在t-Tt的间隔内没有新帧产生的间隔内没有新帧产生(新帧将在新帧将在t时刻发送时刻发送)n其概率为其概率为P0=PT内无帧产生内无帧产生=e-GnSlot ALOHA的吞吐率
21、为的吞吐率为nS=GP0=Ge-Gn与与Pure ALOHA相比相比n减少了冲突的可能性减少了冲突的可能性n可容纳更高的帧速率可容纳更高的帧速率n从而提高了信道的吞吐率从而提高了信道的吞吐率nPure ALOHA的的2倍倍n最大吞吐率最大吞吐率n出现在出现在G=100%处处nS=1/e=36.82222CSMAn如果发送和接收都在同一个信道上，发送之前可发现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，从而可以降低冲突信道是否被其它站点占用，从而可以降低冲突“先听先听后发后发”n工作原理：载波侦听多路访问工作原理：载波侦听多路访问n发送前侦听信道发送前侦听信道n信道空闲
22、，就启动发送信道空闲，就启动发送n信道被占用，就等到信道空闲再发送信道被占用，就等到信道空闲再发送n如果有两个以上站点都在等，一旦信道空闲就会同时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。而冲突。因此，需要错开各站点启动发送的时间。n三种错开发送时间的策略三种错开发送时间的策略n1坚持坚持CSMA：立即发送：立即发送n0坚持坚持CSMA：等待一段随机长度的时间：等待一段随机长度的时间(随机后退随机后退)np坚持坚持CSMA：可能立即发送：可能立即发送(概率概率p)，可能等待，可能等待(概率概率1-p)n错开时间后，后发的站点因又发现信道被
23、占用而继续侦听错开时间后，后发的站点因又发现信道被占用而继续侦听n信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响2323CSMA载波侦听动画（一）载波侦听动画（一）t t信道空闲信道空闲信道空闲信道空闲A A侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据信号到达信号到达信号到达信号到达B B处处处处B B侦听信道，抑制发送侦听信道，抑制发送侦听信道，抑制发送侦听信道，抑制发送A AB B2424CSMA载波侦听动画连续（一）载波侦听动画连续（一）t t信道空闲信道空闲信道空闲信道空闲A A侦听信道，立即发送
24、数据侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据信号到达信号到达信号到达信号到达B B处处处处B B侦听信道，抑制发送侦听信道，抑制发送侦听信道，抑制发送侦听信道，抑制发送A AB B2525CSMA载波侦听动画（二）载波侦听动画（二）t t信道空闲信道空闲信道空闲信道空闲A A侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据侦听信道，立即发送数据信号到达信号到达信号到达信号到达B B处，产生冲突处，产生冲突处，产生冲突处，产生冲突B B侦听信道，立即发送侦听信道，立即发送侦听信道，立即发送侦听信道，立即发送A AB B信号传播延时信号传播延时信号传播延
25、时信号传播延时nCSMA降低了冲突概率降低了冲突概率n因为信号传播延时是很短因为信号传播延时是很短的以的以2/3光速传播光速传播26261坚持坚持CSMAn信道闲后，启动发送的概率信道闲后，启动发送的概率p=1n准备发送：侦听信道准备发送：侦听信道n若信道闲若信道闲,启动发送启动发送n否则否则,持续侦听信道直到信道闲，启动发送持续侦听信道直到信道闲，启动发送n前一发送完成，后面很容易产生冲突前一发送完成，后面很容易产生冲突n下一帧不冲突的概率：在一个下一帧不冲突的概率：在一个T内最多产生内最多产生一帧的概率一帧的概率 p=p(0)+p(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-GReadyData
26、信道忙信道忙否否侦听侦听Ready是是信道闲信道闲发送发送站站A A站站B B站站C C站站D D侦听侦听侦听侦听侦听侦听侦听侦听27270坚持坚持CSMAn信道闲后，启动发送的概率信道闲后，启动发送的概率(p=0)n再等待一段时间后决定是否发再等待一段时间后决定是否发n准备发送：侦听信道准备发送：侦听信道n若信道闲，启动发送若信道闲，启动发送n否则，等到信道闲，再等待一随机时间否则，等到信道闲，再等待一随机时间后在尝试发送后在尝试发送n降低多个站同时侦听信道时可能出降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突现的冲突ReadyData信道忙信道忙否否侦听侦听Ready是是信道闲信道闲发送发送后退后
27、退时间到时间到站站A A站站B B站站C C站站D D随机延时后侦听随机延时后侦听随机延时后侦听随机延时后侦听侦听侦听侦听侦听随机延时后侦听随机延时后侦听随机延时后侦听随机延时后侦听2828p坚持坚持CSMAn信道闲后，启动发送的概率为信道闲后，启动发送的概率为p，继续等待，继续等待的概率为的概率为1-pn准备发送：侦听信道准备发送：侦听信道n若信道闲，启动发送若信道闲，启动发送n否则，等到信道闲，以概率否则，等到信道闲，以概率p启动发送，以概启动发送，以概率率1-p继续等待继续等待n降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突n最佳方案：最佳方案：n调整概率调
28、整概率p，使得发送的站点数，使得发送的站点数=1ReadyData信道忙信道忙否否侦听侦听Ready是是信道闲信道闲发送发送后退后退时间到时间到RpR=rand()是是站站A A站站B B站站C C站站D DA A计算概率为可以发送计算概率为可以发送计算概率为可以发送计算概率为可以发送D D计算概率为不能发送计算概率为不能发送计算概率为不能发送计算概率为不能发送侦听侦听侦听侦听侦听侦听侦听侦听延时后侦听延时后侦听延时后侦听延时后侦听2929几种竞争协议的效率几种竞争协议的效率n吞吐率吞吐率n轻负载下，轻负载下，1-坚持的性能好，坚持的性能好，0-坚持差，坚持差，p-坚持中等坚持中等n重负载下，
29、重负载下，1-坚持的性能差，坚持的性能差，0-坚持好，坚持好，p-坚持中等坚持中等3030CSMA/CD（结合（结合P216、P233）n载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突检测冲突检测n引入引入n已经发生冲突的帧，继续发送的部分是浪费已经发生冲突的帧，继续发送的部分是浪费n冲突检测冲突检测n发送的过程中继续检测信道，以及时发现冲突发送的过程中继续检测信道，以及时发现冲突n发生冲突后，立即停止发送发生冲突后，立即停止发送站站A A站站B B站站C C冲突冲突冲突冲突浪费浪费浪费浪费3131 冲突检测方法冲突检测方法n电平判断电平判断n冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值冲突信号相互叠加，总电
30、平将超过额定值n逻辑判断逻辑判断n发送的数据与同时收回来的数据不一致发送的数据与同时收回来的数据不一致n集线器上有两个及以上的端口集线器上有两个及以上的端口“活动活动”+=超高超高超高超高3232冲突检测时间冲突检测时间n最多花多长时间发现冲突最多花多长时间发现冲突n接近于接近于0，但不等于，但不等于0n为传为传播播时时延距离延距离/0.7光速光速n发发送超送超过过2时间时间后不需要再后不需要再检测检测冲突了冲突了3333冲突检测后的处理冲突检测后的处理n检测到冲突后立即停止传输检测到冲突后立即停止传输n停止传输后，随机延迟一段时间再尝试发送停止传输后，随机延迟一段时间再尝试发送n若各站的延迟
31、时间相同，则一定会再次冲突若各站的延迟时间相同，则一定会再次冲突n延迟时间以时间片为单位延迟时间以时间片为单位n一个时间片最大冲突检测时间一个时间片最大冲突检测时间n随机延时算法截断二进制指数回退算法随机延时算法截断二进制指数回退算法while attempts attemptlimit and collisionwhile attempts attemptlimit and collision k=min(attempts,10);k=min(attempts,10);r=radom(0,2 r=radom(0,2k k););attempts=attempts+1;attempts=att
32、empts+1;end of whileend of whiler r为计算出的延时时间片为计算出的延时时间片为计算出的延时时间片为计算出的延时时间片3434竞争访问信道竞争访问信道n竞争访问信道面临的问题及解决方案竞争访问信道面临的问题及解决方案n有冲突出现有冲突出现n尽量减少冲突降低冲突概率尽量减少冲突降低冲突概率n监听载波监听载波n随机后退随机后退n尽量减小冲突带来影响尽量减小冲突带来影响n分时槽分时槽n监听载波监听载波n冲突检测冲突检测n减少用户发送延迟减少用户发送延迟n发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔n降低冲突概率降低冲突概率n
33、减小冲突持续时间减小冲突持续时间35354.3 典型的多路访问协议典型的多路访问协议n无冲突的协议：控制节点访问信道次序无冲突的协议：控制节点访问信道次序n位图协议预定协议位图协议预定协议n在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问n发送站在自己的争用时隙中置位发送站在自己的争用时隙中置位n在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送36364.3 典型的多路访问协议典型的多路访问协议n无冲突的协议：无冲突的协议：二进制倒计数法二进制倒计数法n各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否各发送站发送自己的地址，同时
34、监听自己发出的地址是否改变改变n地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据3737无冲突协议无冲突协议n二进制倒计数法二进制倒计数法 例例站站A、站、站B、站、站C、站、站D，地址分别为，地址分别为0010、0100、1001、10100 0 1 00 1 0 01 0 0 11 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，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。并同时监听网络上的数据。ABCD发送顺序发送顺序先先后后00111 1 1 1D站可以发送数据站可以发送数据n发送站中地址最高的发送站
35、中地址最高的可以发送数据可以发送数据n高地址站具有高优先高地址站具有高优先级级n地址动态变化，以使地址动态变化，以使保证公平性保证公平性38384.4以太网以太网n采用了采用了CSMA/CD技术的局域网技术的局域网n范围小、数传速率高，共享介质范围小、数传速率高，共享介质n一根电缆连接所有的站点一根电缆连接所有的站点n背景背景nIEEE802委员会委员会nIEEE802.3MAC媒体访问控制层媒体访问控制层PHY物理层物理层LLC逻辑链路控制层逻辑链路控制层高层高层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层3939以太网以太网MAC层层n媒体访问技术媒体访问技术CSMA/CDn传输前侦听载波传输
36、前侦听载波n信道空闲立即发送信道空闲立即发送n信道忙则一直侦听，直到信道空闲，然后立即发送信道忙则一直侦听，直到信道空闲，然后立即发送n发送过程中同时检测冲突发送过程中同时检测冲突n发现冲突立即停止传输，并在随机延时后尝试发送发现冲突立即停止传输，并在随机延时后尝试发送n停止传输后，用二进制指数回退算法计算延时停止传输后，用二进制指数回退算法计算延时n一些重要的规定一些重要的规定n最小帧长最小帧长64字节，最大帧长字节，最大帧长1518字节字节n最多连续冲突次数：最多连续冲突次数：16次次n帧间间隔帧间间隔12字节字节4040以太网以太网MAC层层n帧格式帧格式n前导码：前导码：1010101
37、0串，用于同步串，用于同步n目的地址：目的地址：6字节字节n三种形式三种形式n单播、单目、普通地址单播、单目、普通地址指定站点接收n多播、组播、组地址多播、组播、组地址一组站点同时接收n广播地址广播地址所有站点全部接收前导码前导码前导码前导码目的地址目的地址目的地址目的地址源地址源地址源地址源地址 长度长度长度长度/类型类型类型类型数据数据数据数据帧校验帧校验帧校验帧校验8 8字节字节字节字节6 6字节字节字节字节6 6字节字节字节字节2 2字节字节字节字节464615001500字节字节字节字节4 4字节字节字节字节4141以太网帧格式以太网帧格式n目的地址目的地址n第一字节，最第一字节，最
38、“高高”位位n为为0表示单播地址普通地址表示单播地址普通地址n为为1表示多播地址组地址表示多播地址组地址n全部为全部为1表示广播地址表示广播地址n例：例：n0 x 01 00 5E 73 0C 01n组播地址组播地址n0 x 00 90 0A 27 0B 0Cn单播地址单播地址n0 x FF FF FF FF FF FFn广播地址广播地址4242以太网帧格式以太网帧格式n长度长度/类型字段类型字段n小于小于1536表示帧长度帧中数据字段的长度表示帧长度帧中数据字段的长度n数据内容是变长的，最大为数据内容是变长的，最大为1500n大于大于1536表示帧类型数据字段封装的协议类型表示帧类型数据字段
39、封装的协议类型n0 x800：表示数据内容是：表示数据内容是IP分组分组n0 x806：ARP分组分组前导码前导码前导码前导码目的地址目的地址目的地址目的地址源地址源地址源地址源地址 长度长度长度长度/类型类型类型类型数据数据数据数据帧校验帧校验帧校验帧校验8 8字节字节字节字节6 6字节字节字节字节6 6字节字节字节字节2 2字节字节字节字节464615001500字节字节字节字节4 4字节字节字节字节目的地址目的地址目的地址目的地址源地址源地址源地址源地址0 x8000 x800IPIP分组分组分组分组4343以太网帧格式以太网帧格式n帧校验字段帧校验字段n32位位CRC校验校验nMAC层
40、发现帧错误后，仅向上层报告而不进行层发现帧错误后，仅向上层报告而不进行差错控制差错控制前导码前导码前导码前导码目的地址目的地址目的地址目的地址源地址源地址源地址源地址 长度长度长度长度/类型类型类型类型数据数据数据数据帧校验帧校验帧校验帧校验8 8字节字节字节字节6 6字节字节字节字节6 6字节字节字节字节2 2字节字节字节字节464615001500字节字节字节字节4 4字节字节字节字节4444共享式与交换式以太网共享式与交换式以太网n共享式以太网共享式以太网n一根电缆一根电缆(或或HUB)连接所有的站点连接所有的站点n站点采用站点采用CSMA/CD竞争信道竞争信道HUB模拟共享信道模拟共享
41、信道HUB4545交换式以太网交换式以太网n交换式以太网交换式以太网n端口与站点采用全双工通信端口与站点采用全双工通信n共享缓冲区、交换矩阵、共享缓冲区、交换矩阵、CrossBar等等n在端口间转发数据帧在端口间转发数据帧n所有端口并行工作所有端口并行工作n没有信道竞争，关闭了没有信道竞争，关闭了CSMA/CDMAC MAC MAC MAC帧缓冲区帧缓冲区转发转发根据目的根据目的MAC向向相应端口转发帧相应端口转发帧以太网交换机以太网交换机4646快速以太网快速以太网(Fast Ethernet)n数传速率为数传速率为100Mbps的以太网的以太网n802.3un与与10Mbps的以太网兼容的
42、以太网兼容10/100M自适应自适应n电缆：电缆：5类双绞线类双绞线n接口：接口：RJ45n编码：编码：8B/6TnMAC层：层：CSMA/CDn全双工（交换式）下不用全双工（交换式）下不用4747千兆以太网千兆以太网n数传速率为数传速率为1000Mbps的以太网的以太网n802.3z，802.3ab等等n“电电”缆：缆：n802.3z光纤，光纤，802.3ab双绞线双绞线n编码：编码：8B/10BnMAC层：层：CSMA/CDn全双工（交换式）下不用全双工（交换式）下不用n帧扩充（载荷扩充）技术，将小于帧扩充（载荷扩充）技术，将小于64字节的帧扩充字节的帧扩充到到512字节发送字节发送n帧突
43、发（帧串）技术，一次可连续发送多个小于帧突发（帧串）技术，一次可连续发送多个小于512字节的帧，直到字节的帧，直到1500字节字节48484.5无线局域网无线局域网n协议标准协议标准nIEEE802.11系列协议系列协议n11bn11gn11an11nn11inn无线的无线的“以太网以太网”n希望像以太网那样普及、方便、易用希望像以太网那样普及、方便、易用n技术和技术和CSMA/CD类似类似nCSMA/CA高层高层高层高层LLCLLC802.3802.3MACMAC802.3802.3PHYPHY802.11802.11MACMAC802.11802.11PHYPHY4949无线局域网协议无线
44、局域网协议n无线局域网的广播特性无线局域网的广播特性n信道共用信道共用n无基站，对等式无基站，对等式n无线环境的特殊性：无线环境的特殊性：冲突域不固定冲突域不固定A AB BC CA CA C之间并之间并之间并之间并不冲突，但不冲突，但不冲突，但不冲突，但在在在在B B看来，大看来，大看来，大看来，大家都是冲突的家都是冲突的家都是冲突的家都是冲突的5050无线局域网无线局域网n隐藏站点隐藏站点nA向向B发送数据时发送数据时C监测不到载波监测不到载波nC也向发送数据，造成冲突也向发送数据，造成冲突nA对对C隐藏隐藏n暴露站点暴露站点nB向向A发送数据发送数据C向向D发送数据发送数据 本来互不干扰
45、本来互不干扰n但在但在B发送时，发送时，C检测信道，以为会检测信道，以为会发生冲突，而停止发生冲突，而停止B暴露暴露在在C、D之间之间 A AB BC CA AB BC CD D难难难难5151无线局域网协议无线局域网协议nMACAn冲突避免冲突避免n解决隐藏站点冲突解决隐藏站点冲突nA欲向欲向B发送数据，先发送数据，先发送发送RTS帧提醒帧提醒BnB应答应答CTS，阻止在，阻止在B覆覆盖范围内的其他所有站盖范围内的其他所有站点发送数据（不包括点发送数据（不包括A）nC收到收到CTS后，不向后，不向B发发送数据而避免了冲突送数据而避免了冲突（在（在B周围的所有站点中周围的所有站点中只有只有A能
46、发送数据）能发送数据）A AB BC CRTSRTSCTSCTSRTSRTSRequest To SendRequest To SendCTSCTSClear To SendClear To Send5252无线局域网协议无线局域网协议nMACAn解决暴露站点问题解决暴露站点问题nC收不到收不到A发出的发出的CTS发送抑制帧发送抑制帧nC可以在可以在B向向A发送数发送数据的同时向据的同时向D发送数发送数据据n新的问题新的问题nRTS帧的冲突帧的冲突A AB BC CD DCTSCTS5353数字蜂窝数字蜂窝nGSMn数字数据与数字信号数字数据与数字信号n数字数据：集成、压缩、纠错、加密数字数据
47、：集成、压缩、纠错、加密n数字信号：抗干扰、高数据传输速率、可再生数字信号：抗干扰、高数据传输速率、可再生nGSM的信道分配的信道分配nFDMTDM（图（图2-43）n动态分配动态分配nGSM的公共信道的公共信道n呼叫信道下行信道呼叫信道下行信道n随机访问信道上行信道随机访问信道上行信道存在多路访问冲突问题，用存在多路访问冲突问题，用slotted ALOHA解决解决n访问授权信道下行信道访问授权信道下行信道用用用用于于于于连连连连接接接接的的的的建建建建立立立立扩扩扩扩54544.4 网桥网桥n网桥又称网桥又称MAC桥，是一种桥，是一种L2中继设备中继设备n主要强调互连主要强调互连n网桥通过
48、多个端口互连不同的网桥通过多个端口互连不同的LANn多种多种LAN技术的发展催生了网桥技术的发展催生了网桥n各个各个LAN的的MAC技术、速率均可不同技术、速率均可不同n初期典型网桥：用于多网互连、特别是主干网接入初期典型网桥：用于多网互连、特别是主干网接入n以太网桥：互连粗缆、细缆以太网桥：互连粗缆、细缆nTR网桥：互连网桥：互连16Mbps、4MbpsnFDDI网桥：互连网桥：互连FDDI、以太网、以太网n传统网桥基于软件、性能不高、市场并不大传统网桥基于软件、性能不高、市场并不大n交换机就是硬件化的多端口网桥，目前以太网的主要交换机就是硬件化的多端口网桥，目前以太网的主要设备设备5555
49、网桥的特点网桥的特点n隔离冲突域隔离冲突域n网桥各端口具有独立的网桥各端口具有独立的MAC实体实体n各端口为独立的冲突域各端口为独立的冲突域n隔离流量隔离流量n只有必要的帧才被网桥中继只有必要的帧才被网桥中继n宿地址与源地址同端口的帧，不转发宿地址与源地址同端口的帧，不转发n网桥各端口的流量相对隔离网桥各端口的流量相对隔离n可靠性，限制故障范围可靠性，限制故障范围n安全性需要，将局域网隔离安全性需要，将局域网隔离n特点的应用特点的应用n网桥可以用于网桥可以用于互连互连（对于不同类型的（对于不同类型的LAN）n网桥更可用于网桥更可用于分段分段！（对于相同的！（对于相同的LAN）5656网桥隔离冲
50、突域网桥隔离冲突域n网桥隔离冲突域，但不隔离广播域网桥隔离冲突域，但不隔离广播域A站站B站站C站站D站站A站站B站站C站站D站站网桥网桥冲突域冲突域冲突域冲突域1 1冲突域冲突域冲突域冲突域2 2n所有站点位于同所有站点位于同一冲突域一冲突域n网桥隔离冲突域网桥隔离冲突域n将网络分隔成两个冲突域将网络分隔成两个冲突域n每一个端口及其相连的站点位于每一个端口及其相连的站点位于同一冲突域同一冲突域5757网桥连接局域网网桥连接局域网n网桥互连多个不同的网桥互连多个不同的LANn各个局域网各个局域网MAC技术和速率均可不同存储转发技术和速率均可不同存储转发n网桥可能需要做协议转换（现在较少使用）网桥