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1、1 1第4 章 介质访问子层（MAC 子层）2 2 本章内容n 背景及介质访问子层功能n 介质访问基本方法l 竞争访问信道、无冲突协议、有限竞争协议n 网桥及交换机n 以太网协议n 其他协议l WiFi、WiMax3 34.1 背景及功能n 考虑本地有多台计算机联成一个网n 基本要求n 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n 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？ACBDEF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 44.1 背景及功能n 计算机网络分为两类n 点到点信道的网络n 共享信道的网络（广播信道的
2、网络或广播式网络）n 广播信道也称为：n 多路访问信道或随机访问信道n 广播信道网络的特点n 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n 同时发送会产生冲突n 需要某种信道访问机制介质访问子层研究的问题频率f5 54.1 背景及功能n 问题提出l 两个以上站点使用共享信道l 不能有多个站点同时发送冲突l 接收站如何从帧流中识别送给自己的数据l 与点到点式信道相比有很多新的工作n 问题解决目标l 无冲突或能降低冲突，实现通信l 信道利用率高STOPReject AcceptCollision6 6在哪里解决共享式信道分配的问题？n 逻辑链路控制l LogicLinkControlu
3、 关注两点之间的通信控制n 介质访问控制l MediaAccessControlu 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LLC介质访问控制MAC7 7术语：多路复用与多路访问n 多路复用：Multiplexn 多个通信复用到一个信道上n TDM、FDM 通过划分子信道，实现多个一对一的通信n 多路访问：Multi-Accessn 在一个信道上，实现与多个站点的通信n TDM 的联网通信方式，称为TDMAn FDM 的联网通信方式，称为FDMAn 其它的还有n CSMA，载波侦听多路访问n CDMA，码分多路访问n WDMA，波分多路访问8 84.2 广播信道分配问题n 静态分
4、配l 将广播信道分为多个“子”信道u FDMTDMl 每个用户分配一个子信道l 较大延时，较多带宽浪费（P210）u N 倍延时（排队论）u 困难的多路访问（MA）数据帧投递n 动态分配l 动态u 不划分子信道，根据用户数据需求进行信道分配u 非固定使用信道资源：时隙、频段(ALOHA、slottedALOHA、CSMA、CSMA/CD)重 重9 9广播信道分配方式n 集中式分配n 由中心站（基站）主导资源分配n 分布式分配n 不存在中心站，由各站点相互协商、协调，共同完成n 节约成本n 本章的重点n 广播式信道动态的分布式分配方式10 104.2.1 静态信道分配n 静态分配：多路复用技术n
5、 频分复用FDMBand=f1,f2,fnn 整个信道从频段上划分为N 个子频段，子频段的速率r=R/Nn 站点工作在某个子频段上，以速率r 全时工作n 时分复用TDMT=T1,T2,Tnn 时间周期，每个周期分为N 个时隙，时隙的平均速率r=R/Nn 站点工作在某个时隙上，以速率R 分时工作N 个子频段A B CD E F速率=RT T T T TFDMTDMA B CD E Ft全时工作t分时工作11 11静态信道分配n 低下的传输性能n 在数据流猝发性很强的计算机网络中尤为突出n 设信道传输能力为R，分为N 个子信道n 每个子信道峰值传输能力仅为r=R/Nn 设“峰均比”为100：1，子
6、信道的平均流量只能达到r/100n N 个站的总传输能力仅为N*r/100=R/100即只有1%的利用率n 注：峰均比是猝发性流的评价指标之一r rt t流量 流量12 12静态信道分配n 13 13静态信道分配n 多路访问（MA）难以实现n 将数据帧投递到任意指定的目的地n 目的地使用的接收子信道是哪个？n 什么时候实现频率转换？N 个子频段A B CD E F14 144.2.2 动态分配的环境设定（P211）n 站点模型l 一次发送一个帧，直到成功发送n 信道l 所有站共用一个信道单信道n 冲突l 两个站同时在信道上传输时，其它站收到的信号是混乱的n 连续时间或分槽时间n 载波检测或无载
7、波检测15 15动态信道分配的性能优势n 传输性能n 对猝发性的适应n 多路访问的简单实现n 利用共享信道的广播特性n 一发多收，或一发全收，不需要频道转换t t流量 流量16 16广播信道分配问题n 动态分配l 棘手的问题u 多于两个站同时发送，就会产生冲突u 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 关17 17广播信道分配问题n 动态分配l 动态分配方法类型u 竞争信道 节点无序抢占信道 允许冲突存在u 有序访问 控制节点访问信道次序 无冲突u 有限竞争 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
8、.3.2 有序访问信道4.3.3 有限竞争信道重 重18 18本章重点竞争访问信道算法n 算法优点n 信道利用率高n 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n 不需要进行信道划分n 站点数可变n 通信方式简单n 发，或者不发(不存在子信道带来的问题)n 适合于计算机间的组网通信n 通信的对象可变n 通信的数据量可变，通信能力强n 站点可自由上下网n 最大问题n 如何最大限度避免出现发送冲突19 194.3 多路访问协议(教材4.2 节)n 4.3.1 有竞争的多路访问协议n 纯ALOHA 协议n 各站想发就发，碰撞随时可能发生n 时槽ALOHA 协议n 规定统一发送时刻，碰撞时
9、帧完全重叠n CSMA 协议n 发前侦听信道，忙则随机后退n 有三种策略：0 坚持、1 坚持和P 坚持n CSMA/CA：WLAN 的MAC 协议n CSMA/CDn 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20 20信道竞争模型n 竞争模型n N 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(设均值为G)n 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
10、（消失在信道上)S：归一化吞吐率 S=吞吐量/信道容量G：归一化帧速率 G=帧速率/信道容量 显然：SG21 21信道竞争模型n 背景知识：泊松(Poisson)分布n 无穷多个独立工作站点随机生成(发送)帧的概率分布n 设有一小的时间间隔dt，若n 在dt 内生成一帧的概率为dt(dt1),且独立于其它时间间隔n 当dt 足够小时，生成多于1 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n 概率结构与时间位置无关n 则可推出在t 时间内生成n 个帧的概率为n 均值为n 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
11、）22 22信道竞争模型n 帧速率的概率分布n 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n 其中G 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-2G23 23信道竞争模型n 竞争模型的性能特性：n 吞吐率S 与帧速率G 的关系：S=GP0（P0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n 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(
12、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1124 24ALOHAn PureALOHAn 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n 不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，“想发就发”n 可以预测n 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n 何种帧速率适合PureALOHAn PureALOHA 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
13、领域的新时代25 25PureALOHA 的性能n 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Tn 设某个站点在t 时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：n 在t-Tt+T 的2T 间隔内没有其它站点发送(如图所示)n 即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布)为n P0=P2T 内无帧产生=e-2Gn 由S=GP0，可得PureALOHA 的吞吐率n S=Ge-2G站1站2t t+T t-T站N26 26PureALOHA 性能曲线n 性能描述n 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n 当帧速率G 大于信道容量的50%后，发送帧产生的
14、冲突急剧上升，吞吐率下降n PureALOHA 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%)n 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27 27SlotALOHAn 针对PureALOHA 无序竞争的冲突，加以改进n 改进方法n 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n 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(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n 改进后，性能提高多少？28 282009 SPLENGSlotALOHAn 设：某个站点在t 时
15、刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：n 在t-Tt 的间隔内没有新帧产生(新帧将在t 时刻发送)n 其概率为P0=PT 内无帧产生=e-Gn SlotALOHA 的吞吐率为n S=GP0=Ge-Gn 与PureALOHA 相比n 减少了冲突的可能性n 可容纳更高的帧速率n 从而提高了信道的吞吐率n PureALOHA 的2 倍n 最大吞吐率n 出现在G=1 处n S=1/e=0.36829 29CSMAn 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”n 工作原理：载波侦听多路访问n 发送前侦听信道n 信道空闲，就启动发送n 信道被占用，就等
16、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n 1 坚持CSMA：立即发送n 0 坚持CSMA：等待一段随机长度的时间(随机后退)n p 坚持CSMA：可能立即发送(概率p)，可能等待(概率1-p)30 30CSMAn 发送前侦听线路使冲突窗口减小为传播延时l 即载波信号传播到全网范围前l 多个站点同时侦听，发现信道“空闲”，产生冲突l 冲突概率下降l 典型数据：数传速率10Mbps，距离1km，平均帧长12kbn ALOHA 冲突窗口：2T=212k/10M=2.4msn SALOHA 冲突窗口：
17、T=1.2msn CSMA 冲突窗口：Tp=1/（2105）=5s站A站B站Ct+Tpt+Tt+2Tt站Dt侦听 侦听31 31CSMA 载波侦听动画（一）t t信道空闲 信道空闲A A 侦听信道，立即发送数据 侦听信道，立即发送数据信号到达 信号到达B B 处 处B B 侦听信道，抑制发送 侦听信道，抑制发送A A B B32 32CSMA 载波侦听动画连续（一）t t信道空闲 信道空闲A A 侦听信道，立即发送数据 侦听信道，立即发送数据信号到达 信号到达B B 处 处B B 侦听信道，抑制发送 侦听信道，抑制发送A A B B33 33CSMA 载波侦听动画（二）t t信道空闲 信道空闲
18、A A 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B B 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A A B B信号传播延时 信号传播延时n CSMA 降低了冲突概率n 因为信号传播延时是很短的以0.7 光速传播34 341 坚持CSMAn 信道闲后，启动发送的概率p=1n 准备发送：侦听信道n 若信道闲,启动发送n 否则,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n 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-GReadyData信道忙否侦听Ready
19、是信道闲发送站A站B站C站D侦听 侦听侦听 侦听35 350 坚持CSMAn 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n 准备发送：侦听信道n 若信道闲，启动发送n 否则，等到信道闲，再等待一随机时间后在尝试发送n 降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突ReadyData信道忙否侦听Ready是信道闲发送后退时间到站A站B站C站D随机延时后侦听 随机延时后侦听侦听 侦听 随机延时后侦听 随机延时后侦听36 36p 坚持CSMAn 信道闲后，启动发送的概率为p，继续等待的概率为1-pn 准备发送：侦听信道n 若信道闲，启动发送n 否则，等到信道闲，以概率p 启动发送，以概
20、率1-p 继续等待n 降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突n 最佳方案：n 调整概率p，使得发送的站点数=1ReadyData信道忙否侦听Ready是信道闲发送后退时间到RpR=rand()是站A站B站C站DA A 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侦听 侦听侦听 侦听 延时后侦听 延时后侦听37 37几种竞争协议的效率n 吞吐率n 轻负载下，1-坚持的性能好，0-坚持差，p-坚持中等n 重负载下，1-坚持的性能差，0-坚持好，p-坚持中等38 38CSMA/CD（结合P216、P233）n 载波侦听多路访问/冲突检测n 引入n 已经发生冲突
21、的帧，继续发送的部分是浪费n 冲突检测n 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，立即停止发送站A站B站C冲突 冲突浪费 浪费39 39 冲突检测方法n 电平判断n 冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值n 逻辑判断n 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“活动”+=超高 超高40 40冲突检测时间n 最多花多长时间发现冲突n 接近于0，但不等于0n 为传播时延距离/0.7 光速n 发送超过2 时间后不需要再检测冲突了41 41冲突检测后的处理n 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n 若各站的延迟时间相同，则一定会再次冲
22、突n 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n 随机延时算法截断二进制指数回退算法while attempts attemptlimit and collision while 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=attempts+1;end of while end of whiler r 为计算出的延时 为计算出的延时 时间片 时间片 以 以 时间片
23、为单位 时间片为单位42 42CSMA/CA 无线局域网协议n 无线局域网的广播特性n 信道共用n 无基站，对等式n 无线环境的特殊性：冲突域不固定A AB B C CA C A C 之间并 之间并不冲突，但 不冲突，但在 在B B 看来，大 看来，大家都是冲突的 家都是冲突的43 43无线局域网n 隐藏站点n A 向B 发送数据时C 监测不到载波n C 也向发送数据，造成冲突n A 对C 隐藏n 暴露站点n B 向A 发送数据C 向D 发送数据 本来互不干扰n 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 A B B C CA A B B C C D D难 难
24、44 44无线局域网协议n MACAn 冲突避免n 解决隐藏站点冲突n A 欲向B 发送数据，先发送RTS 帧提醒Bn B 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）n 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 A B B C CRTS RTSCTS CTSRTS RTS Request To Send Request To SendCTS CTS Clear To Send Clear To Send45 45无线局域网协议n MACAn 解决暴露站点问题n C 收不到A 发出的CTS 发送抑制帧n C 可以在B
25、向A 发送数据的同时向D 发送数据n 新的问题n RTS 帧的冲突A A B B C C D DCTS CTS46 46竞争访问信道n 竞争访问信道面临的问题及解决方案n 有冲突出现n 尽量减少冲突降低冲突概率n 监听载波n 随机后退n 尽量减小冲突带来影响n 分时槽n 监听载波n 冲突检测n 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n 降低冲突概率n 减小冲突持续时间47 474.3.2 无冲突协议n（1）预定协议信道申请n（2）自定方式n（3）用特定信息指挥发送48 48无冲突协议n（1）预定协议信道申请l 在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问l 争用时隙的
26、使用u 发送站在自己的争用时隙中置位u 在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送l 基本位图：建立争用时隙与站点的映射（图4-6）49 4949 49无冲突协议n（2）自定方式l 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l 二进制倒计数法u 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u 地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据50 50无冲突协议n 二进制倒计数法 例站A、站B、站C、站D，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，并同时监听网络上的
27、数据。ABCD发送顺序先后00111 1 11D 站可以发送数据u u 发送站中地址最高 发送站中地址最高的可以发送数据 的可以发送数据u u 地址动态变化，以 地址动态变化，以使保证公平性 使保证公平性51 51无冲突协议n（3）用特定信息指挥发送l 令牌令牌环、令牌总线u 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u 监控站保证只有一个令牌出现。u 只有一个站能发送 没有冲突u 令牌沿环依次传递 轮询制u 从上游站得到令牌u 发送完数据u 向下游站发送令牌扩 扩52 524.3.3 有限竞争协议n 产生背景l 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u
28、轻载时，竞争协议具有低发送延时特性u 重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性n 分组分时隙法l 分组：组数N 组内成员数Ml 组间用竞争方式，组内用无冲突方式l 组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式l 轻载时，增加组内成员数量，减少组的数量l 重载时，增加组的数量，减少组内成员数量优优53 5353 534.3.4 波分多路访问协议n 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 关54 5454 54波分多路复用（自学）n 波分l 利用不同的波长作为不同的信道（类似FDM）l 每个节点具有各自的发送信道、接收信道u 一个波长固定的接收端，收控制信息u 一
29、个波长可调的发送端，发控制信息u 一个波长固定的发送端，发送数据u 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 5555 55波分多路复用n 基本模型及关键问题：n 每个站的发送是固定波长C C数据接收数据发送B B数据接收数据发送A A数据接收数据发送 1 1 2 2 3 3何时调整接收波长到指定站？何时调整接收波长到指定站？56 5656 56波分多路复用n 协议过程A 向B 发送数据n 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）n A 调整接收数据信道，监听B 的状态通告n A 调整发送控制信息的波长，向B 发出请求信息：“请
30、在某时接收我发送的数据”n 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 5757 57波分多路复用数据发送 数据发送A AB B数据发送 数据发送数据接收 数据接收控制接收 控制接收控制发送 控制发送控制接收 控制接收控制发送 控制发送数据接收 数据接收 A1 A1 A2 A2 B1 B1 B2 B2S S S S S S S SS Sreq reqData to B Data to B58 5858 58波分多路复用n 复用：n 一段时间内，站点向多个目标发送了数据n 并从多个源接收了数据Data to B Data to B数据发送 数据发送A A
31、B B数据发送 数据发送数据接收 数据接收控制接收 控制接收控制发送 控制发送控制接收 控制接收控制发送 控制发送数据接收 数据接收 A1 A1 A2 A2 B1 B1 B2 B2 S S S S S S S SData to B Data to B Data to C Data to CS S Datato D Datato DData to B Data to B Data to B Data to BData to B Data to B59 5959 59波分多路复用n 小结l 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l 与FDM 方式的信道固定分
32、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l 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l 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60 604.4 以太网(教材4.3 节)MAC 子层应用例n 采用了CSMA/CD 技术的局域网n 范围小、数传速率高，共享介质n 一根电缆连接所有的站点n 背景n IEEE802 委员会n IEEE802.3MAC 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 数据链路层61 61以太网MAC 层n 介质访问技术CSMA/CDn 传输前侦听载波n 信道空闲立即发送n 信道忙则一直侦听，直到信道
33、空闲，然后立即发送n 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n 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n 最小帧长64 字节，最大帧长1518 字节n 最多连续冲突次数：16 次n 帧间间隔12 字节62 62以太网MAC 层n 帧格式n 前导码：10101010 串，用于同步n 目的地址：6 字节n 三种形式n 单播：单目的、普通地址指定站点接收n 多播、组播：组地址一组站点同时接收n 广播地址所有站点全部接收前导码 前导码 目的地址 目的地址 源地址 源地址 长度 长度/类型 类型数据 数据 帧校验 帧校验8 8 字节 字节 6 6 字节
34、 字节 6 6 字节 字节 2 2 字节 字节 46 46 1500 1500 字节 字节 4 4 字节 字节63 63以太网帧格式n 目的地址n 第一字节，最低位n 为0 表示单播地址普通地址n 为1 表示多播地址组地址n 全部为1 表示广播地址n 例：n 0 x01005E730C01n 组播地址n 0 x00900A270B0Cn 单播地址n 0 xFFFFFFFFFFFFn 广播地址64 64以太网帧格式n 长度/类型字段n 小于1536 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1500n 大于1536 表示帧类型数据字段封装的协议类型n 0 x800：表示数据内容是I
35、P 分组n 0 x806：ARP 分组前导码 前导码 目的地址 目的地址 源地址 源地址 长度 长度/类型 类型数据 数据 帧校验 帧校验8 8 字节 字节 6 6 字节 字节 6 6 字节 字节 2 2 字节 字节 46 46 1500 1500 字节 字节 4 4 字节 字节目的地址 目的地址 源地址 源地址 0 x800 0 x800 IP IP 分组 分组65 65以太网帧格式n 帧校验字段n 32 位CRC 校验n 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 前导码 目的地址 目的地址 源地址 源地址 长度 长度/类型 类型数据 数据 帧校验 帧校验8 8 字节 字节
36、 6 6 字节 字节 6 6 字节 字节 2 2 字节 字节 46 46 1500 1500 字节 字节 4 4 字节 字节66 66共享式与交换式以太网n 共享式以太网l 传统的以太网是共享式的u 站点采用CSMA/CD 竞争信道u 一根电缆连接所有的站点u 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u 集线器是工作在物理层的设备67 67共享式与交换式以太网n 交换式以太网n 端口与站点采用全双工通信n 共享缓冲区、交换矩阵、CrossBar 等n 在端口间转发数据帧n 所有端口并行工作n 交换机提供独享的信道，
37、没有信道竞争 关闭了CSMA/CDn 交换机是数据链路层设备MAC MAC MAC MAC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 6868 68共享式与交换式n 集线器提供各端口共享式带宽n 多个集线器级联共享同一带宽n 交换机提供各端口独享带宽n 多个交换机级联扩展带宽HUB HUB HUBHUB网桥 HUB HUBHUBHUB 型组网带交换机的组网HUB HUBHUB交换机交换机纯交换的组网69 69快速以太网(FastEthernet)n 数传速率为100Mbps 的以太网n 802.3un 与10Mbps 的以太网兼容10/100M 自适应n 电缆：5 类双绞线n
38、 接口：RJ45n 编码：8B/6Tn MAC 层：CSMA/CDn 全双工（交换式）下不用70 70千兆以太网n 数传速率为1000Mbps 的以太网n 802.3z，802.3ab 等n“电”缆：n 802.3z 光纤，802.3ab 双绞线n 编码：8B/10Bn MAC 层：CSMA/CDn 全双工（交换式）下不用n 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n 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71 714.5 网桥与交换机（工作原理）n 4.5.1 网桥的应用环境网桥的产生l 局域网内依靠线路、环路、集线器等已经能够实现
39、连接l 局域网间需要互连桥 桥72 72局域网互连需求l LANs 分散，相距较远l 调节载荷需要，减轻主干负担l 可靠性需要，限制故障范围l 安全性需要，将局域网隔离l WLAN WLAN 里的 里的AP AP（接入点、热点）（接入点、热点）也是网桥哦 也是网桥哦73 734.5.2 网桥技术n 网桥的基本技术l 工作在数据链路层l 接收局域网上所有的帧l 根据帧内目的地址判断转发接口，进行转发l 采用存储转发技术l 不同的LAN 之间可能需要进行协议转换桥 桥A AB BC CD D74 74网桥隔离冲突域n 网桥隔离冲突域，但不隔离广播域A站B站C站D站A站B站C站D站网桥冲突域 冲突域
40、1 1 冲突域 冲突域2 2n 所有站点位于同一冲突域n 网桥隔离冲突域n 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同一冲突域75 75网桥核心技术之一l 存储转发u 可进行速率匹配、信号转换、协议转换等76 76网桥核心技术之二n 根据帧内目的地址转发l 只有跨网数据才转发l 网间实现了隔离l 可允许多个端口同时收/发数据n 对比集线器l 从一个端口收到的数据向所有端口转发l 工作在物理层，作用是将线缆延长l 不允许多个端口同时收到数据HUB HUB桥 桥77 77网桥核心技术之三n 互联不同LAN 时面临的协议转换技术难题l 帧格式不同，需要“翻译”。l 网桥技术的部分难点，
41、至今没有很好地解决n 数据传输速率不同n 缓冲区的溢出n 帧的最大长度不同n 802.3:1500 字节；802.4:8191 字节;802.5:无上限78 784.5.3 几种常用的网桥技术n（一）透明网桥（TransparentBridge）l 接收所有的数据帧l 根据帧的目的MAC 地址，查各端口地址表转发l 地址表中没有的以扩散方式u 转发到所有端口l 地址表的形成与维护u 逆向学习法u 生成树算法桥 桥79 79地址表的形成n 透明网桥的逆向地址学习法l 使网桥通过接收的帧掌握各接口连接的站点信息u 通过帧的源地址“学习”记录到端口地址表中u 自动学习，非常方便桥 桥A AB BC
42、CA AB BD D80 80地址表的维护n 生成树算法l 反向地址学习容易形成转发路径的环路u 环路造成转发的无限循环l 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u 没有环路81 81生成树算法n 裁减分支l 破坏环路桥 桥1 1 桥 桥2 2桥 桥3 3A AB BC CA A 到 到D DA AD DA AA AA AD D 到 到A AA A82 82网桥技术n（二）源路由网桥（自学）l 桥将接收所有的数据帧l 由源端在数据帧中指明发送路由，即经过的桥的序列l 网桥只关心自己是否在桥的序列中，u 若是，按照路径要求转发到下一个网桥u 不是，则不予理睬83 83网桥技术n（
43、三）远程网桥l 网桥之间采用点到点连接，使用点到点协议MAC1 MAC1 MAC2 MAC2MAC2 MAC2 MAC1 MAC1 B1 B1 B2 B2MAC2 MAC2 MAC1 MAC1 PPP PPPMAC2 MAC2 MAC1 MAC1 84 844.5.4 交换机n 从原理角度，交换机就是多端口桥n 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85 85交换机n 从技术实现角度l 交换机具有较多端口，每个端口常只连接一台计算机l 交换机一般在相同类型的LA
44、N 端口间交换数据l 功能上：交换机不进行协议转换l 交换机可能采用部分存储转发技术，加快交换效率uCutThrough 只存储目的地址部分，就开始转发A ASwitch Switch A A存 存储 储转 转发 发A ASwitch Switch A AC Cu ut t T Th hr ro ou ug gh h86 86小结：桥技术的深入理解n 网桥的连接性网桥接收所有的数据透明性l 用户站点并不知道网桥的存在，因此以为目的站是直接相连的。l 网桥对未知目的地数据采用扩散方式，一定要送到目的。l 对于广播帧，网桥要将其转发到各个端口l（注意与路由器相比）n 网桥隔离了冲突域l 存储转发的
45、机制使桥两端可以同时有数据在线l（注意与集线器相对比）n 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 重87 874.6 无线局域网（WLANWiFi）共享介质的另一个实例n 协议标准l IEEE802.11 系列协议u11bu11gu11au11nu11acun 无线的“以太网”l 像以太网那样普及、方便、易用l 技术和CSMA/CD 类似uCSMA/CA高层 高层LLC LLC802.3 802.3MAC MAC802.3 802.3PHY PHY802.11 802.11MAC MAC802.11 802.11PHY PHY88
46、884.6.1WLAN 的组网结构n 对等结构无中心结构n 基础架构有中心结构(APAccessPoint)AP AP无线网卡 无线网卡89 894.6.2WLAN 物理层n 红外线IRl 1Mbps 或2Mbps 的数传速率l 光波长：850nml 没有穿越性，较少使用n 跳频扩频FHSSl 2Mbpsl 2.4GHzl 抗干扰性好l 较少使用不同时隙工作在不同频率上 不同时隙工作在不同频率上90 90WLAN 物理层n 直接序列扩频DSSSl 2Mbps、11Mbps，2.4GHzl 类似CDMAl 应用较为广泛n 正交频分多路复用OFDMl 54Mbps，150Mbps，2.4GHz、5
47、GHzl 分割子频率l 复杂的编码技术91 914.6.3WLAN 的MAC 层n 操作模式l DCF 与PCFl PCF 是集中式信道控制l DCF 是对CSMA 技术的继承更常用n CSMA/CA 技术l 载波侦听多路访问/冲突避免l 虚拟载波侦听u 根据帧长度字段判断信道空闲的时刻l RTS/CTS 技术避免冲突92 92CSMA/CAA BRTSCTSRTSABCTSACKA 附近站点禁发时段B 附近站点禁发时段Datatimen IEEE802.11 提出的经典算法l 先用握手信号（RTS/CTS 段帧）阻止附件站点的发送企图l RTS 的发送采用CSMA 算法93 934.6.4W
48、LAN 帧格式n 帧控制中含有帧类型l 管理帧、控制帧（RTS、CTS）、数据帧u 比以太网复杂l 地址字段多了两个地址u 源、目的、接收者、发送者A A B BAP1 AP1AP2 AP2B B A A AP2 AP2 AP1 AP194 944.6.5WLAN 组网服务AP1AP2BSS1BSS2ESSDS移动n 两种组网形态l 独立基本服务组（IBSS）u 又叫Ad-Hoc 方式u 没有中心站，形成单跳独立网络u 临时的小型应用l 扩展服务组（ESS）u 有中心结构（AP）u 无线站与AP 相连形成BSSu 通过AP 间的有线连接实现多个无线网的互连l 两种组网形态是互斥的95 95WL
49、AN 组网服务n 服务 无线场景的特殊服务l 关联u 无线站与AP 之间互相发现的过程u 主要靠AP 定期发送“信标”帧，让无线站识别和选择l 保密u 无线网保密性不够，容易被截听u 数据需用“密钥”进行加密l 认证u 网络对用户身份的确定u 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96 96WLAN 的认证系统APAPBSS1BSS2认证二级RadiusServerRouterInternet网管中心一级RadiusServerAP认证客户 认证系统 认证服务系统97 974.6.6WLAN 扩展标准n 物理层l 802.11b
50、 11Mbpsl 802.11g 54Mbpsl 802.11a 54Mbpsl 802.11n 超过100Mbpsl 802.11ac 300Mbps 以上n 其他l 802.11e Qos，提高可靠性l 802.11f 站点在AP 间的“漫游”l 802.11p 在车里和车辆之间实现WLANl 802.11s AP 之间用无线形成多跳网98 984.7 宽带无线网络（自学）n 802.11 与802.16n 802.16 协议架构n 802.16 物理层n 802.16Mac 层n 802.16 帧结构了解 了解99 994.7.1802.16 与802.11n 固定宽带无线访问系统的空中