第四章 介质访问控制子层
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第四章 介质访问控制子层. WAN : point-to-point channel no need MAC (except for satellite channel) LAN : broadcast channel(shared channel) need MAC(sublayer of DLL) Switched LAN : no need MAC protocol. 平时所说的 LAN ,一般指下三层不同:物理层、数据链路层和网络层,主要是下两层不同。我们指的以太网、令牌环网和 FDDI ,即指的是下两层协议。.

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第四章 介质访问控制子层

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第四章 介质访问控制子层

  • WAN:point-to-point channel

    no need MAC

    (except for satellite channel)

  • LAN: broadcast channel(shared channel)

    need MAC(sublayer of DLL)

  • Switched LAN:no need MAC protocol

第四章 介质访问控制子层


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平时所说的LAN,一般指下三层不同:物理层、数据链路层和网络层,主要是下两层不同。我们指的以太网、令牌环网和FDDI,即指的是下两层协议。

LAN 协议层次与 OSI 的比较

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4.1 信道分配策略

  • 静态分配

    • FDM

    • TDM

    • 均不能解决通信的突发性,所以必须使用信道的动态分配。

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信道动态分配的5个关键性假定:

1站模型。

2单通道假设。

3冲突假设。

4连续时间和时隙

5载波侦听和非载波侦听

第四章 介质访问控制子层


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4.2 多路访问协议

4.2.1 ALOHA协议

  • 纯ALOHA

  • 分槽ALOHA

    4.2.2 载波侦听多路访问协议

  • 1坚持CSMA

  • 非坚持CSMA

  • p坚持CSMA

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4 2 1 aloha

4.2.1 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。

  • ALOHA协议分为

    • 纯ALOHA

    • 分槽ALOHA

  • 基本思想

    • 适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统

    • 不进行载波侦听

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Aloha 2

ALOHA协议(2)

  • 纯ALOHA

    • Norman Abramson

    • 无需全局时间同步

    • 信道的最大利用率:18%(1/2e)

  • 分槽ALOHA

    • Roberts( 1972年)

    • 需要全局时间同步

    • 信道的最大利用率:36%(1/e)

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4 2 2

4.2.2 载波侦听多路访问协议

  • 在ALOHA协议中,各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据,这样当然会引起许多冲突。由于在局域网中,一个站点可以检测到其它站点在干什么,从而可以相应地调整自己的动作,这样的协议可以大大提高信道的利用率。

  • 对于站点在发送数据前进行载波侦听,然后再采取相应动作的协议,人们称其为载波侦听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议。

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CSMA(载波监听多路访问)

1. 主要思想

一个站要发送,监听总线是否空闲

若空闲,则发送

若忙,则等待一定间隔后重试

2. 缺点

没有检测冲突的能力

降低总线利用率

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  • CSMA分类

  • a) 非坚持CSMA

    介质空闲则发送;介质忙则等待一段随机时间、重复CSMA

  • b) 1—坚持CSMA

    介质空闲则发送;

    介质忙,继续监听直到介质空闲,立即发送

    c) P—坚持CSMA

    1)若介质空闲,以P的概率发送,1-P概率延迟1个时间单位

    2)若介质忙,继续监听直到介质空闲,重复第1步

  • 若发送延迟1个时间单位,则重复第1步

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Csma cd

CSMA/CD(冲突检测)

  • 某站点想要发送数据,它首先侦听信道,如果信道空闲,立即发送数据并进行冲突检测;如果信道忙,根据不同的CSMA协议或等待一段时间,或继续侦听信道,直到信道变为空闲,发送数据并进行冲突检测。如果站点在发送数据过程中检测到冲突,立即停止发送数据并等待一随机长的时间,重复侦听信道。

  • 以太网和IEEE802.3就是使用有冲突检测的CSMA。

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CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)

1. 与CSMA的区别:

检测冲突能力;

若检测到冲突,立即停止发送,向总线发阻塞信号。

2. 以太网

IEEE 802.3:1-坚持CSMA/CD的整个家族;

802.3的特定实现叫做以太网。

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冲突检测时间

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4 3 ethernet ieee 802 3

4.3 Ethernet/IEEE 802.3

  • 以太网发展历史

    • University of Hawaii 的ALOHA 网络

    • Xerox 的 2.94M 以太网(1973)

    • Xerox, DEC and Intel 的 10M 以太网(DIX 标准)(1980 Ver1;1982 Ver2 )

    • IEEE 802.3 标准 (1985)

    • IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准(1995)

    • IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准(1998)

    • IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准(1999)

    • 10Gbps Ethernet标准(2001年?)

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IEEE 802系列标准

1. 802.1A:体系结构

2. 802.1B:寻址、网间互连、网络管理

3. 802.2: 逻辑链路控制 LLC 协议

4. 802.3: CSMA/CD 访问控制方法和物理层技术规范

5. 802.4:令牌总线访问控制方法和物理层技术规范

6. 802.5:令牌环访问控制方法和物理层技术规范

7. 802.6:都市网访问控制方法和物理层技术规范

8. 802.7:FDDI 访问控制方法和物理层技术规范

9. 802.8:时间槽访问控制方法和物理层技术规范

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802.1

802.2

逻辑链路控制

802.3

802.4

802.5

802.6

介质访问控制

各标准相互关系

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Csma cd1

CSMA/CD协议工作过程

  • 某站点想要发送数据,必须首先侦听信道;

  • 如果信道空闲,立即发送数据并进行冲突检测;

  • 如果信道忙,继续侦听信道,直到信道变为空闲,发送数据并进行冲突检测。

  • 如果站点在发送数据过程中检测到冲突,立即停止发送数据并等待一随机长的时间,重复上述过程。

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相关参数

  • 冲突时间片(检测窗口)

    • Contention Time(Slot) = 2* 电缆传播延迟

  • 二进制指数回退算法

    • 该回退算法是用来确定第k次碰撞后等待多长时间(Ti)再进行第i+1次尝试:

      Ti = r *冲突时间片

      其中:r = random(0 ~ 2i-1)

  • 以太网帧的最小帧长度

    • 对于10Mbps的以太网,冲突时间片为51.2µs (两个站点的最大距离为2500m所带来的延迟外加上4个Repeater的延迟)

    • 相当于64Bytes的发送时间

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最小帧大小M(64字节-不含前导与起始符)

网段最大长度L

间隔(Slot)时间T

最小帧长度、冲突时间片的关系

(间隔时间 = 发送最小帧的时间 = 最大往返时间)

-->网段最大长度

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最小帧长度

  • 电缆长度为1000米,数据传输率为100Mbps的,信号在电缆上的传播速度为200,000km/s,问帧的最小长度为多少?

  • 电缆的单向延迟为5微秒,2倍的单向电缆延迟为10微秒,则最小帧长度为10微秒*100Mbps=1000位=125字节。

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Ieee802 3

IEEE802.3的分类

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曼彻斯特编码

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Ieee802 31

IEEE802.3的组成示意图

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以太网地址

以太网中每台主机拥有一个全球唯一的以太网地址。

以太网地址由IEEE统一管理。

每个网卡的地址信息包括:产家编号、网卡编号。

以太帧格式

长度:64~1518字节。

0~7B: 前导;(不包括在帧长度内)

8~13B:目的MAC地址; 14~19B:源MAC地址;

20~21B:类型/长度;

数据:46~1500B;

CRC:4B。

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802 3

以太网及802.3的帧格式

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802 31

802.3帧格式(续)

  • Preamble(前导符): 7个Bytes的10101010

    • 该字段的曼彻斯特编码会产生10MHz,持续时间为 5.6s,以便接收方和发送的时钟进行同步。

  • 起始符:10101011

    • 标志着一帧的开始。

  • 目的地址:6字节

    • Unicast Address:最高位为0

    • Multicast Address: 最高为为1

    • Broadcast Address:全 1

  • 源地址: 6字节

    • Unicast Address:最高位为0

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802 32

802.3帧格式(续)

  • Length(长度):2字节

  • Data(用户数据):0~1500 Bytes

  • PAD(填充字段):0~46 Bytes

    • 保证冲突在数据发送期间可以检测到;

    • 随着网络速度的提高,必须相应地增大最小帧长度或是缩小电缆最大长度。

  • CRC校验码: 32位

    • 生成多项式为:G(X)=X32+X26+X23+X22+X16 +X11+X10 +X8+X7 +X5+X4+X2+X+1。

    • 校验范围为:目的地址、源地址、长度、数据和PAD。

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用集线器连网

集线器

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LAN交换机

交换机类似于高速公路的立交桥

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100mbps

100Mbps以太网

  • IEEE802.12,即100VG-AnyLAN:

    • 使用请求优先级介质访问控制策略

    • 适合于多媒体信息的传输

    • 与10Base以太网不兼容

  • IEEE802.3u:快速以太网

    • 保留10Base以太网的CSMA/CD协议及帧格式

    • 物理层嫁接了ANSI的FDDI物理层协议标准

      • 100Base-TX/100Base-FX

      • 100Mbps的数据传输率,其波特率为125M(4B/5B编码)

    • 为了兼容原先10兆以太网的布线,又设计了在3类UTP传输的100BASE-T4物理层协议

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快速以太网三种物理层标准

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Fast ethernet

Fast Ethernet 组成示意图

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4 3 token ring ieee802 5

4.3 Token-Ring/IEEE802.5

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Token ring

Token-Ring工作原理

  • 在没有站点发送数据时,令牌在环上不停地旋转;

  • 如果某站点要发送数据

    ①等待令牌的到来;

    ②抓住令牌并破坏掉;

    ③站点往环中发送数据;

    ④发送的数据沿环旋转一周后,由发送站点负责将其移走;

    ⑤重新产生令牌

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Token ring1

Token-Ring的物理参数

  • 站点引入的1比特延迟

  • 1比特的发送时间

  • 1比特延迟的等效物理长度

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令牌环MAC帧格式

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令牌环MAC帧格式

  • SD(Start Delimiter):含无效的差分曼彻斯特编码

  • AC(Access Control):P P P T M R R R

    • T=0:Token;T=1:Information

    • PPP:数据或令牌的优先级

    • RRR:预约优先级

  • FC(Frame Control):数据帧/控制帧标识

  • DA,SA:源地址、目的地址

  • Data:数据字段的长度由THT(Token Hold Timer) 确定,THT一般为10ms

  • FCS(Frame Check Sequence):CRC校验

  • ED(End Delimiter):含无效的差分曼彻斯特编码

  • FS(Frame Status):A,C进行捎带应答

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环的维护

  • 监控站(Monitor)的功能:

    • 保证Token不丢失--TTRT

    • 当环断开时采取行动--启动Beacon过程

    • 清除无主帧--AC字段中的Monitor位;

    • 保证环能容纳一个完整的Token;

  • 监控站的产生--Claim过程

  • Beacon过程(full-of-key problem):

    • 某站发现其邻近站似乎失效时,便发出一个Beacon帧;

    • 当站点接收到其上游邻居发来的Beacon帧,则停止发送自己的Beacon帧,而是转发接收到的Beacon帧;

    • 最后环中只出现某个站点发出的Beacon帧。

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环网的基本特点

  • 环网每个接口必须引入1比特延迟

  • 1-比特的等效物理长度

  • 环网的环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环上旋转

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802 5

802.5的性能特点

  • 优点

    • 环网本质上不是真正的广播介质,而是单个点到点线路的集合;

    • 环网几乎全部采用数字化技术;

    • 重负载时,相当于轮转法(Round-Robin);

    • 环网是公平的,结点访问信道的时间有一个确定的上限;

    • 支持优先级操作

  • 缺点

    • 存在单点失效问题

    • 环网的管理和维护比较复杂

  • 解决办法

    • 星型环/ FDDI的双环

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星型环

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4.4 网桥

  • 网桥工作于数据链路层,所以它应包以下的功能:流控、差错处理、寻址、介质访问等。

  • 网桥只理解数据链路层的帧头,上层协议对网桥是透明的,所以它可实现上层不同网络层协议的转发。

  • 网桥根据数据链路层帧头工作,所以很容易加入一些智能处理。如过滤掉(不转发)特定节点的帧;根据帧头中包含的高层参考(如Ethernet头中的type),选择过滤特定的上层报文等。

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网络互连设备

  • Repeater(中继器)

    在物理层实现网段间互连,放大衰减的电气信号,扩大网络覆盖范围。

    缺点:相连网段形成一个冲突域。

  • Bridge(网桥)

    在数据链路层实现网段间互连,转发MAC帧。

    优点:隔离冲突域,过滤残破帧,提高网段间的并发性,从而提高网络性能。可增加智能处理。

    缺点:增加了网络延时。相连网段形成一个广播域,一般无法防止广播风暴。

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网络互连设备

  • Router(路由器)

    在网络层实现网间互连,转发网络层报文。

    根据路由协议决定的路径转发网络层报文,隔离广播域,防止广播风暴。

  • Gateway(网关)

    在传输层及传输层之上实现网间互连。针对高层应用之间的不同,转换相应消息格式。

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网桥的优点

①不经过网桥的访问之间不冲突,提高了网络中的并发性,从而提高了网络性能;

②网桥可加入防火墙的功能,保护特定网络不受破坏;

③增大单个网络中连网设备的个数,(增大规模)

④增大了连网距离(扩大范围)

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网桥的类型

  • 根据工作原理不同可分为:

    • 透明网桥

    • 源路由网桥

    • 转译网桥

    • 源路由透明网桥技术

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透明网桥

  • 由DEC公司针对以太网提出的桥接技术,IEEE定义为802.1标准。其基本思想:网桥自动学习每个端口所接网段的机器地址(MAC地址),形成一个地址映象表,网桥每次转发帧时,先查地址映象表,如查到则向相应端口转发,如查不到,则向除接收端口之外的所有端口转发(flood)。广播与多目广播也采用flood方式。

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透明桥

  • 工作原理

    • 桥接收一帧后的处理过程如下所示:

      (1)如果源站点与目的站点所在的LAN相同,则扔掉此帧;

      (2)如果源站点和目的站点所在的LAN不同,则转发此帧;

      (3)如果不知道目的站点所在的LAN,则进行扩散。

  • 逆向学习算法

    • 前提是:透明桥必须能够接收与其相连的任一 LAN上传送的帧;

    • 学习(填表)-忘记-重新学习

  • Spanning Tree(802.1d)

    • 用生成树来解决在帧扩散中所产生的广播风暴

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举例

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广播风暴

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Source route bridge

源路由网桥(Source-Route Bridge)

  • SRB是由IBM公司针对其802.5令牌环网提出的一种网桥技术,属于IEEE802.5的一部分。其思想是在发送方知道目的机的位置,并将路径中间所经过的网桥地址包含在帧头中发出,路径中的网桥依照帧头中的下一站网桥地址一一转发,直到到达目的地。

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Srb 802 5

支持SRB的802.5帧格式

  • RII (Route Information Indicator),源地址的最高位,1指明后面含有RIF域。

  • RIF (Route Information Field):

  • Type — 指示该报文是给单一站点,一组站点或所有站点。如果不是单一站点,则使用生成树方式实现广播;

  • Length — 指明RIF的整个字节长度;

  • D — 指明帧的方向(向前、向后);

  • Largest — 指明该路径允许的最大帧长度;

  • Route Descriptor — 一对“环号(LAN号)-网桥号”

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混合介质网桥

  • 转译网桥(Translational Bridge)

    • 在80年代中期提出,但未为国际标准,所以各厂家的实现不能保证互操作性。

  • 90年代IBM公司针对转译网桥的弱点,提出了源路由透明网桥技术(SRT)

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4 5fddi

4.5FDDI网络

  • FDDI(Fiber Distributed Data Interface)

    • 数据传输率:100Mbps

    • MAC控制:Token Passing

    • 拓扑结构:双环

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FDDI拓扑结构

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FDDI体系结构

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FDDI的特点

  • 优点:

    • 使用基于802.5令牌环传递MAC协议

    • 使用802.2LLC协议,与802LAN兼容

    • 可使用多模光纤或单模光纤作为传输媒体

    • 覆盖范围比较大

    • 使用双环拓扑确保网络具有容错能力

    • 具有动态分配带宽的能力,能同时支持同步和异步数据服务

  • 缺点:

    • 价格比较昂贵

    • 管理和维护复杂

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Fddi 802 3 802 5

FDDI与802.3、802.5的比较

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