《计算机网络原理与技术(第二版)》第4章：介质访问控制子层

计算机网络第四章介质访问控制子层主要内容信道分配策略令牌传递网络以太网无线局域网局域网互联虚拟局域网IEEE802标准系列802.10安安安安安802.1安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安802.2安安安安安安802.3CSMA/CD安安安802.4安安安安安安安安安802.5安安安安安安802.6安安安安安安802.9安安安安安安安安安802.11安安安安安802.12100VG-AnyLan安安安安安安安安802.7安安安安802.8安安安安安4-1IEEE802安安安安安安安安安安安安安安安安1.信道分配策略信道划分：频分多路复用：每个节点分配一个频段时分多路复用：每个节点分配一个时隙码分多址：每个节点分配一个编码随机访问：每个节点自主决定是否发送，冲突发生后，各个节点随机等待一段时间后重试。轮流访问：各个节点按照某种预定的顺序轮流发送，没有冲突。随机访问--纯ALOHA基本思想节点从网络层接收到一个数据包后，立即封装成帧发送。如果在预定的时间内没有收到确认，节点立即以概率p重发该帧，以概率1-p等待一个帧时。在等待之后，仍以概率p重发该帧，以概率1-p等待一个帧时，直至发送成功。随机访问信道的效率定义为：当有大量的活动节点、每个节点总有大量的帧要发送时，长期运行过程中成功传输时间占总时间的份额。纯ALOHA系统的吞吐量为S=Ge-2G，其中G为系统负载。当G=0.5时，S达到最大值，为0.184。纯ALOHA的易损时间区t0t0+tt0+2tt0+3t安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安安t安4-2安ALOHA安安安安安安安安随机访问--时分ALOHA基本思想：将时间分成一系列离散的时隙，每个时隙用来传输一个帧；每个节点只能在一个时隙的开始发送（需要一个全局时钟）；如果在时隙结束前检测到冲突，则节点以概率p在后续的每一个隙重传它的帧，直至传送成功。与纯ALOHA相比，每个帧的易损时间区缩小了，因而冲突的概率随之减小，系统吞吐量随之提高。时分ALOHA系统的吞吐量为S=Ge-G。当G=1时，S达到最大值，为0.368。时隙ALOHA的易损时间区t0t0+tt0+2tt0+3t安安安安安安安安安安安t安4-4安安ALOHA安安安安安安安安安安安安纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较00.51.50.1842.01.00.368GS安ALOHA安S=Ge-2G安安ALOHA安S=Ge-G安4-3ALOHA安安安安安安S安安安G安安安随机访问--CSMA/CD基本思想：节点有帧要发送时，先侦听信道；信道忙则坚持侦听直至信道空闲；一旦发现信道空闲，立即发送；传输的过程中检测信道，一旦检测到冲突立即停止发送；随机等待一段时间后，重新侦听信道。即使发送前先侦听信道，以下两种情况仍有可能发生冲突：信号传播延迟不可忽略，相距较远的竞争节点在不知道另一节点正在发送的情况下发送。两个节点同时等待另一个节点结束传输，然后同时发送。以上观察表明，该策略仅适用于规模较小和负载较轻的网络。轮流访问预约将时间划分成一系列预约周期和数据传输周期，每个预约周期包含N个时隙，每个节点对应一个时隙。想发送数据的节点必须在其预约时隙到来时发一个“1”。预约周期结束后，所有预约的节点按顺序发送。令牌传递一个称为令牌的特殊帧在节点间按固定的次序巡游；节点收到令牌后，若没有数据发送，就将令牌传给下一个节点；否则发送一定数量的帧，再把令牌传给下一个节点。2.令牌传递网络令牌环（802.5）FDDI令牌总线（802.4）2.1令牌环令牌环由环接口和环接口间的点到点链路组成，节点通过环接口连到网上。数据沿着一个固定的方向在环上流动，每个节点从上游节点接收数据，然后立即转发到下游节点（边收边发而不是存储转发）。目的节点将数据接收下来，同时仍向下游转发。数据返回到发送节点时，发送节点将其从环上取消。图4-5令牌环网令牌传递令牌是一个特殊的标记，其中有一个令牌位，该位为“0”表示是一个空闲令牌，为“1”表示该令牌正在被使用。只有获得空闲令牌的节点允许发送，发送前将令牌位翻转为“1”，发完后将这一位置“0”，释放令牌。协议规定了每个节点获得令牌后可以发送的最大数据量，以防止一个节点长时间占用信道。令牌标记中包含优先级比特和预约比特，用于限制当前允许发送的最低优先级以及确定下一个令牌的优先级。令牌标记中包含一个监控位，用于检测令牌的丢失。令牌环的帧结构SDACEDSDACFCDASAINFOFCSEDFS111111114≥02安62安6SD安安安安安安AC安安安安安ED安安安安安安FC安安安安DA安安安安安SA安安安安INFO安安安FCS安安安安FS安安安安安4-6(a)安安安安安(b)安安安安安安安安安安安(a)(b)2.2FDDIFDDI在许多方面类似于802.5，但有以下重要区别：802.5只有一个环，而FDDI由两个传输方向相反的环组成，正常情况下只有主环工作，主环出现故障时启动次环。a)安安安安b)安安安安安安安4-7安安安安FDDI（续）802.5设计为运行在4Mbps或16Mbps，采用差分曼彻斯特编码；而FDDI设计为运行在100Mbps，采用更高效的4B/5B编码。在802.5中，数据帧由发送站负责取消，然后由发送站重新生成令牌。而在FDDI中，FDDI让目的节点取消帧，并重新生成令牌，因而FDDI并不是一个严格意义上的广播网络。FDDI的帧结构及协议也与802.5有些不同。2.3令牌总线令牌总线试图结合以太网和令牌环的优点：物理上采用总线结构以获得较高的可靠性。逻辑上采用令牌环的工作原理，各站轮流发送。安安安安安安安安安安安安安安安安4-9安安安安安安安令牌总线（续）令牌总线采用75Ω的宽带同轴电缆，其传输技术和使用50Ω基带同轴电缆的802.3完全不同。节点按地址从高到低的顺序组织在一个逻辑环中，令牌按地址从高到低的顺序传递。令牌中携带地址，表明该令牌是传给谁的。收到令牌的节点可以发送数据，然后将令牌传递给后继节点。令牌总线的帧结构。令牌总线的正常操作很简单，但网络的维护和管理很复杂。令牌总线的帧结构SDFCDASAPREAMBLEFCSEDDATA11140安81822安62安6SD安安安安安安DATA安安安ED安安安安安安FC安安安安DA安安安安安SA安安安安FCS安安安安安安安4-10安安安安安安安PREAMBLE安安安安安安安13.以太网传统以太网快速以太网千兆以太网交换式以太网3.1传统以太网物理层布线10Base-5粗同轴电缆，收发器，收发器电缆，AUI连接器，终端匹配器；采用总线型拓扑。10Base-2细同轴电缆，BNC连接器，终端匹配器；采用总线型拓扑。10Base-T双绞线，RJ-45连接器，集线器（hub）；采用星型拓扑。10Base-F光纤，光收发器，光集线器；采用星型拓扑。可使用中继器连接多个网段。（图）粗/细缆以太网在新建的局域网中已很少使用；双绞线以太网成为连接桌面系统最流行的局域网技术；光纤以太网常用于建筑物间的连接。10Base-T与10Base-F布线最长100m最长100m图4-1210Base-T安hub安hub安安安安安安安安安4-1310Base-F安安安安安hub安hub使用中继器连接多个网段......中继器主机图4-11使用中继器连接多个以太网段......以太网帧结构DIX以太帧结构：前导码：使接收端与发送端时钟同步地址：通常使用6字节地址（MAC地址）类型：指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理数据：0-1500字节填充：0-46字节，当帧长太短时填充帧，使达到64字节最小长度。校验和：CRC校验802.3帧格式与DIX以太帧格式的不同：帧起始标志：与802.4和802.5相兼容长度域：替代了DIX帧中的类型域，指出数据域的长度。这两种格式都可使用，当类型/长度域的值大于1500时解释为类型域，否则解释为长度域。DIX以太帧与802.3帧PREAMBLEDASATYPEDATAPADCRC安安安86620-15000-464安a安PREAMBLESDDASALEN安安安712安622安6DATA0-1500PAD0-46CRC4安b安SD安安安安安安安SA安安安安PREAMBLE安安安安DA安安安安安LEN安安安安安安DATA安安安PAD安安安CRC安安安安安4-14(a)DIX安安安安安(b)802.3安安安MAC地址每一块网络适配器（网卡）固定分配了一个地址，称为MAC地址，也称物理地址。MAC地址长6个字节，一般用由冒号分隔的6个十六进制数表示，如8:0:2b:e4:b1:2。全局地址和局部地址局部地址：地址次高比特为1，由网管分配且只在本网内有效。全局地址：地址次高比特为0，由IEEE统一分配。目的地址类型：单播地址：目的主机适配器的MAC地址，地址最高比特为0。多播地址：地址最高比特为1，其余不全为1。广播地址：48位全是1。以太网中传输的每一个帧可被每一个适配器收到，但适配器仅将发给本节点的帧交给主机。介质访问控制以太网采用CSMA/CD作为介质访问控制协议：发送前监听信道：信道忙则坚持监听，直至信道空闲；一旦发现信道空闲，立即发送。发送时继续监听信道，若检测到冲突立即停止传送帧，并发送一个阻塞信号。进入指数退避（exponentialbackoff）阶段，随机等待一段时间，重新监听信道。冲突检测若信号在以太网上相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2τ，为保证发送节点能够检测到冲突，帧的发送时间至少应为2τ。在最大配置的以太网（带有4个中继器、直径为2500米的粗缆以太网）中，2τ=51.2μs，这在10Mbps速率下对应于512比特（64字节）的最小帧长。冲突解决指数退避算法冲突产生后，时间被分成一系列长为51.2μs的时隙。第一次冲突后，设置参数n=1，然后从0~2n-1中随机选择一个整数k，等待k×51.2μs后重试。以后每发生一次冲突，就将n加倍，然后从0~2n-1中随机选择一个整数k，等待k×51.2μs后重试。算法规定n最大为10。适配器通常最多尝试16次，仍冲突则向上层报告出错。以太网的性能以太网适合在轻负载下工作，通常超过30%的利用率就认为是重负载了。多数以太网工作在较保守的状态下：大部分以太网上的主机数小于200。大部分以太网的规模远小于2500米，往返延迟接近5μs而不是51.2μs。主机通常会提供某种端到端的流量控制机制。3.2快速以太网标准为802.3u，除了数据速率提高到100Mbps以外，完全保留了802.3的MAC层（帧格式、接口及处理规程）。定义了三种新的物理层标准（布线方案）：100Base-TX：5类非屏蔽双绞线100Base-T4：3类非屏蔽双绞线100Base-FX：光纤物理层上只使用集线器和交换机进行组网，且传输介质只使用双绞线和光纤。100Base-TX5类双绞线布线方案。使用两对双绞线，一对用于输入，一对用于输出。每对双绞线运行在125Mbaud上，使用4B/5B编码，每对双绞线可以获得125M×4/5=100Mbps数据速率。该方案可在两个方向上获得100Mbps数据速率。采用RJ-45连接器。100Base-T43类双绞线布线方案。使用一根电缆中的全部四对双绞线，一对固定作为输入，一对固定作为输出，还有两对总是切换到当前传输方向上，因此当前传输方向上有三对双绞线。每对双绞线采用25M波特信号速率，传输3状态信号，将三对双绞线视为一体，则信号状态有27种，每种状态至少携带4比特数据。当前传输方向上可以获得4×25M=100Mbps的数据速率，同时在另一方向上仍然保留33.3Mbps的带宽（一对双绞线）。该方案仅在一个方向上获得