第4章 介质访问控制子层

计算机网络第4章介质访问控制子层《计算机网络》第3章数据链路层第4章介质访问控制子层主要内容4.1局域网的基本概念4.2多路访问协议4.3以太网4.4无线LAN4.5数据链路层交换《计算机网络》第3章数据链路层4.1局域网的基本概念局域网的技术特点：(1)局域网覆盖有限的地理范围。(2)局域网提供高传输速率(10-100Mbps)、低误码率。(3)局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与拓展。(4)决定局域网的三要素是：拓扑、介质与介质访问控制方法。(5)从介质访问控制方法来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。《计算机网络》第3章数据链路层图4-1局域网参考模型与OSI/RM对照图4.1.1IEEE802参考模型1．IEEE802LAN参考模型LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口(SAP)。MAC子层在支持LLC层完成介质访问控制功能。《计算机网络》第3章数据链路层4.1.1IEEE802参考模型2．IEEE802标准系列IEEE802委员会为局域网制订了一系列标准，它们统称为IEEE802标准。图4-2表示出了IEEE802标准之间的关系。其中主要包括：802.1局域网概述，体系结构，网络管理和性能测量等；•——802.1d(生成树协议SpanningTree)•——802.1p(GeneralRegistrationProtocol)•——802.1q(虚拟局域网VirtualLANs：VLan)•——802.1w(快速生成树协议RSTP)•——802.1s(多生成树协议MSTP)•——802.1x(基于端口的访问控制PortBasedNetworkAccessControl)802.2逻辑链路控制LLC；《计算机网络》第3章数据链路层4.1.1IEEE802参考模型802.3总线网介质访问控制协议CSMA/CD及物理层技术规范；——802.3u(快速以太网FastEthernet)——802.3z(千兆以太网GigabitEthernet)——802.3af(基于以太网供电POE：PowerOnEthernet)802.4令牌环总线Token-PassingBus(单一/多信道速率1，5，10MBit/s)网介质访问控制协议及其物理层技术规范；802.5令牌环Token-PassingRing(基带速率1，4，16MBit/s)网介质访问控制协议及其物理层技术规范；802.6城域网(MetropolitanAreaNetworks)MAC介质访问控制协议DQDB及其物理层技术规范；802.7宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议；802.8光纤技术咨询组，为其他分委员会提供光纤网络技术的建议；《计算机网络》第3章数据链路层4.1.1IEEE802参考模型802.8光纤技术咨询组，为其他分委员会提供光纤网络技术的建议；802.9综合话音/数据的局域网(IVDLAN)介质访问控制协议及其物理层技术规范；802.10局域网安全技术标准；802.11无线局域网的介质访问控制协议CSMA/CA及其物理层技术规范；802.12100Mb/s高速以太网按需优先的介质访问控制协议100VG-AnyLAN(VoiceGrade-Sprachegeeignet)802.14(有线电视(CATV))802.15(无线个人区域网，WPAN)802.16(无线城域网，WMAN)802.17(弹性分组环(ResilientPacketRing))IEEE802委员会最先出台的标准是802.1~802.6，这6个标准已被ISO采纳为国际标准，包含在ISO8802-1~8802-6等文件中。美国国家标准协会(ANSI)把IEEE802标准作为美国国家标准。《计算机网络》第3章数据链路层4.1.2局域网拓扑结构类型与特点在局域网常用的拓扑结构有：星形结构、环形结构、总线型结构和网状型结构。1．星形网络结构星形网通过点到点链路接到中央结点的各站点组成的。通过中心设备实现许多点到点连接。在数据网络中，这种设备是主机或集线器。这种拓扑结构网络的基本特点主要有如下几点：(1)容易实现；(2)节点扩展、移动方便；(3)维护容易；(4)采用广播信息传送方式；(5)网络传输数据快。《计算机网络》第3章数据链路层4.1.2局域网拓扑结构类型与特点2．总线型网络结构这种拓扑结构具有以下几个方面的特点：(1)组网费用低；(2)传输速度随着接入网络的用户的增多而下降；(3)网络用户扩展较灵活；(4)维护较容易；(5)可靠性不高。《计算机网络》第3章数据链路层4.1.2局域网拓扑结构类型与特点3．环形拓扑结构这种拓扑结构的网络主要有如下几个特点：(1)这种网络结构一般仅适用于IEEE802.5的令牌网(TokenRingnetwork)，在这种网络中，“令牌”是在环型连接中依次传递。所用的传输介质一般是同轴电缆。(2)这种网络实现也非常简单，投资小；(3)传输速度较快。(4)维护困难。(5)扩展性差。《计算机网络》第3章数据链路层4.1.2局域网拓扑结构类型与特点4．树型结构这种拓扑结构同时兼顾了星型网与总线型网络的优点。主要有如下几个特点：(1)应用相当广泛；(2)扩展灵活；《计算机网络》第3章数据链路层4.1.3LAN的信道分配问题局域网大多采用广播传输技术(共享信道)。广播信道或多路访问信道中，所有站点共享一个传输信道，任何时候只允许一个站点使用信道(向信道上发送数据)。若有两个或多个站点同时发送数据，则信号在信道上就会发生碰撞或冲突(collision)，导致数据发送的失败。解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来协调各个站点如何使用信道，即介质访问控制MAC(MediumAccessControl)。《计算机网络》第3章数据链路层4.1.3LAN的信道分配问题信道分配策略可分为两大类：静态信道分配方案：如传统的FDM和TDM，将频带或时间片固定地分配给各个站点，适用于站点数量少且固定的场所，控制简单，效率高，但不能适应突发性流量。动态信道分配方案：如异步时分多路复用。其中又分为两种：随机访问(争用，contention)和控制访问，随机访问是指只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。而控制访问则是指发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。主要有轮转(round-robin)和预约(reservation)两种方式。《计算机网络》第3章数据链路层4.2多路访问协议在理想情况下，对于速率为Rbps的广播信道，多路访问协议应该有以下所希望的特性：(1)当只有一个节点有数据发送时，该节点具有Rbps的吞吐量。(2)当有N个节点要发送数据时，每个节点吞吐量为R/Nbps。(3)不会因某主节点故障而使整个系统崩溃。(4)协议是简单的，使得实现起来代价不是很高。具体协议主要有以下几种：ALOHA协议、CSMA协议和CSMA/CD协议。《计算机网络》第3章数据链路层4.2.1ALOHA1．纯ALOHA协议(PureALOHA)当传输点有数据需要传送的时候，它会立即向通讯频道传送。接收点在收到数据后，会ACK传输点。如果接收的数据有错误，接收点会向传输点发送NAK。当网络上的两个传输点同时向频道传输数据的时候，会发生冲突，这种情况下，两个点都停止一段时间后(该时间必须是随机的，否则同样的帧会不停的冲突)，再次尝试传送。2．分段ALOHA(SlottedALOHA)这是对纯ALOHA协议的一个改进。改进之处在于，它把信道在时间上分段，每个传输点只能在一个分段的开始处进行传送。每次传送的数据必须少于或者等于一个频道的一个时间分段。这样很大的减少了传输频道的冲突。《计算机网络》第3章数据链路层4.2.1ALOHA3．通过量的计算假设传输点对频道的使用符合泊松分布，可得以下公式：纯ALOHA协议：分段ALOHA协议：S是通过量，G是提供的流量(即每单位时间上成功传输数据包的概率均值)。从公式可以看出，对纯ALOHA，当G=0.5的时候，S达到最大值，为，也就是说此时期望的信道利用率仅为18.4%。对分段ALOHA来说，当G=1的时候，S达到最大值36%，分段ALOHA系统才处于最佳状态。2GSGeGSGe1/2Se《计算机网络》第3章数据链路层4.2.2载波检测多路访问协议分段ALOHA协议的最大信道利用率仅为1/e，而纯ALOHA协议的信道利用率为1/2e，这一点并不奇怪。原因是上述的ALOHA协议中，各站点在发送数据时从不考虑其他站点是否已经在发送数据，这样当然会引起许多冲突。在局域网中，由于所有站点共享信道，站点能够检测出其他站点正在进行的发送，从而可以降低冲突概率，提高信道的利用率。将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(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)协议。CSMA协议有几种类型，我们将分别进行讨论。《计算机网络》第3章数据链路层4.2.2载波检测多路访问协议1．1-坚持CSMA(1-persistentCSMA)1-坚持CSMA协议的工作过程是：某站点要发送数据时，它首先侦听信道，看看是否有其他站点正在发送数据。如果信道空闲，该站点立即发送数据；如果信道忙，该站点继续侦听信道直到信道变为空闲，然后发送数据；之所以称其为1-坚持CSMA，是因为站点一旦发现信道空闲，将以概率1发送数据。2．非坚持CSMA(nonpersistentCSMA)对于非坚持CSMA协议，站点在发送数据之前侦听信道，如果信道空闲，立即发送数据；如果信道忙，站点不再继续侦听信道，而是等待一个随机长的时间后，再重复上述过程。《计算机网络》第3章数据链路层4.2.2载波检测多路访问协议3．p-坚持CSMA(p-persistentCSMA)p-坚持CSMA主要是用于分槽ALOHA。其基本工作原理是，一个站点在发送数据之前，首先侦听信道。如果信道空闲，便以概率0≤p≤1发送数据，以概率q=1-p把数据发送推迟到下一个时间片；如果下一个时间片信道仍然空闲，便再次以概率p发送数据，以概率q将其推迟到下下一个时间片。此过程一直重复，直到将数据发送出去或是其他站点开始发送数据。如果该站点一开始侦听信道就发现信道忙，那么它就等到下一个时间片继续侦听信道，然后重复上述过程。《计算机网络》第3章数据链路层4.2.2载波检测多路访问协议在上述三个协议中，都要求站点在发送数据之前侦听信道，并且只有在信道空闲时才有可能发送数据。但即便如此，仍然存在发生冲突的可能。考虑下面的例子：假设某站点已经在发送数据，但由于信道的传播延迟，它的数据信号还未到达另外一个站点，而另外一个站点此时正好要发送数据，则它侦听到信道处于空闲状态，也开始发送数据从而导致冲突。一般来说，信道的传播延迟越长，协议的性能越差。图4-7显示了这三个协议，以及纯ALOHA和分段ALOHA的吞吐量和流量之间的关系。《计算机网络》第3章数据链路层4.2.2载波检测多路访问协议图4-7各种随机访问协议的信道利用率与负载之间的比较《计算机网络》第3章数据链路层4.2.3无冲突的协议在上述介绍中，冲突不可避免的要发生，在本小节中，我们将介绍另外一些协议，即无冲突(collision-free)协议。它们解决了信道竞争问题，冲突根本不会发生。其中有两种无冲突协议：位图(bit-map)协议(也叫比特映像协议)和二进制倒计数(binarycountdown)协议(也叫二进制地址相加协议)。下面进行简单介绍：《计算机网络》第3章数据链路层4.2.3无冲突的协议1．位图协议：假设有N个站点(编号为0~N-1)，设N=8。将信道时间划分成一系列交替