8课程代码4741计算机网络原理第八章局域网技术讲义教材.ppt

第8章 局域网技术,8.1介质访问控制子层 计算机网络可以分成两类 使用点到点连接的网络 广域网 使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络局域网 关键问题：如何解决对信道争用 解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分,数据链路层,物理层,网络层,介质访问控制MAC,逻辑链路控制LLC,,,Logical Link Control,Media Access Control,向上层提供 连接环境,对下层提供 访问介质方法,局域网的数据链路层模型,8.1.1 信道分配策略,静态分配策略 动态分配策略,2.动态分配信道分配方法,随机访问和控制访问： 站点模型 每个站点是独立的，有数据要发送时才占用信道，属异步时分复用 随机访问（争用） 各个站点有数据就发送，冲突后再协调，重发 适合负载轻的网络，信道利用率低，延迟短 访问控制 轮转：每个节点轮流获得信道使用权 预约；先声明，获得使用权再发送 无冲突和碰撞，负载重时信道利用率高，负载轻时效率低8.1.2介质访问控制协议,争用协议 无冲突协议 有限冲突协议,1.争用协议,20世纪70年代，美国夏威夷大学的ALOHA网通过无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络。

有两个版本： 纯ALOHA协议（Pure ALOHA）：每个站点只要有数据就可发送；通过监听信道来发现是否发生冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送 时隙ALOHA协议（Slotted ALOHA）：将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的开始才能发送与纯ALOHA相比信道的利用率提高一倍1）纯ALOHA,,,,,,,,,,,站1,站2,站N1,站N,接口,,,,,,,1,6,2,5,3,7,4,,,,,,,,,,T0,,,站1,站2,站N1,站N,帧到达,,,,,发送成功,发送成功,发送成功,,,,,冲突重发,冲突重发,冲突重发,冲突再重发,1,2,3,4,5,6,7,,,,,,,T0,T0,T0,T0,,,,,,,,,吞吐量S： 在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数0S1. 网络负载 G：在T0内总共发送的平均帧数包括发送成功的帧和因冲突未发送成功的帧G=S:未发生冲突，GS：有冲突 在稳定状态下：S=GP P:发送成功的概率 采用定长帧 帧时：发送一帧所需时间,阴影帧的易破坏区,Vulnerable period for the shaded frame.,SG e,2G,,,,,,,,,,0.10,0.20,0.184,,,,不稳定区域,,,S,G,,0.5,1.0,1.5,2.0,当G=0.5时，S得到最大值：0.184.,吞吐量,（2） 时分ALOHA,基本思想 将时间分成离散的时间片（slot），每个时间片用来传输 一个帧，每个用户只能在一个时间片的开始传送帧，其 它与纯ALOHA系统同。

该系统要求全局时钟同步 与纯ALOHA比较，每个帧的易损时间区缩小了，冲突的概率随之减小，因而系统吞吐量随之提高 S = Ge-G，当G = 1时，S达到最大值，为0.368每一个幀在到达后，一般都要在缓冲区中等待一段时间 (该时间小于T0), 然后在下一时间片开始时才能发送出去时隙ALOHA的易损时间区,,,纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较,（3） 载波侦听多重访问（CSMA）协议,1-坚持CSMA 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则坚持监听直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即（概率1）发送数据，发现冲突后随机等待一段时间，然后重新开始监听信道 影响协议性能的因素：信号传播延迟，1-坚持的策略 该协议适合于规模较小和负载较轻的网络 非坚持CSMA 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲则发送数据 信道利用率高于1-坚持CSMA，但延迟特性要差些 1-坚持 CSMA,非坚持 CSMA,p-坚持CSMA 适用于时分信道站点在发送数据前先监听信道，信道忙则等到下一个时间片再监听，信道空闲则以概率p发送数据，以概率1-p将发送推迟到下一个时间片。

下一个时间片执行相同的操作直至发送成功或检测到信道忙 该协议试图在1-坚持CSMA和非坚持CSMA间取得性能的折衷，影响协议性能的关键在于p的选择p- 坚持 CSMA,几个CSMA协议的性能比较,带有冲突检测的CSMA/CD,工作原理：监听到信道空闲, 就立即发送数据，且边发送边监听, 若监听到冲突，冲突方立即停止发送，并发送干扰信号串强化冲突，通知全网站点，使信道很快空闲，随后各自等待一段随机时间，发现信道空闲又发送数据，经过几轮竞争后有一个节点发送成功 CSMA/CD的状态周期：由竞争周期、传输周期和空闲周期交织而成 冲突检测方法： （1） 比较接收到的信号电压的大小 （2） 检测曼彻斯特编码的过零点 （3） 比较接收到的信号与刚发出的信号,,CSMA/CD的状态周期,,CSMA/CD 检测冲突时间,站点开始发送后最多经2时间就能确认传输是否成功,,,,,1 km,,,A,B,,t,,,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,,,,A,B,,,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,,A,B,单程端到端 传播时延记为,CSMA/CD 检测冲突时间,设A，B为网络中相距最远的两个节点，则信号从A到B再回到A所需的时间： Slot Time 2S/0.7C+2tPHY 为了保证A能够听到与B的碰撞，A发送的时间必须 Slot Time 因此所发的最小帧长Lmin Slot Time R 2S/0.7C+2tPHY R 可以看出： 最小帧长度不变时，传输速率与网络跨距成反比； 传输率固定时，网络跨距与最小帧长度成正比； 网络跨距固定时，传输率与最小帧长度成正比。

等待的随机时间，用截断的二进制指数退避算法 随机时间的基本单位： 为竞争时间片的长度 2 端到端的传播时延(即最远两个站之间的传播时延),检测到冲突后，退避等待的随机时间？,,算法规则如下： 设 1 个时间片等于两站之间的最大传播时延的两倍（2） ； (1) 当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2， (2) 退避等待一个随机时间，取值为 1到L 个时间片中的 一个随机数 (3) 当再发送帧时若又发生冲突，则L加倍 (4) 设置一个最大重发次数 ，超过该次数，则不再重传，并报告出错2. 无冲突协议,位图协议 该协议的本质是要求站点在发送前先进行预约，然后在预约的时间里发送数据，该协议不会产生冲突二进制倒计数协议 每个站发送数据前先发送其二进制地址（长度都相等），这些地址在信道中被线性相加，协议选择其中地址最高的站作为胜出者，允许其继续发送数据 对不同地址的节点不公平：地址码大者总是优先获得发言权,二进制倒计数协议,3. 有限争用协议,竞争协议：轻负载下延迟特性好，重负载下信道利用率低； 无冲突协议：重负载下信道利用率高，轻负载下延迟特性不好； 有限竞争协议：结合以上两类协议的优点和克服各自的缺点，在轻负载下获得良好的延迟特性，而在重负载下获得较高的信道利用率。

有限竞争协议的基本思想 对用户进行分组，每个时隙内只允许一个组的用户竞争信道，通过减少在同一个时隙内竞争信道的用户数来提高竞争成功的概率； 组内用户数量随系统负载的变化动态调整，负载越轻用户数越多，负载越重用户数越少，在两个极端上分别退化为竞争协议和无冲突协议； 协议的关键就在于如何根据系统负载自适应调整组的划分，将时隙分配给用户自适应树搜索,,,,,时间片0：A以下站点发送，冲突,时间片1：B以下站点发送，冲突,时间片2：D以下站点发送，无发送,时间片3：E以下站点发送，冲突,时间片4：2发送，成功,时间片5：3发送，成功,时间片6：C以下站点发送，无发送,为了使得不同厂家生产的局域网能够相互连通进行通信，IEEE于1980年2月下设了一个802委员会， 专门从事局域网城域网标准的制订，形成的一系列标准统称为IEEE 802标准 ISO于1984年3月采纳其作为局域网城域网的国际标准系列，称为ISO 8802标准 IEEE 802标准主要涉及物理层、 数据链路层以及网络层的一部分8.2 IEEE802标准与局域网,局域网的标准：IEEE802（ISO8802） IEEE802是一个标准系列：IEEE802, IEEE802.1IEEE802.14 其体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层 数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层,8.2.1IEEE802标准概述,MAC 子层与 LLC 子层,MAC（Media Access Control） 介质访问控制子层，负责解决设备使用共享信道的问题。

LLC（Logical Link Control） 逻辑链路控制子层，负责完成通常意义下的数据链路层功能，如差错控制、流量控制等分成MAC、LLC两个子层的好处,局域网可采用多种传输介质与拓扑，相应地介质访问控制方法就有多种将数据链路层分成两个子层，只要设计合理，使得MAC子层向上提供统一的服务接口，就能将底层的实现细节完全屏蔽掉即：不同的物理网络，物理层与MAC子层不同， 而LLC子层相同，网络的上层协议可运行于任何一种IEEE 802标准的局域网上 这种分层方法也使得IEEE 802标准具有良好的可扩充性，可以很方便地接纳新的介质与介质访问控制方法不同的MAC，相同的LLC,局域网体系结构,SAP：服务访问点，是低层向高层提供服务的地方,IEEE802系列中的主要标准,802.2 逻辑链路控制 802.3 CSMA/CD（以太网） 802.4 Token Bus （令牌总线） 802.5 Token Ring（令牌环） 802.6 分布队列双总线DQDB -- MAN标准 802.8 FDDI（光纤分布数据接口） 802.11 WLAN（无线局域网）,IEEE802体系结构示意图,数据链路层在不同的子标准中定义 分别对应于LLC子层和MAC子层,IEEE 802 标准,8.2.2 IEEE802 逻辑链路控制子层,提供三种服务: 不确认的无连接服务:适用于广播、组播通信，周期性数据采集 确认的无连接服务:适用于传送可靠性和实时性都要求的信息，如告警信息 确认的面向连接的服务:适用于长文件传输,8.2.3 IEEE802.3:CSMA/CD,CSMA/CD网（以太网）的产生与发展 20世纪70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网） 最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的 经DEC, Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准） DIX V1（1980）、DIX V2（1982）Ethernet II 特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆 1985年被采纳为IEEE 802.3，支持多种传输媒体。

“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范” Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小 仅是帧格式和支持的传输介质略有不同 目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展 ,IEEE 802.3规定了以太网的MAC层和物理层，其中物理层规定了其接口特性和传输媒介，其规范名称的简写格式包括三部分： 传输速率（Mbps）+信号方式（基带还是频带）+传输距离（或介质类型）,1、IEEE802.3 物理层规范,IEEE802.3的10M可选方案,10Base5 粗缆Ethernet 10Base2 细缆Ethernet 10BaseT 双绞线 10Broad36 宽带 10BaseF 光缆,2.CSMA/CD总线实现模。