第8章 数据通信网.ppt

计算机网络,第4章 介质访问控制子层,网络链路分成两大类 点到点连接WAN 广播信道---也称为多路访问信道（multiaccess channesl ）或者随机信道(radom access channel) 关键问题 如何确定谁可以使用信道 介质访问控制子层（MAC，Medium Access Control） 确定多路访问信道下一个使用者的协议，数据链路层的子层.,MAC子层功能信道分配,MAC（Media Access Control，介质访问控制）是一种控制使用通信介质的机制，它是数据链路层协议的一部分下图是MAC子层功能结构图介质访问子层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配一个单独的广播信道 1、静态分配(Static channel allocation) 只要一个用户得到了信道就不会和别的用户冲突用户数据流量具有突发性和间歇性) 2、动态分配：称为多路访问（Multiple Access）或多点接入，指多个用户共用一条线路，而信道并非是在用户通信时固定分配给用户，这样的系统又称为竞争系统动态分配方法又可以分为：随机访问，典型ALOHA协议、CSMA协议 ；受控访问，典型令牌网竞争系统和集中控制的多点线路轮询,动态信道的5个关键假设,站模型：站独立，以恒定速率产生帧，每个站只有一个程序 单信道假设 冲突假设：两个帧同时传送，就会冲突，所有站点能检测到，冲突帧需重发 发送时间：连续任意时刻可发送；分槽时间 载波检测：有载波检测；无载波检测,Multiple Access Protocols,ALOHA Carrier Sense Multiple Access Collision-free protocols Limited-contention protocols Wireless LAN protocols,ALOHA协议（1）,纯ALOHA协议：用户有数据要发送时，可以直接发至信道，若在规定时间内收到应答，表示发送成功，否则重发。

重发策略：发送数据后侦听信道是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发，直到发送成功为止，如下图所示ALOHA协议（2）--冲突窗口2t,帧时：传输标准固定帧所需时间 假设无穷多用户按照泊松分布产生新帧N 要求0=N, 也服从泊松分布吞吐量S=GP0, P0是一帧没有遭到冲突的概率 一个帧时中生成k帧的概率 在冲突窗口内不存在其他流量的概率是 G=0.5时，S达到最大，为1/2e,ALOHA协议（3）--吞吐量分析,分槽ALOHA协议：把使用信道的时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间，每个站点只能在时间槽开始时才允许发送，其他过程与纯ALOHA协议相同 冲突主要发生在时间槽的起点，一旦发送成功就不会出现冲突，分槽ALOHA大幅度降低了冲突的可能性，信道利用率比纯ALOHA提高了约一倍 冲突窗口t,,ALOHA协议（4）--分槽ALOHA协议,载波侦听多路访问协议CSMA,载波侦听（Carrier Sense）：站点在发送帧之前，首先侦听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突三种方式： 1、坚持型CSMA（1-persistent CSMA） 2、非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA） 3、p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）,（1）站点有数据发送，先侦听信道； （2）若站点发现信道空闲，则发送； （3）若信道忙，则继续侦听直至发现信道空闲，然后 完成发送； （4）若产生冲突，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程（回到（1））。

优点：减少了信道空闲时间， 缺点：增加了发生冲突的概率广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差1、 坚持型CSMA（1-persistent CSMA）,,（1）若站点有数据发送，先侦听信道； （2）若站点发现信道空闲，则发送； （3）若信道忙，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程（回到（1））； （4）若产生冲突，等待一个随机时间，然后重新开始发送过程（回到（1）） 优点：减少了冲突的概率，信道效率比1-坚持CSMA高 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大传输延迟比1-坚持CSMA大2、非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）,,（1）若站点有数据发送，先侦听信道； （2）若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p 延迟至下一个时间槽发送若下一个时间槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时间槽被其他站点所占用 （3）若信道忙，则等待下一个时间槽，重新开始发送 （4）若产生冲突，等待一随机时间，重新开始发送 折中方案，既能像非坚持型CSMA那样减少冲突，又能像1-坚持型CSMA那样减少媒体空闲时间的，适用于分槽信道3. p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）,,五种多路访问协议性能比较,以上五种多路访问方法的信道利用率和载荷曲 线的比较见下图。

带冲突检测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD,检测冲突：边发边收 站的硬件在传输时必须侦听信道，读回信号不同于它放在信道上的信号，则认为发生了冲突 接收信号相对于发送信号不能太弱，必须选择能被监测到冲突的调制解调技术CSMA/CD工作状态包括三个周期：传输周期、竞争周期和空闲周期,一个站点开始发送后，经过多长时间还未监听到冲突，就可以确定自己抓住了信道？2 最小帧长,,思考,若信道长度为2000米 （1）若信道速率为10Mbps,数据帧至少要多少位？ （2）A在0时刻发送了数据帧,C站点在5us时刻发送数据，是否冲突？ （3）若冲突，A,B,C三站分别在什么时刻知道冲突？,,,,,500,1500,A,B,c,无冲突的协议(1),预留协议，每个站的开销是一位，不可能扩展到包含上千个站的网络中 低序号的站点平均等待1.5N个槽；高序号的站点平均等待0.5N个槽 低负荷下，每一帧的额外开销是N位，数据长度为d，信道利用率d/(d+N) 高负荷下，每一帧的额外开销只有1位，信道利用率d/(d+1),基本的位图协议,无冲突的协议(2),二进制倒计数协议,高序站的优先级别比低序站的优先级别高 信道利用率为 d/(d+log2N),无冲突的协议(3),令牌传递,令牌---特殊的短消息 以预定义的顺序从一个站传到下一个站。

代表发送权限当站点接收到令牌就可以发送帧 令牌环（token ring ）IEEE802.5 20世纪80年代以太网之外的选择 令牌总线（token bus）IEEE802.4 光纤分布式数据接口（FDDI）20世纪90年代 更快的令牌环 弹性数据包环（RPR，Resilient Packet Ring） IEEE802.17 对ISP使用的城域环的标准,有限竞争协议（1）,把竞争协议和无冲突协议的优势结合起来 低负荷竞争 短延迟 高负载无冲突技术 信道效率高,有限竞争协议（2）,K个站竞争信道的使用权，每个时槽中传送概率是p.在一给定时间槽，某一个站点成功获得信道的概率kp(1-p)k-1 当p=1/k时，最佳,减少参与竞争的站数目，站获得信道的概率就增加 有限竞争的思想：动态的将站分配到时间槽，负载重，减少每个时间槽中的站点数,有限竞争协议（3）--自适应树搜索协议,当负载很低时，每个时槽有很多站点竞争 当负载重时，每个时槽只有很少的站，甚至只有一个站 自适应树搜索协议,问题,16个站编号从1-16，正在竞争一个使用了可适应树协议的共享信道，如果地址为素数的所有站点都有帧要发，需多少个时槽才能解决竞争？,Slot 1：2,3,5,7,11,13 Slot 2：2，3，5，7 Slot 3：2，3 Slot 4：2 Slot 5：3 Slot 6：5，7 Slot 7：5 Slot 8：7 Slot 9：11，13 Slot 10：11 Slot 11：13,无线LAN协议（1）,无线LAN和有线LAN的不同属性导致了不同的MAC层。

无线LAN的常见配置，有策略的放置AP点 AP通过有线介质（铜缆或光纤）连接，提供接入服务 当AP和笔记本电脑在数十米范围内，单个蜂窝每个蜂窝只有一个信道，被蜂窝中所有站点共享，包括AP，通常提供Mbps的带宽，最大高达600Mbps,无线LAN协议（2）,无线LAN和有线LAN的不同属性 不能检测出正在发生的冲突，因为接收的信号比发送的信号弱上百万倍确认机制可用在事后发现冲突和其他错误 无线电传输范围有限,隐藏站问题,暴露站问题,A向B发送，C侦听不到，就会向B发数据,B向A发送，C能检测到，C不能向D发数据,无线LAN协议(3)--直接用CSMA存在的问题,基本思想：发送方刺激一下接收方，让它输出一个短帧从而使接收方附近的站检测到该帧，在数据帧传输过程中不再发送数据无线LAN协议(4)-- MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）,RTS(Request To Send) CTS(Clear To Send) 都包含了要发送的数据帧长度. C听到了RTS,但听不到CTS,可以发送数据 D没听到RTS,听到了CTS,E听到了RTS和CTS都不能发数据. 冲突仍可能发生,如B和C可能同时给A发送RTS,冲突会丢失,失败采用二进制指数后退算法.,以太网,许多为个域网、局域网、城域网的设计被IEEE802标准化，幸存者 IEEE802.3、IEEE802.11、蓝牙、IEEE802.16 以太网 经典以太网（Classic Ethernet） 3-10Mbps 交换式以太网（Switched Ethernet）100100010000Mbps,经典以太网（1）,Bob Metcalfe（哈佛博士，Xerox Palo Alto研究中心）和DavidBoggs于1976年设计实现了第一个局域网3Mbps，命名为Xerox Ethernet 1978年 DEC、Intel和Xerox制定了一个10Mbps的以太网标准（DIX 标准）。

1983年，修订为IEEE802.3 Metcalfe 创建了3com,以太网适配器,经典以太网-物理层（1）,由IEEE定义的以太网标准有几个不同的变种差别表现在：介质；网段的最大长度；网段上的站点数目；数据速率经典以太网-物理层（2）,10Base5：原始的以太网标准，使用AUI接口的50欧姆粗缆直径（10mm） ，总线拓扑结构10代表10Mbps；Base代表基带传输（baseband medium）；5代表500米 收发器用于检测线路冲突,发送强化干扰信号. 收发器电缆可达50米长. 10BASE2是为降低10Base5的安装成本和复杂性而设计的使用BNC接口的50欧姆细缆（5mm） 数据速率为10Mbps 由于两者数据传输率相同，10BASE2电缆段和10BASE5电缆段可以共存于一个网络中经典以太网-物理层（1）,10BASE-T：1990年发布的以太网物理层标准，物理上的星形拓扑网，T表示采用双绞线中央节点是一个集线器，每个节点通过两对双绞线与集线器相连，一对线发送数据，另一对线接收数据 集线器的作用类似于一个转发器，接收来自一条线上的信号并向其他的所有线转发由于任意一个站点发出的信号都能被其他所有站点接收，若有两个站点同时要求传输，冲突就必然发生。

所以尽管这种策略在物理上是一个星形结构，但从逻辑上看与CSMA/CD总线拓扑的功能是一样的经典以太网-物理层（2）,10BASE-F:以光纤作为介质的系统的规范每条传输线路均使用一条光纤，每条光纤采用曼切斯特编码传输一个方向上的信号包含三个标准： 10BASE-FP（Passive，无源的） 10BASE-FL（Link， 链路） 10BASE-FB（Backbone，主干）,经典以太网-物理层（3）,经典以太网-物。