（大学课件）本科网络课程讲义：LAN.ppt

1、Chapter 5 LAN&MAC Sub layern5.1 传统LAN的基本概念n5.2 多路访问协议n5.3 局域网的数据链路层n5.4 以太网的MAC协议n5.5 无线LANn5.6 网桥n5.7 交换式局域网n5.8 虚拟局域网15.1传统LAN的基本概念n5.1.1LAN的定义n局域网（LAN）是在一个小区域范围内对各种数据通信设备提供了互连的信息网。n局域网的典型特性：n高数据传输速率（10M-1000Mbps）n短距离（0.1-10km)n低误码率（10-8-10-11）n决定局域网特性的主要技术：n用以传输数据的传输媒体n用以连接各种设备的拓扑结构n用以共享资源的媒体访问控制

2、方法2nOSI LANNetwork LayerData Link LayerPhysical LayerLLCMACPhysical传统的LAN大多是共享媒体的LAN（即采用广播信道），不需要路由选择功能，因此只具备OSI的第1、2层功能。在数据链路层，重点要解决媒体访问控制功能，所以，数据链路层又分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。3IEEE 802 Architecture45.1.2LAN的传输媒体n双绞线n同轴电缆n光纤n无线电波n红外55.1.3局域网的拓扑结构n星型（Star）n环型（Ring）n总线型（Bus）n树型（Tree）Ring networkR

3、ing networkBus networkBus networkCentralCentralserverserverConcentrator(or hub)Network backboneNetwork backbone6星型（Star）拓扑结构n特点：n集中控制n中心交换节点功能复杂，但其他通信节点负荷相对较轻。n建设成本较大n可扩展性好CentralCentralserverserver7环型（Ring）n由一组转发器通过点对点连接成环路构成。n有源网络n分散控制n常采用令牌方式控制媒体访问n单个节点的故障有可能波及全网Ring networkRing network8总线型（Bus）n

4、通信网络只是传输媒体n成本低n无源网络n分散控制n常采用CSMA/CD或Token方式进行媒体访问控制n广播型网络Bus networkBus network对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和媒体访问控制协议很重要。设计一个好的媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、有效的通道利用率、对用户的公平合理。9树型Concentrator(or hub)Network backboneNetwork backbone10其它网络拓扑结构-网状（Mesh）11Star Layout-Bus Topology12Star layout-Ring Topology135.2 多路访问协议n对于广播信道，需

5、要解决信道分配问题，信道的分配方案有：n静态分配：如传统的FDM或TDM，如果有N个用户，把带宽或时间分成N份，每个用户静态地占用一个。缺点是不能有效地处理突发数据，有的用户无通信量时白白浪费资源。n动态分配：异步时分多路复用。分为两种：n随机访问（争用，contention）：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。n控制访问：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。14争用协议一：ALOHA协议n20世纪7

6、0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。n有两个版本：n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。n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。15争用协议二：CSMA协议n载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access）协

7、议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即“讲前先听”n常见的四种CSMA协议：n1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA）n非坚持式CSMA（non-persistent）np-坚持式CSMA（p-persistent CSMA）n带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection）161-坚持式CSMAn当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就坚持监听，一旦发现信道空闲，就立即发送数据（发送数据的概率为1）。若发生冲突，就等待一随机长时间，再重新开始监听信道

8、。n两种发生冲突的可能：n信号传输的延迟造成的冲突。n对个站点在监听到信道空闲时，同时发送。n此协议的性能高于ALOHA协议。17非坚持式CSMAn当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就随机等待一段时间后再开始监听信道（非坚持）；一旦发现信道空闲，就立即发送数据。n此协议的信道利用率高于1-坚持式CSMA协议。n网络的延迟增大。18p-坚持式CSMAn用于时隙信道。当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙则等到下个时间片再开始监听信道；若信道空闲便以概率p发送数据，而以概率q=1-p推迟到下个时间片再重复上述过程，直到数据被发送。n概率p的目的就是试图降低1-坚持式协议中多个

9、站点同时发送而造成冲突的概率。n采用坚持监听是试图克服非坚持式协议中造成的时间延迟。np的选择直接关系到协议的性能。19CSMA/CDnCS协议的“讲前先听”对ALOHA系统进行了有效的改进，但在发送过程中若发生冲突，仍要将剩余的无效数据发送完，既浪费了时间又浪费了带宽。nCD协议的“边讲边听”可对CSMA作进一步的改进。发送过程中，仍然监听信道，通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将之与发送的信号作比较，就可判断是否发生冲突。一旦发生冲突，立即取消发送，等待一随机时间后再重新尝试发送。20无冲突（collision-free）协议n顾名思义无冲突协议就是不会产生冲突的协议。n两种无冲突协议：n

10、位图（bit-map）协议也叫比特映像协议n二进制倒计数（binary countdown）协议也叫二进制地址相加协议21位图协议n假设有N个站点（编号为0 N-1），下图中N=8。n将信道时间划分成一系列交替的预约周期（位图）和数据传输周期：n一个预约周期由N个1比特的竞争时隙组成，每个时隙对应一个站点。任何一个站点有数据发送时，必须在它的竞争时隙期间发送“1”进行预约。n预约周期结束后，预约过的站点按编号顺序进行发送，永不冲突。最后一站点发完数据后，开始新一轮的预约周期。22二进制倒计数协议n每个站点的地址用等长的二进制数表示。每个要发送数据的站点先广播发送它们的二进制地址（按高位到低位的

11、顺序）。这些地址在信道上被按位相加（逻辑或）。各站点在发送地址时监听信道，当发现自己地址中的某个“0”在信道上变为“1”时，即退出竞争。最后参与竞争的地址最高的站点获得发送权。发送结束后，重新进入下一轮竞争。23有限争用（limited-contention）协议n争用协议在轻负荷时延迟特性好，但重负荷时信道效率低；而无冲突协议在轻负荷时延迟特性差，但重负荷时信道效率高。n将争用协议和无冲突协议结合起来，在轻负荷时使用争用策略，而在重负荷时使用无冲突策略，即有限争用协议。24无线局域网（Wireless LAN）协议nWLAN中通过有线介质将一些基站（base station）连接起来，每个基

12、站通过微波或红外信号与移动的计算机进行通信，一个基站同时只能与一台计算机通信。nWLAN最基本使用CSMA协议，但由于各个站点发出的信号范围有限（不像有线网络中一个站点发出的信号可到达所有的站点），因此会造成：n隐藏站点问题（hidden station problem）：图(a)中，A向B发送时，由于C听不到误以为可发送数据，造成B接收失败。n暴露站点问题（exposed station problem）：图(b)中，B向A发送时，C听到信道忙误认为它不能向D发送数据，实际上并不影响A和D两站的接收。25CSMA with Collision Avoidance协议nCSMA/CA（避免冲突

13、的CSMA协议）是WLAN采用的介质访问控制协议，其相应的国际标准为IEEE 802.11。n发送方先激发（RTS）接收方发送一个短帧（CTS），使接收方周围的站点不会在即将到来的数据帧期间发送数据而导致冲突（避免冲突）。n当多个站点同时向一个站点激发时仍会发生冲突，在预定时间内没有收到CTS的发送方采用二进制指数退避算法，在等待一随机时间后再次重试。26CSMA/CA的分析nA首先向B发送一包含后继数据帧长度的RTS短帧（30字节）。B回复一个也包含数据帧长度（从RTS中得到）的CTS短帧。A一旦收到CTS，就开始发送数据。n侦听到RTS的其它站点均向A关闭，并保持足够长的沉默时间使A可无冲

14、突地收到CTS。侦听到CTS的其它站点均向B关闭，并在后继数据到来期间（从CTS中可知）保持沉默。nC位于A范围内，B范围外：听不到CTS，可随意地在A发送数据帧时发送自己的帧。nD和E都位于B范围内：听到CTS后，关闭所有的发送，直到A到B的帧被认为发送完毕。275.3局域网中的数据链路层n局域网的数据链路层n逻辑链路控制子层（LLC）n必须提供某些属于第3层的功能n必须能支持链路的多路访问特性n可利用MAC子层来摆脱与底层有关的某些操作，如拓扑结构、媒体、媒体访问控制访问n媒体访问控制子层（MAC）n根据网络的拓扑结构，不同的局域网采用不同的媒体访问控制方法n成帧nCRC校验28LLC的功

15、能n提供三种服务：n无连接的服务n面向连接的服务n复用n差错控制与流量控制n类似于HDLC协议29Typical Frame FormatLLC-Logical Link ControlPDU-Packet Data UnitDSAP-Destination Service Access PointSSAP-Source Service Access PointSAP indicates the user30控制字段n类似于HDLC协议，定义了三种格式：n信息帧n监控帧n无编号帧31信息帧控制字段的格式（以2字节为例）32监控帧控制字段格式33无编号帧控制字段格式34Operation of

16、higher layers over LAN355.4 以太网的MAC协议n传输媒体n拓扑结构n媒体访问控制方法n简单n有效的通道利用率n公平合理决定了传统局域网的响应时间、吞吐量和效率365.4.1 IEEE 802.3 CSMA/CDnHistorynDeveloped by Bob Metcalfe and others at Xerox PARC in mid-1970snStandardized by Xerox,DEC,and Intel in 1978nLAN standards define MAC and physical layer connectivitynIEEE 80

17、2.3(CSMA/CD-Ethernet)standard originally 2MbpsnIEEE 802.3u standard for 100Mbps EthernetnIEEE 802.3z standard for 1,000Mbps EthernetnCSMA/CD:Ethernets Media Access Control(MAC)policynCS=carrier sensenSend only if medium is idlenMA=multiple accessnCD=collision detectionnStop sending immediately if co

18、llision is detected37CSMA/CD技术Two nodes transmitat the same time1Node detect therehas been a collision2Nodes transmit ajamming signal3Nodes wait a randomperiod before retransmitting4All computers have access toa common bus at the same time是一种随机争用的媒体访问控制方法38CSMA/CD 流程图39碰撞检测40退避时间n从发送数据帧到能检测出是否碰撞的最大所

19、需时间2?称为间隙时间。n退避时间=r 间隙时间，r是随机整数，在（0，2k）区间内均匀取值，k=Min（尝试次数，10）。n对于10BASE-5局域网，规定网段的最大长度500米，允许最多4个中继器延长，最长2500米，间隙时间为51.2微秒。n对10Mbps的以太网，能检测出碰撞的最小帧长为10Mbps*51.2微秒=512bit=64字节。41Binary Backoff42802.3帧格式Others:Others:4 bytes for the CRC(32 bits)and 2 bytes for the LLC length(16 bits).The LLC part may b

20、e up to 1500 bytes long.PreamblePreamble(seven bytes)precedes the Ethernet 802.3 frame.Each byte of the preamble has a fixed b i n a r y p a t t e r n o f 10101010 and each node on the network uses it to synchronise their clock and transmission timings.It also informs nodes that a frame is to be sen

21、t and for them to check the destination address in the frame.Start delimiter fieldStart delimiter field(SDF)is a single byte(or octet)of 10101011.It follows the preamble and identifies that there is a valid frame being transmitted.Source/destination addressesSource/destination addresses(2 or 6 bytes

22、,Most Ethernet systems use a 48-bit MAC address for the sending and receiving node.Each Ethernet node has a unique MAC address,which is normally defined as hexadecimal digits,such as:4C-31-22-10-F1-32(4C31:2210:F132)A 48-bit address field allows 248 different addresses(or approximately 2814749767100

23、00 different addresses).IPTCPHTTPDataE.g.Preamble(7B)Startdelimiter(1B)Dest.address(6B)Src.Address(6B)Len(2B)FCS(4 B)Data field(Logical link control)0 to 1500 bytesPad0 to 46 bytes43Ethernet MAC Address44Baseband IEEE 802.345(a)10Base5,(b)10Base2,(c)10Base-T46IEEE 802.3与Ethernet帧格式的比较47Frame Recepti

24、on485.4.2Fast EthernetnIEEE 802.3u工作组规范(1995,6)n特点：n采用CSMA/CD媒体访问控制方式和802.3帧格式n100BASE-TX采用两对5类双绞线n100BASE-T4采用四对3类双绞线n网络最大长度250m（10M以太网是2500m，51.2x10-6x10 x106=512bits）49505.4.3 Gigabit EthernetnIEEE 802.3z(1998)和802.3ab工作组规范n问题：n在采用CSMA/CD的MAC子层中，碰撞检测时间与网络的最大距离成正比，在10BASE-5中，最大距离为2500m，间隙时间为51.2微秒

25、，最小帧长为512比特。在100BASE-T中，最大距离为250m，帧格式不变，即间隙时间为5.12微秒。按此规律，千兆比以太网的最大距离为25m，这显然不行。n解决方案n载波扩展：n最小帧长为512字节n网络最大距离200mn帧突发功能：允许在一定时间内连续发送多个MAC帧，最大突发长度为8192字节。n全双工51Gigabit Ethernet的物理规范525.5 无线LANn802.11，Adopted in 1997.nDefines:nMAC sublayer nMAC management protocols and servicesnPhysical(PHY)layers,1M,

26、2MbpsnIR 红外:nFHSS跳频扩频：79信道，每个信道宽1MHz，从2.4GHz开始往上nDSSS直接序列扩频：53Channel Overlapping5455IEEE 802.11 Protocols规规范范名名概概要要IEEE802.11b 现行2.4GHz频带的无线LAN物理层基本规范IEEE802.11g 2.4GHz频带的无线LAN物理层高速化规范 5GHz频带的无线LAN物理层基本规范IEEE802.11aIEEE802.11h 追加在欧洲能够使用的功能IEEE802.11d 追加在世界各国能够使用的规范IEEE802.11c 追加作为网桥工作所需的功能IEEE802.1

27、1e 追加QoS功能IEEE802.11f 不同厂商的AP间的互联性的保证IEEE802.11i 强化安全功能与与物物理理层层相相关关规规范范2.4GHz频带5GHz频带其他与MAC相关规范MAC层物理层物理层头标格式电波频率调制方式（编码方式）协议层次表示最大传输速率下使用的调制方式IEEE802.11b(最高11Mb/s)现行的PBCC方式(最高22Mb/s)IEEE802.11g(最高54Mb/s)IEEE802.11a(最高54Mb/s)HiSWANA(最高54Mb/s)HiSWANa的MAC层IEEE802.11的MACIEEE802.11b的物理层头标IEEE802.11a的物理层

28、头标HiSWANa的物理层头标CCKPBCCOFDM2.4GHz频带5GHz频带HR-DSSSIEEE 802.11 TerminologyBasic Service Set(BSS):nA set of stations controlled by a single“Coordination Function”(=the logical function that determines when a station can transmit or receive)nSimilar to a“cell”in pre IEEE terminologynA BSS can have an Acce

29、ss-Point,or can run without Access-PointnDiameter of the cell is twice the coverage-distance between two wireless stationsBSSIEEE 802.11 TerminologyIndependent Basic Service Set(IBSS):nA Basic Service Set(BSS)which forms a self-contained network in which no access to a Distribution System is availab

30、lenA BSS without an Access-PointnOne of the stations in the IBSS can be configured to“initiate”the network and assume the Coordination Function nDiameter of the cell determined by coverage distance between two wireless stationsIBSSIEEE 802.11 TerminologyExtended Service Set(ESS):nA set of one or mor

31、e Basic Service Sets interconnected by a Distribution System(DS)nTraffic always flows via Access-PointDistribution System(DS):nA system to interconnect a set of Basic Service SetsnIntegrated;A single Access-Point in a standalone networknWired;Using cable to interconnect the Access-PointsnWireless;Us

32、ing wireless to interconnect the Access-PointsExtended Service Set(ESS)BSSs with wired Distribution System(DS)BSSBSSDistribution SystemBSSBSSDistribution SystemExtended Service Set(ESS)BSSs and wireless Distribution System(DS)Overview,802.11 ArchitectureSTASTASTASTASTASTASTASTAAPAPESSBSSBSSBSSBSSExi

33、sting Wired LANInfrastructure NetworkAd Hoc NetworkAd Hoc Network61IEEE 802.11 TerminologyBasic Service Set Identifier(BSSID)n“cell identifier”n6 octets long(MAC address format)nSimilar to NWID in pre-IEEE WaveLAN systemsnOne BSS has one SSID nValue of BSSID is the same as the MAC address of the rad

34、io in the Access-Point802.11 MAC子层nthe problem“Hidden stations”BACA sends to BC doesnt detect that,so C might also start sending to BCollision of messages at B:both messages lost“Hidden stations”the solutionnIEEE 802.11 defines:nMAC level RTS/CTS protocol(Request to Send/Clear to Send)nCan be switch

35、ed off to reduce overhead(when no hidden nodes exist)nMore robustness,and increased reliabilitynNo interruptions when large files are transmittedABRTS:I want to send to B 500 bytesCTS:OK A,go ahead,so everybody quietData:the 500 bytes of data from A to BACK:B received the data OK,so an ACKC802.11支持的

36、两种操作模式 n点协调功能（PCF,Point Coordination Function)n由基站周期性地广播一个信标帧（beacon frame)，邀请站点申请服务n分布式协调功能(DCF,Distributed Coordination Function)nCSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance)nDCF是必须的，PCF是可选的65DIFSContention WindowSlot timeDefer AccessBackoff-WindowNext FrameSelect Slot and Decrement Backoff as long as m

37、edium is idle.SIFSPIFSDIFSFree access when mediumis free longer than DIFSBusy MediumOperational processesInter-Frame SpacingnInter frame spacing required for MAC protocol trafficnSIFS=Short interframe space，发送控制帧或下一个分片的间隔nPIFS=PCF interframe space，PCF帧发送间隔nDIFS=DCF interframe space，DCF帧发送间隔nEIFS=Ext

38、ended interframe space，坏帧的报告间隔nBack-off timer expressed in terms of number of time slots66802.11MAC帧格式FrameControlDurationIDAddr 1Addr 2Addr 3Addr 4SequenceControlCRCFrameBody22666620-23124802.11 MAC HeaderBytes:ProtocolVersionTypeSubTypeToDSRetryPwrMgtMoreDataWEPRsvdFrame Control FieldBits:22411111

39、111DSFromMoreFragControl Frames Management FramesData FramesRTS or CTS重发帧？休眠or 唤醒加密？分片编号持续时间，表示该帧和其确认帧所占用时间Address Field DescriptionAddr.1=All stations filter on this address.Addr.2=Transmitter Address(TA),Identifies transmitter to address the ACK frame to.Addr.3=Dependent on To and From DS bits.Add

40、r.4=Only needed to identify the original source of WDS(Wireless Distribution System)framesProtocolVersionTypeSubTypeToDSRetryPwrMgtMoreDataWEPRsvdFrame Control FieldBits:22411111111DSFromMoreFragTo DS0011From DS0101Address 1DADABSSIDRAAddress 2SABSSIDSATAAddress 3BSSIDSADADAAddress 4N/AN/AN/ASAAP的作用

41、69无线网络标准WANIEEE 802.20(in process)3GPP EDGE(GSM)LANIEEE 802.11Wireless LANETSIHiperLANIEEE 802.15BluetoothPANETSIHiperPANMANIEEE 802.16WirelessMANETSI HiperMAN&HIPERACCESS700.1110100+传输速率(Mbps)10m100m1km10kmcellular范围802.15.3a(UWB)Bluetooth802.16a802.20802.16e802.162G/2.5G cellular3G cellular802.11b802.11a几种无线标准的传输速率与范围比较71