1、计算机通信网计算机通信网第四章第四章介质访问控制子层介质访问控制子层2引言引言l上一章内容是两台计算机间连接和通信问题上一章内容是两台计算机间连接和通信问题l本章内容是：本章内容是：在局部区域内多台计算机的联网和通信问题在局部区域内多台计算机的联网和通信问题局域网局域网如何连接？如何通信如何连接？如何通信可以自己敷设传输导线，自己来连接可以自己敷设传输导线，自己来连接全双工全双工半双工半双工或或网线连接网线连接无线连接无线连接3引言引言(续续1)l连接是一个问题连接是一个问题l通信方式又是一个问题通信方式又是一个问题两个站点同时向对方发送数据，对方能收到吗？两个站点同时向对方发送数据，对方能收
2、到吗？两个站点同时向第三方发送数据，第三方能收到吗？两个站点同时向第三方发送数据，第三方能收到吗？答案是收不到或收到的数据是错误的答案是收不到或收到的数据是错误的因此，局域网的通信需要站点间建立一因此，局域网的通信需要站点间建立一种通信规则，才有可能实现通信种通信规则，才有可能实现通信4引言引言(续续2)l第三个问题：能否向指定的站点发送数据？第三个问题：能否向指定的站点发送数据？上一章是点对点通信，不存在这个问题上一章是点对点通信，不存在这个问题其它站点是否收到数据不重要，重要的是指定其它站点是否收到数据不重要，重要的是指定站点要收到数据，并且知道是谁送给自己的站点要收到数据，并且知道是谁送
3、给自己的因此，局域网需要在数据中有一种地址机制因此，局域网需要在数据中有一种地址机制来标识站点。这就是局域网的协议问题之一来标识站点。这就是局域网的协议问题之一5本章知识点本章知识点l1、局域网的连接方式、局域网的连接方式总线形连接、星形连接、环形连接、总线形连接、星形连接、环形连接、l2、局域网的通信规则及性能分析、局域网的通信规则及性能分析竞争型通信方式竞争型通信方式无竞争通信方式无竞争通信方式有限竞争通信方式有限竞争通信方式l3、以太网协议、以太网协议l4、其它协议、其它协议(知识扩展知识扩展)WiFi、Token-Ringl以太网设备以太网设备HUB、网桥、交换机、网桥、交换机61、局
4、域网的连接、局域网的连接l连接方式连接方式1：总线形、星形：总线形、星形两者是等效的两者是等效的(需要半双工的接口需要半双工的接口)典型画法典型画法7局域网的连接局域网的连接l连接方式连接方式2：环形：环形利用全双工收发分利用全双工收发分开进行连接开进行连接不好，若某个站点不好，若某个站点关机，环就断开了关机，环就断开了加入小的单向传输阀加入小的单向传输阀好，某个站点关机，好，某个站点关机，环不会断开环不会断开典型画法典型画法8局域网的连接局域网的连接l其它连接方式的讨论其它连接方式的讨论用多条总线，在一条上发送，其余总线上接收用多条总线，在一条上发送，其余总线上接收或者反过来，在一条上接收，
5、在其余总线上发送或者反过来，在一条上接收，在其余总线上发送ABCD总线总线1总线总线2总线总线3总线总线4？9局域网的连接局域网的连接l无线信道的情况无线信道的情况可以有多个无线信道可用可以有多个无线信道可用每个站点只有一个发射机和一个接收机每个站点只有一个发射机和一个接收机l讨论两种情况讨论两种情况发射机和接收机都在同一个信道上工作发射机和接收机都在同一个信道上工作(与总线等效与总线等效)发射机和接收机可工作在不同信道上发射机和接收机可工作在不同信道上(与多总线基本等效）与多总线基本等效）10不同连接下的通信基本问题不同连接下的通信基本问题l总线形连接总线形连接l单个站点发送数据单个站点发送
6、数据一旦一个站点发送数据，其信号立即占满整个总线一旦一个站点发送数据，其信号立即占满整个总线(光速传播光速传播)l多于一个站点几乎同时发送数据多于一个站点几乎同时发送数据多个信号在总线上叠加，信号产生混乱多个信号在总线上叠加，信号产生混乱(冲突现象冲突现象)timeAB信号冲突信号冲突t1t2t3t4AB11不同连接下的通信基本问题不同连接下的通信基本问题l环形连接环形连接通信情况同总线形完全一致通信情况同总线形完全一致timeAB信号冲突信号冲突t1t2t3t4AB122、局域网的通信规则及性能分析、局域网的通信规则及性能分析l性能分析模型性能分析模型l竞争型通信规则竞争型通信规则想想说说就
7、就说说型：型：ALOHA，slot-ALOHA先先听听后后说说型：型：CSMA(载波侦听载波侦听)先先听听后后说说+边边听听边边说说型：型：CSMA/CDl无竞争型通信规则无竞争型通信规则有令牌则说话：有令牌则说话：Token-Ring主站点名轮询：主站点名轮询：Pollingl有限竞争型有限竞争型先先听听后后争争，争争到再到再说说型：型：CSMA/CA2.1 性能分析模型性能分析模型l局域网有局域网有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分析个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分析方便，假定：方便，假定：所有数据帧长度相同所有数据帧长度相同(L bits)，信道速率为，信道速率为R(bi
8、ts/s)每个数据帧持续时间为每个数据帧持续时间为T=L/R信道的帧速率为信道的帧速率为C=1/T=R/L13123C单位时间单位时间=CT123g成功帧数成功帧数s总帧数总帧数g站点通信模型：站点通信模型：-N个站点按某种通信规则发送数据帧。个站点按某种通信规则发送数据帧。-数据帧在信道上可能出现重叠数据帧在信道上可能出现重叠(冲突冲突)-只有未被冲突的帧才能成功传输只有未被冲突的帧才能成功传输三个重要分析参数：三个重要分析参数：C：信道帧速率，单位时间内最大成功帧数：信道帧速率，单位时间内最大成功帧数 g：信道负载，单位时间内所在站点传输总数：信道负载，单位时间内所在站点传输总数 s:有效
9、传输，单位时间内成功传输总数有效传输，单位时间内成功传输总数14归一化性能参数归一化性能参数lS=s/C，信道吞吐率，信道吞吐率成功帧速率占信道帧速率的比例成功帧速率占信道帧速率的比例=sT/CT,信道利用率信道利用率单位时间内成功帧所需的传输时间比例单位时间内成功帧所需的传输时间比例0 S 1lG=g/C：信道负载率：信道负载率数据帧总传输速率与信道帧速率之比数据帧总传输速率与信道帧速率之比0 G 1时，表明信道已达到满负荷时，表明信道已达到满负荷G最大可达最大可达N(站点数站点数)，表示每个站点都以信道帧速率发送，表示每个站点都以信道帧速率发送123C单位时间单位时间=CT123g成功帧数
10、成功帧数s总帧数总帧数g归一化：归一化：S=s/CG=g/C例例l1564bytes64bytes64bytes64bytes64bytes64bytesifgifgifgifgifg16信道竞争模型信道竞争模型l竞争模型竞争模型N个独立工作的站点，随机地发送数据帧个独立工作的站点，随机地发送数据帧进入信道进入信道(帧速率帧速率G)成功传输出信道成功传输出信道（吞吐率（吞吐率S）冲突的帧冲突的帧（消失在信道上（消失在信道上)GSAB一般化模型一般化模型N个站点的数据帧从个站点的数据帧从A点进入信道，出现冲突的帧消点进入信道，出现冲突的帧消失在信道上，无冲突的帧失在信道上，无冲突的帧(成功传输成
11、功传输)从从B点出信道点出信道17信道竞争模型信道竞争模型l简单分析可知简单分析可知G的大小，影响到出现冲突的概率的大小，影响到出现冲突的概率G很小冲突概率小传输成功率高很小冲突概率小传输成功率高S也较小也较小G很大冲突概率大传输成功率低很大冲突概率大传输成功率低S也较小也较小存在最佳的存在最佳的G，使得，使得S到达最大到达最大l竞争规则的目标：竞争规则的目标：S最大化最大化最佳的最佳的G是多少，跟通信规则有关是多少，跟通信规则有关G小小G适中适中G过大过大G(负载率负载率)S(吞吐率吞吐率)理想情况理想情况1118信道竞争模型信道竞争模型l性能分析中使用的帧速率的概率分布：性能分析中使用的帧
12、速率的概率分布：在任意的一个时间段在任意的一个时间段T(帧长度帧长度)内，生成内，生成k个帧的概率个帧的概率服从泊松分布服从泊松分布其中其中G为平均帧速率为平均帧速率!)(keGkPGkT典型值：T内生成0帧的概率为 pT(0)=e-G T内生成1帧的概率为 pT(1)=Ge-G 2T内生成0帧的概率为 p2T(0)=e-2G00.020.040.060.080.10.120.14123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20G*C=10条件下，时间条件下，时间T内内出现出现k个帧的概率分布图个帧的概率分布图k19信道竞争模型信道竞争模型l背景知识：泊松背
13、景知识：泊松(Poisson)分布分布无穷多个独立工作站点随机生成无穷多个独立工作站点随机生成(发送发送)帧的概率分布帧的概率分布设有一小的时间间隔设有一小的时间间隔dt，若，若1.在在dt内生成一帧的概率为内生成一帧的概率为dt(dt1),且独立于其它时间间隔且独立于其它时间间隔2.当当dt足够小时，生成多于足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计帧的概率可忽略不计3.在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量4.概率结构与时间位置无关概率结构与时间位置无关则可推出在则可推出在t时间内生成时间内生成n个帧的概率为个帧的概率为且有：且有：均值
14、为均值为方差为方差为!)(),(nettnptnttnp),(E(ttnpD),(为帧的平均生成速率为帧的平均生成速率(研究表明：研究表明：当站点数超过当站点数超过2020个时个时,其生成帧的其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）概率分布已非常接近泊松分布）2.2 ALOHA竞争方式竞争方式l“想说就说想说就说”型竞争信道方式型竞争信道方式20N个站点，帧到达立即发送个站点，帧到达立即发送站点帧到达概率服从泊松分布，均值为站点帧到达概率服从泊松分布，均值为G/NN个站点帧到达概率也是泊松分布，均值为个站点帧到达概率也是泊松分布，均值为G信道上所有帧传输，在时间上有重叠信道上所有帧传输，在时间上
15、有重叠(冲突冲突)出现出现G越大越大帧越多帧越多冲突越严重冲突越严重信道吞吐率信道吞吐率SGN设：成功传输概率设：成功传输概率P0 则：信道吞吐率则：信道吞吐率S=G*P0如何计算如何计算P070年代，夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来，Norman Abramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（or pure ALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代ALOHA性能分析性能分析l信道传输成功概率信道传输成功概率P0以下几种分析以下几种分析“似乎似乎”都合理都合理那个是正确的？那个是正确的？研究和仿真证明研究和仿真证明2T的的b是正确
16、的是正确的Ta.在时段在时段T内只有内只有1帧发送的概率帧发送的概率b.有一帧发送的有一帧发送的T内有内有0个帧的概率个帧的概率2Ta.在时段在时段2T内只有内只有1帧发送的概率帧发送的概率b.有一帧发送时有一帧发送时2T内内有有0个帧发送的概率个帧发送的概率3Ta.在时段在时段3T内只有内只有1帧发送的概率帧发送的概率b.有一帧发送时有一帧发送时3T内内有有0个帧发送的概率个帧发送的概率P0=p2T(0)=e-2G （1）于是有：于是有：S=G*P0=G*e-2G（2）ALOHA性能性能OPNET仿真仿真22OPNET仿真场景仿真场景节点模型节点模型发送状态机发送状态机设定速率设定速率设定帧
17、长设定帧长设定帧产生时间间隔设定帧产生时间间隔仿真结果仿真结果帧统计帧统计G站点数站点数/*Outgoing packet*/Packet*out_pkt;/*A packet has arrived for transmission.Acquire*/*the packet from the input stream,send the packet*/*and update the global submitted packet counter.*/out_pkt=op_pk_get(IN_STRM);op_pk_send(out_pkt,OUT_STRM);+subm_pkts;/*Com
18、pare the total number of packets submitted with*/*the maximum set for this simulation run.If equal*/*end the simulation run.*/if(subm_pkts=max_packet_count)op_sim_end(max packet count reached.,);代码代码GS23/*Outgoing packet*/Packet*out_pkt;/*A packet has arrived for transmission.Acquire*/*the packet fr
19、om the input stream,send the packet*/*and update the global submitted packet counter.*/out_pkt=op_pk_get(IN_STRM);op_pk_send(out_pkt,OUT_STRM);+subm_pkts;/*Compare the total number of packets submitted with*/*the maximum set for this simulation run.If equal*/*end the simulation run.*/if(subm_pkts=ma
20、x_packet_count)op_sim_end(max packet count reached.,);24Pure ALOHA 性能曲线性能曲线l性能描述性能描述Pure ALOHA的最大吞吐率的最大吞吐率Smax=Ge-2G|G=0.5=1/2e=0.184适当大小的总帧数适当大小的总帧数GG=1/2，即一半的信道帧容量，即一半的信道帧容量时，时，S达到最大值达到最大值帧丢失率帧丢失率丢失帧数丢失帧数/总共传输帧总共传输帧显然，显然，G小时丢失率小，小时丢失率小，G大则大大则大如何计算？如何计算？S=Ge-2G理想吞吐率理想吞吐率吃惊吗？吃惊吗？ALOHA的最高性能是的最高性能是18.
21、4%！相当于：信道是相当于：信道是1Mbps的话，最大传输能力只能到达的话，最大传输能力只能到达184kbpsALOHA的性能改进的性能改进lSlot-ALOHA2TAloha的主要问题站的主要问题站点可以在任何时候发点可以在任何时候发送帧，因此送帧，因此2T范围都范围都是冲突的危险区域是冲突的危险区域TSlot-Aloha则将信道划分成长度为则将信道划分成长度为T的的时隙。要求站点必须在时隙开始位置时隙。要求站点必须在时隙开始位置发送。这样，减少了冲突的危险区域发送。这样，减少了冲突的危险区域(或者完全不冲突，或者完全冲突或者完全不冲突，或者完全冲突)TT P0=当有一帧要发送时，在当有一帧
22、要发送时，在T内再没有新帧产生内再没有新帧产生=pT(0)=e-G 于是：于是：S=G*P0=Ge-G(3)或或 S=每个时隙只产生一帧的概率每个时隙只产生一帧的概率=pT(1)=Ge-G26Slot ALOHA性能性能l性能描述性能描述最大吞吐率最大吞吐率Smax=Ge-G|G=1=1/e=0.368，Pure ALOHA的的2倍倍达到最大达到最大S时的时的GG=1，达到信道帧容量，达到信道帧容量帧丢失率帧丢失率?Slot-alohaPure-aloha272.3 CSMAl对对ALOHA或或slot ALOHA的性能不够满意的性能不够满意l假设站点可以假设站点可以“听听”到信道上是否有站点
23、在发送到信道上是否有站点在发送准备发送时，若准备发送时，若“听到听到”信道上有站点发送，就推迟发送，信道上有站点发送，就推迟发送，直到信道直到信道“空闲空闲”为止，从而主动避免了冲突为止，从而主动避免了冲突Carrier Sense Multi-Access(CSMA)如果有多个站点在如果有多个站点在T内产生了新帧，内产生了新帧，必然在此处开始冲突。必然在此处开始冲突。在在G比较小时，冲突概率才会小比较小时，冲突概率才会小T站点站点s准备发送准备发送开始发送开始发送推迟推迟预防多个站点在预防多个站点在T内产生新帧，继续内产生新帧，继续后退一个随机长度的时间后，再后退一个随机长度的时间后，再“听
24、听”信道，若信道闲才发送。信道，若信道闲才发送。在在G比较小时，可能是多余的后退比较小时，可能是多余的后退或者发送或者发送(概率概率p)，或者后退，或者后退(随机时随机时间长度间长度)后再后再“听信道听信道”通过调整通过调整p来配合来配合G的大小的大小站点站点s准备发送准备发送开始发送开始发送推迟推迟随机随机后退后退站点站点s准备发送准备发送开始发送开始发送推迟推迟随机随机后退后退28CSMAl发送策略发送策略1坚持坚持CSMA：等待信道闲后立即发送：等待信道闲后立即发送(p=1)0坚持坚持CSMA：等待信道闲后再等待一段随机长度：等待信道闲后再等待一段随机长度(p=0)p坚持坚持CSMA：等
25、待信道闲后可能发送：等待信道闲后可能发送(概率概率p)，可能随机，可能随机后退后退(概率概率1-p)随机后退情况下，都需要重新侦听信道随机后退情况下，都需要重新侦听信道随机后退随机后退29CSMA载波侦听动画（一）载波侦听动画（一）30CSMA载波侦听动画连续（一）载波侦听动画连续（一）31CSMA载波侦听动画（二）载波侦听动画（二）lCSMA降低了冲突概率降低了冲突概率因为信号传播延时是很短因为信号传播延时是很短的以的以2/3光速传播光速传播32CSMA发送流程发送流程信道忙信道忙否否侦听侦听是是信道闲信道闲准备发送准备发送完成完成发送发送准备发送准备发送信道忙信道忙否否侦听侦听完成完成是是
26、信道闲信道闲发送发送后退后退时间到时间到信道忙信道忙否否侦听侦听完成完成是是信道闲信道闲发送发送后退后退时间到时间到R1情况时，如果情况时，如果S很快就下降到零，即使以后很快就下降到零，即使以后G又回落到小于又回落到小于1情况，由于堆积在站点上等待发送的帧太多，进入信道的情况，由于堆积在站点上等待发送的帧太多，进入信道的G也降不也降不下来，网络恢复正常通信需要很长时间，或者无法恢复正常下来，网络恢复正常通信需要很长时间，或者无法恢复正常因此，过载情况下因此，过载情况下(G1)仍能有较高的仍能有较高的S，是网络抗过载能力强的体现，是网络抗过载能力强的体现l抗过载能力抗过载能力0坚持坚持CSMA具
27、有最强的抗过载能力具有最强的抗过载能力Slot-aloha与与1坚持坚持CSMA在在G4时的抗过载能力相当时的抗过载能力相当t流量流量信道容量信道容量GS1S2CSMA的冲突问题的冲突问题l信道有长度，信号有限传播速度信道有长度，信号有限传播速度(v300/3*108=1us3Km信道，信道，10us30Km信道，信道，100us100Mbps信道：信道：100us*100*106=10000bits37CSMA后退算法后退算法l连续后退问题连续后退问题若连续多次都发现信道忙，说明信道确实很忙，应该若连续多次都发现信道忙，说明信道确实很忙，应该加大后退长度加大后退长度让站点在让站点在1.W区间
28、内随机选择一个后退值区间内随机选择一个后退值W称为后退窗口，后退时间单位称为后退窗口，后退时间单位=l二进制指数后退算法二进制指数后退算法若节点在第若节点在第k次准备发送时，仍发现信道忙，则次准备发送时，仍发现信道忙，则W=2k站点在站点在1.W区间中随机选择一个后退值区间中随机选择一个后退值N后退时间后退时间T=N*若若k达到规定值达到规定值(如如15)，则放弃发送该帧，转而发送下一帧，则放弃发送该帧，转而发送下一帧382.4 CSMA/CD（结合（结合P216、P233）l载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突检测冲突检测改进改进CSMA性能性能CSMA仍有少量冲突存在，浪费信道资源仍有少
29、量冲突存在，浪费信道资源引入条件：发送时如果能够发现冲突，就立即停止发送引入条件：发送时如果能够发现冲突，就立即停止发送有线信道上：发送的信号能量与接收的信号能量相当有线信道上：发送的信号能量与接收的信号能量相当冲突检测冲突检测有线信道上，可以检测信号的能量，以发现是否冲突有线信道上，可以检测信号的能量，以发现是否冲突检测到冲突后，立即停止发送，让信道空闲检测到冲突后，立即停止发送，让信道空闲站站A A站站B B站站C C成功发送成功发送39 冲突检测方法冲突检测方法电平判断电平判断冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值逻辑判断逻辑判断发送的数据与同时收回来的
30、数据不一致发送的数据与同时收回来的数据不一致收收 发发冲突冲突信道信道40冲突检测时间冲突检测时间l最坏情况最坏情况站点站点A发送数据帧后在发送数据帧后在td时到达最远端的站点时到达最远端的站点B，而，而B恰好在此恰好在此时开始发送。时开始发送。站点站点B马上可以检测到冲突马上可以检测到冲突站点站点A要再经过要再经过后，才可能检测到冲突后，才可能检测到冲突实际上，站点还需要用若干实际上，站点还需要用若干bit的来验证是否冲突的来验证是否冲突l故：冲突检测时间故：冲突检测时间 241冲突检测后的处理冲突检测后的处理检测到冲突后立即停止传输，停止传输后，随机延迟检测到冲突后立即停止传输，停止传输后
31、，随机延迟一段时间再尝试发送一段时间再尝试发送延迟时间以时间片为单位延迟时间以时间片为单位一个时间片最大冲突检测时间一个时间片最大冲突检测时间(2)随机延时算法截断二进制指数回退算法随机延时算法截断二进制指数回退算法最大重试次数最大重试次数15次次当当k10时，时，W维持维持210不变不变422.5 CSMA/CAl无线局域网无线局域网所有站点工作在相同的无线信道上所有站点工作在相同的无线信道上无线信道构成一个空中共享总线无线信道构成一个空中共享总线l与有线网不同之处与有线网不同之处收发不能同时收发不能同时(无法实现无法实现CD)传输距离有限，新冲突传输距离有限，新冲突B不能检测到不能检测到A
32、的载波，在的载波，在C处产生冲突处产生冲突B称为称为A的的“隐藏终端隐藏终端”发送发送40mW接收接收40mW*10-7发送时需要关闭接收发送时需要关闭接收机，否则泄漏来的信机，否则泄漏来的信号都会使接收机过载号都会使接收机过载ACB隐藏终端问题隐藏终端问题43CSMA/CA (Collusion Avoidance)l要求要求A发送时，发送时，A周围的站点侦听到载波，不会发送周围的站点侦听到载波，不会发送A发送数据到发送数据到C时，时，C的附近不能有其它站点发送（不的附近不能有其它站点发送（不使使C的接收受到冲突）的接收受到冲突）lCSMA/CA工作方式工作方式A先向先向C发送发送“请求发送
33、请求发送”短报文短报文:RTS(持续时间持续时间)C应答应答“允许发送允许发送”短报文短报文:CTS(持续时间持续时间)产生抑制周围站点发送的效果产生抑制周围站点发送的效果A收到收到CTS后发送数据帧后发送数据帧AC解决隐藏终端问题解决隐藏终端问题44CSMA/CAl“暴露终端暴露终端”问题问题在在A向向B发送报文的同时，发送报文的同时，C应该可以向应该可以向D发送报文发送报文C不会干扰不会干扰B的接收，的接收，A也不会干扰也不会干扰D的接收的接收但但C在在A的范围内，的范围内，A的发送抑制了的发送抑制了C的发送的发送C暴露在暴露在A的范围中而被禁止发送的范围中而被禁止发送l解决暴露终端的方法
34、解决暴露终端的方法C收不到收不到B的的CTS，证明不会干扰，证明不会干扰B的接收的接收设计节点的发送算法！设计节点的发送算法！AC暴露终端问题暴露终端问题BD45CSMA/CA 大规模大规模l通信范围外，信道可重复使用，从而增大了信道通信范围外，信道可重复使用，从而增大了信道的利用效率的利用效率46竞争访问信道竞争访问信道l竞争访问信道面临的问题竞争访问信道面临的问题有冲突出现有冲突出现尽量减少冲突降低冲突概率尽量减少冲突降低冲突概率监听载波监听载波随机后退随机后退尽量减小冲突带来影响减小冲突窗口尽量减小冲突带来影响减小冲突窗口分时槽分时槽监听载波监听载波冲突检测冲突检测减少用户发送延迟减少用
35、户发送延迟发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔发送延迟：从准备发送到正确发送数据的时间间隔降低冲突概率降低冲突概率减小冲突持续时间减小冲突持续时间474.3.2 无冲突协议无冲突协议l预定协议信道申请预定协议信道申请l自定方式自定方式l用特定信息指挥发送用特定信息指挥发送无冲突协议无冲突协议l令牌环令牌环48TCUSD ACEDSD ACEDAC令牌令牌数据帧数据帧TCUTCU无冲突协议无冲突协议l轮询方式轮询方式49主主从从从从从从从从50无冲突协议无冲突协议l预定协议信道申请预定协议信道申请在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问争用
36、时隙的作用争用时隙的作用发送站在自己的争用时隙中置位发送站在自己的争用时隙中置位在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送基本位图：建立争用时隙与站点的映射基本位图：建立争用时隙与站点的映射（图（图4-6）51无冲突协议无冲突协议l自定方式自定方式不预定信道，而是利用站点自带的信息（地址）决定不预定信道，而是利用站点自带的信息（地址）决定使用信道的顺序使用信道的顺序二进制倒计数法二进制倒计数法各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否改变改变地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据地址发完后，没有发
37、现地址改变的发送站继续发送数据52无冲突协议无冲突协议l二进制倒计数法二进制倒计数法 例例站站A、站、站B、站、站C、站、站D，地址分别为，地址分别为0010、0100、1001、10100 0 1 00 1 0 01 0 0 11 0 1 0假设四个站点同时希望发送，它们将自己的地址送出，假设四个站点同时希望发送，它们将自己的地址送出，并同时监听网络上的数据。并同时监听网络上的数据。ABCD发送顺序发送顺序先先后后00111 1 1 1D站可以发送数据站可以发送数据发送站中地发送站中地址最高的可址最高的可以发送数据以发送数据地址动态变地址动态变化，以使保化，以使保证公平性证公平性534.3.
38、3 有限竞争协议有限竞争协议l产生背景产生背景竞争协议与无冲突协议在轻载和重载下的不同特性各有优竞争协议与无冲突协议在轻载和重载下的不同特性各有优劣劣轻载时，竞争协议具有低发送延时特性轻载时，竞争协议具有低发送延时特性重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性l分组分时隙法分组分时隙法分组：组数分组：组数N 组内成员数组内成员数M组间用竞争方式，组内用无冲突方式组间用竞争方式，组内用无冲突方式组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式轻载时，增加轻载时，增加 减少减少 重载时，增加重载时，增加 减少减少组的数量
39、组的数量组内成员数量组内成员数量组的数量组的数量组内成员数量组内成员数量组的数量组的数量组内成员数量组内成员数量优优优优544.3.4 波分多路访问协议波分多路访问协议l应用环境应用环境无源光柱共享信道无源光柱共享信道接收器接收器发送器发送器55波分多路复用（自学）波分多路复用（自学）l波分波分利用不同的波长作为不同的信道（类似利用不同的波长作为不同的信道（类似FDM）每个节点具有各自的发送信道、接收信道每个节点具有各自的发送信道、接收信道一个波长一个波长固定固定的的接收接收端，收控制信息端，收控制信息一个波长一个波长可调可调的的发送发送端，发控制信息端，发控制信息一个波长一个波长固定固定的的
40、发送发送端，发送数据端，发送数据一个波长一个波长可调可调的的接收接收端，接收数据端，接收数据控制控制数据接收数据接收控制控制数据发送数据发送波长固定波长固定波长可调波长可调56波分多路复用波分多路复用l小结小结波分复用与纯广播式通信不同，各节点有自己的信道波分复用与纯广播式通信不同，各节点有自己的信道与与FDM方式的信道固定分配不同，带有动态分配的方式的信道固定分配不同，带有动态分配的思想，具有统计复用的特点，信道利用率高思想，具有统计复用的特点，信道利用率高数据发送信道波长虽然固定，但并不限制只能将数据数据发送信道波长虽然固定，但并不限制只能将数据发送给一个站点发送给一个站点当多个站点同时请
41、求向一个站点发送数据时，也会出当多个站点同时请求向一个站点发送数据时，也会出现冲突现冲突574.4以太网以太网l采用了采用了CSMA/CD技术的局域网技术的局域网范围小、数传速率高，共享介质范围小、数传速率高，共享介质一根电缆连接所有的站点一根电缆连接所有的站点l背景背景IEEE802委员会委员会IEEE802.3MAC媒体访问控制层媒体访问控制层PHY物理层物理层LLC逻辑链路控制层逻辑链路控制层高层高层584.4.1以太网以太网“电电”缆缆l同轴电缆同轴电缆10BASE 2细缆，近细缆，近200m距离距离10BASE 5粗缆，近粗缆，近500m距离距离l双绞线双绞线10BASE T100B
42、ASE T1000BASE Tl光纤光纤10BASE F100BASE F1000BASE Lx、SX594.4.2以太网物理层以太网物理层l接口接口BNC同轴电缆接口同轴电缆接口RJ45双绞线接口双绞线接口SC光纤接口光纤接口60以太网物理层以太网物理层l曼彻斯特编码曼彻斯特编码归零归零较多跳变较多跳变有违例编码有违例编码效率较低效率较低以太网物理层以太网物理层l物理接口物理接口介质无关接口，介质无关接口，MII介质相关接口，介质相关接口，MDIMIIMDI编码解码收发控制同轴电缆同轴电缆编码解码双绞线双绞线冲突检测冲突检测侦听侦听jam缓冲缓冲缓冲缓冲双绞线输入输出是分开的信道双绞线输入输
43、出是分开的信道同轴电缆输入输出是同一个信道同轴电缆输入输出是同一个信道CRC4.4.3以太网以太网MAC层层lMedia Access Control sub-layer物理层物理层Init空闲侦听发送后退信道闲以太帧以太帧冲突jam信道忙后退结束Jam后发送完成过滤以太帧以太帧MII封装解封装IEEE802.3介质访问介质访问控制子层控制子层(MAC)MACLLC源地址、目的地址，类型，待发数据块源地址、目的地址，类型，数据块IEEE802.2逻辑链路控逻辑链路控制子层制子层(LLC)以太网帧结构以太网帧结构地址域，指明发送地址域，指明发送方和接收方身份方和接收方身份类型类型/长度域，长度域
44、，说明数据域的类说明数据域的类型或数据长度型或数据长度数据域，该帧传递数据域，该帧传递的数据单元的数据单元校验域，检查该校验域，检查该帧是否出错帧是否出错(物理物理层处理层处理)以太帧类型以太帧类型/长度域：长度域：以以1500(0 x5DC)为分界线，小于等于为分界线，小于等于1500表示数据域的字节长度，大表示数据域的字节长度，大于于1500则表示数据域类型，实现两种格式的统一则表示数据域类型，实现两种格式的统一例如：例如：0 x800 表示数据为表示数据为IP报文、报文、0 x806表示数据为表示数据为ARP报文、报文、Type的其它定义见的其它定义见RFC1700以太网地址格式以太网地
45、址格式l6字节字节(48bits)地址地址(地址空间非常大地址空间非常大)，其中包括，其中包括广播地址：代表全体站点广播地址：代表全体站点(只能作目的地址使用只能作目的地址使用)单播地址：代表个别站点单播地址：代表个别站点(可作源和目的地址可作源和目的地址)多播地址：代表一组站点多播地址：代表一组站点(只能作目的地址使用只能作目的地址使用)bit0bit47低低bit高高bit16机制表示机制表示 XX-XX-XX-XX-XX-XX，XX表示一个字节的表示一个字节的16进制值进制值广播地址广播地址：仅：仅1个，个，48bit全全1FF-FF-FF-FF-FF-FF多播地址多播地址：bit0=1
46、，其余非全，其余非全1的的01-00-5E-1A-45-3C(首字节首字节1为奇数为奇数)单播地址单播地址：bit0=0的地址的地址00-90-0A-27-0B-0C(首字节为偶数）首字节为偶数）注意注意bit0在在48bit地址表示、地址表示、在在6字节地址表示中的不同字节地址表示中的不同以太网规格参数以太网规格参数最大长度最大长度=2Km信道定时规则信道定时规则ifsifsifspreamblepreamblepreamble以太网信道长度以太网信道长度ifs(inter-frame space)=至少至少12字节信号长度字节信号长度Preamble(前导码前导码)=8字节字节01序列序列
47、100Mbps以太网最大帧速率计算：以太网最大帧速率计算：当所有帧长度为最小时，帧速率达到最大当所有帧长度为最小时，帧速率达到最大4.4.4 以太网组网技术以太网组网技术PhyMACLLC子层应用现状子层应用现状目前大多数网络协议目前大多数网络协议(例如例如IP协议协议)抛开了抛开了LLC子子层，直接通过层，直接通过MAC实现与其它站点通信实现与其它站点通信集中式组网集中式组网集线器集线器(HUB)IC HUB功能等效，但更先进功能等效，但更先进物理物理HUBIC HUBs1(t)sn(t)s(t)=si(t)输出是所有输入信号的叠加，与总线型连接等效输出是所有输入信号的叠加，与总线型连接等效
48、部分输入断开不影响其余输入信号部分输入断开不影响其余输入信号68网桥网桥连接两个连接两个(多个多个)以太网以太网l信道直接相连信道直接相连站点增加，信道容量不变，竞争更激烈站点增加，信道容量不变，竞争更激烈l一台计算机同时在两个网络上工作一台计算机同时在两个网络上工作两个网络独立工作，双倍的信道资源两个网络独立工作，双倍的信道资源竞争范围竞争范围竞争范围竞争范围竞争范围竞争范围网桥网桥69网桥的结构网桥的结构l中继转发功能中继转发功能转发广播、多播或目的地址在对端的数据帧转发广播、多播或目的地址在对端的数据帧MAC(CSMA/CD)MAC(CSMA/CD)M1M2M3M4网桥网桥通信状况通信状
49、况M1向向M3发送帧，网桥也能收发送帧，网桥也能收到，但网桥不转发该帧到，但网桥不转发该帧M1向向M2发送帧，网桥收到并发送帧，网桥收到并转发该帧到转发该帧到M2所在网络上所在网络上网桥特性网桥特性网桥一侧网络的竞争通信，不网桥一侧网络的竞争通信，不会影响另一侧网络的竞争通信会影响另一侧网络的竞争通信网桥可以缓存数据帧，在另一网桥可以缓存数据帧，在另一侧竞争到信道后再发送侧竞争到信道后再发送目的地址为广播目的地址为广播/多播？多播？或在另一侧？或在另一侧？信道帧情况信道帧情况1、本地通信帧、本地通信帧2、远端到本地的帧、远端到本地的帧3、本地到远端的帧、本地到远端的帧信道帧情况信道帧情况1、本
50、地通信帧、本地通信帧2、远端到本地的帧、远端到本地的帧3、本地到远端的帧、本地到远端的帧70以太网交换机以太网交换机l多口网桥多口网桥将网桥扩展到将网桥扩展到8口、口、16口，或更多口，或更多l引入的问题引入的问题软件运算能力软件运算能力(CPU)无法达到预期性能要求无法达到预期性能要求l提升性能方法：以太网交换机提升性能方法：以太网交换机改进改进MAC查表算法查表算法采用硬件实现中继转发采用硬件实现中继转发MAC中继转发中继转发MAC MAC MAC MAC MAC MAC性能测算性能测算10M以太网每秒传输最大帧数以太网每秒传输最大帧数(FPS)：FPS=107bits/64Bytes*8
