1第四章第四章 介质访问子层介质访问子层2介质访问子层介质访问子层(MAC)?(MAC)?n计算机网络可以分成两类计算机网络可以分成两类n点到点连接点到点连接的网络。如：大多数广域网的网络。如：大多数广域网n广播信道广播信道（多路访问信道或随机访问信道）的网络。如：（多路访问信道或随机访问信道）的网络。如：大多数局域网大多数局域网n关键问题：如何解决对信道争用关键问题：如何解决对信道争用n谁解决这个问题呢？谁解决这个问题呢？n介质访问控制协议（介质访问控制协议（MACMAC，Medium Access ControlMedium Access Control）n解决信道争用的协议，即用于多路访问信道上确定下一解决信道争用的协议，即用于多路访问信道上确定下一个使用者的协议个使用者的协议n是数据链路层协议的一部分是数据链路层协议的一部分3介质访问子层介质访问子层(MAC)?(MAC)?nMACMAC层所处位置层所处位置网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层高层高层 OSI OSI逻辑链路控制逻辑链路控制 LLCLLC介质访问控制介质访问控制 MACMAC4主要内容主要内容n信道分配问题信道分配问题n多路访问协议多路访问协议n以太网以太网n无线无线LANLANn数据链路层交换数据链路层交换54.1 4.1 信道分配问题信道分配问题n问题问题n如何在多个竞争的用户之间分配单个广播信道如何在多个竞争的用户之间分配单个广播信道n分配方式分配方式n静态分配静态分配nFDMFDMnTDMTDMn动态分配动态分配6信道的静态分配信道的静态分配n频分多路复用（频分多路复用（FDMFDM）/时分多路复用（时分多路复用（TDMTDM）n原理：如果总共原理：如果总共N个用户，则整个带宽分成个用户，则整个带宽分成CN2等分（频带等分（频带/时槽），每个用户分配一份时槽），每个用户分配一份n优点：适合于用户较少，数目基本固定，且各优点：适合于用户较少，数目基本固定，且各用户的通信量都较大的情况用户的通信量都较大的情况n缺点：缺点：n无法灵活地适应站点数及其通信量的变化无法灵活地适应站点数及其通信量的变化n不能适应突发性流量不能适应突发性流量7信道的动态分配信道的动态分配n信道分配模型的五个基本假设信道分配模型的五个基本假设n站模型（站模型（station modelstation model）n每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁n单通道假设（单通道假设（single channelsingle channel）n所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从该信道上收发信息点都可以从该信道上收发信息8信道的动态分配信道的动态分配n冲突假设（冲突假设（collision assumptioncollision assumption）n若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为认，称为冲突冲突n所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发。除所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发。除了冲突而产生错误外，没有其它错误了冲突而产生错误外，没有其它错误n连续时间（连续时间（continous timecontinous time）和分槽时间）和分槽时间（slotted timeslotted time）n连续时间连续时间n帧在任何时刻都可以开始发送，没有时槽的概念帧在任何时刻都可以开始发送，没有时槽的概念n分槽时间分槽时间n时间被分成离散的间隔（即时槽），帧总在时槽开始的一时间被分成离散的间隔（即时槽），帧总在时槽开始的一瞬间开始发送瞬间开始发送9信道的动态分配信道的动态分配n载波帧听（载波帧听（carrier sensecarrier sense）和无载波帧）和无载波帧听（听（no carrier senseno carrier sense）n载波帧听载波帧听n所有站在使用信道之前都所有站在使用信道之前都检测信道检测信道是否正在使用是否正在使用n如果信道忙，则没有站企图使用信道，如此下去如果信道忙，则没有站企图使用信道，如此下去直到信道空闲为止直到信道空闲为止n无载波帧听（无载波帧听（no carrier senseno carrier sense）n各站在使用信道前各站在使用信道前不检测信道不检测信道，只是盲目地发送，只是盲目地发送，以后再判断这次是否发送成功以后再判断这次是否发送成功104.2 4.2 多路访问协议多路访问协议n多路访问协议多路访问协议n在多路访问信道上确定下一个使用者的协议在多路访问信道上确定下一个使用者的协议n分类分类nALOHAALOHA协议协议n纯纯ALOHAALOHAn分槽分槽ALOHAALOHAn载波侦听多路访问协议（载波侦听多路访问协议（CSMACSMA）n1-1-持续持续CSMACSMAn非持续非持续CSMACSMAnp-p-持续持续CSMACSMAnCSMA/CDCSMA/CD114.2.1 ALOHA4.2.1 ALOHA协议协议n7070年代，夏威夷大学的年代，夏威夷大学的Norman AbramsonNorman Abramson和他的同事设计的，用于解决信道的分配和他的同事设计的，用于解决信道的分配问题问题n可用于可用于“多个无协调关系的用户竞争单个共多个无协调关系的用户竞争单个共享信道使用权享信道使用权”的系统的系统n分类分类n纯纯ALOHAALOHA协议协议n分槽分槽ALOHAALOHA协议协议12纯纯ALOHAALOHAn基本思想基本思想n用户有数据要发送时，就让它们发送用户有数据要发送时，就让它们发送n然后监听信道是否产生冲突，若产生冲突，则等待一然后监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段随机的时间重发在纯在纯ALOHAALOHA中，帧的传输完全是在任意时间进行的中，帧的传输完全是在任意时间进行的13纯纯ALOHAALOHAn冲突发生冲突发生n任何时候只要两帧同时使用信道就会产生冲突，任何时候只要两帧同时使用信道就会产生冲突，破坏两帧破坏两帧n两帧只要有两帧只要有1 1位的重叠，这两帧都将被完全毁坏，位的重叠，这两帧都将被完全毁坏，稍后都要重传稍后都要重传n纯纯ALOHAALOHA信道的信道的利用率最好为利用率最好为18.4%18.4%14分槽分槽ALOHAALOHAn基本思想基本思想n把时间分成离散的间隔，每个间隔对应于发送把时间分成离散的间隔，每个间隔对应于发送一帧所需时间一帧所需时间n每个站点只能在时槽开始时才允许发送每个站点只能在时槽开始时才允许发送n其他过程与纯其他过程与纯ALOHAALOHA相同相同n牺牲了随机性来提高利用率牺牲了随机性来提高利用率0.3680.368n必须必须全局时间同步全局时间同步154.2.2 4.2.2 载波侦听多路访问载波侦听多路访问n载波侦听多路访问（载波侦听多路访问（CSMA,CSMA,Carrier Sense Multiple Access）n站点在发送帧之前，首先监听信道是否存在载站点在发送帧之前，首先监听信道是否存在载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则波，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不发送帧以避免冲突n分类分类n1-1-持续持续CSMACSMAn非持续非持续CSMACSMAnp-p-持续持续CSMACSMAnCSMA/CDCSMA/CD161-1-持续持续CSMACSMAn原理原理n若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先监听监听信道信道n若站点发现信道空闲，则若站点发现信道空闲，则发送发送n若若信道忙信道忙，则，则继续监听继续监听直至发现信道空闲，直至发现信道空闲，立即开始立即开始发送发送n若产生若产生冲突冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程，等待一随机时间，然后重新开始发送过程n优点优点n减少了信道空闲时间减少了信道空闲时间n缺点缺点n增加了发生冲突的概率增加了发生冲突的概率17非持续非持续CSMACSMAn原理原理n若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先监听监听信道信道n若站点发现信道若站点发现信道空闲空闲，则，则发送发送n若若信道忙信道忙，等待一随机时间等待一随机时间，然后重新开始发送过程，然后重新开始发送过程n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程n优点优点n减少了冲突的概率减少了冲突的概率n缺点缺点n增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大n信道效率比信道效率比1-1-坚持坚持CSMACSMA高，传输延迟比高，传输延迟比1-1-坚持坚持CSMACSMA大大18p-p-持续持续CSMACSMAn适用于分槽信道适用于分槽信道n原理原理n若站点有数据发送，先监听信道若站点有数据发送，先监听信道n若站点发现信道空闲，则若站点发现信道空闲，则以概率以概率p p发送发送，以概率，以概率q=1-p q=1-p 延迟至下一个时槽发送。若下一个时延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用被其他站点所占用n若信道忙，则若信道忙，则等到下一个时槽等到下一个时槽，重新开始，重新开始n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始19载波侦听多路访问 CSMA坚持退避算法20nCarrier Sense Multiple Access/Collision Detectn引入原因引入原因n当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，造成很大的浪费于有限的信道来讲，造成很大的浪费n如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率立即停止发送，可以提高信道的利用率带冲突检测的带冲突检测的CSMA(CSMA/CD)CSMA(CSMA/CD)21CSMA/CDCSMA/CDn原理原理n发送前先监听信道是否空闲发送前先监听信道是否空闲n若空闲则立即若空闲则立即发送发送n若信道忙，则若信道忙，则继续监听继续监听，一旦空闲就立即发送，一旦空闲就立即发送n在发送过程中，仍需继续监听在发送过程中，仍需继续监听n若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号串干扰信号n等待一段随机时间等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试（称为退避）以后，再重新尝试n归结为四句话归结为四句话n发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避时退避22媒体忙？媒体忙？发送帧发送帧冲突？冲突？发送完？发送完？发送发送JamJamN16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送发送冲突冲突次数次数N+1N+1CSMA/CDCSMA/CDu一个站点确定发生冲突要一个站点确定发生冲突要花多少时间？花多少时间？u即经过多长时间可以抓住即经过多长时间可以抓住信道信道(考虑考虑最差的最差的情况情况)23CSMA/CDCSMA/CDn一个站点确定发生冲突要花多少时间？即经过多长时间可一个站点确定发生冲突要花多少时间？即经过多长时间可以抓住信道以抓住信道(考虑考虑最差的最差的情况情况)n假设两个相距最远的站间传播信号所需时间为假设两个相距最远的站间传播信号所需时间为。在。在t t0 0时刻，一个时刻，一个站开始发送数据；在站开始发送数据；在-时刻（信号到达最远站之前的那一时时刻（信号到达最远站之前的那一时刻），最远站开始发送数据，这个数据在刻），最远站开始发送数据，这个数据在22-时刻才能到达原来时刻才能到达原来的那个站的那个站n最差的情况下，当一个站发送了最差的情况下，当一个站发送了22之后还没有之后还没有监听到冲突，就确监听到冲突，就确保它保它抓住了信道抓住了信道24站点1站点2距离Lt a0t2ta传播时延t tCSMA/CD协议的时间槽协议的时间槽n时间槽时间槽能够检测到冲突的时间区间能够检测到冲突的时间区间（也称为（也称为争用时隙争用时隙或或碰撞窗口碰撞窗口）n若若两个相距最远的两个相距最远的站点之间传播时延为站点之间传播时延为a，则时间槽，则时间槽2a。t a 站点2发送帧碰撞站点1在t0时发送帧2ta站点2停止发送u当当00时，将不会再发生冲突。这时，时间槽时，将不会再发生冲突。这时，时间槽2a2a。u最差的情况下，当一个站发送了最差的情况下，当一个站发送了2a2a之后还没有之后还没有监听到冲突，监听到冲突，就确保它抓住了信道就确保它抓住了信道25n 时间槽的意义：时间槽的意义：n一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；则本次发送不会再发生冲突；n以太网中，时间槽以太网中，时间槽51.2sn传输速率传输速率10Mb/s时，时，一个时间槽内可发送一个时间槽内可发送512bits，即即64字节（所以也称一个时间槽长度为字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）字节）。n由此可知：由此可知：n1.冲突只可能在一帧的前冲突只可能在一帧的前64字节内发生；字节内发生；n2.帧长度小于帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；字节时，将无法检测出冲突；n以太网规定，最小帧长度为以太网规定，最小帧长度为64字节字节n3.长度小于长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。字节的帧（碎片帧）都是无效帧。n想一想：什么情况下会产生碎片帧？想一想：什么情况下会产生碎片帧？26与时间槽相关的几个网络参数与时间槽相关的几个网络参数n采用采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的的局域网中，由于时间槽的限制，限制，传输速率传输速率R、网络跨距网络跨距S、最小帧长最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：三者之间必须满足一定的关系：FminkSR k:系数系数n可以看出可以看出：n最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；n传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；n网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。n非常重要的结论！非常重要的结论！CSMA/CD 信道状态 传送 竞争 传送 空闲 传送争用期站A站BB发现冲突A发现冲突干扰信号B监听到信道空闲TJTB设站B在站A发送之后TB 时刻开始发送，单程传播时延为 ，干扰信号的发送时延为TJ，则 争用期=争用期 TB +2 +TJTJ+2 TJ +3229CSMA/CDn在冲突发生后，短时间内可探测到n则，立即中断传输,减少信道的时间浪费n冲突检测:n在有线 LAN中简便易行:检测信号强度,比较收、发的信号n在无线 LAN比较困难:发送时接收器是关闭的n人类社会的范例:彬彬有礼的交谈者 30CSMA/CD的优缺点的优缺点n控制简单，易于实现；控制简单，易于实现；n网络负载轻时，有较好的性能：网络负载轻时，有较好的性能：n3040以内以内n延迟时间短、速度快延迟时间短、速度快n网络负载重时，性能急遽下降：网络负载重时，性能急遽下降：n7080以上以上n冲突数量的增长使网络速度大幅度下降冲突数量的增长使网络速度大幅度下降314.2.3 4.2.3 无冲突协议无冲突协议n无冲突协议无冲突协议n冲突根本不会发生冲突根本不会发生n严格协调访问来避免冲突严格协调访问来避免冲突n分类分类n位图协议位图协议n二进制倒计数协议（自学）二进制倒计数协议（自学）32n工作原理工作原理n共享信道上有共享信道上有N N个站，竞争周期分为个站，竞争周期分为N N个时槽，个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特比特1 1nN N个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送这时按站序号发送n最后一个站传送完帧后，另一个最后一个站传送完帧后，另一个N N位的竞争周期位的竞争周期又开始了又开始了位图协议位图协议33位图协议位图协议n在实际发送信息前先广播发送请求的协议在实际发送信息前先广播发送请求的协议称为称为预留协议预留协议（reservation protocolreservation protocol）n缺点缺点n与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的与站序号有关的不平等性，序号大的站得到的服务好服务好n每个站都有每个站都有 1 1 比特的额外开销比特的额外开销344.2.3 4.2.3 无冲突协议无冲突协议n无冲突协议无冲突协议n冲突根本不会发生冲突根本不会发生n严格协调访问来避免冲突严格协调访问来避免冲突n分类分类n位图协议位图协议n二进制倒计数协议（自学）二进制倒计数协议（自学）354.2.6 4.2.6 无线局域网协议无线局域网协议nWLANWLAN不能使用不能使用CSMA/CDCSMA/CD的原因的原因n避免冲突的多路访问（避免冲突的多路访问（MACA,MACA,Multiple Access Multiple Access with Collision Avoidancewith Collision Avoidance）n无线的无线的MACAMACA36WLANWLAN不能使用不能使用CSMA/CDCSMA/CD的原因的原因n以太网中以太网中n一个站只要等到以太网空闲，就可以传输一个站只要等到以太网空闲，就可以传输数据数据n如果一个站发送数据如果一个站发送数据2 2a后还没有后还没有监听到冲监听到冲突，则可以认为该帧已被正确递交了突，则可以认为该帧已被正确递交了n在无线环境中，这样的条件成立在无线环境中，这样的条件成立？37n隐藏站问题隐藏站问题n当当A A向向B B传送数据的时候，如果传送数据的时候，如果C C正在检测信道的话，则正在检测信道的话，则它不会听到它不会听到A A，它会错误的认为它可以向，它会错误的认为它可以向B B传送数据传送数据n若若C C真的开始传送数据了，则在真的开始传送数据了，则在B B处产生干扰，扰乱了处产生干扰，扰乱了A A发送的数据发送的数据n由于竞争者离得太远而导致了一个站不能检测到潜在由于竞争者离得太远而导致了一个站不能检测到潜在的介质竞争对手的介质竞争对手,这个问题称为这个问题称为隐藏站问题隐藏站问题WLANWLAN不能使用不能使用CSMA/CDCSMA/CD的原因的原因B?38WLANWLAN不能使用不能使用CSMA/CDCSMA/CD的原因的原因n暴露站问题暴露站问题n当当B B向向A A发送数据的时候，发送数据的时候，n若若C C正在检测介质，则它将会听到有一个传输在进行，正在检测介质，则它将会听到有一个传输在进行，错误的认为它不能给错误的认为它不能给D D发送数据发送数据n实际上实际上C C所监听到的传输过程只会影响到所监听到的传输过程只会影响到B B和和C C之间的之间的重叠区域的接收过程，不会影响到它的接收方重叠区域的接收过程，不会影响到它的接收方D D所在所在的区域，这个问题称作的区域，这个问题称作暴露站问题暴露站问题D?39WLANWLAN不能使用不能使用CSMA/CDCSMA/CD的原因的原因n以太网中以太网中n一个站只要等到以太网空闲，就可以传输一个站只要等到以太网空闲，就可以传输数据数据n如果一个站发送数据如果一个站发送数据2 2a后还没有后还没有监听到冲监听到冲突，则可以认为该帧已被正确递交了突，则可以认为该帧已被正确递交了n在无线环境中，这样的条件在无线环境中，这样的条件不成立不成立n隐藏站问题隐藏站问题n暴露站问题暴露站问题n大多数无线电设备都是半双工的大多数无线电设备都是半双工的40无线无线LANLAN不能使用不能使用CSMA/CDCSMA/CD的原因的原因n大多数无线电设备都是半双工的大多数无线电设备都是半双工的n它们不能同时在一个频率上既传输数据，又监听噪它们不能同时在一个频率上既传输数据，又监听噪声尖峰声尖峰41避免冲突的多路访问（避免冲突的多路访问（MACAMACA）nMACAMACA的基本思想的基本思想n发送方刺激一下接收方，让它输出一个短帧，发送方刺激一下接收方，让它输出一个短帧，n接收方附近的站可以检测到该帧，从而在接下接收方附近的站可以检测到该帧，从而在接下来的数据帧传输过程中他们不再发送数据了来的数据帧传输过程中他们不再发送数据了42MACAMACA举例：举例：A A向向B B发送数据：发送数据：nA A先给先给B B发送一个发送一个RTSRTS，包含将要发送的数据帧的长度。，包含将要发送的数据帧的长度。n然后然后B B用一个用一个CTSCTS作为应答，也包含了数据帧的长度。作为应答，也包含了数据帧的长度。nA A收到收到CTSCTS帧后便开始向帧后便开始向B B传输帧。传输帧。u如果一个站听到如果一个站听到RTSRTS帧，它在足够长的时间内保持沉默，以便帧，它在足够长的时间内保持沉默，以便A A能在无冲突情况下接收能在无冲突情况下接收CTSCTS，之后可向其他站点发送帧，之后可向其他站点发送帧u如果一个站听到如果一个站听到CTSCTS帧，它必须一直保持沉默，直到帧，它必须一直保持沉默，直到B B接收完接收完整个帧。检查收到的整个帧。检查收到的CTSCTS帧即知道要等多长时间帧即知道要等多长时间u如果一个站如果一个站RTSRTS和和CTSCTS帧都听到了怎么办？帧都听到了怎么办？(a)A(a)A给给B B发送一个发送一个RTSRTS；(b)B(b)B向向A A送回一个送回一个CTSCTSRTS:request-to-sendCTS:clear-to-send43MACAMACAnMACAMACA的冲突仍可能发生的冲突仍可能发生nB B和和C C同时给同时给A A发送发送RTSRTS帧，产生冲突，帧，产生冲突，n一个失败的发送方（即在期望的时间间隔内没有听到一个失败的发送方（即在期望的时间间隔内没有听到CTSCTS）将等待一段随机时间，以后再重试）将等待一段随机时间，以后再重试44无线的无线的MACAMACA（MACAWMACAW）nMACAWMACAW是对是对MACAMACA的改进。如：的改进。如：n在每个成功的数据帧后引入一个在每个成功的数据帧后引入一个ACKACK帧帧n加入载波检测加入载波检测n为每个单独的数据流（即源为每个单独的数据流（即源-目的对）运行后退目的对）运行后退算法，而不是为每个站运行后退算法算法，而不是为每个站运行后退算法n增加了供各个站间交换有关拥塞信息的机制等增加了供各个站间交换有关拥塞信息的机制等454.3 4.3 以太网以太网nIEEE 802IEEE 802协议协议nIEEE 802IEEE 802系列标准定义了若干种系列标准定义了若干种LANLAN，包括对，包括对物理层、物理层、MACMAC子层的定义和描述子层的定义和描述网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLCLLC介质访问控制介质访问控制 MACMAC高层高层 OSI OSI IEEE 802 IEEE 802物理层物理层PHYPHY46IEEE802IEEE802 标准标准nANSI/IEEE Std 802-1990ANSI/IEEE Std 802-1990，IEEE Standards for LAN/MAN:IEEE Standards for LAN/MAN:Overview and Architecture.Overview and Architecture.n802.1802.1，Overview and architecture of LANsOverview and architecture of LANsn802.2802.2，1989 LLC1989 LLCn802.3802.3，1983(CSMA/CD)Type 10BASE-X1983(CSMA/CD)Type 10BASE-Xn802.3802.3，1995 100Mbps Fast Ethernet1995 100Mbps Fast Ethernetn802.3z802.3z，1998 Gigabit Ethernet1998 Gigabit Ethernet，on fiber optic cableon fiber optic cablen802.4802.4，Token-Passing Bus SpecificationsToken-Passing Bus Specificationsn802.5e802.5e，Token Ring SpecificationsToken Ring Specificationsn802.6802.6，Distributed Queue Dual Bus(DQDB)for MANDistributed Queue Dual Bus(DQDB)for MANn802.7802.7，19891989，Broadband Local Area NetworksBroadband Local Area Networksn802.8802.8，Fiber Optic TAG Fiber Optic TAG n802.9802.9，Isochronous Services CSMA/CD MAC ServiceIsochronous Services CSMA/CD MAC Servicen802.10802.10，19921992，IEEE Standards for Interoperable LAN/MAN IEEE Standards for Interoperable LAN/MAN SecuritySecurityn802.11802.11，Wireless LANWireless LANn802.12802.12，LAN/MAN Demand PriorityLAN/MAN Demand Priority47IEEE802IEEE802 标准标准n802.14802.14，Cable ModemCable Modemn802.15802.15，Wireless Personal Area Wireless Personal Area Network(WPAN)Network(WPAN)n802.16802.16，Broadband Wireless AccessBroadband Wireless Accessn802.17802.17，Resilient Packet RingResilient Packet Ringn802.18802.18，Radio Regulatory TAG Radio Regulatory TAG n802.19802.19，Coexistence TAG Coexistence TAG n802.20802.20，Mobile Broadband Wireless Mobile Broadband Wireless Access(MBWA)Access(MBWA)48以太网简介以太网简介n7070年代，年代，XeroxXerox公司的公司的Bob MetcalfeBob Metcalfe和和David BoggsDavid Boggs设计和实现了一个设计和实现了一个2.94Mbps2.94Mbps的采用的采用CSMA/CDCSMA/CD协议的协议的EthernetEthernetA drawing of the first Ethernet system by Bob Metcalfe 49以太网简介以太网简介n19781978年，年，DECDEC，IntelIntel，XeroxXerox拟定了拟定了10Mbps10Mbps的以太网标准，称为的以太网标准，称为DIXDIX标准标准n19831983年，经过小的修改，年，经过小的修改，DIXDIX标准变成标准变成IEEE IEEE 802.3802.3标准标准最初的以太网体系结构最初的以太网体系结构504.3.1 4.3.1 以太网电缆以太网电缆n10Base510Base5（粗（粗以太网以太网）n1010：信号在电缆上的传输速率为：信号在电缆上的传输速率为10Mbps10MbpsnBaseBase：电缆上的信号是基带信号：电缆上的信号是基带信号n5 5：每一段电缆的最大长度为：每一段电缆的最大长度为500m500mn10Base510Base5以太网的主要缺点以太网的主要缺点n布线很贵，且安装很不方便，布线很贵，且安装很不方便，n故障定位困难故障定位困难粗以太网粗以太网10 Base 551以太网电缆以太网电缆-10Base2-10Base2n10Base210Base2（细以太网）（细以太网）n2 2：表示距离约为：表示距离约为200m200mn10Base210Base2的优点的优点n采用工业标准的采用工业标准的BNC TBNC T型接头进行连接，使用灵活，型接头进行连接，使用灵活，可靠性高可靠性高n细缆的价格便宜，且在布线转角处易转弯细缆的价格便宜，且在布线转角处易转弯n10Base210Base2的缺点的缺点n适用范围小，故障定位困难适用范围小，故障定位困难52以太网电缆以太网电缆-10Base2-10Base2终端匹配器终端匹配器T T型接头型接头BNCBNC接头接头细缆细缆细同轴电缆的连接细同轴电缆的连接T T型接头型接头53以太网电缆以太网电缆-10BaseT-10BaseTn10Base-T10Base-Tn使用星形网拓扑，在星形网的中心使用集线器使用星形网拓扑，在星形网的中心使用集线器n每个站用一根专用的双绞线连接到集线器每个站用一根专用的双绞线连接到集线器n10Base-T10Base-T优点优点n增添或移去站点非常方便增添或移去站点非常方便n易于检测到电缆故障，易于维护易于检测到电缆故障，易于维护n10Base-T10Base-T缺点缺点n从集线器出来的电缆的最大长度只有从集线器出来的电缆的最大长度只有100100米。米。54屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)(Shielded Twisted Pair)(Unshielded Twisted Pair)n以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽55 双绞线（双绞线（UTP），两头压接），两头压接RJ45连接器；连接器；所有站点都与所有站点都与HUB（集线器）相连接；（集线器）相连接；HUB的作用：信号放大与整形的作用：信号放大与整形 转发器转发器/中继器中继器/HUB物理层物理层设备设备(工作在物理层工作在物理层)。星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。NICHUB每段最大长度每段最大长度 100m多台多台HUB级连级连可以支持更多站点可以支持更多站点双绞线以太网（双绞线以太网（10Base-T）RJ-45RJ-45连接器连接器5610Base-T hub，with 10Base-T cablesconnecting computers to the hub57n双绞线的连接标准双绞线的连接标准n在以太网的标准中，10Mbps双绞线系统采用的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标色标 Pin#Signal白橙白橙 1 TD+橙橙 2 TD-白绿白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 858以太网电缆以太网电缆-10BaseT-10BaseTn直接连接法直接连接法n主要用于计算机连接集线器（主要用于计算机连接集线器（/交换机）交换机）n线序线序n橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕n橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕双双绞绞线线如如何何连连？59以太网电缆以太网电缆-10BaseT-10BaseTn交叉连接法交叉连接法n适用于两台计算机直接连接适用于两台计算机直接连接,n或者两台集线器（或者两台集线器（/交换机）互连交换机）互连n线序线序 n橙白、橙橙白、橙、绿白绿白、蓝、蓝白、蓝、蓝白、绿绿、棕白、棕、棕白、棕n绿白、绿绿白、绿、橙白橙白、蓝、蓝白、蓝、蓝白、橙橙、棕白、棕、棕白、棕双双绞绞线线如如何何连连？60以太网电缆以太网电缆-10BaseF-10BaseFn10Base-F10Base-Fn使用光纤作为传输媒体使用光纤作为传输媒体n10Base-F10Base-F优点优点n具有极好的抗干扰性具有极好的抗干扰性n可以用于长距离连接可以用于长距离连接n10Base-F10Base-F缺点缺点n成本太高成本太高玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯61以太网电缆拓扑结构以太网电缆拓扑结构(a)(a)线形线形(b)(b)主干主干(c)(c)树形树形(d)(d)分段分段62n中继器（中继器（repeaterrepeater）扩大网络范围扩大网络范围n双向接收、放大并重发信号双向接收、放大并重发信号n是一个是一个物理层设备物理层设备，以太网电缆以太网电缆?634.3.2 4.3.2 以太网编码方案以太网编码方案-曼彻斯特编码曼彻斯特编码二进制编码二进制编码位流位流曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特差分曼彻斯特编码编码此处有相变，表示此处有相变，表示0 0此处无相变，表示此处无相变，表示1 1高高-低，表示低，表示1 1低低-高，表示高，表示0 0644.3.3 4.3.3 以太网以太网MACMAC子层协议子层协议DIX以太网以太网帧格式：帧格式：IEEE 802.365DIX以太网以太网n先导域先导域n先导域包含了位模式先导域包含了位模式1010101010101010，这个位模式经，这个位模式经过曼彻斯特编码后会产生一个过曼彻斯特编码后会产生一个10MHz10MHz的方波（持的方波（持续续6.4s6.4s），从而使接收方与发送方的时钟同），从而使接收方与发送方的时钟同步步n帧起始帧起始(IEEE802.3IEEE802.3)n为了与为了与802.4802.4与与802.5802.5兼容兼容IEEE 802.366n目的地址和源地址目的地址和源地址n标准中允许是使用标准中允许是使用2 2字节或字节或6 6字节的地址，字节的地址，n但但10Mbps10Mbps基带标准定义的参数只使用基带标准定义的参数只使用6 6字节地址字节地址n前三个字节表示供应商标识，后三个字节表示供应商对前三个字节表示供应商标识，后三个字节表示供应商对网卡的唯一标识网卡的唯一标识n目标地址目标地址n第第1 1个字节的个字节的最低位最低位为为“0”0”：普通地址。普通地址。如：如：0 00 0:13:E8:A3:D2:A9:13:E8:A3:D2:A9n第第1 1个字节的个字节的最低位最低位为为“1”1”：多播地址多播地址。允许多个站点。允许多个站点使用同一地址。如：使用同一地址。如：0 01 1:00:5E:00:00:01:00:5E:00:00:01n全部位为全部位为“1”1”：广播地址。广播地址。如：如：FF:FF:FF:FF:FF:FFFF:FF:FF:FF:FF:FFDIX以太网以太网IEEE 802.367n长度域或类型域长度域或类型域n类型域（类型域（DIXDIX以太网以太网）n说明高层使用的协议，如说明高层使用的协议，如IPIP，IPXIPX等等n长度域（长度域（IEEE802.3IEEE802.3）n指它后续数据的字节长度，但不包括校验和部分，范围指它后续数据的字节长度，但不包括校验和部分，范围461500字节字节n当数据部分的长度小于当数据部分的长度小于4646字节时，需要在帧填充字段中填字节时，需要在帧填充字段中填“0”0”nIEEE802.3IEEE802.3定义在数据部分增加一个小的头信息，由它来提供定义在数据部分增加一个小的头信息，由它来提供帧类型的信息帧类型的信息n为保证以上两种帧可以兼容，类型域的类型码需大于为保证以上两种帧可以兼容，类型域的类型码需大于15001500n如如0800H0800H表示表示IPIP，8137H8137H表示表示IPXIPX等等n若此字段的值小于若此字段的值小于15001500，则该帧为，则该帧为IEEE802.3IEEE802.3类型的帧类型的帧帧格式帧格式68帧格式帧格式n数据域数据域n长度为长度为11500字节，当长度小于字节，当长度小于4646字节时，字节时，需要在帧填充字段中填需要在帧填充字段中填“0”0”n有最大帧长和最小帧长的限制有最大帧长和最小帧长的限制n校验和校验和n采用采用3232位的循环冗余校验码（位的循环冗余校验码（CRCCRC）69帧格式举例帧格式举例-以太网的帧以太网的帧类型类型类型类型70帧格式举例帧格式举例-IEEE 802.3IEEE 802.3的帧的帧长度长度71How to check MAC addressnWinXPnc:arp-anc:ipconfignUNIX/Linuxn#ifconfig-anWiresharknSniffernRouter nshow arp n.#表示表示root用户用户72最小帧长（回顾）最小帧长（回顾）n避免检测到冲突时帧已经发完，帧发送时间应该避免检测到冲突时帧已经发完，帧发送时间应该大于大于2 2；n10Mbps LAN10Mbps LAN，最大冲突检测时间为，最大冲突检测时间为51.251.2微秒，微秒，最短帧长为最短帧长为6464字节（字节（10Mb/s10Mb/s*51.2s51.2s）n网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离减小的距离减小73思考题思考题1 1n考虑在一条考虑在一条1km1km长的电缆（无中继器）上建长的电缆（无中继器）上建立一个立一个1Gbps1Gbps速率的速率的CSMA/CDCSMA/CD网络。信号在电网络。信号在电缆中的速度为缆中的速度为200 000km/s200 000km/s。请问最小的帧。请问最小的帧长度为多少？长度为多少？74思考题思考题1 1n考虑在一条考虑在一条1km1km长的电缆（无中继器）上建立一个长的电缆（无中继器）上建立一个1Gbps1Gbps速速率的率的CSMA/CDCSMA/CD网络。信号在电缆中的速度为网络。信号在电缆中的速度为200 000km/s200 000km/s。请问最小的帧长度为多少？请问最小的帧长度为多少？n对于对于1km1km电缆，单向传播时延为电缆，单向传播时延为1/200000s=5s1/200000s=5s，往返时延为往返时延为2=10s2=10s。为了能够按照为了能够按照CSMA/CDCSMA/CD工作，最小帧的发送时间不能小于工作，最小帧的发送时间不能小于10s10s。以以1Gbps1Gbps速率工作，速率工作，10s10s可以发送的比特数为可以发送的比特数为 所以，最小帧是所以，最小帧是10 00010 000位或位或12501250字节字节4961010101075思考题思考题2 2n一个一个1km1km长、长、10Mbps10Mbps的的CSMA/CD LANCSMA/CD LAN（不是（不是802.3802.3），其传播速度为），其传播速度为200m/s200m/s。在这个。在这个系统中不允许使用中继器。数据帧的长度为系统中不允许使用中继器。数据帧的长度为256256位，其中包括位，其中包括3232位的头部、校验和以及位的头部、校验和以及其他的开销。在一次成功的传输之后，第一其他的开销。在一次成功的传输之后，第一个位时槽将被预留给接收方，以便他抓住信个位时槽将被预留给接收方，以便他抓住信道并发送一个道并发送一个3232位的确认帧。假设没有冲突，位的确认帧。假设没有冲突，请问有效数据率为多少（不包括各种开销）？请问有效数据率为多少（不包括各种开销）？76思考题思考题2 2n一个一个1km1km长、长、10Mbps10Mbps的的CSMA/CD LANCSMA/CD LAN（不是（不是802.3802.3），其传播速度为），其传播速度为200m/s200m/s。在这个系统中不允许使用中继器。数据帧的长度为。在这个系统中不允许使用中继器。数据帧的长度为256256位，位，其中包括其中包括3232位的头部、校验和以及其他的开销。在一次成功的传输之位的头部、校验和以及其他的开销。在一次成功的传输之后，第一个位时槽将被预留给接收方，以便他抓住信道并发送一个后，第一个位时槽将被预留给接收方，以便他抓住信道并发送一个3232位的确认帧。假设没有冲突，请问有效数据率为多少（不包括各种开位的确认帧。假设没有冲突，请问有效数据率为多少（不包括各种开销）？销）？n电缆的往返传输时延为电缆的往返传输时延为1000/2001000/200*2=102=10（ss）。）。一个完整的传输有一个完整的传输有6 6个过程：个过程：发送方发送方“抓住抓住”电缆（电缆（10s10s）（见（见P.218P.218）发送数据帧（发送数据帧（25.6s25.6s）传输时延（传输时延（5s5s）接收方接收方“抓住抓住”电缆（电缆（10s10s）发送确认帧（发送确认帧（3.2s3.2s）传输时延（传输时延（5s5s）6 6阶段的时间总和是阶段的时间总和是58.8s58.8s，在这期间共发送，在这期间共发送224224个数据位。个数据位。所以，有效数据速率为所以，有效数据速率为224/58.8=3.8Mbps224/58.8=3.8Mbps77n将冲突发生后的时间划分为长度为将冲突发生后的时间划分为长度为51.251.2微秒的微秒的时槽时槽n发生第一次冲突后，各个站点等待发生第一次冲突后，各个站点等待0 0或或1 1个时槽个时槽再开始重传再开始重传n发生第二次冲突后，各个站点在发生第二次冲突后，各个站点在0 0，1 1，2 2或或3 3间随机地选择一个等待时槽数，再开始重传间随机地选择一个等待时槽数，再开始重传n第第i i次冲突后，在次冲突后，在0 0至至2 2i i-1-1间随机地选择一个等待间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传的时槽数，再开始重传n1010次冲突后，选择等待的时槽数固定在次冲突后，选择等待的时槽数固定在0 0至至2 21010-1-1间间n1616次冲突后，发送失败，报告上层次冲突后，发送失败，报告上层4.3.4 4.3.4 二元指数后退算法二元指数后退算法78n以太网存在的问题以太网存在的问题n以太网使用共享式信道，随着负载的增加，局以太网使用共享式信道，随着负载的增加，局域网冲突概率的增加，达到饱和域网冲突概率的增加，达到饱和79共享的以太网共享的以太网10共享的快速以太网共享的快速以太网10010010交换机的以太网交换机的以太网或或100或或10004.3.6 4.3.6 交换式以太网交换式以太网1.提高网络速度提高网络速度 即采用交换式以太网即采用交换式以太网解决方法解决方法2.减少冲突域减少冲突域8010交换机的以太网交换机的以太网或或100或或1000MemorySwitch4.3.6 4.3.6 交换式以太网交换式以太网81交换式以太网交换式以太网n交换机包含交换机包含n一块高速底板一块高速底板n一个可以容纳多块插线卡的空间一个可以容纳多块插线卡的空间n每个插线卡上包含多个连接器每个插线卡上包含多个连接器n一般每个连接器有一个一般每个连接器有一个10Base-T10Base-T双绞线接口，可以连接双绞线接口，可以连接到一台计算机上到一台计算机上82n插卡分类插卡分类1.1.插卡上的所有端口都插卡上的所有端口都用线连在一起用线连在一起，一个插卡，一个插卡是一个是一个802.3LAN802.3LAN，构成自己的冲突域，与其它，构成自己的冲突域，与其它插卡完全独立，减少冲突域插卡完全独立，减少冲突域2.2.插卡的每个输入端口插卡的每个输入端口支持缓存支持缓存功能，每个端口功能，每个端口是一个独立的冲突域，无冲突发生是一个独立的冲突域，无冲突发生交换式以太网交换式以太网83交换式以太网交换式以太网n交换机工作过程交换机工作过程n一个站发送一个以太网帧时，它向交换机发送该帧一个站发送一个以太网帧时，它向交换机发送该帧n获得该帧的插卡检查该帧目的地址，看它的目标站是否获得该帧的插卡检查该帧目的地址，看它的目标站是否连接在同一块插卡上连接在同一块插卡上n若连接在同一块插卡上若连接在同一块插卡上n对于对于所有端口都用线连在一起的插卡，所有端口都用线连在一起的插卡，该帧被复制到该插卡的该帧被复制到该插卡的所所有端口有端口n对于对于每个输入端口支持缓存功能的插卡，每个输入端口支持缓存功能的插卡，该帧被转发到该插卡的该帧被转发到该插卡的相应端口相应端口n否则，通过交换机的高速底板，该帧被转发到目标站的否则，通过交换机的高速底板，该帧被转发到目标站的插卡中插卡中84u使用交换机后，可建立多个并使用交换机后，可建立多个并发的通信。发的通信。u例如：例如：8个端口可建立个端口可建立4个并发通信，个并发通信，总带宽总带宽=(8/2)*10Mbps =40 Mbps10Mbps 网网络交换络交换机机854.3.7 4.3.7 快速以太网快速以太网n标准标准n19951995年，年，IEEEIEEE通过通过802.3u802.3u标准，它是标准，它是802.3802.3的一的一个补充个补充n原有的帧格式、接口、过程规程不变，只是将原有的帧格式、接口、过程规程不变，只是将位时间从位时间从100ns100ns缩短为缩短为10ns10nsn对对10Mbps 802.3 LAN10Mbps 802.3 LAN的改进的改进n一种方法是改进一种方法是改进10Base-5 10Base-5 或或 10 10Base-2Base-2，最大，最大电缆长度减为电缆长度减为1/101/10，仍采用，仍采用CSMA/CDCSMA/CD，未被采纳未被采纳n另一种方法是改进另一种方法是改进10Base-T10Base-T，使用集线器和交，使用集线器和交换机，换机，被采纳被采纳86快速以太网快速以太网87n100Base-T4100Base-T4n3 3类非屏蔽双绞线（类非屏蔽双绞线（UTPUTP），），使用使用2525MHzMHz的信号的信号n要求要求4 4对双绞线，对双绞线，1 1对总是给集线器发送信号，对总是给集线器发送信号，1 1对总是接收集线器信号，另外对总是接收集线器信号，另外2 2对根据数据传对根据数据传输方向变换输方向变换n使用使用8B/6T8B/6T（8 8个二进制数映射到个二进制数映射到6 6位三进制数位三进制数上）编码，即使用三进制信号，三对线路，有上）编码，即使用三进制信号，三对线路，有2727种可能的符号，每个周期可以传送种可能的符号，每个周期可以传送4 4位（还位（还有冗余）二进制数，有冗余）二进制数，2525MHzMHz的信号，的信号，三对双绞三对双绞线的比特率线的比特率100Mbps(=25M100Mbps(=25M*4)4)，反向一对双绞，反向一对双绞线线33.3bps33.3bps快速以太网快速以太网88n100Base-TX100Base-TXn使用使用2 2对对5 5类平衡双绞线或类平衡双绞线或150150 屏蔽平衡电缆屏蔽平衡电缆，1 1对用对用于发送信号到集线器，另于发送信号到集线器，另1 1对用于从集线器接收信号，对用于从集线器接收信号，全双工全双工