信道访问与局域网.ppt

,第四章 计算机局域网,局域网产生的原因 80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源； 分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库 定义 局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。 局域网的三个属性 局域网是一种通信网络 通信设备是广义的 在一个小区域内,局域网的基本特点 高数据传输率（10 1000 Mbps） 短距离（0.1 10 km） 低出错率（10-8 10-11） 局域网发展趋势 高速，10G Ethernet 移动，无线局域网 IEEE 802.11,局域网拓扑结构 星型结构 环型结构 总线型结构 树型结构 传输介质 双绞线 基带同轴电缆 光纤 无线,4.1.2 局域网的关键技术 1.拓扑结构 2. 传输形式 基带传输 宽带传输 3. 介质访问控制 固定分配、需要分配、适应分配、探询访问和随机访问,信道分配 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。,信道分配方法有两种 静态分配 频分多路复用 FDM（波分复用WDM） 原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况； 缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。 时分多路复用 TDM 原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽； 优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况； 缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。,动态分配 信道分配模型的五个基本假设： 站点模型：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； 单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息； 冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发； 连续时间和时间分槽（确定何时发送）； 载波监听和非载波监听（确定能否发送）。,4.1.3 局域网体系结构,802标准在网络体系结构中的位置,物理层的功能：实现位（比特流）的传输与接收、同步 前序（Preamble)的产生与删除等，该层规定了所使用的 信号、编码和介质。规定了有关的拓扑结构和传输速率： 有关信号与编码常采用曼彻斯特编码；介质为双 绞线、同轴电缆和光缆等；拓扑结构多为总线、 树和环型；传输速率为: IMbpS， 4 Mbps， 10 Mbps， 100 Mbps等。,数据链路层功能：分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个功能子层。,LLC子层向高层提供一个或多个称为服务访问点SAP的逻辑接口，具有帧的接收、发送功能。发送时把要发送的数据加上地址和循环冗余校验CRC字段等构成LLC帧；接收时把帧拆封，执行地址识别和CRC校验功能，并且有帧顺序、差错控制和流量控制等功能。,MAC子层有管理多个源链路和多个目的链路的功能。 IEEE 802标准制定了几种介质访问控制方法，同一个LLC子层能与其中任一种访问方法（如CSMACD， Token Ring， Token Bus等）接口。,2 IEEE 802标准系列 IEEE 802委员会1980年开始研究局域网标准，1985年公布见EE 802标准的五项标准文本，同年ANSI采用作为美国国家标准，ISO也将其作为局域网的国际标准，对应标准为 ISO 8802，后又扩充了多项标准文本。,IEEE 802标准系列含以下部分： 1）IEEE802.1A 概述和系统结构，EEE802.1B寻址，网络管理和网际互连。 2）IEEE802.2 逻辑链路控制。 3） IEEE 802.3 CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。 4） IEEE 802.4 令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。 5） IEEE 802.5 令牌环网访问控制方法及物理层规范。 6） IEEE 8026 城域网访问控制方法及物理层技术规范。 7） IEEE 8027 宽带技术。 8） IEEE 8028 光纤技术（FDDI在 8O23、 8024 8025中的使用）。,9） IEEE 8029 综合业务数字网（ISDN）技术。 10） IEEE 80210 局域网安全技术。 11）IEEE80211 无线局域网。,IEEE 802 family,LAN的参考模型 逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control） 引入LLC子层的原因： MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口），有些情况下，这种服务足够，如支持IP协议；当需要确认和流控的时候，这种服务就不能满足，需要LLC。 LLC子层提供确认机制和流量控制； LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口； LLC提供三种服务选项： unreliable datagram service, acknowledged datagram service, reliable connection-oriented service. LLC帧头基于HDLC协议,介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control） Data encapsulation (transmit and receive) Framing (frame boundary delimitation, frame synchronization) Addressing (handling of source and destination addresses) Error detection (detection of physical medium transmission errors) Media Access Management Medium allocation (collision avoidance) Contention resolution (collision handling) 分成两个子层的原因 管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制； 对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择,4.2.1 CSMA/CD介质访问控制 在广播型信道中，如总线网中的公用信道，信道是各站点的共享资源。CSMA/CD是一种采用随机访问技术的竞争型（有冲突的）访问方法。各站点都能判断信道的状态，判断的方法是利用站点上的接收器从信道上接收信道信号。如果信道电平变化，即所谓有载波，说明信道被其他站点所占用；如果信道上电平不变化，信通就处于空闲状态。由于是广播式信道，因此可具有多目标地址的特点。,补充知识：,一、 多路访问协议 定义：控制多个用户共用一条信道的协议 1 ALOHA协议 70年代，Norman Abramson设计了ALOHA协议 目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统； 分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议 纯ALOHA协议 基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发;,多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统； 信道效率 假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧，平均每个帧时（frame time）产生S帧（0 S 1）；发生冲突重传，新旧帧共传k次，遵从泊松分布，平均每个帧时产生G帧； 吞吐率 S = GP0，P0为发送一帧不受冲突影响的概率； 冲突危险区，Fig. 4-2 一个帧时内产生k帧的概率：Prk = ，两个帧时平均产生2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为：P0 = e-2G，所以 S = Ge-2G； Fig. 4-3 效率：信道利用率最高只有18.4%.,分槽ALOHA协议 基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。 信道效率 冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以P0 = e-G，S = Ge-G； Fig. 4-2 与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。 Fig. 4-3,二、 载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 载波监听（Carrier Sense） 站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，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。 多路访问（Multiple Access） 多个用户共用一条线路 1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA） 原理 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则发送； 若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。,优点：减少了信道空闲时间； 缺点：增加了发生冲突的概率； 广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差； 非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA） 原理 若站点有数据发送，先监听信道； 若站点发现信道空闲，则发送； 若信道忙，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。 优点：减少了冲突的概率； 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大； 信道效率比 1-坚持CSMA高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。,p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA） 适用于分槽信道 原理 若站点有数据发送，先监听信道； 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被其他站点所占用； 若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。 五种多路访问协议性能比较 Fig. 4-4,三 带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD 引入原因 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，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。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，因此产生了CSMA/CD 原理 站点使用CSMA协议进行数据发送； 在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突； 在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。,工作状态 传输周期 竞争周期 空闲周期 问题 一个站点确定发生冲突要花多少时间？ 最坏情况下，2倍电缆传输时间,CSMA/CD算法中，在检测到冲突，并发完阻塞信号后。为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再用CSMA的算法发送。为了决定这个随机时间，一个通用的退避算法称为二进制指数退避算法。 二进制指数后退算法（binary exponential backoff） 算法 将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽 发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或 1 个时槽再开始重传； 发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0, 1, 2或3个时槽再开始重传； 第 i 次冲突后，在 0 至 2i-1 间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传； 10次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至210-1间； 16次冲突后，发送失败，报告上层。,802.3的MAC子层帧格式,前导序列（7个字节10101010） 帧开始标志（1字节， 10101011） 目标地址和源地址 2 或 6个字节，以太网为6个字节 (IEEE 802 specifies the use of either 16- or 48-bit addresses, no conformant implementation of IEEE 802.3 uses 16-bit addresses.),目的地址第一位（LSB: Least Significant Bit）为 0，表示单地址（individual address）；为 1，表示组地址（group address），支持multicast，目的地址全 1，为广播地址。源地址第一位（LSB）为0。 地址中的第二位（LSB）用来区分本地地址和全球地址。 帧长度域（2字节，取值在0-1500之间） 数据（0-1500个字节） 填充（0-46字节） 校验和：CRC校验（4个字节） 扩展域：用于千兆以太网,10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节； 网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。,关键问题：在MAC子层，如何解决多个站点争用共享信道？ 信道分配方式：静态（FDM、WDM、TDM），动态 多路访问协议 ALOHA：纯ALOHA、分槽ALOHA，（冲突危险区） CAMA：1-坚持型CSMA、非坚持型CSMA、 p-坚持型CSMA（分槽协议） CSMA/CD,6.4.3 IEEE 802.5：令牌环 Token Ring 技术产生原因 环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到点链路组成的环，点到点链路有很多技术优势； 各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生； IBM选择Token Ring作为它的LAN技术。 基本思想 环网设计分析的一个主要问题是 1 比特的“物理长度”，数据传输速率为 R Mbps，典型信号传播速率为200米/微秒，则1 比特的“物理长度”为 200/R米； 环接口引入了1比特的传输延迟；,令牌（Token）是一种特殊的比特组合模式，一个站要发送帧时，需要抓住令牌，并将其移出环； 环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：每站的1比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人工延迟； 环接口有两种操作模式：监听模式和传输模式。 当一个站点有数据发送时，在令牌通过此站点时，将令牌从环上取下，发送自己的数据，然后重新生成令牌，发送站负责将发出的帧从环上移去，并转入监听模式。 确认：帧内一个比特域，初值为0，目的站收到后，将其变为1；对广播的确认比较复杂； 重负载下，效率接近100%。,802.5的布线 屏蔽双绞线，速率为1/4/16M，采用差分曼彻斯特编码传输； 为解决环断裂导致整个环无法工作的问题，使用线路中心（Wire Center）进行布线，线路中心设有旁路中继器。,802.3 AND 802.52 局域网的比较 802.3 优点： 使用最为广泛； 算法简单； 站点可以在网络运行中安装； 使用无源电缆； 轻负载时，延迟为0。 缺点 使用模拟器件，每个站点在发送的同时要检测冲突； 最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大； 无优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作； 电缆最长2500米（使用中继器）；,速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变（2），效率降低； 重负载时，冲突严重。,802.5 优点 使用点到点连接，完全数字化； 使用线路中心，自动检测和消除电缆故障； 支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，不允许任意长的帧； 重负载时，吞吐量和效率较高。 缺点 中央监控； 轻负载时，延迟大。,4.3 以太网 （省略） 主要内容 合并到第九章,4.4 高速网络技术 4.4.1 交换式以太网 部分内容合并到第九章,一、快速以太网（Fast Ethernet） 标准 1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是802.3的一个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从100ns缩短为10ns。 对10 Mbps 802.3 LAN的改进 一种方法是改进10Base-5 或 10Base-2，采用CSMA/CD，最大电缆长度减为1/10，未被采纳； 另一种方法是改进10Base-T，使用HUB，被采纳。,100Base-T4 使用4对 ISO/IEC 11801定义的 3、4、5类平衡双绞线; 3类非屏蔽双绞线（UTP），使用25MHz的信号（802.3使用20MHz的信号，由于使用Manchester编码，波特率=2*比特率）； 4对双绞线，1对 to the hub，1对 from the hub，另外2对根据数据传输方向变换； 8B6T（8 bits map to 6 trits）编码，使用三进制信号（ternary signals），1对双绞线的比特率为25 * 8/6 = 33.3 Mbps，正向100M，反向33.3M； Figure,100Base-TX 使用2对5类平衡双绞线或150屏蔽平衡电缆，1对 to the hub，1对 from the hub，全双工； 5类双绞线使用125 MHz的信号； 4B5B编码，5个时钟周期发送4个比特，物理层与FDDI兼容，比特率为 125 * 4/5 = 100 Mbps； 100Base-FX 使用2根多模光纤，全双工 100Base-T4 和 100Base-TX 统称 100Base-T 两种类型的HUB 共享式 HUB，一个冲突域，工作方式与802.3相同，CSMA/CD，二进制指数后退算法，半双工 交换式HUB，输入帧被缓存，一个端口构成一个冲突域。,二、 光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface） 特征 使用多模光纤作为传输介质 MAC协议与 Token Ring 类似 100M的速率 采用4B5B编码方法 32中组合中的16种表示数据，3种表示定界符，2种表示控制，3种表示硬件信号，8种保留。 最大距离200公里 最多1000个站点 通常作为连接LAN的主干网络 Fig. 4-44,FDDI的双环操作 Fig. 4-45 FDDI定义了两类站：A类站连接双环，B类站连接单环。 为提高信道利用率，站点发完数据后立即产生新令牌，环上可能同时存在多个帧；,四 千兆以太网（Gigabit Ethernet） 标准：802.3z Gigabit Ethernet 使用扩展的 802.3 MAC 子层接口，通过GMII（Gigabit Media Independent Interface）与物理层相连； 物理层实体：1000BASE-LX, 1000BASE-SX, 1000BASE-CX, 1000BASE-T. 1000BASE-X（包括1000BASE-SX, 1000BASE-LX, 和 1000BASE-CX）物理层标准符合 ANSI X3.230-1994 (Fibre Channel) FC-0 和 FC-1，采用8B/10B编码；1000BASE-T 采用4B/5B编码；,在一个冲突域内，只允许一个repeater 帧格式,4.4.5 ATM 4.5 结构化布线,Caption: Illustration of computers in eight offices wired with (a) thick, (b) thin, and (c) 10Base-T (twisted pair) Ethernet. Wires can run above the ceiling or under a raised floor. A wiring closet may contain a hub or equipment used for network monitoring, control, or debugging.,