計算機網(wǎng)絡原理.ppt

1、計算機網(wǎng)絡原理,2008,第四章 介質(zhì)訪問子層,計算機網(wǎng)絡分兩類：采用點到點連接的網(wǎng)絡，采用廣播信道的網(wǎng)絡。 本章討論廣播網(wǎng)絡及其協(xié)議。 在所有廣播網(wǎng)絡中，關鍵的問題是：當信道的使用產(chǎn)生競爭時，如何分配信道的使用權。 廣播信道有時也稱作多路訪問信道，或隨機訪問信道。 介質(zhì)訪問子層MAC：屬于數(shù)據(jù)鏈路層的子層，用來決定廣播信道中信道的分配。,幾乎所有的局域網(wǎng)都以多路復用信道作為通信的基礎。 廣域網(wǎng)通常采用點到點連接，衛(wèi)星網(wǎng)除外。 因此， MAC子層在局域網(wǎng)尤其重要。,信道分配問題,在相互競爭的多個用戶之間如何分配一個單獨的廣播信道。 解決的方法：靜態(tài)，動態(tài) 具體算法,局域網(wǎng)和城域網(wǎng)中信道的靜態(tài)分

2、配,傳統(tǒng)的分配單個信道的方法：頻分多路復用FDM。 應用場合：用戶較少且數(shù)目固定，每個用戶通信量都較大。 不適用場合：用戶較多且數(shù)目經(jīng)常變化，通信量具有突發(fā)性特點。 FDM最基本的缺陷是無通信量時分配給用戶的頻段被浪費了，而不能被其它用戶所用。 大多數(shù)計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流具有突發(fā)性，因此，多數(shù)信道在大部分時間內(nèi)都被閑置了。 采用時分復用TDM會產(chǎn)生同樣的問題。,局域網(wǎng)和城域網(wǎng)中信道的動態(tài)分配,5個關鍵性假定： 1、站模型：由N個獨立的站組成，每個站有一個可以產(chǎn)生待發(fā)送幀的程序或用戶。一旦生成一幀，該站就被阻塞，直到幀被成功傳出。 2、單通道假設：所有通信都通過單個信道進行。所有的站都在該信道上發(fā)

3、送和接收信息。盡管軟件可賦予各站優(yōu)先級，但就硬件來說，各站是平等的。 3、沖突假設：若兩幀同時發(fā)送，它們會相互重疊，使信號難以辨認。所有的站都能檢測到?jīng)_突。沖突的幀必須事后重發(fā)。除了沖突產(chǎn)生的差錯外，不再有其他任何差錯。,4a、連續(xù)時間：幀能在任何時候開始發(fā)送。沒有主時鐘將時間分隔為離散的發(fā)送區(qū)間。 4b、時隙：時間被分為離散的區(qū)間（時隙）。幀總是在時隙開始的一瞬間開始發(fā)送。一個時隙內(nèi)可發(fā)送0，1或多個幀，它們分別對應空閑時隙、成功時隙、發(fā)生沖突。 5a、載波偵聽：所有站在使用信道以前都可以檢測到信道是否正在使用。若忙，其他站不會去使用它，直到它變得空閑。 5b、非載波偵聽：各站在使用信道前不

4、檢測信道，只是盲目地發(fā)送，事后才能確定本次傳送是否成功。,多路訪問協(xié)議,ALOHA協(xié)議 載波偵聽多路訪問協(xié)議 無沖突的協(xié)議 有限競爭協(xié)議 波分多路訪問協(xié)議 無線局域網(wǎng)協(xié)議,ALOHA協(xié)議,基本思想適用于任何無協(xié)調(diào)關系的多用戶競爭單信道使用權的系統(tǒng)。 純ALOHA 分隙ALOHA 區(qū)別：是否將時間分成離散的時隙。純ALOHA無需全局時間同步，而分隙ALOHA則必須時間同步。,純ALOHA,基本思想：用戶只要有數(shù)據(jù)待發(fā)，就讓他們發(fā)。 當產(chǎn)生沖突，使幀受損時，發(fā)送方只要偵聽信道就會知道。 對于LAN，反饋信息傳播很快。 對于衛(wèi)星網(wǎng)，發(fā)送方在延時270ms后才能確定。 若幀遭破壞，則發(fā)送方隨機等待一段

5、時間后重發(fā)。 競爭系統(tǒng)：多個用戶以某種可能導致沖突的方式共享公用信道的系統(tǒng)。,在 ALOHA系統(tǒng)中，各幀長度相同，能使系統(tǒng)取得最大吞吐率。,ALOHA信道的效率？ 沒有發(fā)生沖突的幀比例有多大？ P187（新書P213）的一個情景。 “幀時”：表示發(fā)送一個標準長度的幀所需的時間，也就是幀長度除以位傳輸率。 假定無限多的用戶產(chǎn)生的新幀服從泊松分布，平均每幀時產(chǎn)生S個新幀。 若S1，則幾乎每幀都會受到?jīng)_突。 合理值要求在0s1。,每站除了產(chǎn)生新幀外，還要產(chǎn)生受到?jīng)_突的重傳幀。 假設每幀時內(nèi)新、舊幀共傳送K，也服從泊松分布，平均值為G每幀時。 在低負荷時，S約等于0，幾乎沒有沖突，也不用重傳，G與S幾

6、乎相等。 在高負荷時， GS。 在各種載荷下，S=GP0， P0不沖突的概率,陰影幀的沖突危險區(qū),若在t0到t0+t時間內(nèi)，則頭部沖突 若在t0 +t到t0+2t時間內(nèi)，則尾部沖突,在任一幀時內(nèi)生成K幀的概率服從泊松分布： Prk=Gke-G/K! 生成0幀的概率為e-G，兩個幀時內(nèi)產(chǎn)生的幀數(shù)平均為2G，在整個沖突危險區(qū)內(nèi)無任何其他幀產(chǎn)生的概率為P0=e-2G，代入S=GP0得： S=Ge-2G . 吞吐率S與幀產(chǎn)生率G之間的關系見圖（P189，新P215） 當G=0.5時，吞吐率S最大，其值為S=1/2e=0.184. 對于這種站可以隨意發(fā)送的工作方式,100%的利用率幾乎是不可能的.,分隙

7、ALOHA,可將系統(tǒng)利用率提高一倍。 方法是：把時間分為離散的時間段，每段時間對應一幀。 要求用戶時間同步。 方法之一：設置一個特殊的站點，在每段時間的開始像時鐘一樣發(fā)送一個信號。 為了和純ALOHA方法相區(qū)別,被稱為分隙ALOHA,在分隙ALOHA方法中，計算機并不是在按下回車鍵后就立即傳送信息幀，而是要等到下一時隙開始時才傳送。 由于沖突危險區(qū)減少為原來的一半，所以在任一幀的時隙內(nèi)無其他幀發(fā)送的概率為e-G，從而得出： S=Ge-G . 從圖（P189，新P215）中關系看出，當G=1時，吞吐率S最大，其值為S=1/e=0.368.,載波偵聽多路訪問協(xié)議,載波偵聽協(xié)議：網(wǎng)絡站點偵聽載波是否

8、存在（即有無傳輸）并相應動作的協(xié)議。 持續(xù)和非持續(xù)CSMA 有沖突檢測的CSMA,持續(xù)和非持續(xù)CSMA,1-持續(xù)CSMA：當一個站點要傳送數(shù)據(jù)時，它首先偵聽信道，看是否有其他站點正在傳送。若信道忙，則持續(xù)等待直到信道空閑，便將數(shù)據(jù)送出。若發(fā)生沖突，站點就等待一個隨機長的時間，然后重新開始。 此協(xié)議被稱作1-持續(xù)CSMA。是因為站點一旦發(fā)現(xiàn)信道空閑，其發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為1。 傳輸延時對協(xié)議性能的影響：傳輸延時越長，沖突可能性越大，系統(tǒng)性能也就越差。 即使傳輸延時為0，仍然有可能發(fā)生沖突。,非持續(xù)CSMA：在該協(xié)議中，站點發(fā)送前會偵聽信道的狀態(tài)，如果沒有其他站點在發(fā)送，它就開始發(fā)送。但如果信道正在使

9、用中，該站點將不再繼續(xù)偵聽信道，而是等待一個隨機的時間后，再重復上述過程。 P-持續(xù)CSMA：用于分隙信道，工作過程如下：一個站點在發(fā)送之前，首先偵聽信道，若空閑，便以概率p傳送，而以概率q=1-p把該次發(fā)送推遲到下一時隙。若下一時隙仍空閑，便再次以概率p傳送，而以概率q=1-p把該次發(fā)送推遲到下下一時隙。此過程一直重復，直到發(fā)送成功或另外一站開始發(fā)送為止。,有沖突檢測的CSMA,持續(xù)和非持續(xù)CSMA是對ALOHA協(xié)議的改進，它們保證在偵聽到信道忙時無新站開始發(fā)送。 帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD：若兩站偵聽到信道空閑并同時開始傳送，幾乎會同時檢測到?jīng)_突。一旦檢測到?jīng)_突，不是繼續(xù)傳

10、完幀，而是盡快停止。,CSMA/CD以及許多其他局域網(wǎng)協(xié)議都采用以下概念模型。在t0點處，一個站點已完成了幀的傳送，其他想要發(fā)送的站點現(xiàn)在都可以嘗試發(fā)送。如果兩個或兩個以上的站點同時決定傳送，將會產(chǎn)生沖突。,無沖突的協(xié)議,在CSMA/CD中，雖然抓住信道，便不會產(chǎn)生沖突，但在競爭周期沖突仍不可避免。 在電纜很長而幀很短時，系統(tǒng)性能很低。 位圖協(xié)議 二進制倒計數(shù)法 以上兩協(xié)議的假設：都假定有N個站，每個站均有一個唯一的地址，從0到N-1一一對應。 關鍵問題：在一次成功的傳送之后，哪個站將會得到這個競爭的信道。,位圖協(xié)議,競爭周期恰好由N個時隙組成。若站點0想發(fā)送一幀，它就在第0個時隙內(nèi)發(fā)送1比特

11、。該時隙內(nèi)，不允許其他任何站點發(fā)送。,二進制倒計數(shù)法,每個想要使用信道的站點，首先將其地址以二進制位串的形式，按照由高到低的順序進行廣播，并且假定所有地址的長度相同。然后，將各站的地址的對應位進行布爾或運算。 為了避免沖突，就必須進行仲裁：若某站發(fā)現(xiàn)其地址中原本為0的高位被置換為1，則它便放棄發(fā)送。,有限競爭協(xié)議,前面討論了電纜網(wǎng)絡中兩種基本的信道獲取策略：競爭法和無沖突法。 可根據(jù)兩項指標加以評定：輕載荷下的時延，重載荷下的信道利用率。 有限競爭協(xié)議結合了競爭法和無沖突法的優(yōu)點。 自適應樹搜索協(xié)議,波分多路訪問協(xié)議,在波分多路訪問中，每個站點分配兩個信道。其中窄信道作為通知站點的控制信道，寬

12、信道作為站點輸出數(shù)據(jù)幀的信道。 每個信道被分成不同的時隙組。取控制信道的時隙數(shù)為m, 數(shù)據(jù)信道的時隙數(shù)為n+1, 其中n個用于數(shù)據(jù)，最后一個用來報告站點的狀態(tài)。 在兩條信道中，時隙序列無盡地循環(huán)，其中時隙0用某種特殊的方式標記以便后續(xù)時隙識別。 所有的信道均用同一個全程時鐘來同步。,波分多路訪問,波分多路訪問協(xié)議,支持三種類型的通信流量（1）恒定速率的，面向連接的通信流量；（2）可變速率的，面向連接的通信流量；（3）數(shù)據(jù)報流量，比如UDP分組。 每個站都有兩個發(fā)送器和兩個接收器。P197，新書P223 一個波長固定不變的接收端，用來偵聽本站點的控制信道。 一個波長可調(diào)的發(fā)送端，用來向其他站點的

13、控制信道發(fā)送幀。 一個波長固定不變的發(fā)送端，用來輸出數(shù)據(jù)幀。 一個波長可調(diào)的接收端，用來選擇要偵聽的數(shù)據(jù)發(fā)送端。 每個站點都偵聽自己的控制信道，看是否有請求產(chǎn)生，并將接收端的波長調(diào)為發(fā)送端的波長，從而得到數(shù)據(jù)。,無線LAN協(xié)議,如果一個系統(tǒng)中的筆記本計算機通過無線電波進行通信，則該系統(tǒng)可以被認為是一個無線LAN。 要求特殊MAC子層協(xié)議。,以太網(wǎng),信道分配協(xié)議在局域網(wǎng)中的應用。 IEEE對許多局域網(wǎng)和城域網(wǎng)做了標準化工作，這些標準都在IEEE802的名字下面。 IEEE802.3(以太網(wǎng)) IEEE802.11(無線LAN) IEEE802.15(藍牙) IEEE802.16(無線MAN),I

14、EEE802.3和IEEE802.11有不同的物理層，不同的MAC子層，但有共同的邏輯鏈路控制子層（定義在IEEE802.2中）。 以前介紹了以太網(wǎng)的基本概念，此節(jié)將介紹以太網(wǎng)的技術細節(jié)、協(xié)議等。 對于以太網(wǎng)和IEEE802.3，除了下面將要討論的兩個小區(qū)別，它們幾乎相同。,以太網(wǎng)電纜,10Base5：俗稱粗以太網(wǎng) 10Base2：俗稱細以太網(wǎng) 10Base-T：采用雙絞線 10Base-F：采用光纖,10Base5,最先出現(xiàn) 每隔2.5米標記了分接頭的插入處。 插入式分接頭將設備連到電纜上。 10Base5的含義：運行在10Mbps的速率上，使用基帶信令，支持的分段長度可達500米。 在分接

15、頭中，有一根針被非常小心地插入到同軸電纜的內(nèi)芯中。收發(fā)器則緊緊夾住電纜以便分接頭可接觸內(nèi)芯。 通過一根收發(fā)器電纜將收發(fā)器連到計算機的接口卡上。 收發(fā)器電纜可長達50米，包含5對獨立的屏蔽雙絞線。,接口卡包含一個控制器芯片，用來向收發(fā)器傳送幀，或從收發(fā)器接收幀。 控制器負責將數(shù)據(jù)裝配成正確的幀格式，為發(fā)送的幀計算校驗和，為接收的幀檢驗校驗和。 有些控制器芯片也為進來的幀管理一個緩沖池；為要傳輸?shù)膸芾硪粋€緩沖隊列；并且可以與主計算機進行直接的內(nèi)存?zhèn)鬏?，以及其他的網(wǎng)絡管理功能。,10Base2,使用工業(yè)標準的BNC連接器來構成T型接頭。 每段最長185米。 10Base5和10Base2存在的問題

16、：對電纜斷裂、電纜超長、分接頭壞掉，或BNC連接器松動的檢測困難。 人們研制了許多技術來捕捉故障。比例，時間域反射計。 時間域反射計：P210，新書229,10Base-T,由于找電纜斷裂處不方便 ，導致了10Base-T的出現(xiàn)。 所有的站都連到一個 集線器上，集線器并不緩存流量，但交換機則緩存。 每個站通過一根非共享的電纜連接到集線器。 優(yōu)點：增、刪一個站容易，電纜斷裂很容易檢測到。 缺點：從集線器出來的電纜的最大長度只有100米。但使用高質(zhì)量的5類雙絞線能達到200米。 還有一個更快的100Base-T。,10Base-F,這種連接方式由于連接器和終結器的成本開銷而非常昂貴。但它有極好的抗

17、噪聲能力。 適用于樓與樓之間的連接，或用于遠距離隔開的集線器之間的連接。 長度可達上千米。 安全性好，因為在光纖上竊聽比在銅線上要難。,電纜拓撲結構,電纜拓撲結構,在各種以太網(wǎng)中，每段電纜的長度都有一個上限，為了構建更大的網(wǎng)絡，多根電纜可以通過中繼器連接起來。 中繼器是一個物理層設備。它在兩個方向上接收、放大和重傳信號。 從軟件角度看，通過中繼器連接起來的一系列電纜段與單根電纜沒有任何區(qū)別。 兩個收發(fā)器之間不能超過2.5公里。 任意兩個收發(fā)器之間的路徑上不得跨越多于4個中繼器。,曼徹斯特編碼,使用直接的二進制編碼會導致歧義。P212，新書P231 讓接收方在沒有外部時鐘參考的情況下，可以毫無歧

18、義地確定每一位的起始、結束、中間位置的方法： 曼徹斯特編碼 差分曼徹斯特編碼,曼徹斯特編碼,每一位的周期分成兩個相等的間隔。二進制“1”位在發(fā)送時，在第一個間隔中為高電壓，在第二個間隔中為低電壓。二進制“0”位則正相反。 優(yōu)點：這種方案可以保證每一個位周期中都有一個中間電壓變化，這使得接收方很容易與發(fā)送方同步起來。 缺點：它所要求的帶寬是直接二進制編碼的兩倍。,差分曼徹斯特編碼,差分曼徹斯特編碼是基本曼徹斯特編碼的一個變種。 在這種編碼中，如果在間隔的起始處沒有相變，則表示位“1”；如果在間隔的起始處出現(xiàn)了相變，則表示位“0”。在這兩種情況下，位周期的中間也會有一個相變。 優(yōu)點：提供了更好的抗

19、噪聲能力。 缺點：需要更復雜的設備。,以太網(wǎng)使用了曼徹斯特編碼 令牌環(huán)網(wǎng)使用了差分曼徹斯特編碼,以太網(wǎng)MAC子層協(xié)議,早期的DIX（DEC,Intel,Xerox)幀結構如圖（a）所示。 當IEEE標準化以太網(wǎng)時，做了兩個改動，如圖（b）所示。 第一個改動是將前導域降低到7個字節(jié)，將空出的一個用作幀起始分界符，便于與IEEE802.4和IEEE802.5兼容。 第二個改動是將類型域變成了長度域。,每個幀都以前導域開始，該前導域包含了位模式10101010。 這個位模式經(jīng)過曼徹斯特編碼后便于發(fā)送方與接收方的時鐘同步。 對于一幀的剩余部分，也必須保持同步，利用曼徹斯特編碼可以識別位的邊界。 幀結構

20、中包含兩個地址：目標地址和源地址。 標準中允許使用2字節(jié)或6字節(jié)的地址。 對10Mbps基帶標準定義的參數(shù)只使用6字節(jié)的地址。,多播,向一組站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 在作為目標地址的組地址中，最高位為“1” 利用組地址，多個站可監(jiān)聽同一地址。當一幀被發(fā)送給一個組地址的時候，該組中的所有站都會接收到該幀，,廣播,由全部的“1”位構成的地址被保留用于廣播。 若一幀的目的地址域中包含全部的“1”，則網(wǎng)絡上所有的站都會接受該幀。 多播與廣播的差異： 一個多播幀被發(fā)送給以太網(wǎng)上選擇出來的一組站。 一個廣播幀被發(fā)送給以太網(wǎng)上的所有站。 多播是有選擇性的，但要涉及到組的管理。 廣播是粗粒度的，并不要求任何組管理的支持

21、。,局部地址與全局地址,局部地址是由網(wǎng)絡管理員分配，在局部網(wǎng)絡之外無意義。 全局地址是由IEEE統(tǒng)一分配，可以保證世界上任何兩個站點都不會相同。 這兩種地址由第46位來區(qū)分。 全局地址的可用位數(shù)48246,類型域,告訴接收方應該如何處理這一幀。 在同一機器上可能有多個網(wǎng)絡層協(xié)議在使用，所以，但一個以太網(wǎng)幀到達時，由類型域指定應該將它交給哪個網(wǎng)絡層進程。 IEEE 802.3標準規(guī)定的MAC幀稍復雜些。它和以太網(wǎng)V2的MAC幀的區(qū)別之一是： 第三個字段是長度/類型字段。根據(jù)長度/類型字段的數(shù)值大小，這個字段可以表示MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度（請注意：不是整個數(shù)據(jù)幀的長度），也可以等同于以太網(wǎng)V2的

22、類型字段。具體地講： 若長度/類型字段的數(shù)值小于MAC客戶數(shù)據(jù)字段的最大值1500（字節(jié)），這個字段就表示MAC客戶數(shù)據(jù)的長度。 若長度/類型字段的數(shù)值大于0X0600（相當于十進制的1536），那么這個數(shù)值就不可能表示以太網(wǎng)合法的數(shù)據(jù)字段長度，因而這個字段就表示類型。,數(shù)據(jù)域,最長可達1500個字節(jié)。 在制定DIX標準時，這個值的選擇依據(jù)主要是：新書P233 最小的幀長度限制：P213,新書P233P234,8023標準規(guī)定凡出現(xiàn)下列情況之一的即為無效的MAC幀： 1）MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致； 2）幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)； 3）用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯； 4）

23、收到的幀的MAC數(shù)據(jù)字段的長度不在46-1500字節(jié)之間。 對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網(wǎng)不負責重傳丟棄的幀。 當MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)時，則應加以填充（內(nèi)容不限）。這樣，MAC幀（包含14字節(jié)首部和四字節(jié)尾部）的最小長度是64字節(jié)或512BIT。,為什么長度不夠的幀就是無效幀呢？這是因為 CSMA/CD協(xié)議的一個要點就是當發(fā)送站正在發(fā)送時，若檢測到碰撞則立即中止發(fā)送，然后推遲一段時間后再發(fā)送。 如果所發(fā)送的幀太短，還沒有來得及檢測到磁撞就已經(jīng)發(fā)送完了，那么就無法進行磁撞檢測，因而就會使CSMA/CD協(xié)議變得沒有意義。因此，所發(fā)送的幀的最短長度應當要保證在發(fā)送完畢之

24、前，必須能夠檢測到可能最晚來到的磁撞信號。 這段時間就是以太網(wǎng)的端到端往返時延。在802.3標準中，這段時間取為51.2s。 對于10Mbit/s速率的以太網(wǎng)，這段時間可以發(fā)送512bit。這樣就得出了MAC幀的最短長度為512bit，或64字節(jié)。在接收端，凡長度不夠64字節(jié)的幀就都認為是應丟棄的無效幀。,如果僅僅從以太網(wǎng)的最大容許長度（2500m）來計算，并假定信號在電纜上的傳輸速率為2.3105km/s，則端到端的往返時延就還不到22s。考慮到實際上還有許多因素影響到端到端的往返時延，因此，802.3標準將長度達到最大值的以太網(wǎng)兩倍往返時延取為51.2s。 MAC子層的標準還規(guī)定了幀間最小

25、間隔為9.6s才能發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理做好接收下一幀的準備。,隨著網(wǎng)絡速度的提高，最小的幀長度必須成比例的增加，或者最大電纜長度成比例地減短。 校驗和： P214,新書PP234,二元指數(shù)后退法,當發(fā)生沖突時，如何確定隨機等待時間？P214，新書P235,以太網(wǎng)的性能,若每個站在一個競爭時槽中傳送幀的概率為P，那么，在這個時槽中，某個站獲得信道的概率A為：A=KP(1-P)K-1 當P1/K，A最大； 當K趨向無窮，A趨向1/e 競爭間隔正好等于j個時槽的概率為A(1-A)j-1 每一次競爭的平均時槽數(shù)：,由于每個時槽的時間間隔為 平均競爭間隔W為 假

26、設最優(yōu)的P，并且競爭時槽的平均數(shù)永遠不超過e,則W至多為 若傳送每一幀平均需要P秒，則 信道利用率 電纜越長，則競爭間隔越長，這正是規(guī)定電纜長度的原因。P215,新書P236,在高載荷下，準備傳送的站的平均數(shù)？ 每秒鐘傳送的幀數(shù)為1/（P+W）. 若每個站生成幀的平均速率為 則當系統(tǒng)在狀態(tài)K時，所有未阻塞的站的總輸入率為 利用輸入與輸出相等可求出K 有許多對性能分析的工作都假設網(wǎng)絡流量是泊松分布，但實際的流量卻很少是泊松分布，而是自相似的。,交換式以太網(wǎng),隨著以太網(wǎng)中的站越來越多，流量也急劇上升。一種辦法是提高速度，從10Mbps到100Mbps。 隨著多媒體的增長， 100Mbps或1Gbp

27、s也會變得飽和。 另一種辦法：交換式以太網(wǎng)，P217，新書P237,快速以太網(wǎng),為了挖掘出速度的潛力，兩種基于環(huán)的光纖LAN被提出。 FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口) 光纖信道 都可以用作骨干網(wǎng)，但不能突破到桌面上。 站的管理太復雜，導致了復雜的電路和昂貴的價格。 光纖LAN的失敗，為大于10Mbps的普通以太網(wǎng)留下了發(fā)展空間。,1992年，IEEE重新召集802.3委員會，要求提出一個快速的LAN。P245，新書P239 快速以太網(wǎng)的基本思想。,千兆以太網(wǎng),所有配置都是點對點的 以前的以太網(wǎng)稱為經(jīng)典以太網(wǎng),IEEE802.2：邏輯鏈路控制,利用各種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，兩臺機器可以在不可靠的線路上進行

28、可靠的通信。 這些協(xié)議提供了錯誤控制（使用確認）和流控制（使用一個滑動窗口）的能力。 IEEE定義了一個協(xié)議，可以運行在以太網(wǎng)或其他的802協(xié)議之上，這就是LLC。 LLC通過提供一種統(tǒng)一的格式，以及向網(wǎng)絡層提供一個接口，從而隱藏了各種802網(wǎng)絡之間的差異。 此格式、接口和協(xié)議基本上都以HDLC協(xié)議為基礎。 P229P231,新書P244P225,LLC提供三種服務： 不可靠的數(shù)據(jù)報服務 有確認的數(shù)據(jù)報服務 面向連接的可靠服務 LLC頭部包含三個域：目標訪問點、源訪問點、控制域。 對因特網(wǎng)，LLC層不要求確認。,無線局域網(wǎng),有兩種配置：有一個基站，沒有基站 802.11LAN對兩種方案都提供支

29、持 在802.11中，MAC子層確定了信道的分配方式，也就是說，由誰來傳輸數(shù)據(jù)。 802.11標準規(guī)定了在物理層上允許三種傳輸技術：紅外線使用了與電視遙控器相同的技術；其它兩種方法使用了短距離的無線電波，所用到的技術分別稱為FHSS(跳頻擴頻)和DSSS（直接序列擴頻）。 FHSS和DSSS都用到了一部分不需要許可的頻段（2.4GHz ISM頻段）。,所有這些技術都工作在1Mbps或2Mbps的速率上，并且功率非常低，因此一般不會有嚴重的沖突。 1999年，兩種新的技術被引進，以便達到更高的帶寬，即OFDM（正交頻分多路復用）和HR-DSSS（高速率的直接序列擴頻）。工作速率分別達到54Mbp

30、s和11Mbps。 2001年，第二種OFDM調(diào)制技術又被引入進來，它與第一種OFDM調(diào)制技術工作在不同的頻段。 從技術上講，它們都屬于物理層，但與802.11MAC子層更加接近，所以放在這里討論。,802.11協(xié)議棧部分視圖,802.11物理層,紅外線技術使用了0.85或0.95微米波段上的漫射傳輸。 有1Mbps或2Mbps兩種速率。在1Mbps采用灰色編碼，即每4位成一組，每個組被編碼成一個16位的碼字，其中包括15個0和一個1。 FHSS（跳頻擴頻）使用了79個信道，每個信道的寬度為1MHz，從2.4GHz ISM頻段的低端開始往上。使用一個偽隨機數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生跳頻序列。 DSSS（直

31、接序列擴頻）：限制在1Mbps或2Mbps的速率上。編碼方案與CDMA有些相似之處。 其他見新書P247P248,802.11MAC子層協(xié)議,802.11MAC子層協(xié)議與以太網(wǎng)的MAC子層不同，因為與有線環(huán)境相比，無線環(huán)境具有一些內(nèi)在的復雜性。 在以太網(wǎng)中，一個站只要等到以太空閑下來，就可以開始傳輸了。若在前64個字節(jié)以內(nèi)沒有收到送回來的噪聲尖峰的話，則幾乎可以肯定該幀已經(jīng)被正確地遞交了。 在無線環(huán)境中，這樣的條件并不成立。,首先，前面提到的站點隱藏問題不可避免。 再者，站點暴露問題也存在。 大多數(shù)無線電設備都是半雙工的，不能同時既傳輸數(shù)據(jù)，又監(jiān)聽噪聲尖峰。 因此，802.11并沒像以太網(wǎng)那樣

32、采用CSMA/CD。 為了解決這些問題， 802.11支持兩種操作模式。 第一種稱為DCF（分布式協(xié)調(diào)功能），沒有中心控制；第二種稱為PCF（點協(xié)調(diào)功能），用基站來控制單元內(nèi)的所有活動。 所有的802.11實現(xiàn)必須支持DCF，而PCF則是可選的。,DCF,當使用DCF時，802.11使用了CSMA/CA。 用到了物理信道的監(jiān)聽手段和虛擬信道的監(jiān)聽手段。 CSMA/CA支持兩種操作方法。 在第一種方法中，當一個站點想要傳送數(shù)據(jù)的時候，它首先監(jiān)聽信道。若空閑，就開始傳送。在傳送過程中它并不監(jiān)聽信道，而是直接送出整個幀；在接收方，有可能由于干擾而使該幀數(shù)據(jù)被毀壞。 若信道正忙，則發(fā)送方推遲到信道空閑

33、時再傳送。若沖突發(fā)生，則沖突的站等待一段隨機的時間，使用以太網(wǎng)的二元指數(shù)后退算法。,第二種方法是以MACAW為基礎，用到了虛擬信道監(jiān)聽方法，新書P250 與有線網(wǎng)絡相反，無線網(wǎng)絡是有噪聲的，也是不可靠的，不要許可的頻段也為其他電器所用，這會干擾無線網(wǎng)絡。因此，一幀被成功傳送的概率隨著幀長的增加而減少。 若一幀中任何一位發(fā)生錯誤的概率為p,則n位長度幀被完整正確接收的概率是（1-p）n。 為了解決噪聲信道的問題，802.11允許所傳輸?shù)膸环殖尚〉乃槠科凶约旱男ｒ灪汀?PCF,以上所討論的模式?jīng)]有中心控制，所有的站都在競爭時間，就好像以太網(wǎng)中的站所做的那樣。 在PCF這種模式中，基站對其他

34、的站進行表決，問它們是否要發(fā)送幀。 傳送順序完全由基站控制，不會發(fā)生沖突。 標準中規(guī)定了表決機制，但沒有規(guī)定表決頻率、表決順序等。 基本機制：讓基站周期性地廣播一個信標幀，包含了系統(tǒng)參數(shù)，比如調(diào)頻和停延時間、時鐘同步等。新書P251,在一個單元內(nèi)，PCF和DCF可以共存，802.11提供一種辦法可以做到這一點。它是通過小心地定義幀間的時間間隔來做到的。 當一幀被發(fā)送出去以后，對于任意一個站，必須等待一段特定長度的死時間之后，它才可以發(fā)送幀數(shù)據(jù)。 總共有4種不同的時間間隔定義，每一種都有特殊的用途。新書P251 SIFS，短幀間間隔 PIFS，PCF幀間間隔 DIFS，DCF幀間間隔 EIFS，

35、擴展幀間間隔,SIFS,最短的時間間隔 用途：允許一個對話的各個部分有機會首先被發(fā)送。 包括：讓接收方發(fā)送一個CTS來響應一個RTS；讓接收方發(fā)送一個ACK作為對一個分片的確認，或者對一個完整數(shù)據(jù)幀的確認；讓一個分片串的發(fā)送方傳輸下一個分片，而無需再發(fā)送一個RTS。 在一個SIFS間隔之后，總是恰好只有一個站會得到發(fā)送應答的授權。若它未能利用它的機會，則經(jīng)過一段時間會到達 PIFS時間點。,PIFS,在PIFS時間點，基站可能會發(fā)送一個信標幀，或一個表決幀。 這種機制使得一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀或者分片序列的站可以在無人妨礙的情況下完成該幀的發(fā)送任務，但是，當前面的發(fā)送方已經(jīng)完成了發(fā)送任務時，基站無

36、需跟饑渴的用戶競爭就有機會獲得信道。,DIFS,若基站不想有任何動作，則會到達DIFS時間點，任何一個站都可能試圖獲得信道以便發(fā)送一個幀。 常用的競爭規(guī)則在這里仍然適用，若發(fā)生沖突，則可能需要用到二元指數(shù)后退算法。,EIFS,被用來報告壞幀，只有剛剛接收到壞幀或未知幀的站才會使用這個間隔。 優(yōu)先級最低 由于接收方可能不知道接下去怎么辦，所以它應該實實在在地等待一段時間，以避免干擾兩個站之間的一個正在進行的對話。,802.11中的幀間間隔,802.11幀結構,802.11標準定義了三種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、控制幀、管理幀。 每一種幀都有一個頭，該頭部包含了各種用于MAC子層的域。 還有一些頭是由物理

37、層使用的，但絕大多數(shù)被用來處理所涉及到的調(diào)制技術。,幀控制域：有11個子域，依次是：協(xié)議版本，類型域（數(shù)據(jù)幀、控制幀、管理幀），子類型域（RTS,CTS）等。 TO DS和FROM DS域表明了該幀是發(fā)送到或來自于跨單元的分布系統(tǒng)。 MF域意味著后面有更多分片。 Retry域表明是以前發(fā)送的某一幀的重傳。 電源管理域由基站使用。 MORE域表明有更多的幀要發(fā)送給接收方。 W域表明幀體已加密。 O域指示接收方要按順序處理。,持續(xù)時間（Duration）域提供如下信息：該幀和它的確認幀將會占用信道多長時間。 序列號（Sequence）域使得分片可以被編號。 管理幀的格式與數(shù)據(jù)幀的格式非常相似，唯一

38、不同的是，管理幀少了一個基站地址，因為管理幀被嚴格限定在一個單元中。 控制幀也要短一些，它只有一個或兩個地址，沒有DATA域， Sequence域。 對于控制幀，關鍵的信息在于subtype域，通常為RTS、CTS、ACK。,服務,802.11標準聲明了每個符合標準的無線LAN必須提供9中服務。 這些服務分成兩類：5種分發(fā)服務，4種站服務 分發(fā)服務涉及到對單元的成員關系的管理，并且會影響到單元之外的站。 站服務只與單元內(nèi)部的活動有關系。,分發(fā)服務,由基站提供，處理站的移動性：當移動站進入單元時，通過這些服務與基站關聯(lián)；當移動站離開單元時，通過這些服務與基站斷開聯(lián)系。 5種分發(fā)服務：關聯(lián)：移動站

39、利用該服務連到基站上。 分離：一個站在離開或關閉之前，應該先使用該服務。 重新關聯(lián)：利用這項服務可改變首選基站。 分發(fā)：決定如何路由那些發(fā)送給基站的幀。 融合：可以將802.11格式的幀翻譯成目標網(wǎng)絡所要求的幀格式。,站服務,在單元內(nèi)部進行，當關聯(lián)過程完成后，這些服務才會用到。 認證：P254 解除認證： P254 私密性： P254 數(shù)據(jù)投遞： P254,藍牙的體系結構,藍牙系統(tǒng)的基本單元是一個微微網(wǎng)（piconet），包含一個主節(jié)點，以及10米距離之內(nèi)至多7個活動的從節(jié)點。 在微微網(wǎng)中，除了7個活動的從節(jié)點外，還可以有多達255個靜觀節(jié)點。 靜觀節(jié)點：主節(jié)點已經(jīng)將它們切換到一種低功耗狀態(tài)，

40、以便降低它們的電源消耗。 在活動狀態(tài)和靜觀狀態(tài)之間，還有兩種中間電源狀態(tài)：限制，監(jiān)聽。 微微網(wǎng)是一個中心化的TDM系統(tǒng)，主節(jié)點控制了時鐘，它決定了每個時槽中哪個設備可以通信。,藍牙應用,藍牙V1.1規(guī)范列出了13種需要支持的專門應用。并為每種應用提供不同的協(xié)議棧。這些應用也被稱作應用輪廓。新書P262,藍牙協(xié)議棧,經(jīng)過802委員會修改后的藍牙基本協(xié)議結構：,物理無線電層處于最低層，很好地對應了OSI和802模型中的物理層，處理與無線電傳送和調(diào)制有關的問題 基帶層有點類似育MAC子層，但也包含了物理層的要素 涉及到主節(jié)點如何控制時槽，以及這些時槽如何組織成幀,鏈路管理器負責在設備之間建立邏輯信道

41、，包括電源管理、認證、服務質(zhì)量。 邏輯鏈路控制協(xié)議（L2CAP）為上面各層屏蔽了傳輸細節(jié)。類似于標準的802LLC子層。 音頻協(xié)議處理與音頻相關的事宜。 控制協(xié)議處理與控制相關的事宜。,中間件層由不同的協(xié)議混合而成的。 為了與802的其他網(wǎng)絡保持兼容，IEEE將802LLC插在這里。 Rfcomm（射頻通信）：指模擬PC上用于連接鍵盤、鼠標、調(diào)制解調(diào)器，以及其他設備的標準串口通信。 電話協(xié)議：是一個實時協(xié)議，用于三種面向話音的輪廓。 服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議：可用來找到網(wǎng)絡內(nèi)的服務。,最上面是應用和輪廓所在的地方。 利用底層的協(xié)議來完成任務。 每個應用都有它自己的專用協(xié)議子集。,藍牙技術,用于將計算和通信

42、設備或附件通過短距離的、低功耗的、低成本的無線電波相互連接起來。 最初的想法只是要去掉設備之間的電纜，但后來擴大了范圍，開始侵入到無線LAN的領地，造成與802.11的競爭。 1999年7月，藍牙SIG發(fā)布了一份1500頁的 規(guī)范。不久，正在考慮無線個人域網(wǎng)絡（PAN)的IEEE標準組802.15采納了藍牙的文檔作為它的基礎，并對它進行修訂。 藍牙規(guī)范是針對整個系統(tǒng)的，從物理層到應用層，面面俱到。 IEEE802.15委員會僅僅對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進行了標準化。,藍牙無線電層,將位信息從主節(jié)點移動到從節(jié)點，或反過來。 是一個低功率的系統(tǒng)，距離范圍為10米，運行在2.4GHz ISM頻段上。該頻

43、段被分成79個信道，每個1MHz。 采用頻移調(diào)制方案，每Hz一位，所以總數(shù)據(jù)率為1Mbps。,藍牙基帶層,是藍牙標準中最接近MAC子層的地方。 將原始的位流轉變?yōu)閹?，并定義了一些關鍵的格式。P265 每一幀都在一個邏輯信道上進行傳輸，該邏輯信道位于主節(jié)點與某個從節(jié)點之間，稱為鏈路。 藍牙標準中共有兩種鏈路：ACL，SCO,ACL（異步無連接鏈路）,用于那些無時間規(guī)律的分組交換數(shù)據(jù)。 在發(fā)送方，這些數(shù)據(jù)來自于L2CAP層；在接收方，這些數(shù)據(jù)被遞交給L2CAP層。 ACL流量的投遞模型為盡力而為投遞型，沒有任何保證。 對于一個從節(jié)點，它與主節(jié)點之間只可以有一條ACL鏈路。,SCO（面向連接的同步鏈

44、路）,主要用于實時數(shù)據(jù)，比如電話連接。 這種信道是在每個方向中的固定時槽中分配的。 由于SCO鏈路的實時性本質(zhì)，在這種鏈路上發(fā)送的幀永遠不會被重傳。 通過前向糾錯機制可以提供高的可靠性。,藍牙L2CAP層,三個主要功能： 第一，它接受來自上面各層的分組，分組可以達到64KB大小，并且L2CAP層將這些分組打碎到幀中，以便于傳輸。在遠端，這些被打碎的幀又被重組到分組中。 第二，L2CAP層處理多個分組源的多路復用和解復用。 第三， L2CAP層處理與服務質(zhì)量有關的需求。,藍牙的幀結構,幀格式有幾種，最重要的如下圖所示：,訪問碼（Access code）：標識了主節(jié)點。當從節(jié)點位于兩個主節(jié)點的無線

45、電覆蓋范圍內(nèi)時，利用這個來區(qū)分主節(jié)點。 頭（header)：包含了典型的MAC子層的域。 數(shù)據(jù)域：對5時槽的傳輸，最多可達2744位，對一個單時槽的幀，除了數(shù)據(jù)域為240位外，格式的其他方面都相同。,頭（header）中的內(nèi)容,Addr域標識了該幀的接收目標是8個活動設備中的那一個。 Type域標識了幀的類型（ACL、SCO、表決、空），數(shù)據(jù)域中所使用的糾錯類型，以及該幀有多少個時槽長度。 F(Flow,流)位是由從節(jié)點使用的，當它的緩沖區(qū)滿了因而不能再接收任何數(shù)據(jù)的時候，從節(jié)點會利用F位來聲明這個事實。 A(確認)位被用來在一幀中捎帶一個ACK。 S（序列）位被用于幀的編號，以便檢測重傳幀。

46、 CHECKSUM：頭部校驗和。 18位的頭部重復3次，在接收方，通過一個簡單的電路可以檢測每一位的三份副本。,數(shù)據(jù)鏈路層交換,網(wǎng)橋：連接多個LAN，運行在數(shù)據(jù)鏈路層上，通過查看數(shù)據(jù)鏈路層的地址來完成幀轉發(fā)的任務。 路由器：工作在網(wǎng)絡層，檢查分組中的地址，據(jù)此進行路由。 交換式以太網(wǎng)等現(xiàn)代技術的出現(xiàn)，使得兩者的界限模糊。,網(wǎng)橋的應用,適合使用網(wǎng)橋的常見情形： 第一，許多大學和公司的部門都有自己的LAN，各個LAN存在差異。需要網(wǎng)橋溝通。 第二，一個組織可能分布在幾個大樓，這些樓之間有一定的距離。 第三，有時候可能有必要將一個邏輯上的單個LAN分成多個獨立的LAN以便適應網(wǎng)絡的載荷。 第四，物理

47、距離太長，例如，超過了以太網(wǎng)限制的2.5公里。 第五，存在可靠性問題。 網(wǎng)橋可提升一個組織的安全性。 網(wǎng)橋與中繼器的區(qū)別：新書P269 網(wǎng)橋是透明的，這意味著移動機器跨越網(wǎng)橋，不需要改變?nèi)魏斡布④浖团渲帽怼?新書P267269,從802.X到802.Y的網(wǎng)橋,將一幀從一個LAN傳送到另一個LAN 碰到的困難： 第一，每一種LAN的幀格式存在差別。新書P270 第二，數(shù)據(jù)速率存在差別。 第三，對最大幀長度的限制存在差別。 第四，安全問題 第五，服務質(zhì)量,本地的網(wǎng)絡互連,對一個進入的幀，在網(wǎng)橋中的路由過程取決于它在哪個LAN上到達（源LAN），以及它的目標地址在哪個LAN上（目的LAN）。過程如下： （1）若目標LAN和源LAN相同，則丟棄該幀； （2）若目標LAN和源LAN不相同，則轉發(fā)該幀； （3）若目標LAN未知，則使用擴散法。,生成樹網(wǎng)橋,遠程網(wǎng)橋,中繼器,在最底層，即物理層， 是模擬設備，用于連接兩根電纜段。 在一段上的信號被放大后放到另一段上。 它不理解幀、分組和頭的概念，只理解電壓值。,集線器,將許多條