第四章 介质访问控制子层 WAN：point-to-point channel no need MAC

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1 第四章 介质访问控制子层 WAN：point-to-point channel no need MAC
(except for satellite channel) LAN： broadcast channel(shared channel) need MAC(sublayer of DLL) Switched LAN：no need MAC protocol 第四章 介质访问控制子层

2 平时所说的LAN，一般指下三层不同：物理层、数据链路层和网络层，主要是下两层不同。我们指的以太网、令牌环网和FDDI，即指的是下两层协议。
LAN 协议层次与 OSI 的比较 第四章 介质访问控制子层

3 4.1 信道分配策略 静态分配 FDM TDM 均不能解决通信的突发性，所以必须使用信道的动态分配。 第四章 介质访问控制子层

4 信道动态分配的5个关键性假定： 1站模型。 2单通道假设。 3冲突假设。 4连续时间和时隙 5载波侦听和非载波侦听 第四章 介质访问控制子层

5 4.2 多路访问协议 4.2.1 ALOHA协议 4.2.2 载波侦听多路访问协议 纯ALOHA 分槽ALOHA 1坚持CSMA
4.2 多路访问协议 4.2.1 ALOHA协议 纯ALOHA 分槽ALOHA 载波侦听多路访问协议 1坚持CSMA 非坚持CSMA p坚持CSMA 第四章 介质访问控制子层

6 4.2.1 ALOHA协议 ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。 ALOHA协议分为 纯ALOHA 分槽ALOHA 基本思想 适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统 不进行载波侦听 第四章 介质访问控制子层

7 ALOHA协议(2) 纯ALOHA 分槽ALOHA 无需全局时间同步 信道的最大利用率：18%（1/2e） Roberts（ 1972年）
Norman Abramson 无需全局时间同步 信道的最大利用率：18%（1/2e） 分槽ALOHA Roberts（ 1972年） 需要全局时间同步 信道的最大利用率：36%（1/e） 第四章 介质访问控制子层

8 4.2.2 载波侦听多路访问协议 在ALOHA协议中，各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据，这样当然会引起许多冲突。由于在局域网中，一个站点可以检测到其它站点在干什么，从而可以相应地调整自己的动作，这样的协议可以大大提高信道的利用率。 对于站点在发送数据前进行载波侦听，然后再采取相应动作的协议，人们称其为载波侦听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议。 第四章 介质访问控制子层

9 CSMA（载波监听多路访问） 1. 主要思想 2. 缺点 一个站要发送，监听总线是否空闲 若空闲，则发送 若忙，则等待一定间隔后重试
没有检测冲突的能力 降低总线利用率 第四章 介质访问控制子层

10 c) P—坚持CSMA CSMA分类 介质空闲则发送；介质忙则等待一段随机时间、重 复CSMA 介质空闲则发送；
b) 1—坚持CSMA 介质空闲则发送； 介质忙，继续监听直到介质空闲，立即发送 c) P—坚持CSMA 1)若介质空闲，以P的概率发送，1－P概率延迟1个 时间单位 2)若介质忙，继续监听直到介质空闲，重复第1步 若发送延迟1个时间单位，则重复第1步 第四章 介质访问控制子层

11 CSMA/CD(冲突检测) 某站点想要发送数据，它首先侦听信道，如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；如果信道忙，根据不同的CSMA协议或等待一段时间，或继续侦听信道，直到信道变为空闲，发送数据并进行冲突检测。如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据并等待一随机长的时间，重复侦听信道。 以太网和IEEE802.3就是使用有冲突检测的CSMA。 第四章 介质访问控制子层

12 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）
检测冲突能力； 若检测到冲突，立即停止发送，向总线发阻塞信号。 2. 以太网 IEEE 802.3：1-坚持CSMA/CD的整个家族； 802.3的特定实现叫做以太网。 第四章 介质访问控制子层

13 冲突检测时间 第四章 介质访问控制子层

14 4.3 Ethernet/IEEE 802.3 以太网发展历史 University of Hawaii 的ALOHA 网络
Xerox 的 2.94M 以太网（1973） Xerox, DEC and Intel 的 10M 以太网（DIX 标准）（1980 Ver1；1982 Ver2 ） IEEE 标准 （1985） IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（1995） IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准（1998） IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（1999） 10Gbps Ethernet标准（2001年？） 第四章 介质访问控制子层

15 IEEE 802系列标准 1. 802.1A：体系结构 2. 802.1B：寻址、网间互连、网络管理
： 逻辑链路控制 LLC 协议 ： CSMA/CD 访问控制方法和物理层技术规范 ： 令牌总线访问控制方法和物理层技术规范 ： 令牌环访问控制方法和物理层技术规范 ： 都市网访问控制方法和物理层技术规范 ： FDDI 访问控制方法和物理层技术规范 ： 时间槽访问控制方法和物理层技术规范 第四章 介质访问控制子层

16 802.2 802.3 802.4 802.5 802.6 802.1 逻辑链路控制 介质访问控制 各标准相互关系 第四章 介质访问控制子层

17 CSMA/CD协议工作过程 某站点想要发送数据，必须首先侦听信道； 如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；
如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，发送数据并进行冲突检测。 如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据并等待一随机长的时间，重复上述过程。 第四章 介质访问控制子层

18 相关参数 Ti = r *冲突时间片 冲突时间片(检测窗口) 二进制指数回退算法 以太网帧的最小帧长度
Contention Time(Slot) = 2* 电缆传播延迟 二进制指数回退算法 该回退算法是用来确定第k次碰撞后等待多长时间（Ti）再进行第i+1次尝试： Ti = r *冲突时间片 其中：r = random（0 ~ 2i-1） 以太网帧的最小帧长度 对于10Mbps的以太网，冲突时间片为51.2µs (两个站点的最大距离为2500m所带来的延迟外加上4个Repeater的延迟) 相当于64Bytes的发送时间 第四章 介质访问控制子层

19 最小帧长度、冲突时间片的关系 最小帧大小M（64字节－不含前导与起始符） 网段最大长度L 间隔（Slot）时间T
（间隔时间 = 发送最小帧的时间 = 最大往返时间） －－>网段最大长度 第四章 介质访问控制子层

20 最小帧长度 电缆长度为1000米，数据传输率为100Mbps的，信号在电缆上的传播速度为200,000km/s，问帧的最小长度为多少？
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21 IEEE802.3的分类 第四章 介质访问控制子层

22 曼彻斯特编码 第四章 介质访问控制子层

23 IEEE802.3的组成示意图 第四章 介质访问控制子层

24 以太网地址 以太帧格式 以太网中每台主机拥有一个全球唯一的以太网地址。 以太网地址由IEEE统一管理。
每个网卡的地址信息包括：产家编号、网卡编号。 以太帧格式 长度：64~1518字节。 0~7B： 前导；（不包括在帧长度内） 8~13B：目的MAC地址； 14~19B：源MAC地址； 20~21B： 类型/长度； 数据： 46~1500B； CRC： 4B。 第四章 介质访问控制子层

25 以太网及802.3的帧格式 第四章 介质访问控制子层

26 802.3帧格式(续) Preamble(前导符)： 7个Bytes的10101010 起始符：10101011 目的地址：6字节
该字段的曼彻斯特编码会产生10MHz，持续时间为 5.6s，以便接收方和发送的时钟进行同步。 起始符： 标志着一帧的开始。 目的地址：6字节 Unicast Address： 最高位为0 Multicast Address： 最高为为1 Broadcast Address： 全 1 源地址： 6字节 第四章 介质访问控制子层

27 802.3帧格式(续) Length(长度)：2字节 Data(用户数据)：0～1500 Bytes
PAD(填充字段)：0～46 Bytes 保证冲突在数据发送期间可以检测到； 随着网络速度的提高，必须相应地增大最小帧长度或是缩小电缆最大长度。 CRC校验码： 32位 生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16 +X11+X10 +X8+X7 +X5+X4+X2+X+1。 校验范围为：目的地址、源地址、长度、数据和PAD。 第四章 介质访问控制子层

28 用集线器连网 集线器 第四章 介质访问控制子层

29 LAN交换机 交换机类似于高速公路的立交桥 第四章 介质访问控制子层

30 100Mbps以太网 IEEE802.12，即100VG-AnyLAN： IEEE802.3u：快速以太网 使用请求优先级介质访问控制策略
适合于多媒体信息的传输 与10Base以太网不兼容 IEEE802.3u：快速以太网 保留10Base以太网的CSMA/CD协议及帧格式 物理层嫁接了ANSI的FDDI物理层协议标准 100Base-TX/100Base-FX 100Mbps的数据传输率，其波特率为125M(4B/5B编码) 为了兼容原先10兆以太网的布线，又设计了在3类UTP传输的100BASE-T4物理层协议 第四章 介质访问控制子层

31 快速以太网三种物理层标准 第四章 介质访问控制子层

32 Fast Ethernet 组成示意图 第四章 介质访问控制子层

33 4.3 Token-Ring/IEEE802.5 第四章 介质访问控制子层

34 Token-Ring工作原理 在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转； 如果某站点要发送数据 ①等待令牌的到来； ②抓住令牌并破坏掉；
③站点往环中发送数据； ④发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走； ⑤重新产生令牌 第四章 介质访问控制子层

35 Token-Ring的物理参数 站点引入的1比特延迟 1比特的发送时间 1比特延迟的等效物理长度 第四章 介质访问控制子层

36 令牌环MAC帧格式 第四章 介质访问控制子层

37 令牌环MAC帧格式 SD(Start Delimiter)：含无效的差分曼彻斯特编码
AC(Access Control)：P P P T M R R R T=0：Token；T=1：Information PPP：数据或令牌的优先级 RRR：预约优先级 FC(Frame Control)：数据帧/控制帧标识 DA，SA：源地址、目的地址 Data：数据字段的长度由THT(Token Hold Timer) 确定，THT一般为10ms FCS(Frame Check Sequence)：CRC校验 ED(End Delimiter)：含无效的差分曼彻斯特编码 FS(Frame Status)：A，C进行捎带应答 第四章 介质访问控制子层

38 环的维护 监控站(Monitor)的功能： 监控站的产生－－Claim过程 Beacon过程(full-of-key problem)：
保证Token不丢失－－TTRT 当环断开时采取行动－－启动Beacon过程 清除无主帧－－AC字段中的Monitor位； 保证环能容纳一个完整的Token; 监控站的产生－－Claim过程 Beacon过程(full-of-key problem)： 某站发现其邻近站似乎失效时，便发出一个Beacon帧； 当站点接收到其上游邻居发来的Beacon帧，则停止发送自己的Beacon帧，而是转发接收到的Beacon帧； 最后环中只出现某个站点发出的Beacon帧。 第四章 介质访问控制子层

39 环网的基本特点 环网每个接口必须引入1比特延迟 1-比特的等效物理长度 环网的环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环上旋转
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40 802.5的性能特点 优点 缺点 解决办法 环网本质上不是真正的广播介质，而是单个点到点线路的集合； 环网几乎全部采用数字化技术；
重负载时，相当于轮转法(Round-Robin)； 环网是公平的，结点访问信道的时间有一个确定的上限； 支持优先级操作 缺点 存在单点失效问题 环网的管理和维护比较复杂 解决办法 星型环/ FDDI的双环 第四章 介质访问控制子层

41 星型环 第四章 介质访问控制子层

42 4.4 网桥 网桥工作于数据链路层，所以它应包以下的功能：流控、差错处理、寻址、介质访问等。
网桥只理解数据链路层的帧头，上层协议对网桥是透明的，所以它可实现上层不同网络层协议的转发。 网桥根据数据链路层帧头工作，所以很容易加入一些智能处理。如过滤掉（不转发）特定节点的帧；根据帧头中包含的高层参考（如Ethernet头中的type），选择过滤特定的上层报文等。 第四章 介质访问控制子层

43 在物理层实现网段间互连，放大衰减的电气信号，扩大网络覆盖范围。
网络互连设备 Repeater（中继器） 在物理层实现网段间互连，放大衰减的电气信号，扩大网络覆盖范围。 缺点：相连网段形成一个冲突域。 Bridge（网桥） 在数据链路层实现网段间互连，转发MAC帧。 优点：隔离冲突域，过滤残破帧，提高网段间的并发性，从而提高网络性能。可增加智能处理。 缺点：增加了网络延时。相连网段形成一个广播域，一般无法防止广播风暴。 第四章 介质访问控制子层

44 Router（路由器） Gateway（网关） 网络互连设备 在网络层实现网间互连，转发网络层报文。
根据路由协议决定的路径转发网络层报文，隔离广播域，防止广播风暴。 Gateway（网关） 在传输层及传输层之上实现网间互连。针对高层应用之间的不同，转换相应消息格式。 第四章 介质访问控制子层

45 网桥的优点 ①不经过网桥的访问之间不冲突，提高了网络中的并发性，从而提高了网络性能； ②网桥可加入防火墙的功能，保护特定网络不受破坏；
③增大单个网络中连网设备的个数，（增大规模） ④增大了连网距离（扩大范围） 第四章 介质访问控制子层

46 网桥的类型 根据工作原理不同可分为： 透明网桥 源路由网桥 转译网桥 源路由透明网桥技术 第四章 介质访问控制子层

47 透明网桥 由DEC公司针对以太网提出的桥接技术，IEEE定义为802.1标准。其基本思想：网桥自动学习每个端口所接网段的机器地址（MAC地址），形成一个地址映象表，网桥每次转发帧时，先查地址映象表，如查到则向相应端口转发，如查不到，则向除接收端口之外的所有端口转发（flood）。广播与多目广播也采用flood方式。 第四章 介质访问控制子层

48 透明桥 工作原理 逆向学习算法 Spanning Tree(802.1d) 桥接收一帧后的处理过程如下所示：
(1)如果源站点与目的站点所在的LAN相同，则扔掉此帧; (2)如果源站点和目的站点所在的LAN不同，则转发此帧; (3)如果不知道目的站点所在的LAN，则进行扩散。 逆向学习算法 前提是：透明桥必须能够接收与其相连的任一 LAN上传送的帧； 学习(填表)－忘记－重新学习 Spanning Tree(802.1d) 用生成树来解决在帧扩散中所产生的广播风暴 第四章 介质访问控制子层

49 举例 第四章 介质访问控制子层

50 广播风暴 第四章 介质访问控制子层

51 源路由网桥（Source-Route Bridge）
SRB是由IBM公司针对其802.5令牌环网提出的一种网桥技术，属于IEEE802.5的一部分。其思想是在发送方知道目的机的位置，并将路径中间所经过的网桥地址包含在帧头中发出，路径中的网桥依照帧头中的下一站网桥地址一一转发，直到到达目的地。 第四章 介质访问控制子层

52 支持SRB的802.5帧格式 RII (Route Information Indicator)，源地址的最高位，1指明后面含有RIF域。
RIF (Route Information Field)： Type — 指示该报文是给单一站点，一组站点或所有站点。如果不是单一站点，则使用生成树方式实现广播； Length — 指明RIF的整个字节长度； D — 指明帧的方向（向前、向后）； Largest — 指明该路径允许的最大帧长度； Route Descriptor — 一对“环号（LAN号）－网桥号” 第四章 介质访问控制子层

53 混合介质网桥 转译网桥（Translational Bridge） 90年代IBM公司针对转译网桥的弱点，提出了源路由透明网桥技术（SRT）
在80年代中期提出，但未为国际标准，所以各厂家的实现不能保证互操作性。 90年代IBM公司针对转译网桥的弱点，提出了源路由透明网桥技术（SRT） 第四章 介质访问控制子层

54 4.5FDDI网络 FDDI(Fiber Distributed Data Interface) 数据传输率：100Mbps
MAC控制：Token Passing 拓扑结构：双环 第四章 介质访问控制子层

55 FDDI拓扑结构 第四章 介质访问控制子层

56 FDDI体系结构 第四章 介质访问控制子层

57 FDDI的特点 优点： 缺点： 使用基于802.5令牌环传递MAC协议 使用802.2LLC协议，与802LAN兼容
可使用多模光纤或单模光纤作为传输媒体 覆盖范围比较大 使用双环拓扑确保网络具有容错能力 具有动态分配带宽的能力，能同时支持同步和异步数据服务 缺点： 价格比较昂贵 管理和维护复杂 第四章 介质访问控制子层

58 FDDI与802.3、802.5的比较 第四章 介质访问控制子层