第8章局域网技术及网络拓扑 基于共享的网络 基本的网络拓扑结构流行的局域网技术 直接的点对点通信 利用远距离通信的方式实现本地网络通信优点缺点 共享通信信道 多台计算机共享通信介质的网络被用于本地通信,而点对点连接则用于远距离网络和其他的少数特定情况 局域网的技术特点(续) 1、局域网的拓扑结构 拓扑结构是区分局域网类型和特性的一个很重要的因素.不同拓朴形式的局域网中所采用的信号技术、信道接入技术以及所能达到的网络性能,会有很大的差别.因此,在不同应用领域中,熟悉局部网的拓扑特点是选型抉择的重要环节,也是设计与分析局域网的前提.局域网拓扑结构总的特点是:极其简单.用得最多的拓朴形式主要有三种:总线形、环形和星形. 网络的拓扑结构(续) 网络的拓扑结构(续) 一、线形拓扑总线形网络的拓扑结构简单和易于扩充是最突出特点.整个网络的通信信道只是一根电缆或是或光缆,或是同频工作的无线电波辐射;当需要增加节点时,只需在总线上增加一个分支接头,或多设置一个同频电台即可进网.但应看到,由于所有网络业务都归入到一条公共信道的频带中,必然要求信道频带很宽,可实现的数据速率很高.因此,总线的长度和网络覆盖范围必然受到限制.这种网络构型一般用于局部区域网络. 网络的拓扑结构(续) 二、环形拓扑网络各节点由逐段链路连接成环状构型,构成闭环(Ring)公共信道.环路上的数据流必须单向流动(除非是用复式链路构成双环),每个环接口部件必须保障对数据流的单向转发.任一节点发送的数据都将串行地穿过每个环接口,两节点间的链路连接,是数据的唯一通路.环路的健壮性成为影响网络可靠性的重要因素,而且导致环形网络的工作模式具有许多独特之处. 网络的拓扑结构(续) 三、星形拓扑星形是树形的特例,可近似地归为同一类,要求有一个中心(或根)节点,而且也是通信子网中唯一的转接节点.所有端节点都有各自的专用线路接入中心节点,形成辐射形网络构型.拓扑本身的中心化特征就决定了这种构型的网络控制往往是集中式的,整个网络的工作往往受它的集中控制.星形网络也具有结构简单,易于建网,易于管理等,但网络通信成本高、通信资源利用率低.中心节点的故障会直接造成整个网络的瘫痪. 局域网的技术特点(续) 2、局域网的传输介质适用于局域网的介质种类比较多,例如:双绞线,同轴电缆,光缆,以及地面无线电信道等,其中主要是有线信道. 很低中-中-高 低中-中+高100米—2公里1—2公里1—10几公里几公里 1—10010—2050—30010—几千 低中中高 双绞线基带同轴电缆宽带同轴电缆光 缆 费用 连接复杂度 最大传输距离 最高数据速率(Mbps) 信噪比等级 介质种类 局域网的技术特点(续) 3、局域网的信道接入控制信道接入控制(Medium-Access Control),包含了两方面的技术:(1)根据进网业务的不同特征,自动地确定网络中每个节点(工作站)能够将数据单元发送到信道上去的特定时刻;(2)根据信道中的业务流量情况,自动和恰当地控制对信道资源的利用."接入"之意是指"取得对信道的占有权".局域网中获得应用的信道接入控制方式可归纳为如下三大类:(1) 固定接入类;(2) 集中控制接入类;(3) 分布控制接入类. 局域网的IEEE802标准 1、IEEE802标准系列IEEE802的LAN标准遵循OSI参考模型的原则,根据局域望的技术特点,有针对性地描述了它的物理层和数据链路层的功能以及与更高层的接口服务等.如下图所示. 局域网的IEEE802标准(续) 我们从它的标准系列图可以看出IEEE802的LAN模型的重要特点,如下图所示: 以太网的历史与现状 历史现状 以太网传输与曼彻斯特编码 以太网曼彻斯特编码图示.从正电压到 零的变化编 码成0值,从零到正电压的变化编码成1值 以太网上的共享 以太网是多台计算机共享一个传输介质的总线网络.当一台计算机向另一台计算机传输一个帧时,其他计算机必须等待. ALOHA技术 CSMA技术源于ALOHA技术——一条公共的广播信道由所有网络节点完全随机地使用,哪一个节点都可随意地发送,而不管其它节点和信道的状况.所以ALOHA是完全随机、分布控制的介质接入方法. ALOHA技术(续) "完全随机发送"是P-ALOHA, "按时隙约束发送"是S-ALOHA.它们的吞吐性能如下图: 1/2e 1/e CSMA技术 ALOHA这种控制策略存在严重的盲目性.因此,即使是稍有改进的时隙ALOHA,其最大吞吐率也只能达到约0.368.若要进一步提高系统吞吐率,还应进一步设法减少节点间的发送冲突的概率.为了减少发送策略的盲目性,可以在发送之前进行"载波监测"来确定信道忙闲状态然后再决定帧发送与否.这就是所谓的CSMA(载波监测多址接入)方法. CSMA技术(续) 一、CSMA原理任一个网络节点在它有帧欲发送之前,先监测一下广播信道中是否存在别个节点正在发送帧的载波信号.如果监测到这种信号,说明信道正忙,否则信道是空闲的.然后,根据预定的控制策略来决定:(1)若测得信道是闲的,应该立即将自已的帧发送出去还是为慎重起见暂时不发送出去; (2)若测得信道是忙的,应该继续坚持监测载波还是暂时退避一段时间再监测.针对这两种情况的不同处理决策,CSMA可细分为不同的几种实现形式:(1)非坚持型CSMA;(2)1-坚持型CSMA;(3)p-坚持型CSMA. CSMA技术(续) 1、非坚持型CSMA控制算法描述: 第0步: 新帧进入缓冲器,等待发送;第1步: 监测信道. 若信道空闲,启动发送帧,发完返回第0步; 否则若信道忙碌,放弃监测,选择,开始延时; 第2步: 延时结束,转至第1步. CSMA技术(续) 2、1-坚持型CSMA控制算法描述如下:第0步:新帧进入缓冲器,等待发送;第1步:监测信道. 若信道空闲,启动发送帧,发完返回第0步; 否则若信道忙碌,继续;第2步:转至第1步. CSMA技术(续) 3、p-坚持型CSMA 控制算法描述如下:第0步: 新帧进入缓冲器,等待发送;第1步: 监测信道. 若信道不空闲,继续监测,转至第1步;否则若信道空闲,在[0,1]区间选择一个随机数r若r≤p,启动发送帧,发完返回第0步; 否则,开始延时aτ秒,暂停监测信道;第2步: 延时结束,转至第1步. CSMA技术(续) 二、CSMA/CD方式(以太网采用的MAC技术) CSMA/CD是1-坚持型CSMA方式的一种改进型式.它的控制规则增加了如下三个重要措施:(1)"边说边听"(LWT)——任一发送站在发送数据帧期间要保持侦听信道的碰撞情况.一旦检测到碰撞发生, 应立即中止发送, 不管现发的这一帧是否发完.(2)"强化干扰"(Jamming)发送站在检测到碰撞并停止发送后, 立即改为发送一小段"强化干扰"信号, 以加强碰撞检测效果.(3)"基本等待时间"(BWT)——任一发送站若能完整地发完一个帧, 则停顿一个BWT(BWT=2tpmax)并倾听信道情况.若在此期间未发生碰撞, 则可确认该帧已发送成功.此时间区间又称为"碰撞检测窗口". 二进制指数退避算法 发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据.确定基本退避时间,一般是取为争用期 2?.定义重传次数 k ,k ? 10,即k=Min[重传次数, 10]从整数集合[0,1,…, (2k ?1)]中随机地取出一个数,记为 r.重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间.当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告. 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection."多点接入"表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上."载波监听"是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞. 总线上并没有什么"载波".因此, "载波监听"就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号. 碰撞检测 "碰撞检测"就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小.当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加).当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞.所谓"碰撞"就是发生了冲突.因此"碰撞检测"也称为"冲突检测". 检测到碰撞后 在发生碰撞时,总线上传输的信号产生了严重的失真,无法从中恢复出有用的信息来.每一个正在发送数据的站,一旦发现总线上出现了碰撞,就要立即停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再次发送. 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时,也可能总线并非真正是空闲的. A 向B发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B.B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息),则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞.碰撞的结果是两个帧都变得无用. 1 km A B t 碰撞 t = 2? ? ? A 检测到发生碰撞 t = ? ? ? B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = ? t = 0 单程端到端传播时延记为? 1 km A B t 碰撞 t = ? ? ?B 检测到信道空闲发送数据 t = ? ? ? / 2发生碰撞 t = 2? ? ? A 检测到发生碰撞 t = ? ? ? B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = ? A B A B A B t = 0 A 检测到信道空闲发送数据 A B t = 0 t = ?B 检测到发生碰撞停止发送 STOP t = 2? ? ?A 检测到发生碰撞 STOP A B 单程端到端传播时延记为? 重要特性 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信).每个站在发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性. 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率. 4. 争用期 最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2? (两倍的端到端往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞.以太网的端到端往返时延 2? 称为争用期,或碰撞窗口.经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞. 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据.确定基本退避时间,一般是取为争用期 2?.定义重传次数 k ,k ? 10,即k=Min[重传次数, 10]从整数集合[0,1,…, (2k ?1)]中随机地取出一个数,记为 r.重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间.当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告. 争用期的长度 以太网取 51.2 ?s 为争用期的长度.对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即64 字节.以太网在发送数据时,若前 64 字节没有发生冲突,则后续的数据就不会发生冲突. 最短有效帧长 如果发生冲突,就一定是在发送的前 64 字节之内. 由于一检测到冲突就立即中止发送,这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节. 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节,凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧. 强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时,除了立即停止发送数据外,还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞. 数据帧 干扰信号 ? TJ 人为干扰信号 A B TB t ? B 发送数据 A 检测到冲突 开始冲突 信道占用时间 A 发送数据 B 也能够检测到冲突,并立即停止发送数据帧,接着就发送干扰信号.这里为了简单起见,只画出 A 发送干扰信号的情况. 高速以太网 100BASE-T 以太网 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网.在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议.100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet). 100BASE-T 以太网的特点 可在全双工方式下工作而无冲突发生.因此,不使用 CSMA/CD 协议.MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的.保持最短帧长不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m.帧间时间间隔从原来的 9.6 ?s 改为现在的 0.96 ?s. 三种不同的物理层标准 100BASE-TX使用 2 对UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP. 100BASE-FX 使用 2 对光纤. 100BASE-T4使用 4 对UTP 3 类线或 5 类线. 吉比特以太网 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作.使用 802.3 协议规定的帧格式.在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议(全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议).与10BASE-T 和100BASE-T 技术向后兼容. 吉比特以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层:1000BASE-SX SX表示短波长1000BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线1000BASE-T 使用 4对5类线 UTP 载波延伸(carrier extension) 吉比特以太网在工作在半双工方式时,就必须进行碰撞检测. 由于数据率提高了,因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度,才能使参数 a 保持为较小的数值.吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m,但采用了"载波延伸"的办法,使最短帧长仍为 64 字节(这样可以保持兼容性),同时将争用时间增大为 512 字节. 在短 MAC 帧后面加上载波延伸 凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时,就用一些特殊字符填充在帧的后面,使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节,但这对有效载荷并无影响.接收端在收到以太网的 MAC 帧后,要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付. 目地地址 源地址 数据长度 数据FCS MAC 帧的最小值 = 64 字节 载波延伸 前同步码 加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节 在以太网上实际传输的帧长 分组突发 当很多短帧要发送时,第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充. 随后的一些短帧则可一个接一个地发送,只需留有必要的帧间最小间隔即可.这样就形成可一串分组的突发,直到达到 1500 字节或稍多一些为止. 发送的数据 分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#3 RRR 分组#4 争用期 512 字节 将突发计时器设定为 1500 字节 载波延伸 载波监听 全双工方式 当吉比特以太网工作在全双工方式时(即通信双方可同时进行发送和接收数据),不使用载波延伸和分组突发. 吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路 吉比特交换集线器 百兆比特或吉比特集线器 100 Mb/s 链路 中央服务器 10 吉比特以太网 10 吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和1Gb/s 以太网的帧格式完全相同.10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级.10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体.10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议. 吉比特以太网的物理层 局域网物理层 LAN PHY.局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s.可选的广域网物理层 WAN PHY.广域网物理层具有另一种数据率,这是为了和所谓的"Gb/s"的SONET/SDH(即OC-192/STM-64)相连接.为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中,就要使用可选的广域网物理层,其数据率为 9.95328 Gb/s. 端到端的以太网传输 10 吉比特以太网的出现,以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输.这种工作方式的好处是: 成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜.统一的帧格式简化了操作和管理. 以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进 以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进证明了以太网是:可扩展的(从10 Mb/s 到10 Gb/s).灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换).易于安装.稳健性好. 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组.这些网段具有某些共同的需求.每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN.虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网. 虚拟局域网 虚拟局域网的概念 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 当B1 向VLAN2 工作组内成员发送数据时,工作站 B2 和B3 将会收到广播的信息. 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 B1 发送数据时,工作站 A1, A2 和C1都不会收到 B1 发出的广播信息. 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息(即"广播风暴")而引起性能恶化. 802.11无线局域网和CSMA/CA 无线局域网标准无线局域网应用无线局域网核心技术----CSMA/CA 无线局域网 无线局域网的组成 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS A B 漫游 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站,所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信,但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站. 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 基本服务集中的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似. 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 一个基本服务集可以是孤立的,也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System),然后再接入到另一个基本服务集,构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set). 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网(例如,到有线连接的因特网)的接入.门桥的作用就相当于一个网桥. 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集,而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信. 无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network) 自组网络 A E D C B F 源结点 目的结点 转发结点 转发结点 转发结点 自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络. 移动自组网络的应用前景 在军事领域中,携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信.这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群,以及海上的舰艇群、空中的机群. 当出现自然灾害时,在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的, 802.11 标准中的物理层 1997 年IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分,802.11.在1999年又制订了剩下的两部分,802.11a 和802.11b. 802.11 标准(续) 802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带.可以使用的数据率为 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和56 Mb/s. 802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术,数据率为 5.5 或11 Mb/s. CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议.这里主要有两个原因.CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道,但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大.即使我们能够实现碰撞检测的功能,并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的,在接收端仍然有可能发生碰撞. A 的作用范围 无线局域网的特殊问题 C 的作用范围 A B C D 当A和C检测不到无线信号时,都以为 B 是空闲的,因而都向 B 发送数据,结果发生碰撞. 这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) B 的作用范围 无线局域网的特殊问题 C 的作用范围 A D C B ? B 向A发送数据,而C又想和 D 通信.C 检测到媒体上有信号,于是就不敢向 D 发送数据. 其实 B 向A发送数据并不影响 C 向D发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem) CSMA/CA 协议 无线局域网不能使用 CSMA/CD,而只能使用改进的 CSMA 协议.改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能.802.11 就使用 CSMA/CA 协议.而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制.下面先介绍 802.11 的MAC 层. 802.11 的MAC 层MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据. 802.11 的MAC 层在物理层之上包括两个子层 MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权.因此 DCF 向上提供争用服务. MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 帧间间隔 IFS 所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧.这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space).帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型.高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权,但低优先级帧就必须等待较长的时间.若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了.这样就减少了发生碰撞的机会. 三种帧间间隔 时间 SIFS PIFS DIFS 媒体空闲 发送第 1 帧SIFS PIFS 时间 NAV(媒体忙) DIFS 争用窗口 发送下一 帧 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送 源站 时间 目的站 ACK SIFS 其他站 有帧要发送 SIFS,即短(Short)帧间间隔,长度为 28 ?s,是最短的帧间间隔,用来分隔开属于一次对话的各帧.一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式. 使用 SIFS 的帧类型有:ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧,以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧. 三种帧间间隔 时间 SIFS PIFS DIFS 媒体空闲 发送第 1 帧SIFS PIFS 时间 NAV(媒体忙) DIFS 争用窗口 发送下一 帧 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送 源站 时间 目的站 ACK SIFS 其他站 有帧要发送 PIFS,即点协调功能帧间间隔(比SIFS 长),是为了在开始使用 PCF 方式时(在PCF 方式下使用,没有争用)优先获得接入到媒体中.PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度(其长度为 50 ?s),即78 ?s. 时隙的长度是这样确定的:在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时,那么在下一个时隙开始时,其他站就都能检测出信道已转变为忙态. 三种帧间间隔 目的站 其他站 时间 SIFS PIFS DIFS 媒体空闲 发送第 1 帧SIFS PIFS 时间 NAV(媒体忙) DIFS 争用窗口 发送下一 帧 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送 源站 时间 ACK SIFS 有帧要发送 DIFS,即分布协调功能帧间间隔(最长的 IFS),在DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧.DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度,因此 DIFS 的长度为 128 ?s. CSMA/CA 协议的原理 欲发送数据的站先检测信道.在802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听.通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据.当源站发送它的第一个 MAC 帧时,若检测到信道空闲,则在等待一段时间 后就可发送. 为什么信道空闲还要再等待 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送.如有,就要让高优先级帧先发送. 假定没有高优先级帧要发送 源站发送了自己的数据帧.目的站若正确收到此帧,则经过时间间隔 后,向源站发送确认帧 ACK.若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧,直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败后放弃发送. 虚拟载波监听 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站,以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据.这样就大大减少了碰撞的机会. "虚拟载波监听"是表示其他站并没有监听信道,而是由于其他站收到了"源站的通知"才不发送数据. 虚拟载波监听的效果 这种效果好像是其他站都监听了信道.所谓"源站的通知"就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段"持续时间"中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间(以微秒为单位),包括目的站发送确认帧所需的时间. 争用窗口 信道从忙态变为空闲时,任何一个站要发送数据帧时,不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔,而且还要进入争用窗口,并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道.在信道从忙态转为空闲时,各站就要执行退避算法.这样做就减少了发生碰撞的概率.802.11 使用二进制指数退避算法. 二进制指数退避算法 第i次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个.第1次退避是在 8 个时隙(而不是 2 个)中随机选择一个.第2次退避是在 16 个时隙(而不是 4 个)中随机选择一个. 使用退避算法 仅在下面的情况下才不使用退避算法:检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧.除此以外的所有情况,都必须使用退避算法.即:在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态.在每一次的重传后.在每一次的成功发送后. A 的作用范围 B 的作用范围 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约. A C B D E RTS RTS 源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧,叫做请求发送 RTS (Request To Send),它包括源地址、目的地址和这次通信(包括相应的确认帧)所需的持续时间. A 的作用范围 B 的作用范围 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约. CTS A C B D E CTS 若媒体空闲,则目的站 B 就发送一个响应控制帧,叫做允许发送 CTS (Clear To Send),它包括这次通信所需的持续时间(从RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中). A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧. Token-Ring技术 环网的构成及其环接口 环形网的另一个实例:FDDI 星形网实例:ATM ATM网络由连接了多台计算机的交换机组成.计算机与ATM交换机之间的连接包括一对光纤,每条光纤负责承载一个方向上的数据. 小结 习题 P93 8.5P75 8.7
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第8章局域网技术及网络拓扑 基于共享的网络 基本的网络拓扑结构流行的局域网技术 直接的点对点通信 利用远距离通信的方式实现本地网络通信优点缺点 共享通信信道 多台计算机共享通信介质的网络被用于本地通信,而点对点连接则用于远距离网络和其他的少数特定情况 局域网的技术特点(续) 1、局域网的拓扑结构 拓扑结构是区分局域网类型和特性的一个很重要的因素.不同拓朴形式的局域网中所采用的信号技术、信道接入技术以及所能达到的网络性能,会有很大的差别.因此,在不同应用领域中,熟悉局部网的拓扑特点是选型抉择的重要环节,也是设计与分析局域网的前提.局域网拓扑结构总的特点是:极其简单.用得最多的拓朴形式主要有三种:总线形、环形和星形. 网络的拓扑结构(续) 网络的拓扑结构(续) 一、线形拓扑总线形网络的拓扑结构简单和易于扩充是最突出特点.整个网络的通信信道只是一根电缆或是或光缆,或是同频工作的无线电波辐射;当需要增加节点时,只需在总线上增加一个分支接头,或多设置一个同频电台即可进网.但应看到,由于所有网络业务都归入到一条公共信道的频带中,必然要求信道频带很宽,可实现的数据速率很高.因此,总线的长度和网络覆盖范围必然受到限制.这种网络构型一般用于局部区域网络. 网络的拓扑结构(续) 二、环形拓扑网络各节点由逐段链路连接成环状构型,构成闭环(Ring)公共信道.环路上的数据流必须单向流动(除非是用复式链路构成双环),每个环接口部件必须保障对数据流的单向转发.任一节点发送的数据都将串行地穿过每个环接口,两节点间的链路连接,是数据的唯一通路.环路的健壮性成为影响网络可靠性的重要因素,而且导致环形网络的工作模式具有许多独特之处. 网络的拓扑结构(续) 三、星形拓扑星形是树形的特例,可近似地归为同一类,要求有一个中心(或根)节点,而且也是通信子网中唯一的转接节点.所有端节点都有各自的专用线路接入中心节点,形成辐射形网络构型.拓扑本身的中心化特征就决定了这种构型的网络控制往往是集中式的,整个网络的工作往往受它的集中控制.星形网络也具有结构简单,易于建网,易于管理等,但网络通信成本高、通信资源利用率低.中心节点的故障会直接造成整个网络的瘫痪. 局域网的技术特点(续) 2、局域网的传输介质适用于局域网的介质种类比较多,例如:双绞线,同轴电缆,光缆,以及地面无线电信道等,其中主要是有线信道. 很低中-中-高 低中-中+高100米—2公里1—2公里1—10几公里几公里 1—10010—2050—30010—几千 低中中高 双绞线基带同轴电缆宽带同轴电缆光 缆 费用 连接复杂度 最大传输距离 最高数据速率(Mbps) 信噪比等级 介质种类 局域网的技术特点(续) 3、局域网的信道接入控制信道接入控制(Medium-Access Control),包含了两方面的技术:(1)根据进网业务的不同特征,自动地确定网络中每个节点(工作站)能够将数据单元发送到信道上去的特定时刻;(2)根据信道中的业务流量情况,自动和恰当地控制对信道资源的利用."接入"之意是指"取得对信道的占有权".局域网中获得应用的信道接入控制方式可归纳为如下三大类:(1) 固定接入类;(2) 集中控制接入类;(3) 分布控制接入类. 局域网的IEEE802标准 1、IEEE802标准系列IEEE802的LAN标准遵循OSI参考模型的原则,根据局域望的技术特点,有针对性地描述了它的物理层和数据链路层的功能以及与更高层的接口服务等.如下图所示. 局域网的IEEE802标准(续) 我们从它的标准系列图可以看出IEEE802的LAN模型的重要特点,如下图所示: 以太网的历史与现状 历史现状 以太网传输与曼彻斯特编码 以太网曼彻斯特编码图示.从正电压到 零的变化编 码成0值,从零到正电压的变化编码成1值 以太网上的共享 以太网是多台计算机共享一个传输介质的总线网络.当一台计算机向另一台计算机传输一个帧时,其他计算机必须等待. ALOHA技术 CSMA技术源于ALOHA技术——一条公共的广播信道由所有网络节点完全随机地使用,哪一个节点都可随意地发送,而不管其它节点和信道的状况.所以ALOHA是完全随机、分布控制的介质接入方法. ALOHA技术(续) "完全随机发送"是P-ALOHA, "按时隙约束发送"是S-ALOHA.它们的吞吐性能如下图: 1/2e 1/e CSMA技术 ALOHA这种控制策略存在严重的盲目性.因此,即使是稍有改进的时隙ALOHA,其最大吞吐率也只能达到约0.368.若要进一步提高系统吞吐率,还应进一步设法减少节点间的发送冲突的概率.为了减少发送策略的盲目性,可以在发送之前进行"载波监测"来确定信道忙闲状态然后再决定帧发送与否.这就是所谓的CSMA(载波监测多址接入)方法. CSMA技术(续) 一、CSMA原理任一个网络节点在它有帧欲发送之前,先监测一下广播信道中是否存在别个节点正在发送帧的载波信号.如果监测到这种信号,说明信道正忙,否则信道是空闲的.然后,根据预定的控制策略来决定:(1)若测得信道是闲的,应该立即将自已的帧发送出去还是为慎重起见暂时不发送出去; (2)若测得信道是忙的,应该继续坚持监测载波还是暂时退避一段时间再监测.针对这两种情况的不同处理决策,CSMA可细分为不同的几种实现形式:(1)非坚持型CSMA;(2)1-坚持型CSMA;(3)p-坚持型CSMA. CSMA技术(续) 1、非坚持型CSMA控制算法描述: 第0步: 新帧进入缓冲器,等待发送;第1步: 监测信道. 若信道空闲,启动发送帧,发完返回第0步; 否则若信道忙碌,放弃监测,选择,开始延时; 第2步: 延时结束,转至第1步. CSMA技术(续) 2、1-坚持型CSMA控制算法描述如下:第0步:新帧进入缓冲器,等待发送;第1步:监测信道. 若信道空闲,启动发送帧,发完返回第0步; 否则若信道忙碌,继续;第2步:转至第1步. CSMA技术(续) 3、p-坚持型CSMA 控制算法描述如下:第0步: 新帧进入缓冲器,等待发送;第1步: 监测信道. 若信道不空闲,继续监测,转至第1步;否则若信道空闲,在[0,1]区间选择一个随机数r若r≤p,启动发送帧,发完返回第0步; 否则,开始延时aτ秒,暂停监测信道;第2步: 延时结束,转至第1步. CSMA技术(续) 二、CSMA/CD方式(以太网采用的MAC技术) CSMA/CD是1-坚持型CSMA方式的一种改进型式.它的控制规则增加了如下三个重要措施:(1)"边说边听"(LWT)——任一发送站在发送数据帧期间要保持侦听信道的碰撞情况.一旦检测到碰撞发生, 应立即中止发送, 不管现发的这一帧是否发完.(2)"强化干扰"(Jamming)发送站在检测到碰撞并停止发送后, 立即改为发送一小段"强化干扰"信号, 以加强碰撞检测效果.(3)"基本等待时间"(BWT)——任一发送站若能完整地发完一个帧, 则停顿一个BWT(BWT=2tpmax)并倾听信道情况.若在此期间未发生碰撞, 则可确认该帧已发送成功.此时间区间又称为"碰撞检测窗口". 二进制指数退避算法 发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据.确定基本退避时间,一般是取为争用期 2?.定义重传次数 k ,k ? 10,即k=Min[重传次数, 10]从整数集合[0,1,…, (2k ?1)]中随机地取出一个数,记为 r.重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间.当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告. 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection."多点接入"表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上."载波监听"是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞. 总线上并没有什么"载波".因此, "载波监听"就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号. 碰撞检测 "碰撞检测"就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小.当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加).当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞.所谓"碰撞"就是发生了冲突.因此"碰撞检测"也称为"冲突检测". 检测到碰撞后 在发生碰撞时,总线上传输的信号产生了严重的失真,无法从中恢复出有用的信息来.每一个正在发送数据的站,一旦发现总线上出现了碰撞,就要立即停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再次发送. 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时,也可能总线并非真正是空闲的. A 向B发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B.B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息),则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞.碰撞的结果是两个帧都变得无用. 1 km A B t 碰撞 t = 2? ? ? A 检测到发生碰撞 t = ? ? ? B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = ? t = 0 单程端到端传播时延记为? 1 km A B t 碰撞 t = ? ? ?B 检测到信道空闲发送数据 t = ? ? ? / 2发生碰撞 t = 2? ? ? A 检测到发生碰撞 t = ? ? ? B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = ? A B A B A B t = 0 A 检测到信道空闲发送数据 A B t = 0 t = ?B 检测到发生碰撞停止发送 STOP t = 2? ? ?A 检测到发生碰撞 STOP A B 单程端到端传播时延记为? 重要特性 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信).每个站在发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性. 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率. 4. 争用期 最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2? (两倍的端到端往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞.以太网的端到端往返时延 2? 称为争用期,或碰撞窗口.经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞. 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据.确定基本退避时间,一般是取为争用期 2?.定义重传次数 k ,k ? 10,即k=Min[重传次数, 10]从整数集合[0,1,…, (2k ?1)]中随机地取出一个数,记为 r.重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间.当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告. 争用期的长度 以太网取 51.2 ?s 为争用期的长度.对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即64 字节.以太网在发送数据时,若前 64 字节没有发生冲突,则后续的数据就不会发生冲突. 最短有效帧长 如果发生冲突,就一定是在发送的前 64 字节之内. 由于一检测到冲突就立即中止发送,这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节. 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节,凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧. 强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时,除了立即停止发送数据外,还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞. 数据帧 干扰信号 ? TJ 人为干扰信号 A B TB t ? B 发送数据 A 检测到冲突 开始冲突 信道占用时间 A 发送数据 B 也能够检测到冲突,并立即停止发送数据帧,接着就发送干扰信号.这里为了简单起见,只画出 A 发送干扰信号的情况. 高速以太网 100BASE-T 以太网 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网.在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议.100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet). 100BASE-T 以太网的特点 可在全双工方式下工作而无冲突发生.因此,不使用 CSMA/CD 协议.MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的.保持最短帧长不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m.帧间时间间隔从原来的 9.6 ?s 改为现在的 0.96 ?s. 三种不同的物理层标准 100BASE-TX使用 2 对UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP. 100BASE-FX 使用 2 对光纤. 100BASE-T4使用 4 对UTP 3 类线或 5 类线. 吉比特以太网 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作.使用 802.3 协议规定的帧格式.在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议(全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议).与10BASE-T 和100BASE-T 技术向后兼容. 吉比特以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层:1000BASE-SX SX表示短波长1000BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线1000BASE-T 使用 4对5类线 UTP 载波延伸(carrier extension) 吉比特以太网在工作在半双工方式时,就必须进行碰撞检测. 由于数据率提高了,因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度,才能使参数 a 保持为较小的数值.吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m,但采用了"载波延伸"的办法,使最短帧长仍为 64 字节(这样可以保持兼容性),同时将争用时间增大为 512 字节. 在短 MAC 帧后面加上载波延伸 凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时,就用一些特殊字符填充在帧的后面,使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节,但这对有效载荷并无影响.接收端在收到以太网的 MAC 帧后,要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付. 目地地址 源地址 数据长度 数据FCS MAC 帧的最小值 = 64 字节 载波延伸 前同步码 加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节 在以太网上实际传输的帧长 分组突发 当很多短帧要发送时,第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充. 随后的一些短帧则可一个接一个地发送,只需留有必要的帧间最小间隔即可.这样就形成可一串分组的突发,直到达到 1500 字节或稍多一些为止. 发送的数据 分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#3 RRR 分组#4 争用期 512 字节 将突发计时器设定为 1500 字节 载波延伸 载波监听 全双工方式 当吉比特以太网工作在全双工方式时(即通信双方可同时进行发送和接收数据),不使用载波延伸和分组突发. 吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路 吉比特交换集线器 百兆比特或吉比特集线器 100 Mb/s 链路 中央服务器 10 吉比特以太网 10 吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和1Gb/s 以太网的帧格式完全相同.10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级.10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体.10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议. 吉比特以太网的物理层 局域网物理层 LAN PHY.局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s.可选的广域网物理层 WAN PHY.广域网物理层具有另一种数据率,这是为了和所谓的"Gb/s"的SONET/SDH(即OC-192/STM-64)相连接.为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中,就要使用可选的广域网物理层,其数据率为 9.95328 Gb/s. 端到端的以太网传输 10 吉比特以太网的出现,以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输.这种工作方式的好处是: 成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜.统一的帧格式简化了操作和管理. 以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进 以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进证明了以太网是:可扩展的(从10 Mb/s 到10 Gb/s).灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换).易于安装.稳健性好. 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组.这些网段具有某些共同的需求.每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN.虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网. 虚拟局域网 虚拟局域网的概念 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 当B1 向VLAN2 工作组内成员发送数据时,工作站 B2 和B3 将会收到广播的信息. 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 B1 发送数据时,工作站 A1, A2 和C1都不会收到 B1 发出的广播信息. 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和VLAN3 的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息(即"广播风暴")而引起性能恶化. 802.11无线局域网和CSMA/CA 无线局域网标准无线局域网应用无线局域网核心技术----CSMA/CA 无线局域网 无线局域网的组成 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS A B 漫游 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站,所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信,但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站. 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 基本服务集中的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似. 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 一个基本服务集可以是孤立的,也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System),然后再接入到另一个基本服务集,构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set). 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网(例如,到有线连接的因特网)的接入.门桥的作用就相当于一个网桥. 扩展的服务集 ESS 基本服务集BSS 基本服务集BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 门桥 门桥 802.x局域网 因特网 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集,而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信. 无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network) 自组网络 A E D C B F 源结点 目的结点 转发结点 转发结点 转发结点 自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络. 移动自组网络的应用前景 在军事领域中,携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信.这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群,以及海上的舰艇群、空中的机群. 当出现自然灾害时,在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的, 802.11 标准中的物理层 1997 年IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分,802.11.在1999年又制订了剩下的两部分,802.11a 和802.11b. 802.11 标准(续) 802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带.可以使用的数据率为 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和56 Mb/s. 802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术,数据率为 5.5 或11 Mb/s. CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议.这里主要有两个原因.CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道,但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大.即使我们能够实现碰撞检测的功能,并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的,在接收端仍然有可能发生碰撞. A 的作用范围 无线局域网的特殊问题 C 的作用范围 A B C D 当A和C检测不到无线信号时,都以为 B 是空闲的,因而都向 B 发送数据,结果发生碰撞. 这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) B 的作用范围 无线局域网的特殊问题 C 的作用范围 A D C B ? B 向A发送数据,而C又想和 D 通信.C 检测到媒体上有信号,于是就不敢向 D 发送数据. 其实 B 向A发送数据并不影响 C 向D发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem) CSMA/CA 协议 无线局域网不能使用 CSMA/CD,而只能使用改进的 CSMA 协议.改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能.802.11 就使用 CSMA/CA 协议.而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制.下面先介绍 802.11 的MAC 层. 802.11 的MAC 层MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据. 802.11 的MAC 层在物理层之上包括两个子层 MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权.因此 DCF 向上提供争用服务. MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 MAC 层 无争用服务 争用服务 分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA) 点协调功能 PCF(Point Coordination Function) 物理层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s 802.11b 802.11a IEEE 802.11 帧间间隔 IFS 所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧.这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space).帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型.高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权,但低优先级帧就必须等待较长的时间.若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了.这样就减少了发生碰撞的机会. 三种帧间间隔 时间 SIFS PIFS DIFS 媒体空闲 发送第 1 帧SIFS PIFS 时间 NAV(媒体忙) DIFS 争用窗口 发送下一 帧 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送 源站 时间 目的站 ACK SIFS 其他站 有帧要发送 SIFS,即短(Short)帧间间隔,长度为 28 ?s,是最短的帧间间隔,用来分隔开属于一次对话的各帧.一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式. 使用 SIFS 的帧类型有:ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧,以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧. 三种帧间间隔 时间 SIFS PIFS DIFS 媒体空闲 发送第 1 帧SIFS PIFS 时间 NAV(媒体忙) DIFS 争用窗口 发送下一 帧 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送 源站 时间 目的站 ACK SIFS 其他站 有帧要发送 PIFS,即点协调功能帧间间隔(比SIFS 长),是为了在开始使用 PCF 方式时(在PCF 方式下使用,没有争用)优先获得接入到媒体中.PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度(其长度为 50 ?s),即78 ?s. 时隙的长度是这样确定的:在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时,那么在下一个时隙开始时,其他站就都能检测出信道已转变为忙态. 三种帧间间隔 目的站 其他站 时间 SIFS PIFS DIFS 媒体空闲 发送第 1 帧SIFS PIFS 时间 NAV(媒体忙) DIFS 争用窗口 发送下一 帧 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送 源站 时间 ACK SIFS 有帧要发送 DIFS,即分布协调功能帧间间隔(最长的 IFS),在DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧.DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度,因此 DIFS 的长度为 128 ?s. CSMA/CA 协议的原理 欲发送数据的站先检测信道.在802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听.通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据.当源站发送它的第一个 MAC 帧时,若检测到信道空闲,则在等待一段时间 后就可发送. 为什么信道空闲还要再等待 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送.如有,就要让高优先级帧先发送. 假定没有高优先级帧要发送 源站发送了自己的数据帧.目的站若正确收到此帧,则经过时间间隔 后,向源站发送确认帧 ACK.若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧,直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败后放弃发送. 虚拟载波监听 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站,以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据.这样就大大减少了碰撞的机会. "虚拟载波监听"是表示其他站并没有监听信道,而是由于其他站收到了"源站的通知"才不发送数据. 虚拟载波监听的效果 这种效果好像是其他站都监听了信道.所谓"源站的通知"就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段"持续时间"中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间(以微秒为单位),包括目的站发送确认帧所需的时间. 争用窗口 信道从忙态变为空闲时,任何一个站要发送数据帧时,不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔,而且还要进入争用窗口,并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道.在信道从忙态转为空闲时,各站就要执行退避算法.这样做就减少了发生碰撞的概率.802.11 使用二进制指数退避算法. 二进制指数退避算法 第i次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个.第1次退避是在 8 个时隙(而不是 2 个)中随机选择一个.第2次退避是在 16 个时隙(而不是 4 个)中随机选择一个. 使用退避算法 仅在下面的情况下才不使用退避算法:检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧.除此以外的所有情况,都必须使用退避算法.即:在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态.在每一次的重传后.在每一次的成功发送后. A 的作用范围 B 的作用范围 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约. A C B D E RTS RTS 源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧,叫做请求发送 RTS (Request To Send),它包括源地址、目的地址和这次通信(包括相应的确认帧)所需的持续时间. A 的作用范围 B 的作用范围 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约. CTS A C B D E CTS 若媒体空闲,则目的站 B 就发送一个响应控制帧,叫做允许发送 CTS (Clear To Send),它包括这次通信所需的持续时间(从RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中). A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧. Token-Ring技术 环网的构成及其环接口 环形网的另一个实例:FDDI 星形网实例:ATM ATM网络由连接了多台计算机的交换机组成.计算机与ATM交换机之间的连接包括一对光纤,每条光纤负责承载一个方向上的数据. 小结 习题 P93 8.5P75 8.7