2018 March 13 计算机网络

第四章 介质访问子层(MAC层)

  1. 一条物理媒体(线路)被多个用户共享
  2. 这条物理媒体如何分配使用,这就是介质访问子层的作用
  3. 局域网出来了以后,就把数据链路层分成2层:
    1. 标准数据链路层工作,保证数据可靠传输
    2. 传输之前需要抓住一个信道的过程–介质访问子层

信道分配问题

  1. 信道的静态分配(也就是把信道提前固定好,浪费)
    1. 频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）
    2. 时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）
    3. 静态分配的问题
      1. 延迟时间长
      2. 信道利用率低
    4. 局域网中很少采用静态分配方法,大多数采用动态分配.
  2. 信道的动态分配

多路访问协议

  1. 纯ALOHA
  2. 分隙ALOHA
  3. 载波侦听多路访问协议CSMA

载波侦听多路访问协议CSMA

  1. 载波侦听协议（Carrier Sense Protocol）
  2. 意思: 比前两种有礼貌,当我这个站点要发送数据(讲话)时,先听一听有没有别人在讲话,如果有人在讲,我就不讲,如果没人讲,我讲.
  3. 根据侦听方式分为: 持续和非持续CSMA （Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）
    1. 1 – 持续CSMA
      1. 每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等待并持续侦听，一旦信道空闲，立即发送，即发送的概率为1；如冲突(尽管先侦听还是会发生冲突,同时发送时)，则延时一随机时隙数后，重新发送
    2. 非持续CSMA（Nonpersistent CSMA)
      1. 每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则不再继续侦听，而是延时一随机时隙数后，再侦听信道
    3. p – 持续CSMA（p-persistent CSMA）
      1. 更有礼貌
      2. 用于分隙信道
      3. 先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率p发送，而以概率q=(1-p)把本次发送延至下一时隙，直至发送成功
      4. 用于非常繁忙的传输
  4. CSMA协议的冲突和冲突检测
    1. CSMA并不能完全解决冲突问题,如两个或多个准备发送的站都检测到信道空闲而同时发送将发生冲突
    2. 带冲突检测的CSMA
      1. CSMA/CD: 带冲突检测的载波侦听多路访问
      2. 要点:
        1. 在一帧传输完成后的时刻t0，想要发送的站点都可以尝试发送
        2. 如两个或多个站点同时发送则发生冲突
        3. 判断出冲突后，立即停止发送，并延时一个随机时隙数后，通常其中的一个站点将发送成功
    3. 这总工作机制用的最多,以太网就是
  5. 无冲突的协议
    1. 麻烦
  6. 有限竞争协议
    1. 在低负荷时使用竞争法,在高负荷时使用无冲突法

以太网

  1. 上面多种访问方式落实到具体的网络产品当中,以太网就是一个应用典型.
  2. 标准以太网采用总线型结构.
  3. 采用的访问方式是: CSMA/CD

以太网当中的电缆

  1. 802.3标准,传输电缆分以下四种 图1
  2. 这个标准的产品就是10M的以太网.拓补结构为总线结构

双绞线以太网(10BASE-T)

  1. 连接图如下:
    图1
    1. 其物理接口为RJ-45
    2. 连线采用3类（或5类）双绞线，仅用两对线，且全双工
    3. 距离为100 m
    4. 编码采用曼切斯特编码
    5. HUB上面有很多的RJ45的接口,每台计算机网卡上面也有一个RJ45的接口.用一根双绞线连接即可.
    6. 表面上是个星型结构,实际上还是总线型结构,只是把以太网总线移到了HUB里面.HUB上面的RJ45接口都连接到了总线上.
    7. 好处: 可靠性高,任意一台机器有问题,都没事.
  2. RJ-45接口接线标准T-568B
    1. T-568B的直通线缆
      图1
    2. 10Base-T 直通线缆
      1. 交换机（或HUB）的RJ-45端口与主机网卡的RJ-45端口的连接电缆为直通（Straight-Through）的8芯5类线缆
        图1
        图1

以太网MAC子层协议

  1. 上面讲述了以太网的物理连接.
  2. 以太网的帧结构 图1

帧结构字段说明

  1. 先导字段
    1. 7个字节的10101010,连续7个字节都是，实际上下一个字符也是先导字段，只是最后的两位为1，表示紧接着的是真正的MAC帧
    2. 8个字节的10101010的曼切斯特编码将产生10MHz，持续6. 4s的方波，周期为0.1s，可用于时钟同步
  2. 两个地址
    1. 目的地址和源地址都允许为2字节或6字节，在10M bps的基带以太网中是6字节
    2. 目的地址最高位为
      1. 0：普通地址
      2. 1：多点发送（Multicast）
      3. 目的地址全1：广播发送（Broadcast）
    3. 在6个字节（共48位）的地址中有46位用于地址的指定，即有246＝7.03687x1013个地址
    4. 网卡地址是一个全局地址(全球唯一),如：44-45-53-54-00-00
  3. 数据字段长度和校验和
    1. 字段长度: 指明数据的字节数，数据字段长度允许为0
    2. 校验和: 4个字节共32位的CRC码
  4. 填充字段
    1. 为保证帧的最短长度为64个字节
    2. 即：在数据字段长度为0时
      1. 两个地址（12字节）+ 长度（2个字节）+ 填充字节+校验和（4个字节）= 64
      2. 18字节+ 填充字节 = 64
      3. 填充字节 = 46
    3. 所以填充字节为：0 ~ 46字节
    4. 为什么帧的最短长度为64个字节?
      1. 因为以太网中使用的是 CSMA/CD访问.
      2. 为了确认发送帧是否正确到达目的站点，必须保证可能的冲突信号返回时帧的发送尚未结束，如在2τ内没有冲突信号返回，则发送成功，如果发送端在2τ时间内帧已经发送结束，则即使冲突也无法检测，即最短帧长应与2τ相当.2τ约等于51.2微秒,64个字节的长度传输月51.2微秒.

交换式以太网

  1. 最简单的以太网络
    图1
  2. 交换式以太网络
    图1
  3. 以太网交换机
    1. 交换机有一个高速的背板，速率可达1G b/s或更高
    2. 背板上可插入若干个模块（有的模块还可插入子模块）
    3. 每个模块（或子模块）上有4 ~ 8个RJ-45的端口，甚至更多，每个模块实际上是一个规模较小的局域网，即一个模块就是一个共享域（以太网中，共享域即冲突域）
    4. 一个模块上任一时刻只能有一个站点发送，但分属不同模块上的端口可并行工作，这可理解为组交换：模块内共享，模块间交换
    5. 当每个模块都退化成只有一个端口时，即一个共享域中只有一个端口，则该交换机是全交换的
  4. 交换式局域网
    1. 交换式局域网通常以百兆以太网交换机或千兆以太网交换机作为局域网的核心交换设备，交换机的每个端口都可用于连接一个网段或一台主机
    2. 每个端口连接的网段形成一个冲突域，端口之间帧的传输不受CSMA/CD的限制
    3. 交换机上不同类型的端口支持不同类型的传输介质，不同类型的端口其最大传输距离也不尽相同
  5. 形象比喻
    1. 以前是所有人在一个房间进行讨论,会容易造成冲突,现在分成多个房间(交换机),房间里面大家讨论,房间之间通过交换的方式进行传递
  6. 以太网交换机的作用
    1. 把一个以太网分割成很多小的冲突域,冲突域小了,竞争时间就少了
    2. 以太网发送时间: 发送时间+竞争时间

千兆以太网

  1. 千兆以太网的标准802.3z，1998年6月公布
  2. 千兆以太网支持两种工作模式：
    1. 全双工工作模式
      1. 使用两根信道，通常是光纤，不会产生冲突
      2. 传输距离取决于信号的衰减
    2. 半双工模式
      1. 允许使用共享设备（如HUB），采用CSMA/CD机制来实现信道的共享
      2. 传输距离必须考虑冲突检测，即必须考虑时隙问题
  3. 千兆以太网的帧格式
    1. 千兆以太网的最短帧长与时隙不相关
    2. 采用载波扩展技术
  4. 格式(略略…..)

IEEE802.2 LLC

  1. 前面讲的是如何获取信道
  2. 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control），即 IEEE 802.2标准
  3. 数据链路层分成了两个子层
    1. 下面是MAC子层:怎样获取信道
    2. 上面是标准的链路层的工作,逻辑链路控制LLC层:如何通过点对点可靠传输工作,通过IEEE802.2 LLC来解决
  4. 如下图 图1
  5. LLC的作用
    1. 由于不同的网络类型有不同的介质访问子层与之对应，而逻辑链路控制子层LLC则掩盖了不同物理网络之间的差别，以统一的格式为网络层提供服务
    2. LLC子层把网络层的分组（在TCP/IP中即 IP包）加上LLC头，交给MAC子层组成相应的802.X帧发送

无线局域网

无线局域网的组成

  1. 802.11定义了两种组网模式
    1. Ad-Hoc 模式
    2. Infrastructure 模式

Ad-Hoc 模式

  1. 前面不需要一些基础设施,随时都可以搭一个无线网,大家都拿一个带无线网卡的年脑即可搭建
  2. 所有的移动站之间互相平等，每个节点既是主机又是路由器

Infrastructure 模式

  1. 前面必须有基础设施的支持,有一定的布线基础设置的工作
  2. 常见的地方开的无线网都是这种模式
  3. 组成
    1. 由一个基站和若干个移动站组成
    2. 基站称为AP
    3. 一个BSS覆盖的范围称为一个基本服务区BSA。一个BSA的范围可以有几十米的直径
    4. 基站通过有线网络连接起来

    5. 如下图

      图1

802.11物理层

  1. 前言
    1. 对于无线局域网来说,常用的标准就是802.11
    2. 也是802系列中的一个标准
    3. 也是支持MAC层和物理层
  2. 802.11标准中的物理层
    1. 802.11：制定与1997年
    2. 802.11a：制定与1999年
    3. 802.11b：制定与1999年
    4. 作用:
      1. 二进制的比特串,如何转变成无线的信号
      2. 具体怎么转换的,(老师)神都不知道

802.11MAC子层协议

  1. 802.11的MAC层协议栈

    图1

    1. 分布式协调功能
      1. DCF模型中每个站点都是相互独立的，没有主从关系，如同在Ethernet中一样，必须通过竞争获得信道DCF采用CSMA/CA，即带冲突避让的载波多路侦听CSMA/CA：CSMA with Collision Avoidance
      2. 无线局域网为什么不能使用CSMA/CD?
        1. CSMA/CD要求每个站点在发送数据的同时还必须不间断地检测信道，而在无线局域网的设备中要实现这个功能花费过大
        2. 即使发送端能够实现碰撞检测，在接收端仍可能发生碰撞

  2. CSMA/CA

    1. 任何站在完成发送后必须等待一段很短的时间才能发送下一帧，这段时间称为帧间间隔IFS(InterFrame Space)。间隔时间的长短取决于该站打算发送的帧类型。高优先级的帧等待时间短，低优先级的帧等待时间长。
    2. 争用：当信道从忙转为空闲时，任何站在发送数据前，都要采用二进制后退算法减少发生冲突的概率。与以太网不一样的是第i次后退是从22+i个时隙中选取一个

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