计算机网络原理ppt培训课件

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1、计算机网络原理,2008,第四章 介质访问子层,计算机网络分两类：采用点到点连接的网络，采用广播信道的网络。 本章讨论广播网络及其协议。 在所有广播网络中，关键的问题是：当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。 广播信道有时也称作多路访问信道，或随机访问信道。 介质访问子层MAC：属于数据链路层的子层，用来决定广播信道中信道的分配。,几乎所有的局域网都以多路复用信道作为通信的基础。 广域网通常采用点到点连接，卫星网除外。 因此， MAC子层在局域网尤其重要。,信道分配问题,在相互竞争的多个用户之间如何分配一个单独的广播信道。 解决的方法：静态，动态 具体算法,局域网和城域网中信道的静态分

2、配,传统的分配单个信道的方法：频分多路复用FDM。 应用场合：用户较少且数目固定，每个用户通信量都较大。 不适用场合：用户较多且数目经常变化，通信量具有突发性特点。 FDM最基本的缺陷是无通信量时分配给用户的频段被浪费了，而不能被其它用户所用。 大多数计算机系统的数据流具有突发性，因此，多数信道在大部分时间内都被闲置了。 采用时分复用TDM会产生同样的问题。,局域网和城域网中信道的动态分配,5个关键性假定： 1、站模型：由N个独立的站组成，每个站有一个可以产生待发送帧的程序或用户。一旦生成一帧，该站就被阻塞，直到帧被成功传出。 2、单通道假设：所有通信都通过单个信道进行。所有的站都在该信道上发

3、送和接收信息。尽管软件可赋予各站优先级，但就硬件来说，各站是平等的。 3、冲突假设：若两帧同时发送，它们会相互重叠，使信号难以辨认。所有的站都能检测到冲突。冲突的帧必须事后重发。除了冲突产生的差错外，不再有其他任何差错。,4a、连续时间：帧能在任何时候开始发送。没有主时钟将时间分隔为离散的发送区间。 4b、时隙：时间被分为离散的区间（时隙）。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可发送0，1或多个帧，它们分别对应空闲时隙、成功时隙、发生冲突。 5a、载波侦听：所有站在使用信道以前都可以检测到信道是否正在使用。若忙，其他站不会去使用它，直到它变得空闲。 5b、非载波侦听：各站在使用信道前不

4、检测信道，只是盲目地发送，事后才能确定本次传送是否成功。,多路访问协议,ALOHA协议 载波侦听多路访问协议 无冲突的协议 有限竞争协议 波分多路访问协议 无线局域网协议,ALOHA协议,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。 纯ALOHA 分隙ALOHA 区别：是否将时间分成离散的时隙。纯ALOHA无需全局时间同步，而分隙ALOHA则必须时间同步。,纯ALOHA,基本思想：用户只要有数据待发，就让他们发。 当产生冲突，使帧受损时，发送方只要侦听信道就会知道。 对于LAN，反馈信息传播很快。 对于卫星网，发送方在延时270ms后才能确定。 若帧遭破坏，则发送方随机等待一段

5、时间后重发。 竞争系统：多个用户以某种可能导致冲突的方式共享公用信道的系统。,在 ALOHA系统中，各帧长度相同，能使系统取得最大吞吐率。,ALOHA信道的效率？ 没有发生冲突的帧比例有多大？ P187（新书P213）的一个情景。 “帧时”：表示发送一个标准长度的帧所需的时间，也就是帧长度除以位传输率。 假定无限多的用户产生的新帧服从泊松分布，平均每帧时产生S个新帧。 若S1，则几乎每帧都会受到冲突。 合理值要求在0sS。 在各种载荷下，S=GP0， P0不冲突的概率,阴影帧的冲突危险区,若在t0到t0+t时间内，则头部冲突 若在t0 +t到t0+2t时间内，则尾部冲突,在任一帧时内生成K帧的

6、概率服从泊松分布：Prk=Gke-G/K! 生成0帧的概率为e-G，两个帧时内产生的帧数平均为2G，在整个冲突危险区内无任何其他帧产生的概率为P0=e-2G，代入S=GP0得： S=Ge-2G . 吞吐率S与帧产生率G之间的关系见图（P189，新P215） 当G=0.5时，吞吐率S最大，其值为S=1/2e=0.184. 对于这种站可以随意发送的工作方式,100%的利用率几乎是不可能的.,分隙ALOHA,可将系统利用率提高一倍。 方法是：把时间分为离散的时间段，每段时间对应一帧。 要求用户时间同步。 方法之一：设置一个特殊的站点，在每段时间的开始像时钟一样发送一个信号。 为了和纯ALOHA方法相

7、区别,被称为分隙ALOHA,在分隙ALOHA方法中，计算机并不是在按下回车键后就立即传送信息帧，而是要等到下一时隙开始时才传送。 由于冲突危险区减少为原来的一半，所以在任一帧的时隙内无其他帧发送的概率为e-G，从而得出： S=Ge-G . 从图（P189，新P215）中关系看出，当G=1时，吞吐率S最大，其值为S=1/e=0.368.,载波侦听多路访问协议,载波侦听协议：网络站点侦听载波是否存在（即有无传输）并相应动作的协议。 持续和非持续CSMA 有冲突检测的CSMA,持续和非持续CSMA,1-持续CSMA：当一个站点要传送数据时，它首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。若信道忙，则持续等

8、待直到信道空闲，便将数据送出。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。 此协议被称作1-持续CSMA。是因为站点一旦发现信道空闲，其发送数据的概率为1。 传输延时对协议性能的影响：传输延时越长，冲突可能性越大，系统性能也就越差。 即使传输延时为0，仍然有可能发生冲突。,非持续CSMA：在该协议中，站点发送前会侦听信道的状态，如果没有其他站点在发送，它就开始发送。但如果信道正在使用中，该站点将不再继续侦听信道，而是等待一个随机的时间后，再重复上述过程。 P-持续CSMA：用于分隙信道，工作过程如下：一个站点在发送之前，首先侦听信道，若空闲，便以概率p传送，而以概率q=1-p把该次发

9、送推迟到下一时隙。若下一时隙仍空闲，便再次以概率p传送，而以概率q=1-p把该次发送推迟到下下一时隙。此过程一直重复，直到发送成功或另外一站开始发送为止。,有冲突检测的CSMA,持续和非持续CSMA是对ALOHA协议的改进，它们保证在侦听到信道忙时无新站开始发送。 带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD：若两站侦听到信道空闲并同时开始传送，几乎会同时检测到冲突。一旦检测到冲突，不是继续传完帧，而是尽快停止。,CSMA/CD以及许多其他局域网协议都采用以下概念模型。在t0点处，一个站点已完成了帧的传送，其他想要发送的站点现在都可以尝试发送。如果两个或两个以上的站点同时决定传送，将会产生冲突。

10、,无冲突的协议,在CSMA/CD中，虽然抓住信道，便不会产生冲突，但在竞争周期冲突仍不可避免。 在电缆很长而帧很短时，系统性能很低。 位图协议 二进制倒计数法 以上两协议的假设：都假定有N个站，每个站均有一个唯一的地址，从0到N-1一一对应。 关键问题：在一次成功的传送之后，哪个站将会得到这个竞争的信道。,位图协议,竞争周期恰好由N个时隙组成。若站点0想发送一帧，它就在第0个时隙内发送1比特。该时隙内，不允许其他任何站点发送。,二进制倒计数法,每个想要使用信道的站点，首先将其地址以二进制位串的形式，按照由高到低的顺序进行广播，并且假定所有地址的长度相同。然后，将各站的地址的对应位进行布尔或运算

11、。 为了避免冲突，就必须进行仲裁：若某站发现其地址中原本为0的高位被置换为1，则它便放弃发送。,有限竞争协议,前面讨论了电缆网络中两种基本的信道获取策略：竞争法和无冲突法。 可根据两项指标加以评定：轻载荷下的时延，重载荷下的信道利用率。 有限竞争协议结合了竞争法和无冲突法的优点。 自适应树搜索协议,波分多路访问协议,在波分多路访问中，每个站点分配两个信道。其中窄信道作为通知站点的控制信道，宽信道作为站点输出数据帧的信道。 每个信道被分成不同的时隙组。取控制信道的时隙数为m, 数据信道的时隙数为n+1, 其中n个用于数据，最后一个用来报告站点的状态。 在两条信道中，时隙序列无尽地循环，其中时隙0

12、用某种特殊的方式标记以便后续时隙识别。 所有的信道均用同一个全程时钟来同步。,波分多路访问,波分多路访问协议,支持三种类型的通信流量（1）恒定速率的，面向连接的通信流量；（2）可变速率的，面向连接的通信流量；（3）数据报流量，比如UDP分组。 每个站都有两个发送器和两个接收器。P197，新书P223 一个波长固定不变的接收端，用来侦听本站点的控制信道。 一个波长可调的发送端，用来向其他站点的控制信道发送帧。 一个波长固定不变的发送端，用来输出数据帧。 一个波长可调的接收端，用来选择要侦听的数据发送端。 每个站点都侦听自己的控制信道，看是否有请求产生，并将接收端的波长调为发送端的波长，从而得到数

13、据。,无线LAN协议,如果一个系统中的笔记本计算机通过无线电波进行通信，则该系统可以被认为是一个无线LAN。 要求特殊MAC子层协议。,以太网,信道分配协议在局域网中的应用。 IEEE对许多局域网和城域网做了标准化工作，这些标准都在IEEE802的名字下面。 IEEE802.3(以太网) IEEE802.11(无线LAN) IEEE802.15(蓝牙) IEEE802.16(无线MAN),IEEE802.3和IEEE802.11有不同的物理层，不同的MAC子层，但有共同的逻辑链路控制子层（定义在IEEE802.2中）。 以前介绍了以太网的基本概念，此节将介绍以太网的技术细节、协议等。 对于以太

14、网和IEEE802.3，除了下面将要讨论的两个小区别，它们几乎相同。,以太网电缆,10Base5：俗称粗以太网 10Base2：俗称细以太网 10Base-T：采用双绞线 10Base-F：采用光纤,10Base5,最先出现 每隔2.5米标记了分接头的插入处。 插入式分接头将设备连到电缆上。 10Base5的含义：运行在10Mbps的速率上，使用基带信令，支持的分段长度可达500米。 在分接头中，有一根针被非常小心地插入到同轴电缆的内芯中。收发器则紧紧夹住电缆以便分接头可接触内芯。 通过一根收发器电缆将收发器连到计算机的接口卡上。 收发器电缆可长达50米，包含5对独立的屏蔽双绞线。,接口卡包含

15、一个控制器芯片，用来向收发器传送帧，或从收发器接收帧。 控制器负责将数据装配成正确的帧格式，为发送的帧计算校验和，为接收的帧检验校验和。 有些控制器芯片也为进来的帧管理一个缓冲池；为要传输的帧管理一个缓冲队列；并且可以与主计算机进行直接的内存传输，以及其他的网络管理功能。,10Base2,使用工业标准的BNC连接器来构成T型接头。 每段最长185米。10Base5和10Base2存在的问题：对电缆断裂、电缆超长、分接头坏掉，或BNC连接器松动的检测困难。 人们研制了许多技术来捕捉故障。比例，时间域反射计。 时间域反射计：P210，新书229,10Base-T,由于找电缆断裂处不方便 ，导致了1

16、0Base-T的出现。 所有的站都连到一个 集线器上，集线器并不缓存流量，但交换机则缓存。 每个站通过一根非共享的电缆连接到集线器。 优点：增、删一个站容易，电缆断裂很容易检测到。 缺点：从集线器出来的电缆的最大长度只有100米。但使用高质量的5类双绞线能达到200米。 还有一个更快的100Base-T。,10Base-F,这种连接方式由于连接器和终结器的成本开销而非常昂贵。但它有极好的抗噪声能力。 适用于楼与楼之间的连接，或用于远距离隔开的集线器之间的连接。 长度可达上千米。 安全性好，因为在光纤上窃听比在铜线上要难。,电缆拓扑结构,电缆拓扑结构,在各种以太网中，每段电缆的长度都有一个上限，为了构建更大的网络，多根电缆可以通过中继器连接起来。 中继器是一个物理层设备。它在两个方向上接收、放大和重传信号。 从软件角度看，通过中继器连接起来的一系列电缆段与单根电缆没有任何区别。 两个收发器之间不能超过2.5公里。 任意两个收发器之间的路径上不得跨越多于4个中继器。,