2011年計算機網(wǎng)絡考研輔導講座（4、數(shù)據(jù)鏈路層--中）

1、第四講 數(shù)據(jù)鏈路層(中),,第四講：數(shù)據(jù)鏈路層—(中),2011年考研大綱考查范圍:數(shù)據(jù)鏈路層（局域網(wǎng)部分）：,,,知識點歸納,(六)局域網(wǎng) 1.局域網(wǎng)的基本概念與體系結構 分析LAN特性的三個方面：傳輸介質(zhì)、拓撲結構、介質(zhì)訪問控制方法（MAC），其中MAC最重要。 傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜、光纖、無線電、紅外 拓撲結構：星形、總線形、環(huán)形、樹形,知識點歸納,IEEE在1980年

2、2月成立了局域網(wǎng)標準化委員會（簡稱IEEE 802 委員會），專門從事局域網(wǎng)的協(xié)議制訂，形成了一簇的標準，稱為IEEE 802標準。該標準已被國際標準化組織ISO采納，作為局域網(wǎng)的國際標準系列，稱為ISO 8802標準。在這些標準中，根據(jù)局域網(wǎng)的多種類型，規(guī)定了各自的拓樸結構、幀格式、媒體訪問控制方法等內(nèi)容。 IEEE 802.1是局域網(wǎng)的體系結構、網(wǎng)絡管理和網(wǎng)際互連協(xié)議。 IEEE 802.2規(guī)范了數(shù)據(jù)鏈路層與媒體無關的部分，放在

3、 LLC子層。LLC（Logical Link Control） 邏輯鏈路控制子層，負責完成通常意義下的數(shù)據(jù)鏈路層功能，如差錯控制、流量控制等。MAC（Media Access Control） 介質(zhì)訪問控制子層，專門負責解決設備使用共享信道的問題。,涉及與媒體訪問有關的放MAC子層，根據(jù)具體網(wǎng)絡的媒體訪問控制方法分別處理。其中主要的MAC協(xié)議有： IEEE 802.3載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD訪問方法和

4、物理層協(xié)議； IEEE 802.4令牌總線（Token Bus）訪問方法和物理層的協(xié)議；其物理上是總線結構，邏輯上是令牌環(huán)； IEEE 802.5令牌環(huán)（Token Ring）訪問方法和物理層協(xié)議； IEEE 802.6關于城域網(wǎng)的分布式隊列雙總線 DQDB （Distributed Queue Dual Bus）的標準等； IEEE 802.11是無線局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問方法和物理層

5、協(xié)議；(WiFi) IEEE 802.15是無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN的介質(zhì)訪問方法和物理層協(xié)議； IEEE 802.16是無線城域網(wǎng)WMAN的標準。(WiMAX),知識點歸納,知識點歸納,分成MAC、LLC兩個子層的好處： 局域網(wǎng)可采用多種傳輸介質(zhì)與拓撲，相應地介質(zhì)訪問控制方法就有多種。將數(shù)據(jù)鏈路層分成兩個子層，只要設計合理，使得MAC子層向上面提供統(tǒng)一的服務接口，就能將底層的實現(xiàn)細節(jié)完全屏蔽掉。 即：不同的物理網(wǎng)

6、絡，物理層與MAC子層不同， 而LLC子層相同，網(wǎng)絡的上層協(xié)議可運行于任何一種IEEE 802標準的局域網(wǎng)上。 這種分層方法也使得IEEE 802標準具有良好的可擴充性，可以很方便地接納新的介質(zhì)與介質(zhì)訪問控制方法。,知識點歸納,,知識點歸納,IEEE 802標準定義了LLC子層和MAC子層的幀格式。數(shù)據(jù)傳輸過程中，LLC子層將高層遞交的報文分組作為LLC的信息字段，再加上LLC子層目的服務訪問點（DSAP）、源服務訪問點（SSAP

7、）及相應的控制信息以構成LLC幀。,知識點歸納,由于 Internet 發(fā)展很快， 而 TCP / IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet II 標準的網(wǎng)絡，而不大用 IEEE 802.3 標準中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 IEEE 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經(jīng)不大， 只用于一些局域網(wǎng)體系結構分析的文章中， 很多廠商生產(chǎn)的網(wǎng)卡上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議

8、，在分析實際的 TCP / IP 網(wǎng)絡時要注意這一點。,知識點歸納,2. 以太網(wǎng)與IEEE 802.3 以太網(wǎng)的規(guī)范為IEEE 802.3，介質(zhì)訪問控制采用CSMA/CD。 為了通信的簡便， 以太網(wǎng)采取了兩種方法： 第一，采用無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 第二，不要求收到數(shù)據(jù)的目的站發(fā)回確認。不要確認的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯的概率是很小的。 因

9、此，以太網(wǎng)提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。 每塊以太網(wǎng)絡接口卡(NIC)都有自己48位的MAC-48地址(硬件地址)，通用名為擴展唯一標識符EUI-48，在全世界范圍內(nèi)地址唯一。其中，前24位為IEEE分配的生產(chǎn)網(wǎng)卡公司的組織唯一標識符OUI(如3COM為02-60-8c)，后24位由廠家給自己生產(chǎn)的每塊網(wǎng)卡自行指派的序號。,知識點歸納(CSMA/CD工作流程),具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問 CSMA/CD：

10、■ 工作原理：某站點要發(fā)送數(shù)據(jù)幀前，先監(jiān)聽信道，若信道空閑, 則立即發(fā)送數(shù)據(jù) 幀，若信道忙，則堅持一直監(jiān)聽到信道空閑，然后立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀， 發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時，邊發(fā)送邊監(jiān)聽(在沖突檢測窗口的2τ時間內(nèi)，其 中2τ為最遠的兩個端點間一來一回傳輸?shù)臅r間), 若在此期間監(jiān)聽到

11、 沖突，立即停止發(fā)送，并發(fā)送Jam干擾信號串到網(wǎng)上通知全網(wǎng)站點以 強化沖突，使各沖突的站點馬上停止發(fā)送，使信道很快空閑下來，然 后按截斷的二進制指數(shù)退避算法延遲一段隨機時間，再監(jiān)聽信道嘗試 發(fā)送。■ 1-堅持CSMA, 再加上CD (沖突檢測)。

12、■ 沖突檢測方法： （1） 比較接收到的信號電壓的大小 或（2） 檢測曼徹斯特編碼的過零點 或（3） 比較接收到的信號與剛發(fā)出的信號■ 退避算法：為截斷的二進制指數(shù)退避算法，來決定重發(fā)時延：從? 0, 1, 2, ..., 2k-1 ? 中隨機取一個數(shù)r，重發(fā)時延 = r ? (2τ)，其中 k = min[ 重發(fā)次數(shù)，10 ],知識

13、點歸納（ CSMA/CD ）,知識點歸納,■ 由于10M以太網(wǎng)最大直徑時的一來一回的時延定為 512 位時間(51.2μs)，最短的以太幀必須達到512位(64字節(jié))，考慮到電信號在電纜中傳輸速度200m /μs及在中繼器中的延遲,10Mbps粗纜時兩站間最長距離不能超過2.5公里。 3-4-5原則：10Mbps以太網(wǎng)規(guī)劃中應該遵循的規(guī)則， 從而保證以太網(wǎng)能夠正常工作。 5－指

14、任意兩個站點間最多有5個以太網(wǎng)網(wǎng)段 4－任意兩個站點間最多有4個中繼器 3－表示任意兩個站點間最多有3個網(wǎng)段有站點相連 也就是說如果兩個站點間有5個以太網(wǎng)網(wǎng)段，并不是所有的網(wǎng)段都可以連接站點，有些網(wǎng)段只是用來擴展網(wǎng)絡的距離。,知識點歸納,10Mbps以太網(wǎng)的3-4-5原則與直徑：,知識點歸納,HUB就像是一根縮短的總線：,知識點歸納,,Category 3/4/5/6 UTP 支持的帶寬：,知識點歸納,,

15、MAC 子層兩個主要功能： (1)數(shù)據(jù)的封裝與解封(組幀、尋址和錯誤檢測) (2) 介質(zhì)訪問管理(介質(zhì)分配和沖突解決),,,,,,MAC 幀,字節(jié),6,6,2,4,IP 層,物理層,,,,,,,,,目的地址,源地址,長度/類型,FCS,MAC 層,,,,10101010101010 10101010101010101011,,前同步碼,幀開始定界符,7 字節(jié),1 字節(jié),,,…,,插入,數(shù)

16、 據(jù),MAC 子層,IP 層,,LLC 子層,,,802.3MAC 幀,,Novell 網(wǎng)絡使用這種 802.3 + 802.2 幀,,43 ~ 1497,1,1,1,,,,DSAP,SSAP,1,1,1,控制 數(shù) 據(jù),,,,字節(jié),DSAP,SSAP,控制,,,Internet TCP/IP 網(wǎng)絡的　Ethernet II 幀格式,,,知識點歸納,,無效的 MAC 幀： 數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致；

17、 幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)； 用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯； 數(shù)據(jù)字段的長度不在 46 ~ 1500 字節(jié)之間?！　　∮行У?MAC 幀長度為 64 ~ 1518 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。 幀間最小間隔為 9.6 ?s，相當于 96 bit 的發(fā)送時間。 一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 ?s 才能再次發(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

18、收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。,快速以太網(wǎng) (Fast Ethernet): 快速以太網(wǎng) (Fast Ethernet，F(xiàn)E)，包括100BASE-X （100BASE-TX、100BASE-FX）和 100BASE-T4。 與10Mbps以太網(wǎng)的比較： 傳輸率快10倍，因而沖突域直徑減小約10倍 MAC 子層仍采用 CSMA/CD, 但重新定義了物理層規(guī)范 幀類型、幀長、幀格式仍沿用 IEEE 80

19、2.3，但幀間間隔 由 9.6μs 調(diào)整為0.96 μs (因為傳輸速率提高了10倍),知識點歸納,快速以太網(wǎng)物理層:,知識點歸納,快速以太網(wǎng)分類:,知識點歸納,100BASE-TX 實現(xiàn):,100BASE-TX 使用 2 對 5 類 UTP 電纜，用線對 1/2(發(fā)送), 3/6(接收)，電纜制作同10BASE-T，連接器使用8針RJ-45連接器，從站點到集線器或交換機間的距離應小于 100m。,知識點歸納,100BASE-

20、TX的連接距離:,II 類中繼器HUB只連接相同類型的快速以太網(wǎng)站點，時延≤0.46μs，一個沖突域可有2個中繼器HUB。,知識點歸納,I 類中繼器HUB可連接不同類型的100BASE-TX,-FX,-T4,并進行適配轉(zhuǎn)換，時延≤0.7μs，一個沖突域只能有1個中繼器。,知識點歸納,100BASE-FX 實現(xiàn):,100BASE-FX 使用 2 根多?；騿文９饫w ，一根光纖用來發(fā)送, 一根用來接收，可使用SC(多使用此)或ST連接器。C

21、SMA/CD半雙工與HUB連接時最長可400m(為確保能檢測沖突)，使用多模光纖全雙工與交換機連接時可2km，而使用單模光纖全雙工與交換機連接時可10km。,知識點歸納,快速以太網(wǎng)的自動協(xié)商:,自動協(xié)商（Auto Negotiation）： 使連接在一條線路上的兩個設備能夠告知另一端可能的速率，集線器或網(wǎng)卡將自動調(diào)整速率至最高的公共水平，即線路兩端可能具有的最高速率。按優(yōu)先權從高到低依次為：

22、100BASE-TX全雙工 100BASE-T4 100BASE-TX 10BASE-T全雙工 10BASE-T,知識點歸納,,Auto Negotiation 舉例:,加電時，線路兩端的設備互相告知另一端自己可能的速率，集線器或網(wǎng)卡將自動調(diào)整速率至線路兩端可能具有的最高公共速率，即 10BASE-T Half Duplex。,知識點歸納,快速以太網(wǎng)組網(wǎng)實

23、例:,,知識點歸納,千兆以太網(wǎng)(Gigabit Ethernet， GE):,允許速率在1Gbps下全雙工(交換機)和半雙工(HUB)兩種方式工作 采用802.3協(xié)議規(guī)定的MAC 幀格式半雙工方式下使用 CSMA/CD 協(xié)議, 全雙工方式不使用 CSMA/CD與 10BASE-T和100BASE-T技術向后兼容千兆位以太網(wǎng)有兩個物理層標準： IEEE 802.3z (1000BASE-X, 1998.

24、6) IEEE 802.3ab (1000BASE-T, 1999.4)1000BASE-X：對應于802.3z標準，該標準基于光纖通道的物理層，使用媒體有三種：1000BASE-SX(多模光纖，用850nm短波長激光器)、 1000BASE-LX (多模或單模光纖，用1300nm長波長激光器)、1000BASE-CX (短距離平衡型銅纜)。1000BASE-T：對應于802.3ab標準，該標準使用增強

25、型5類(超5類)或6類UTP，一根UTP電纜中的8根線(4對)全部用上了。并采用了與100BASE-TX類似的自動協(xié)商機制。,知識點歸納,千兆以太網(wǎng)系列:,知識點歸納,千兆以太網(wǎng)的最大傳輸距離:,,,,,知識點歸納,千兆以太網(wǎng)關鍵技術:,千兆以太網(wǎng)工作在半雙工方式時： 必須進行沖突檢測，由于速率比以前又提高10倍，因此只能減小最大電纜長度10倍或增大最短幀長度10倍，前者使最大電纜長度減小到10m，實用價值太??；后者在發(fā)

26、送短數(shù)據(jù)時開銷又太大，所以在保持網(wǎng)段最長100m的同時，采用下法：(1) 載波延伸 (carrier extension)(2) 分組突發(fā)（packet bursting),,,千兆以太網(wǎng)工作在全雙工方式時： 通信雙方可同時進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，此時無沖突發(fā)生，不使用沖突檢測，因此不使用載波延伸和分組突發(fā)。,知識點歸納,,最小幀長仍保持64字節(jié)（512位）不變，但規(guī)定爭用期為512字節(jié)（即4096位時間）。當發(fā)送一幀時，

27、如果幀長小于512字節(jié)，那么物理層將發(fā)送一個特殊的“擴展載波”符號序列進行填充，直至幀長達到512字節(jié)。,載波延伸法:,知識點歸納,分組突發(fā)法：,當有很多短幀要發(fā)送時，第一個短幀用載波擴展的方法進行填充，但隨后的一些短幀則可一個接一個地發(fā)送，它們之間只需留有必要的幀間最小間隔即可，形成一串分組突發(fā)，直至總長達到1500字節(jié)或稍多。,知識點歸納,千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)：,知識點歸納,,1000Base-X 的實現(xiàn)：,1000BASE-SX (多模

28、光纖，用850nm短波長激光器) 1000BASE-LX (多模或單模光纖，用1300nm長波長激光器)1000BASE-CX (短距離平衡型銅纜),知識點歸納,,1000Base-T 的實現(xiàn)：,使用增強型5類(超5類) 或6類UTP，一根UTP電纜中的8根線(4對) 全部用上,知識點歸納,千兆以太網(wǎng)的應用：,,,,,知識點歸納,萬兆以太網(wǎng)（ 10Gigabit Ethernet，10GE）：,萬兆以太網(wǎng)以比前者10倍以上的能力增加

29、帶寬，其通信處理通力將極大地緩解局域網(wǎng)主干網(wǎng)所承受的壓力，同時也為用戶提供高效運行數(shù)據(jù)密集型應用程序所需的可伸縮性和速度。更重要的是，它還從根本上對城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)以及其它長距離網(wǎng)絡應用提供了極大支持，它與現(xiàn)存的大量SONET（電信使用的光網(wǎng)絡）兼容，可將萬兆以太網(wǎng)流量映射到SONET的STS-192c幀中。 萬兆以太網(wǎng)標準對物理層進行了重新定義。新標準的物理層有兩種：分別為LAN物理層和WAN物理層(可選)。

30、LAN物理層提供了現(xiàn)在正廣泛應用的以太網(wǎng)接口，傳輸速率為10Gb/s；WAN 物理層則提供了與 SONET OC-192c (STS-192c) 和SDH STM-64相兼容的接口，傳輸速率為 9.95328 Gb/s。,知識點歸納,萬兆以太網(wǎng)的幀格式與10Mb/s，100Mb/s，1Gb/s以太網(wǎng)的幀格式完全相同，還保留了802.3標準規(guī)定的以太網(wǎng)最小和最大幀長，這樣它仍能和較低速率的以太網(wǎng)很方便通信。只使用光纖作為傳輸媒

31、體。它使用長距離（超過40 km）的光收發(fā)器與單模光纖接口，以便能夠工作在廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)的范圍。萬兆以太網(wǎng)也可使用較便宜的多模光纖，但傳輸距離為65－300m。只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題，也不使用 CSMA/CD協(xié)議，傳輸距離不再受進行沖突檢測的限制而大大提高（交換網(wǎng)絡的傳輸距離只受光纖所能到達距離的限制），而且使標準得以大大簡化。,知識點歸納,萬兆以太網(wǎng)的物理層：,局域網(wǎng)物理層 LAN PHY。局域網(wǎng)物理層的數(shù)據(jù)

32、率是 10.000 Gb/s?？蛇x的廣域網(wǎng)物理層 WAN PHY。廣域網(wǎng)物理層具有另一種數(shù)據(jù)率，這是為了和所謂的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相連接。為了使 10 吉比特以太網(wǎng)的幀能夠插入到OC-192/STM-64幀的有效載荷中，就要使用可選的廣域網(wǎng)物理層，其數(shù)據(jù)率為 9.95328 Gb/s。,知識點歸納,端到端的以太網(wǎng)傳輸： 萬兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)，使以太網(wǎng)的工作范圍已經(jīng)從局域網(wǎng)（校園網(wǎng)、企

33、業(yè)網(wǎng)）擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，從而實現(xiàn)了端到端的以太網(wǎng)傳輸。 10G以太網(wǎng)巨大的帶寬使之可以成為園區(qū)骨干網(wǎng)或企業(yè)數(shù)據(jù)中心的首選，更使城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的面貌煥然一新。長距離LAN物理層和兼容SONET 的WAN物理層的定義，賦予以太網(wǎng)在廣域網(wǎng)中前所未有的強大形象。 在寬帶城域網(wǎng)的大量建設中， 萬兆或萬兆捆綁這樣的寬帶需求在城域網(wǎng)中的匯聚層及骨干層有相當多的市場需求。 由于10G以太網(wǎng)又支持與SONET/

34、SDH基礎架構的無縫連接能力， 這使得10G 以太網(wǎng)方案將在新興的寬帶廣域網(wǎng)市場取得發(fā)展。可以設想， 10G以太網(wǎng)在城域網(wǎng)中的應用將可在同一城市中任意兩座大樓間實現(xiàn)互連，通過光纖實現(xiàn)10G以太網(wǎng)連接， 用戶將得到前所未有的高速傳輸速率。,知識點歸納,3. 無線局域網(wǎng)與IEEE 802.11,知識點歸納,WLAN在無線網(wǎng)絡中的位置,WLAN (Wireless Local Area Network ) 是指傳輸范圍在 100米左右的無線

35、網(wǎng)絡，它的推動聯(lián)盟為 Wi-Fi Alliance （目前都以 Wi-Fi 產(chǎn)品的稱呼來形容 802.11 的產(chǎn)品），可用于單一建筑物或辦公室之內(nèi)，需要使用WLAN的場合主要包括： (1)不方便架設有線網(wǎng)絡的環(huán)境; (2)使用者時常需要移動位置; (3)臨時性的網(wǎng)絡。 802.11 WLAN主要面向兩種應用類型： (1) 接入：無

36、線站點通過無線接入設備訪問企業(yè)網(wǎng)絡 (2) 中繼：利用無線信道作為企業(yè)網(wǎng)的干線，用于大樓(LAN)與大樓(LAN)之間的數(shù)據(jù)傳輸,知識點歸納,在實際使用上，通常會將WLAN和現(xiàn)有的有線局域網(wǎng)結合，不但增加原本網(wǎng)絡的使用彈性，也可擴大無線網(wǎng)絡的使用范圍。 IEEE的802.11及其相關標準： (IR) IEEE 802.11b, 11Mbps ，使用DSSS技術, 11或1

37、3個信道，最多3個互不重疊，工作在2.4GHz頻段 IEEE 802.11a, 54Mbps，使用OFDM技術, 多個信道，最多12個互不重疊，工作在5GHz頻段 IEEE 802.11g, 54Mbps，使用OFDM技術, （802.11g兼容802.11b） 11或13個信道，最多3個互不重疊，工作在2.4GHz頻段 IEEE 802.11n, 108Mbps—32

38、0M甚至600Mbps，雙頻工作模式（含2.4GHz 和5GHz 兩個工作頻段）, 兼容以往的802.11a/b/g標準。采用MIMO與 OFDM調(diào)制相結合、天線等傳輸技術使傳輸距離大大增加，可達幾公 里（并能夠保障100Mbps的傳輸速率）。,知識點歸納,802.11b/g 互不重疊信道的選擇：,北美使用1－11信道，歐洲使用1—13信道。由圖知，某信道的信號傳送時會與相鄰的多個信道產(chǎn)生重疊

39、，若在同一個空間建立多個BSS/IBSS時，要讓它們所用的信道不會互相重疊而產(chǎn)生干擾。在同一個空間最多只能使用1、6、11這三個信道，若選用其他信道，最多只能有2個互不干擾的信道。,知識點歸納,同一空間802.11b多信道的使用增加帶寬,無線局域網(wǎng) WLAN 的組成，兩種類型的 WLAN ：,1. Infrastructured 網(wǎng)（有固定基礎設施的網(wǎng)絡）2. Ad Hoc 網(wǎng)（特定網(wǎng)絡，或稱自組網(wǎng)絡，無固定基礎設施）,知識點

40、歸納,,BSS（基本服務集）：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,知識點歸納,,ESS（擴展服務集）：,屬 Infrastructured 網(wǎng) ( DS:分布系統(tǒng)，AP：接入點， SSID：ESS擴展服務集標識符) 。一個移動節(jié)點使用某 ESS 的 SSID 加入ESS，移動節(jié)點可實現(xiàn)ESS中的一個BSS到另一個BSS的漫游。,知識點歸納,移動自組網(wǎng) (Mobile Ad hoc network)：,移動自組網(wǎng)（MANET），無基礎

41、設施，沒有基本服務集中的接入點 AP， 而是由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網(wǎng)絡。移動自組網(wǎng)絡中的每一個移動設備都具有路由器的轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能。,,,,,,自組網(wǎng)絡,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,E,D,C,B,F,源結點,目的結點,轉(zhuǎn)發(fā)結點,轉(zhuǎn)發(fā)結點,轉(zhuǎn)發(fā)結點,,知識點歸納,中繼例：擴展距離 ---- 無線網(wǎng)橋,中繼：利用無線信道作為企業(yè)網(wǎng)的干線，用于大樓與大樓之間 的數(shù)據(jù)傳輸。,知識點歸納,無線中繼 (Wi

42、reless Repeater) 例：,知識點歸納,中繼,802.11 標準中的 PHY層：,WLAN 傳輸方式有 紅外線 (Infra Red, IR) 和 無線電射頻 兩種 紅外系統(tǒng)的優(yōu)點：不受無線電干擾；視距傳輸，檢測和竊聽困難，保密性好。缺點是：對非透明物體的透過性極差，傳輸距離受限；易受日光、熒光燈等干擾；半雙工通信。無線電射頻系統(tǒng)采用 擴頻 (Spread Spectrum) 技術進行調(diào)制。擴頻技術的頻率范圍開放在 IS

43、M 頻段，此頻段不需申請： Industry: 902 ~ 928 Mhz (26MHz) Science: 2.4~2.4835 GHz (83.5MHz) Medicine: 5.15~5.35 GHz and 5.725~5.825 GHz (300MHz)擴頻技術主要又分為 跳頻 和 直接序列 兩種技術。,知識點歸納,,,,FHSS （跳頻擴頻）*,,,,DSSS（直接序列擴頻）*,使用

44、擴頻技術的好處：,擴頻是一種在信號傳輸前先將信號的帶寬進行擴展的技術。采用擴頻的好處是： 限制發(fā)射功率譜密度，減小對其它設備的影響 提高抗干擾能力。若使用窄頻，容易受到使用相同頻率的 通信干擾，導致完全無法通信(“蓋臺”) 有一定的加密作用。對于非特定的目的接收器，由于擴展 了帶寬的信號混在背景噪聲中，讓蓄意想偵聽竊取數(shù)據(jù)資 料的人不易判別真正的信號，避免了他人的截聽

45、 在多用戶環(huán)境下提供強有力的多址功能。供多個用戶使用 同一傳輸波段，保證了無線設備在頻段上的可用性和可靠 的吞吐量，也保證了使用同一頻段的設備不互相影響，避 免用戶之間相互干擾。,知識點歸納,IEEE 802.11 PHY層：,知識點歸納,802.11 標準中的 MAC層不能搬用CSMA/CD ： 無線局域網(wǎng)雖然也是多個站點共享無線信道，卻不能像同樣多個站點共享有

46、線信道的以太網(wǎng)那樣搬用 CSMA/CD 協(xié)議，這里主要有兩個原因： 無線網(wǎng)卡一般采用半雙工方式工作，即發(fā)送時不接收(檢測)，若搬用以太網(wǎng)的CSMA/CD ，則要一個站點在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時還必須不間斷地接收信號檢測信道，而在無線局域網(wǎng)中設備要實現(xiàn)這種全雙工功能花費過大； 即使我們使無線網(wǎng)卡全雙工方式工作，在發(fā)送同時進行沖突檢測，檢測到的信道“空閑”，由于隱終端效應可能也是假相，因而在接收端仍可能產(chǎn)生沖突。,知識點歸納,8

47、02.11 MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務集 BSS 中的移動站在什么時間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。,知識點歸納,802.11 采用了動態(tài)速率漂移技術，可以根據(jù)環(huán)境噪聲變化對傳輸速率進行自動調(diào)整。當設備移動到較遠距離或出現(xiàn)重大干擾時，發(fā)送節(jié)點將自動逐次降低速率。,分布協(xié)調(diào)功能 DCF ----爭用服務（必選項） ( Distributed Coordination Function ) D

48、CF 在每一個結點使用 CSMA 機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權。因此 DCF 向上提供爭用服務。 點協(xié)調(diào)功能 PCF ----無爭用服務（可選項） ( Point Coordination Function ) PCF 使用 AP 集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權輪流交給各個站從而避免了沖突的產(chǎn)生,知識點歸納,802.11 CSMA 發(fā)送站：- 如監(jiān)聽到信

49、道空閑, 經(jīng)DIFS 時間后則發(fā)送整個幀（發(fā)送時不用沖突檢測）-如果監(jiān)聽到信道忙，則堅持監(jiān)聽到不忙時，經(jīng)DIFS 時間后進入競爭期，進行二進制指數(shù)退避（第 i 次退避時，在 2i+2 個時隙中隨機選擇一個），退避后重新嘗試發(fā)送-如果發(fā)后未收到ACK(超時)，則重發(fā)幀802.11 CSMA 接收站：- 如果接收正確，則在SIFS時 間后應答一個 ACK 幀,其它站點： 聽到信道上在發(fā)送數(shù)據(jù)，則推遲訪問信道 NAV(Ne

50、twork Allocation Vector)時間,知識點歸納,,802.11 MAC： CSMA,DIFS: 一般用于發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀時的幀間間隔SIFS: 一般用于ACK應答、CTS應答、AP探詢應答、長MAC幀分片傳輸時的幀間間隔PIFS：一般用于開始使用PCF方式時的幀間間隔,Q：無線站點監(jiān)聽時如何判定信道“忙”？A：802.11 標準規(guī)定在物理層的空中接口進行載波監(jiān)聽， 通過收到的相對信號強度是

51、否超過一定的門限數(shù)值來 判定是否有其他的無線站點在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。Q：為何無線站點監(jiān)聽到信道空閑還要再等待？ A：因為此時可能有多個站點都在監(jiān)聽，而其他的站點可 能有更高優(yōu)先級的幀要發(fā)送，如其有，就要讓高優(yōu)先 級幀先發(fā)送（高優(yōu)先級幀需等待的幀間間隔時間較短， 可優(yōu)先獲得發(fā)送權，低優(yōu)先級幀需等待的幀間間隔時 間較長，須等待較長時間。SIFS < PIFS &

52、lt; DIFS ）,知識點歸納,幀間間隔 IFS：,所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱為幀間間隔 IFS (InterFrame Space) 幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權，但低優(yōu)先級幀就必須等待較長的時間 若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)，因而低優(yōu)先級幀就只

53、能再推遲發(fā)送了，這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會,知識點歸納,虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense，VCS)： 源站將它還要占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認幀所需時間）在其 MAC 幀首部字段“持續(xù)時間”中填入指示給所有其他站，其他所有站會在這段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù), 這樣大大減少了沖突的機會。 “虛擬”是指其他站并沒有真正監(jiān)聽信道，而是檢測到源站發(fā)送幀中的“持續(xù)時間”才不發(fā)送數(shù)據(jù)，

54、這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。 當一個站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時間”字段時，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡分配向量 NAV ( Network Allocation Vector)，NAV 指出了必須經(jīng)過多少時間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。,知識點歸納,隱終端(Hidden terminal)效應：,若只使用 CSMA，表面上偵聽到信道 “閑” 可能結果不正確, 是假相，由于：

55、 (a) 隱蔽站問題 ---- 在發(fā)送方偵聽不到：可能是由于中間有障礙物， A, C 不能互 相聽到，A、C 于是都發(fā)給 B， 在B 處此時就會產(chǎn)生沖突。 (b) 信號強度衰減問題 ---- C 在發(fā)送，但由于信號傳輸衰減，傳到 A 處時，A 可能聽不到，于是A 以為信道空閑，也發(fā)， 這樣接收站 B 處就會產(chǎn)生沖突。,隱終端是指在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者通信范圍外的終端。,知識點

56、歸納,暴露終端(Exposed terminal)效應：,當節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點C也希望向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)。 根據(jù)CSMA協(xié)議，節(jié)點C偵聽信道，它將聽到節(jié)點B正在發(fā)送數(shù)據(jù)，于是錯誤地認為它此時不能向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)， 但實際上它的發(fā)送不會影響節(jié)點A的數(shù)據(jù)接收，這就導致節(jié)點C所謂暴露終端問題的出現(xiàn)。,暴露終端是指在發(fā)送者的通信范圍之內(nèi)而在接收者通信范圍之外的終端。,知識點歸納,沖突避免: 在發(fā)送長數(shù)據(jù)幀前，增加 RTS-CTS 交

57、互：,進一步改進:RTS/CTS: 信道預約發(fā)送站: 發(fā)出短的 RTS幀(request to send)預約信道接收站: 應答短的 CTS幀 (clear to send)同意預約CTS 為發(fā)送站保留信道, 起了通知其它(可能隱蔽的)站點的效果避免了隱蔽站點造成的沖突,,知識點歸納,知識點歸納,沖突避免: RTS-CTS 預約信道：,RTS 與 CTS 為短幀:由于RTS幀長20字節(jié)，CTS幀長14字節(jié)，比最大數(shù)據(jù)幀長

58、度2346字節(jié)要短很多，所以發(fā)生沖突可能性很小最后效果類似于沖突檢測 協(xié)議設計精巧，碰撞很少會發(fā)生。但極少數(shù)情況下碰撞仍可能發(fā)生，如B和C站同時向A發(fā)送RTS幀，這兩個RTS幀就會發(fā)生碰撞，A收不到正確的RTS幀，因而也不會發(fā)送后續(xù)的CTS幀，這時，B和C發(fā)現(xiàn)超時后，會隨機推遲一段時間后重新發(fā)送其RTS幀，推遲時間的算法也是使用二進制指數(shù)退避。,知識點歸納,,,隱終端問題解決方式,,節(jié)點A欲發(fā)送一數(shù)據(jù)包給節(jié)點

59、B, 首先A發(fā)送一RTS給B;B發(fā)送CTS;A收到CTS后發(fā)送數(shù)據(jù);C監(jiān)聽到CTS，知道有節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，A和B數(shù)據(jù)傳輸時間C不會發(fā)數(shù)據(jù)包。,,暴露終端問題解決方式,1、發(fā)送者發(fā)送 RTS。2、接收者返回 CTS。3、鄰居節(jié)點： 如果收到 CTS則保持安靜，不能傳輸數(shù)據(jù)。 如果只收到 RTS 而沒收到 CTS,可以傳輸數(shù)據(jù)。,,802.11 MAC: CSMA/CA,計算隨機退避時

60、間(2i+2個時隙選一）以再次重新試圖接入信道,,二進制指數(shù)退避 (Binary Backoff),沖突避免的另一個措施： 當信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時，多個等著發(fā)送的站點此時可能都想發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當這些站點要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不僅都必須等待一個 IFS 間隔， 而且還要進入爭用窗口，計算隨機退避時間和進行各自退避，退避后再次重新試圖接入信道， 這樣就可以減少發(fā)生沖突的概率（當多個站都等著信道忙變閑、打算占用信道時）總結WLAN使用C

61、SMA/CA競爭無線信道時， CA沖突避免措施一共采用了以下這些方法： 1. 二進制指數(shù)退避 2. 虛擬載波監(jiān)聽 3. RTS/CTS預約信道 4. 各站根據(jù)所發(fā)幀的優(yōu)先級，采用不同的幀間間隔延遲DIFS、 PIFS或SIFS,,Binary Backoff,具體的802.11使用的

62、二進制指數(shù)退避算法（Binary Backoff）如下： 第 i 次退避時，在 2i+2 個時隙中隨機選擇一個。 [例] 第1次退避在8個時隙中隨機選擇一個（而不是象以太網(wǎng)那樣第1次沖突后在2個時隙中選）； 第2次退避在16個時隙中隨機選擇一個（而不是象以太網(wǎng)那樣第2次沖突后在4個時隙中選）。 。。。。。。 然后根據(jù)該時隙數(shù)設置

63、一個退避計時器進行減1計時，當計時器時間減小到0時就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。若時間還未減到0信道又變?yōu)槊?，則凍結該計時值重新等待信道變?yōu)榭臻e、再經(jīng)過時間DIFS后，繼續(xù)啟動退避計時器（從剩下的時間開始）。這樣規(guī)定有利于該繼續(xù)啟動計時器的站更早地接入信道中。,,點協(xié)調(diào)功能 PCF （選項）,以上內(nèi)容為： 分布協(xié)調(diào)功能 DCF – CSMA/CA, 爭用服務（必選項）

64、 所有的 AP 、STA都須具有此功能IEEE 802.11 還有： 點協(xié)調(diào)功能 PCF – 無爭用服務（可選項） ( Point Coordination Function ), 某些 AP 有此功能。 具有該功能的 AP 使用集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權輪流交給各個站，從而避免了沖突的產(chǎn)生。可以用在時間敏感的服務場合，如音頻、視頻傳輸時；AP 通過使用短的幀間間隔 PIFS

65、，可獲得優(yōu)先發(fā)送權；AP 有了優(yōu)先發(fā)送權，就可以輪流向各個無線站點發(fā)送查詢請求，從而控制無線介質(zhì)的訪問。,,無線接入過程,STA (工作站）啟動初始化、開始正式使用 AP 傳送數(shù)據(jù)幀前，要經(jīng)過三個階段才能接入: (1) 掃描(Scan) (2) 認證(Authentication) (3) 關聯(lián)(Association),,無線接入過程,無線接入第一階段 : 掃描（ Scan ) 階

66、段 1、主動掃描方式（特點：能迅速找到） STA 依次在11個信道發(fā)出 Probe Request 幀，尋找與STA所屬有相同SSID的AP，若找不到有相同 SSID 的 AP，則一直掃描下去… 2、被動掃描方式（默認，特點：找到時間較長，但STA節(jié)電） STA被動等待AP 每隔一段時間定時送出的 Beacon 信標幀，該幀提供了AP MAC地址及所在SSID相關信息： “我

67、在這里”…,,無線接入第二階段 : 認證（Authentication）階段 當 STA 找到與其有相同 SSID 的 AP，在 SSID 匹配的 AP 中，根據(jù)收到的 AP 信號強度，選擇一個信號最強的 AP，然后進入認證階段。只有身份認證通過的站點才能進行無線接入訪問。802.11提供幾種認證方法，有簡單有復雜，如采用802.1x/EAP認證方法時大致為： STA向AP發(fā)送認證請求AP向認證服務器發(fā)送請求

68、信息要求驗證STA的身份認證服務器認證完畢后向AP返回相應信息如果STA身份不符，AP向STA返回錯誤信息 如果STA身份相符，AP向STA返回認證響應信息,無線接入過程,,無線接入第三階段 : 關聯(lián)（Association）階段 當 AP 向 STA 返回認證響應信息、身份認證獲得通過后， 進入關聯(lián)階段：STA 向 AP 發(fā)送關聯(lián)請求AP 向 STA 返回關聯(lián)響應