第5章2局域网1

Review1.理想协议2.简单停等协议3.实用停等协议4.连续ARQ协议5.滑动窗口协议6.选择重传协议第4章局域网[e-mail]4.1局域网概述:局域网拓扑结构和传输介质*4.2局域网技术4.3局域网的IEEE802系列标准4.1局域网概述局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。1LAN特点地理分布范较小,一般为数百米至数公里。可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业数据传输速率高，一般为0.1-1000Mbps，可交换各类数字和非数字(如语音、图象、视频等)信息误码率低，一般在10-11～10-8以下以PC为主体，包括终端及各种外设，网中一般不设中央主机系统一般包含OSI参考模型中的低三层功能，即涉及通信子网的内容协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充局域网的拓扑匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网环形网LAN传输媒体传输媒体双绞线同轴电缆光纤无线hubhubhubhubrouterserverstationsstationsstations计算机通过网卡和局域网进行通信CPU高速缓存存储器I/O总线计算机至局域网网络接口卡（网卡）串行通信并行通信4.2局域网技术（0）为啥要研究信道分配技术?B向D发送数据CDAEB只有D接受B发送的数据4.2局域网技术（1）信道分配解决信道争用的协议称为介质访问控制协议MAC（MediumAccessControl），是数据链路层协议的一部分局域网技术（2）信道分配方法有两种静态分配频分多路复用FDM（波分复用WDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。时分多路复用TDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。局域网技术（3）动态分配信道分配模型的五个基本假设：站点模型：每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁；单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；连续时间和时间分槽（确定何时发送）；载波监听和非载波监听（确定能否发送）。局域网技术（4）多路访问协议定义：控制多个用户共用一条信道的协议ALOHA协议70年代，NormanAbramson设计了ALOHA协议目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议纯ALOHA协议基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发;信道利用率最高只有18.4%.局域网技术（6）分槽ALOHA协议基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。信道效率冲突危险区是纯ALOHA的一半，与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。局域网技术（7）载波监听多路访问协议CSMA（CarrierSenseMultipleAccessProtocols）载波监听（CarrierSense）站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。多路访问（MultipleAccess）多个用户共用一条线路1-坚持型CSMA（1-persistentCSMA）原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。局域网技术（8）优点：减少了信道空闲时间；缺点：增加了发生冲突的概率；广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；非坚持型CSMA（nonpersistentCSMA）原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。优点：减少了冲突的概率；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大。载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“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。1kmABt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1kmABt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=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2A检测到发生碰撞STOPAB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(truncatedbinaryexponentialtype)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。定义参数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10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，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(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。TJ人为干扰信号ABTBt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。分析以太网的信道利用率1坚持CSMA/CD信道利用率到底有多少?以太网的信道利用率我们假定：总线上共有N个站，每个站发送帧的概率都是p。争用期长度为2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为L(bit)，数据发送速率为C(b/s)，因而帧的发送时间为L/C=T0(s)。以太网的信道利用率一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间使得信道上无信号在传播)时为止，共需平均时间为Tav。发送成功争用期争用期争用期τ2τ2τ2T0τt占用期争用期的平均个数NR发送一帧所需的平均时间Tav…以太网的信道利用率（续）令A为某个站发送成功的概率，则A=P[某个站发送成功]=Np(1–p)N–1(4-1)显然，某个站发送失败的概率为1A。因此，P[争用期为j个]=P[发送j次失败但下一次成功]=(1–A)jA(4-2)争用期的平均个数等于帧重发的次数NR：1(1)(1)/jRjNjAAAA(4-3)以太网的信道利用率（续）求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：这里参数a是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。(4-4))12(1121000AaTNTTTSRav0Ta(4-5)最大信道利用率若设法使A为最大，则可获得最大的信道利用率。将(4-4)式对p求极大值，得出当p=1/N时可使A等于其极大值Amax：当N→∞时，Amax=1/e0.368。(4-6)1max11NNA将(4-6)式中的Amax值代入(4-4)式，即得出信道利用率的最大值Smax。取A=Amax=e10.368时，(4-4)式可简化为：若a→0，则信道利用率的最大值可达到100%。信道利用率的最大值SmaxN→(4-7)aS44.411maxa1时的信道利用情况（a=4）ABABt=T0ABABt=3T0t=4T0t=2T0ABt=5T0参数a=4使得信道利用率很低。考虑到T0是帧长L与数据的发送速率C之比，于是参数a可写为：(4-9)式的分子正是时延带宽积，或以比特为单位的信道长度，而分母是以比特为单位的帧长。参数a可以很容易地和时延带宽积联系起来0/!!!!CaTLCLaLC记住哦以后还要使用这个公式(4-9)a=0.01时的信道利用情况参数a=0.01使得信道利用率很高。ABABt=t=0.5…ABt=100…ABt=100.54.3局域网的IEEE802系列标准（1）IEEE802协议IEEE802系列标准定义了若干种LAN，包括对物理层、MAC子层的定义和描述。它的组成如下：802.1基本介绍和接口原语定义802.2逻辑链路控制（LLC）子层802.3采用CSMA/CD技术的局域网802.4采用令牌总线（TokenBus）技术的局域网802.5采用令牌环（To