ch4 24讲 MAC SUBLAYER.docx
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ch424讲MACSUBLAYER
第四章介质访问控制子层
概述
4.1信道分配问题
4.2多路访问协议
4.3以太网（2讲）
⏹由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了。
⏹很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。
⏹网络接口板又称为通信适配器（adapter）或网络接口卡NIC（NetworkInterfaceCard），或“网卡”。
⏹网卡的重要功能：
-进行串行/并行转换。
-对数据进行缓存。
-在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
-实现以太网协议
4.3.1以太网电缆
名称
电缆
最大的段长度
每段节点数
优点
10Base5
粗同轴电缆
500m
100
早期的电缆,现在已经废弃了
10Base2
细同轴电缆
185m
30
不需要集线器
10Base-T
双绞线
100m
1024
最便宜的系统
10Base-F
光纤
2000m
1024
最适合于在楼与楼之间使用
图4.43种以太网电缆（a）10Base5;（b）10Base2;（c）10Base-T
▪物理层类型用以下域表示：
-
-10Base5含义:
10：
10Mbps;Base：
基带传输（basebandmedium）；5：
500米
•10Base5：
粗缆，AUI接口；
•10Base2：
细缆，BNC接口，T型头；
•10Base-T：
RJ-45接口
-收发器（transceiver）：
处理载波监听和冲突检测
▪布线拓扑结构
-总线形，脊椎形，树形，分段
图4.15电缆拓扑结构（a）线形;（b）主干;（c）树型（d）分段
▪扩展网段长度
-中继器：
物理层设备，只对信号进行接收、放大和双向重传；
-两个收发器之间最多使用4个中继器，最长2500米
▪网卡的功能
-数据的封装与解封发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。
接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。
-链路管理主要是CSMA/CD协议的实现。
-编码与译码即曼彻斯特编码与译码。
▪行星网10BASE-T
-不用电缆而使用无屏蔽双绞线。
每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。
-在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）。
-集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
-10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。
-这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
-10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
▪集线器的特点:
-集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
-使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。
-集线器很像一个多端口的中继器（转发器），工作在物理层。
4.3.2802.3的信号编码--曼彻斯特编码
-为区分0v信号和空闲状态,采用+1—1-1—0
-为同步,每一位（bit）的周期分成两个相等的间隔.—要求带宽是直接二进制编码的2倍.
-总之,由于曼彻斯特编码的简单，所有的802.3基带系统都使用曼彻斯特编码。
4.3.3以太网MAC子层协议
在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。
如:
00-E0-4C-53-BE-7548bit6B
EUI扩展的唯一标识符
▪网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.
-如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
-否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
▪常用的以太网MAC帧格式有两种标准：
-DIXEthernetV2标准
-IEEE的802.3标准
▪最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
FCS--帧检验序列
▪“发往本站的帧”包括以下三种帧：
（目的地址字段）
-单播（unicast）帧（一对一）
-广播（broadcast）帧（一对全体）
-多播（multicast）帧（一对多）
-全局地址46位,约70万亿.
-目的地址第一位（LSB:
LeastSignificantBit）为0，表示单地址（individualaddress）；为1，表示组地址（groupaddress），支持multicast，目的地址全1，为广播地址。
源地址第一位（LSB）为0。
-地址中的第二位（LSB）用来区分本地地址和全球地址
▪长度/类型字段若数值>1500用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。
若数值<1500表示长度域.802.3与DIX折中.
▪数据字段的正式名称是MAC客户数据字段,最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度.当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。
▪为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节:
在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。
第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。
▪无效的MAC帧
-数据字段的长度与长度字段的值不一致；
-帧的长度不是整数个字节；
-用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
-数据字段的长度不在46~1500字节之间。
-有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。
-对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。
以太网不负责重传丢弃的帧。
▪最短帧长
-避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于2；
-—单程端到端延迟,电磁波在1km电缆的传播延迟约为5s.
-对于一个最大长度为2500m,具有4个中继器的10MbpsLAN来说,最差情况下往返一周的时间大约是50s,其中包括了通过4个中继器所需要的时间,强化碰撞延续时间等因素.（2.5km*2*5us/km=25us;4*2中继器的中继时间；强化碰撞时间）
图4.18冲突检测需要2时间
-考虑到安全余量,10MbpsLAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节；
-网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。
如1Gbps网,2500m,最短帧长应为6400字节或640字节,250m长.
4.34二元指数后退算法
▪算法
-将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽
-发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时槽再开始重传；
-发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0,1,2或3个时槽再开始重传；
-第i次冲突后，在0至2i-1间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；
-10次冲突后，选择等待的时槽数固定在0至210-1间；
-16次冲突后，发送失败，报告上层。
▪为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施
-采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
-以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
-这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
-以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
-当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。
差错的纠正由高层来决定。
-如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
4.3.5交换式以太网（以太网交换机）
▪目的：
减少冲突；
▪两种实现方法
-一个卡内是一个802.3LAN，构成自己的冲突域，卡间并行；
-使用端口缓存，无冲突发生。
▪1990年问世的交换式集线器（switchinghub），可明显地提高局域网的性能。
▪交换式集线器常称为以太网交换机（switch）或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
▪以太网交换机通常都有十几个端口。
因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。
▪以太网交换机的特点
-以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。
-交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。
-以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。
-对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（10Mb/s）的N分之一。
-使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有N对端口的交换机的总容量为N10Mb/s。
这正是交换机的最大优点。
4.3.6快速以太网（3讲）
▪标准
-1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是802.3的一个补充。
向后兼容:
原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从100ns缩短为10ns。
▪对10Mbps802.3LAN的改进
-一种方法是改进10Base-5或10Base-2，采用CSMA/CD，最大电缆长度减为1/10，未被采纳；
-另一种方法是改进10Base-T，使用HUB，被采纳（因:
10Base-T连接方式具有压倒性优势）,所以快速以太网均采用集线器和交换机,而不使用分接头或BNC连接器的电缆.
名称
线缆
最大的段距离
优点
100Base-T4
双绞线
100m
使用4对3类UTP
100Base-TX
双绞线
100m
100Mbps的速率,全双工（2对5类UTP）
100Base-FX
光纤
2000m
100Mbps的速率,全双工;长距离2对光纤
▪100Base-T4
-使用4对ISO/IEC11801定义的3、4、5类平衡双绞线;
-3类非屏蔽双绞线（UTP），使用25MHz的信号（802.3使用20MHz的信号，由于使用Manchester编码，波特率=2*比特率）；
-4对双绞线，1对tothehub，1对fromthehub，另外2对根据数据传输方向变换；
-8B6T（8bits（256）mapto6trits（729））编码，使用三进制信号（ternarysignals），1对双绞线的比特率为25*8/6=33.3Mbps，正向100M，反向33.3M。
-需专门激励机制以提高承载能力
▪100Base-TX
-使用2对5类平衡双绞线或150屏蔽平衡电缆，1对tothehub，1对fromthehub，全双工；
-5类双绞线使用125MHz的信号；
-4B5B编码，5个时钟周期发送4个比特（16个组合为数据,16个组合为控制），物理层与FDDI兼容，比特率为125*4/5=100Mbps；
通常,100base-T4和100base-Tx合起来称为1000base-T.（HUB和SWITCH均适用）
▪100Base-FX（只能连接交换机,不能连接集线器,因为对于以太网冲突算法来说,光纤距离太长）
-使用2根多模光纤，全双工
▪两种类型的HUB
-共享式HUB，一个冲突域，工作方式与802.3相同，CSMA/CD，二进制指数后退算法，半双工通信方式
-交换式HUB（交换机），输入帧被缓存，一个端口构成一个冲突域。
4.3.7千兆以太网
▪标准：
802.3z1998
▪允许在1Gb/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。
▪GigabitEthernet使用扩展的802.3MAC子层接口，通过GMII（GigabitMediaIndependentInterface）与物理层相连；
▪物理层实体：
1000BASE-LX,1000BASE-SX,1000BASE-CX,1000BASE-T.
▪1000BASE-X（包括1000BASE-SX（短波长）,1000BASE-LX（长波长）,和1000BASE-CX（铜线））物理层标准符合ANSIX3.230-1994（FibreChannel）FC-0和FC-1，采用8B/10B编码；1000BASE-T4对5类UTP,采用4B/5B编码；
▪在一个冲突域内，只允许一个repeater
▪帧格式
-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。
（因为不使用CSMA/CD协议）
-载波延伸技术
-吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为100m，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。
-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。
-分组突发技术
-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。
4.3.8逻辑链路控制----IEEE802.2
LAN的参考模型
-逻辑链路控制子层LLC（LogicalLinkControl）
•引入LLC子层的原因：
●MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口），有些情况下，这种服务足够，如支持IP协议；当需要确认和流控的时候，这种服务就不能满足，需要LLC。
•LLC子层提供确认机制和流量控制；
•LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；
•LLC提供三种服务选项：
●不可靠数据报服务
●有确认数据报服务
●可靠的面相连接的服务
•LLC帧头基于HDLC协议
-介质访问控制子层MAC（MediumAccessControl）
•数据封装（发送和接收）
●成帧（帧定界、帧同步）
●寻址（源和目的地址处理）
●差错检测
•介质访问管理
●介质分配（冲突避免）
●冲突解决（处理冲突）
▪分成两个子层的原因
-管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制；
-对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择
4.3.9以太网回顾
▪以太网从10Mb/s到10Gb/s的演进证明了以太网是：
-可扩展的（从10Mb/s到10Gb/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。
4.4无线LAN（del）
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。
2001年制订了802.11g.
802.11协议栈的部分视图:
▪无线LAN802.11的物理层技术:
ISM频段（900M,2.4G,5G三个频段,功率低,公用）
●802.11的物理层有以下三种实现方法：
●跳频扩频FHSS—（frequencyhoppingspreadspectrum）用伪随机数发生器来产生调频序列,分配公平,抗多径衰减,抗干扰,安全性高
●直接序列扩频DSSS—（directsequencespreadspectrum）编码方案类似于CDMA,发送时间片速率--1M（或2M）时间片/秒
●红外线IR（infra-red）—0.85或0.95m波段漫射传输不同房间中的信元是相互隔离的
●802.11a的物理层工作在5GHz频带，采用正交频分多路复用OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing），它也叫做多载波调制技术（载波数可多达52个）。
可以使用的数据率为6,9,12,18,24,36,48和54Mb/s。
●802.11b的物理层使用工作在2.4GHz的高速率直接序列扩频技术（HighrateDSSS），发送时间片速率--11M时间片/秒数据率为5.5或11Mb/s。
●802.11g是802.11b的增强版本,使用802.11a的OFDM调制方法,但运行在2.4GHzISM频段（与802.11b相同）
▪无线LAN802.11的MAC层
●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
●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。
无任何中心控制手段所有802.11都必须支持DCF模式工作过程:
A向B发送RTS帧,B回送CTS帧,A收到CTS后发送数据,并启动ACK定时器,B正确收到数据后用一个ACK应答,协议终止.若A定时器超时,重复该过程.C在A的无线范围之内,它可能收到RTS帧,若收到,则根据RTS信息为自己声明一种虚拟信道,并且该信道正忙,用NAV（NetworkAllocationVetor网络分配向量）标示出来.D没有收到RTS帧,但收到CTS帧,所以它也声明了NAV信号.NAV信号并不被传送出去,它们只是一种内部的提醒信号,在下一个确认到来之前使其它站保持一定时间的安静.有争用服务
在CSMA/CA中,虚拟信道nav监听的用法
●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使用基站来控制单元内的所有活动PCF仅作为802.11的可选模式.基站对其它的站进行表决,一旦一个站已经申请到特定速率的表决服务,则可以获得一定的带宽保证.无争用服务
▪802.11数据帧
Version域:
协议版本;Type域:
数据帧,控制帧,管理帧;Subtype:
RTS,CTS,ACK;
ToDS:
发向跨单元的分布系统（如以太网）;FromDS:
来自~;MF:
后有更多分片;
Retry:
重传的帧;Pwr:
电源管理（睡眠等）;More:
还有更多的帧要传;W:
WEP算法加密;
O:
按顺序接收:
Duration:
持续时间;Address:
源地址,目标地址,源基站地址,目标基站地址（用于帧在基站之间出入）;Seq.:
分片序列号;Data:
0~2312;Checksum:
校验和
4.5宽带无线网络802.16（del）
解决最后一英里（lastmile）问题
1999启动-2002制订802.16标准官方名称—固定宽带无线访问系统的空中接口（airinterfaceforfixedbroadbandwirelessaccesssystems）俗称无线MAN无线本地回路
▪802.11与802.16比较
●运行环境非常类似,目标都是提供高带宽的无线通信,但802.16针对不会移动的建筑物提供服务,802.11主要处理移动性问题.802.16面对用户多,投资相对可以大些,采用全双工通信.802.11寄来避免全双工以降低无线电的开销
●覆盖范围802.16达几公里.信号功率差别大,要采用多种调制方案,强制执行安全性和私密性
●频段802.16非ISM频段,10~66GHz毫米波802.16个人分得的带宽要比802.11大,802.11设计目标是移动的以太网802.16设计目标是固定位置的有线电视
4.6蓝牙技术802.15（del）
1994Ericsson爱立信公司,后其它4家公司IBM,Intel,Nokia诺基亚,Toshiba东芝一起组成SIG（特别兴趣集团SpecialInterestGroup）联盟目标:
将计算机和通信设备或附加部件（头戴设备等）通过短距离,低功耗,低成本的无线电波互连起来,命名为蓝牙Bluetooth北欧海盗王最初目标只是要去掉设备之间的电缆,但是很快扩大范围侵入到无线LAN领域中,与802.11开始竞争.均采用ISM频段,两个系统会相互电场干扰.
1999蓝牙SIG发布1500页规范,2002802.15以其为基础
4.7数据链路层交换（四讲）
▪回顾:
用集线器在物理层扩展局域网--优点1.使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
2.扩大了局域网覆盖的地理范围。
--缺点:
1.碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
2.如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
▪在数据链路层扩展局域网是使用网桥
▪定义：
网桥（bridge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发。
它通过查看数据链路层的地址来完成帧的转发任务.网桥具有过滤帧的功能。
当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口.而路由器要检查分组中的地址,并根据此地址进行路由.
▪为什么使用桥？
-学校和企业的各个部门分别拥有自己独立管理的LAN，为了进行交互，需要使用桥来实现互连；
-一个企业分布在相隔很远的不同建筑物内，在每个建筑物内组建单独的LAN，并使用桥将这些LAN连接起来，是比较经济的方案；
-将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互连的几个LAN以减轻负担；
图4.39通过一个骨干网将多个LAN连接起来,可以处理比单个LAN的容量高得多的负载
通过一个骨干网将多个LAN连接起来,可以处理比单个L
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