計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第14講）

1、軟件學(xué)院軟件學(xué)院1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第十四講）主講：李 勇二零一四年十一月軟件學(xué)院2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義2上次課主要內(nèi)容o二層交換機(jī)n 容量n 全雙工模式n 自動協(xié)商o虛擬局域網(wǎng)n 劃分原則n 劃分方法n 作用o高速以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)o無線局域網(wǎng)n 有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)n 移動自組網(wǎng)絡(luò)軟件學(xué)院34.8.2 802.11 局域網(wǎng)的物理層o 802.11 無線局域網(wǎng)可再細(xì)分為不同的類型。o 現(xiàn)在最流行的無線局域網(wǎng)是 802.11b，而另外兩種（802.11a 和 802.11g）的產(chǎn)品也廣泛存在。 o 802.11 的物理層有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：n 直接序列擴(kuò)頻 DSSSn 正交頻分復(fù)用 OFD

2、M n 跳頻擴(kuò)頻 FHSS （已很少用）n 紅外線 IR （已很少用） 軟件學(xué)院4幾種常用的 802.11 無線局域網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn) 頻段 數(shù)據(jù)速率 物理層 優(yōu)缺點(diǎn)802.11b 2.4 GHz 最高11 Mb/s 擴(kuò)頻 最高數(shù)據(jù)率較低，價(jià)格最低， 信號傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙 802.11a 5 GHz 最高54 Mb/s OFDM 最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時(shí)上網(wǎng)， 價(jià)格最高，信號傳播距離較短，且易受阻礙802.11g 2.4 GHz 最高54 Mb/s OFDM 最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時(shí)上網(wǎng)， 信號傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙， 價(jià)格比802.11b貴802.11n 2.4 GHz

3、最高600 Mb/s MIMO 使用多個(gè)發(fā)射和接收天線以允許更高的數(shù)據(jù) 5 GHz OFDM 傳輸率，當(dāng)使用雙倍帶寬(40 MHz)時(shí)速率可 達(dá)600 Mb/s軟件學(xué)院54.8.3 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議1. CSMA/CA 協(xié)議 無線局域網(wǎng)卻不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。這里主要有兩個(gè)原因。o CSMA/CD 協(xié)議要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)，還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能就花費(fèi)過大。o 即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且當(dāng)我們在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。 軟件學(xué)院6無線局域網(wǎng)的特殊問題 當(dāng) A 和

4、C 檢測不到無線信號時(shí)，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hidden station problem) A 的作用范圍C 的作用范圍ABCD軟件學(xué)院7無線局域網(wǎng)的特殊問題 B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，而 C 又想和 D 通信。C 檢測到媒體上有信號，于是就不敢向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。 其實(shí) B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響 C 向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposed station problem) ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍軟件學(xué)院8CSMA/CA 協(xié)議 o無線局域網(wǎng)不能使用 CSMA/CD，而只能使用改

5、進(jìn)的 CSMA 協(xié)議。o 改進(jìn)的辦法是把 CSMA 增加一個(gè)碰撞避免(Collision Avoidance)功能。o 802.11 就使用 CSMA/CA 協(xié)議。而在使用 CSMA/CA 的同時(shí)，還增加使用停止等待協(xié)議。o 下面先介紹 802.11 的 MAC 層。 802.11 的 MAC 層 MAC 層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2

6、 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集 BSS 中的移動站在什么時(shí)間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。 802.11 的 MAC 層在物理層之上包括兩個(gè)子層 MAC 層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHz

7、FHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11DCF 子層在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用 CSMA 機(jī)制的分布式接入算法，讓各個(gè)站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此 DCF 向上提供爭用服務(wù)。 MAC 層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordin

8、ation Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11PCF 子層使用集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站從而避免了碰撞的產(chǎn)生 MAC 層無爭用服務(wù)爭用服務(wù)分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordi

9、nation Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11軟件學(xué)院13幀間間隔 IFS o 所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間的通稱是幀間間隔 IFS (InterFrame Space)。o 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(shí)間較短，因此可

10、優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)。o 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)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會。 三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送SIFS，即短(Short)幀間間隔，長度為 28 s，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個(gè)站應(yīng)當(dāng)能夠在這段時(shí)間內(nèi)從發(fā)送方式切換到接收方式。使用 SIFS 的幀類型有：ACK 幀、CTS 幀、由過長的 MAC 幀分片后的

11、數(shù)據(jù)幀，以及所有回答 AP 探詢的幀和在 PCF 方式中接入點(diǎn) AP 發(fā)送出的任何幀。三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送PIFS，即點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔（比 SIFS 長），是為了在開始使用 PCF 方式時(shí)（在 PCF 方式下使用，沒有爭用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS 的長度是 SIFS 加一個(gè)時(shí)隙(slot)長度（其長度為 50 s），即78 s。 時(shí)隙的長度是這樣確定的：在一個(gè)基本服務(wù)集 BSS 內(nèi)當(dāng)某個(gè)站在一個(gè)時(shí)隙開

12、始時(shí)接入到媒體時(shí)，那么在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，其他站就都能檢測出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。 三種幀間間隔 時(shí)間SIFSPIFSDIFS媒體空閑 發(fā)送第 1 幀SIFSPIFS時(shí)間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發(fā)送下一 幀推遲接入等待重試時(shí)間有幀要發(fā)送源站時(shí)間目的站ACKSIFS 其他站有幀要發(fā)送DIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長的 IFS），在 DCF 方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS 的長度比 PIFS 再增加一個(gè)時(shí)隙長度，因此 DIFS 的長度為 128 s。 軟件學(xué)院17CSMA/CA 協(xié)議的原理 o 欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測信道。在 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理層的空中接口進(jìn)行物理層的

13、載波監(jiān)聽。o 通過收到的相對信號強(qiáng)度是否超過一定的門限數(shù)值就可判定是否有其他的移動站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。o 當(dāng)源站發(fā)送它的第一個(gè) MAC 幀時(shí)，若檢測到信道空閑，則在等待一段時(shí)間 DIFS 后就可發(fā)送。 軟件學(xué)院18為什么信道空閑還要再等待 o 這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。o 如有，就要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。 軟件學(xué)院19假定沒有高優(yōu)先級幀要發(fā)送 o 源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。o 目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時(shí)間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀 ACK。o 若源站在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀 ACK（由重傳計(jì)時(shí)器控制這段時(shí)間），就必須重傳此幀，直到收到確認(rèn)為止，或者經(jīng)過若干次的重

14、傳失敗后放棄發(fā)送。 軟件學(xué)院20虛擬載波監(jiān)聽 o 虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)的機(jī)制是讓源站將它要占用信道的時(shí)間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需的時(shí)間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時(shí)間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。o 這樣就大大減少了碰撞的機(jī)會。 o “虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件學(xué)院21虛擬載波監(jiān)聽的效果 o 這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。o 所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個(gè)字段“持續(xù)時(shí)間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時(shí)間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認(rèn)幀所需的時(shí)

15、間。 軟件學(xué)院22網(wǎng)絡(luò)分配向量 o 當(dāng)一個(gè)站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時(shí)間”字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。o NAV 指出了必須經(jīng)過多少時(shí)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)。 軟件學(xué)院23爭用窗口 o 信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時(shí)，任何一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，不僅都必須等待一個(gè) DIFS 的間隔，而且還要進(jìn)入爭用窗口，并計(jì)算隨機(jī)退避時(shí)間以便再次重新試圖接入到信道。o 在信道從忙態(tài)轉(zhuǎn)為空閑時(shí)，各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。o 802.11 使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法。 軟件學(xué)院24二

16、進(jìn)制指數(shù)退避算法 o 第 i 次退避就在 22 + i 個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)地選擇一個(gè)，即： 第 I 次退避是在時(shí)隙 0, 1, , 22 + i 1 中隨機(jī)地選擇一個(gè)。 。o 第 1 次退避是在 8 個(gè)時(shí)隙（而不是 2 個(gè)）中隨機(jī)選擇一個(gè)。o 第 2 次退避是在 16 個(gè)時(shí)隙（而不是 4 個(gè)）中隨機(jī)選擇一個(gè)。 軟件學(xué)院25退避計(jì)時(shí)器(backoff timer)o 站點(diǎn)每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間就檢測一次信道。這可能發(fā)生兩種情況。n 若檢測到信道空閑，退避計(jì)時(shí)器就繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。n 若檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器的剩余時(shí)間，重新等待信道變?yōu)榭臻e并再經(jīng)過時(shí)間DIFS 后，從剩余時(shí)間開始繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。如果退避計(jì)時(shí)

17、器的時(shí)間減小到零時(shí)，就開始發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀。 軟件學(xué)院26退避算法的使用情況 o 僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢測到信道是空閑的，并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是要發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀。o 除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。即：n在發(fā)送第一個(gè)幀之前檢測到信道處于忙態(tài)。n在每一次的重傳后。n在每一次的成功發(fā)送后。 圖例 凍結(jié)剩余的退避時(shí)間幀幀幀幀幀DIFSDIFSDIFSDIFS爭用窗口爭用窗口爭用窗口爭用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)凍結(jié)802.11 的退避機(jī)制軟件學(xué)院28A 的作用范圍B 的作用范圍2. 對信道進(jìn)行預(yù)約 o 802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進(jìn)行預(yù)約。

18、ACBDERTSRTS源站 A 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個(gè)短的控制幀，叫做請求發(fā)送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應(yīng)的確認(rèn)幀）所需的持續(xù)時(shí)間。 軟件學(xué)院29A 的作用范圍B 的作用范圍2. 對信道進(jìn)行預(yù)約 o 802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進(jìn)行預(yù)約。 CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個(gè)響應(yīng)控制幀，叫做允許發(fā)送 CTS (Clear To Send)，它包括這次通信所需的持續(xù)時(shí)間（從 RTS 幀中將此持續(xù)時(shí)間復(fù)制到 CTS 幀中）。 A 收到 CTS 幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。 軟件學(xué)院30RTS 和 CTS 幀以

19、及數(shù)據(jù)幀和ACK 幀的傳輸時(shí)間關(guān)系 時(shí)間DIFSRTSSIFS時(shí)間NAV（RTS）DIFS爭用窗口推遲接入源站時(shí)間目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS數(shù)據(jù)NAV（CTS）NAV（數(shù)據(jù)）軟件學(xué)院314.8.4 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 幀o 802.11 幀共有三種類型，即控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。o 下面是數(shù)據(jù)幀的主要字段。 字節(jié) 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4幀控制持續(xù)期地址 1地址 2地址 3序號控制地址 4幀主體FCS協(xié)議版本類型子類型到DS從DS更多分片重試功率管理更多數(shù)據(jù)WEP 順序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部軟件學(xué)院32802.

20、11 數(shù)據(jù)幀的三大部分 o MAC 首部，共 30 字節(jié)。幀的復(fù)雜性都在幀的首部。o 幀主體，也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312 字節(jié)。這個(gè)數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都是小于 1500 字節(jié)。o 幀檢驗(yàn)序列 FCS 是尾部，共 4 字節(jié) 軟件學(xué)院331. 關(guān)于 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址o 802.11 數(shù)據(jù)幀最特殊的地方就是有四個(gè)地址字段。地址 4 用于自組網(wǎng)絡(luò)。我們在這里只討論前三種地址。 到 DS從 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址10AP 地址源地址目的地址軟件學(xué)院34AP1BSS1AB去往 AP = 1來自 AP = 0去往 AP =