第四章媒体介质访问控制子层(编辑修改稿)

第四章媒体介质访问控制子层(编辑修改稿)内容摘要：

CD 适用的范围，因此只允许使用交换机进行连接，因此每个站点也都可以全双工地进行通信。 事实上，所有交换机既可以与 10Mbps 站点连接，也可以与 100Mbps 站点连接，标准提 第 9 页 供了一种自动协商模式允许两个站点自动配置通信的最佳速率和通信方式（全双工或半双工），因此使用交换机与现有站点连接非常方便，而且站点升级也非常方便。 6. 千兆以太网 千兆以太网的标准是。 该标准在进一步提高数据速率的同时，仍然保持与所有现有的以太网标准相兼容，包括帧格式、最大帧长与最小帧长的限制等。 千兆 以太网的所有配置全都是点到点的，它允许两台计算机直接相连，也允许用 hub 或交换机连接多台计算机，也可以连接其它的 hub 或交换机，如图 422。 千兆以太网支持两种不同的操作模式：全双工模式和半双工模式。 正常模式是全双工模式，当使用交换机连接计算机或连接其它的交换机时使用这种模式。 由于所有的端口全都有缓存，因此每个站点都可以全双工地收发数据；由于网络中不存在冲突，也就不需要CSMA/CD，因此传输介质的长度只取决于信号的强度，而不用考虑冲突检测所需要的 2τ时间限制。 交换机可以随意混合和匹配速率，也支持自动协商 模式。 当使用 hub 连接计算机时，使用半双工模式。 由于 hub不缓存输入帧，并且所有端口都处在同一个冲突域中，因此 CSMA/CD 是需要的。 那么最小帧长多少比较合适呢。 如果要保持 64 字节的最小帧长，那么网络规模不能超过 25 米，这是不能接受的。 如果要保持 2500米的网络规模，最小帧长就要达到 6400 字节，这同样是不能接受的。 因此 个折衷，网络规模可以达到 200 米，而线路上传输的最小帧长为 512 字节。 为与现有协议相兼容并尽可能提高线路效率， 采取了两个新举措。 一个称为载波扩展（ carrier extension），即由物理层硬件在发送时将帧填充至 512 字节长，并由接收硬件在接收时自动去掉，这种操作是不为链路层所知的，所以链路层软件不需要作任何修改，当然这时传输效率是不高的。 第二个称为帧突发（ frame bursting），当发送端有多个帧准备发送时，可以将这些帧放在一起传输，这样当总的突发数据块超过 512字节时可以不用填充，而当不足 512 字节时仍由物理层进行填充，这样可以极大地提高线路的效率。 事实上，千兆以太网很少应用在半双工模式，这是非常不经济的，这种模式只是为了向后兼容的需要才制定 的。 千兆以太网支持电缆和光缆布线，如图 423。 在光纤布线方案中，使用激光作为光源（可以支持 1Gbps 的速率）；可用的光波段有两个： m 和 m，其中前者只能用于多模光纤中；光纤有三种： 10μ m、 50μ m 和 m，其中第一种是单模光纤，后两种是多模光纤。 可以达到的传输距离与所使用的光纤类型及光波段有关，当采用 10μ m的光纤和 m 的光波时，可以达到 5公里的最大距离，这个数字其实是很保守的，事实上可以达到 10 公里。 1000BaseCX 使用 2 对屏蔽双绞线，由于距离太近（只有 25 米），实际上很少使用。 1000BaseT 是使用 5 类双绞线的布线方案，距离可以达到 100 米。 在光纤上使用 8B/10B 编码（ 8 个数据比特编码为 10 个信号比特），这种编码比曼彻斯特编码节省带宽，通过仔细选择码字可使码字中 0、 1 个数均衡（有利于消除直流电平）并可提供足够多的状态变化（便于提取时钟）。 1000BaseT 使用 4 对 5 类双绞线，每对双绞线运行在 125M 波特的信号速率上，使用 5电平信号，其中四种电平用于编码数据，一种电平用于控制的目的，因此每个信号携带 2比特数据， 4 对双绞线可以 获得 2 4 125M = 1000Mbps数据速率。 由于使用了混合电路，每对双绞线上都可以进行双向传输，因此该方案可全双工地获得 1000Mbps 数据速率。 由于千兆以太网的速率非常高，数据发送与接收的处理稍有不同步就容易导致大量数据 第 10 页 丢失，因此千兆以太网中引入了流量控制，接收端可以使用一个特殊的 PAUSE 帧要求发送端暂停发送一段指定的时间。 7．无线局域网（ ） (1) 协议栈 从 OSI 参考模型的角度来看，所有的局域网实际上都对应了 OSI参考模型的物理层和数据链路层，其中数据链路层又分为逻辑链路控制子层 （ LLC）和介质访问控制子层（ MAC）（图 425）。 LLC 对于所有的 802 局域网都是一样的，因此，不同的 802局域网的差异仅仅体现在物理层和 MAC 子层上。 另外，有些局域网还允许使用不同的传输介质和传输技术进行通信，由于物理层与传输介质和传输技术密切相关，因此同一种局域网还可能存在多个物理层标准。 到目前为止， 标准化了一种 MAC 层协议，但在物理层上标准化了六种传输技术，其协议栈见图 425，其中前三种是低速的（ 1Mbps 或 2Mbps），后三种是高速的（ 10Mbps以上）。 (2) 物理层 红外通信：使 用 m 或 m 的光进行漫射传输，允许 1Mbps 和 2Mbps 两种速率，使用格雷码进行信号传输。 在 1Mbps 速率上，每 4比特数据编码为一个 16 比特的格雷码（ 15 个 0 和 1 个 1）；在 2Mbps速率上，每 2比特数据编码为一个 4比特的格雷码（ 3 个0 和 1 个 1）。 采用红外通信的好处是各个房间的通信系统互不干扰，缺点是带宽太低。 跳频扩频（ FHSS）：工作在 ISM频带上，共使用 79 个信道，每个带宽为 1MHz。 发送站使用一个伪随机码生成器生成跳频的序列，数据传输就发生在相应的信道上，在每个信道上的 传输时间可以用参数（停留时间）来指定。 如果接收站使用相同的种子数（ seed）来生成伪随机码，并在信道上停留相同的时间，那么就会和发送站跳到相同的信道上，从而成功接收数据。 在这里，种子数和停留时间是两个非常重要的参数，不知道这两个参数是不可能接收到数据的。 跳频扩频提供了一种动态分配信道的方法，而且安全性好，抗干扰性强，常用于建筑物之间的通信，其缺点是带宽太低。 直序扩频（ DSSS）：其方法有些类似 CDMA，但不完全相同。 每个比特用一个 11 位的Barker 码序列传输，在 1Mbaud 的信号速率上使用相位调制，当 工作于 1Mbps 速率时，每波特携带 1 比特，而当工作于 2Mbps 速率时，每波特携带 2 比特。 正交频分多路复用（ OFDM）：工作于 5GHz ISM 频带，共使用 52 个信道， 48 个用于数据传输， 4 个用于同步，每 216个数据比特被编码为一个 288 比特的符号，并被分到多个信道上同时传输。 这是 使用的传输技术，最高速率可以达到 54Mbps。 将一个数据信号分到多个较窄的信道上传输，可有效抵御窄带干扰，并允许使用非连续的信道。 高速直序扩频（ HRDSSS）：这是 ，工作于 ，可以获得 1， 2， 和 11Mbps 四种速率。 其中前两种速率及实现方法与 DSSS 兼容；当工作于，每个波特分别携带 4 比特和 8 比特时获得后两种速率。 数据速率在通信过程中可以根据当前信道的负载及噪声条件动态调整到可能的最佳速率，事实上， 几乎总是运行在 11Mbps 速率上。 尽管其数据速率低于 ，但通信范围是后者的 7 倍。 OFDM：这是用于 OFDM，它使用 中 OFDM的调制方法，只是工作在 频带上，理论上它可 以达到 54Mbps，但实际上是否能达到还不清楚。 (3) MAC 子层 由于无线局域网中的隐藏站点问题和暴露站点问题，再加上大多数的无线电收发装置是 第 11 页 半双工的，即它们不能在发送的过程中进行监听，因此以太网中的 CSMA/CD不能应用于无线局域网中。 支持 DCF（不使用基站控制）和 PCF（使用基站控制）两种操作模式，所有实现都必须支持 DCF，但支持 PCF 是可选的。 在 DCF 模式中， 使用 CSMA/CA 协议。 该协议支持两种操作，第一种操作类似于前面介绍过的 CSMA，发送站在发送前监听信道，信道忙则 推迟发送直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即发送帧，但在发送的过程中并不检测冲突（因为可能无法检测），如果发生冲突，发送站使用二进制指数退避算法等待一段时间，然后再试。 第二种操作基于MACAW，发送站向接收站发送一个 RTS 帧请求发送，接收站发送一个 CTS 帧表示同意发送，然后发送站可以发送一个帧，并启动一个 ACK计时器，接收站正确接收后必须返回一个 ACK 帧进行确认，若发送站的 ACK 计时器超时，则发送站重发。 收到 RTS或 CTS的站都用 NAV 信号通知自己的相关实体保持沉默，直至整个交换过程结束，保持沉默的时间可以根 据 RTS 或 CTS中给出的待发送帧或待接收帧的长度以及确认所需要的时间估算出来。 由于无线信道干扰比较大，使用长帧传输很容易出错，因此 允许在发送前对帧进行分段，每个段携带自己的校验和，被单独编号和确认，并使用一种停 等协议来传输。 一旦发送站通过 RTS 和 CTS获得信道后，他可以发送一系列的段，这一系列的段称为是一个段突发。 没有规定一个标准的段长度，但同一个 cell中的所有站点必须使用相同的段长度，基站可以调整本 cell 中的段长度。 NAV 机制只能确保发送站和接收站周围的站点保持沉默到第一 个段被确认，要确保发送站连续发送一个帧突发需要使用其它的机制（帧间距机制）。 在 PCF 模式中，基站用轮询法（ polling）询问每个站有没有数据要发送，由于基站完全控制了各个站的发送顺序，因此不会有冲突产生。 标准规定了轮询的机制，但轮询的频度、次序及各站点是否获得平等的服务等均由实现来决定。 基站还要周期性地广播一个信标帧（ beacon frame），帧中携带有诸如跳频序列、停留时间、时间同步等系统参数。 信标帧邀请新的站注册轮询服务， 一旦一个站注册了一个恒定速率的轮询服务，则它就会获得所要求的带宽。 由于无线移动设备通常用电池供电，而电池寿命是人们非常关心的问题，因此基站还负责电源管理。 在空闲的时候，基站可令移动设备进入休眠状态，进入休眠状态的设备过后可被基站或用户唤醒，这也意味着基站必须缓存发往移动设备的帧。 DCF 和 PCF 可以共存于一个 cell 中，这是通过帧间距机制来实现的。 在一次成功的帧传输后有一段空载时间（ dead time），不允许任何站发送数据。 规定了四种间隔时间（图 429）：  SIFS：允许正处于会话中的站点 优先发送，如允许收到 RTS 的站发送一个 CTS，允许收到数据的站发送一个 ACK，允许收到 ACK 的站继续发送后继的段而不用重新发送 RTS；  PIFS：在 SIFS间隔后只有一个站点允许发送，如果这个站点没有发送，那么在 PIFS后基站（ PCF 模式）可以发送一个信标帧或一个轮询帧；  DIFS：如果基站没有发送，那么在 DIFS 后任何站都可以试图发送来竞争信道；  EIFS：如果以上间隔都没有发送，那么在 EIFS 后收到坏帧或未知帧的站点可以发送一个帧报告错误。 尽管基于 RTS 和 CTS 的信道预约机制有助于降低冲突，但它也引入 了时延和消耗了信道资源，因此 该机制是可选的， 仅用于为长数据帧预约信道。 在实践中，每个无线节点可以设置一个 RTS门限值，仅当帧长超过门限值时，才使用 RTS/CTS 序列。 许多无线节点常将默认的 RTS 门限值设置得大于最大帧长，这样相当于未使用该机制。 若不使用 RTS/CTS 信道预约机制， CSMA/CA 工作如下。 当一个节点有帧要发送时， 第 12 页 首先侦听信道。 1） 如果一开始就侦听到信道空闲，则在等待了 DIFS时间后发送该帧（帧间间隔要求）。 2） 若信道忙，则选取一个随机的回退值，并在侦听到信道空闲时开始递减该值。 在此过程中若侦听到 信道忙，则停止递减，并保持计数值不变。 3） 当计数值减为 0 时（注意仅可能发生在侦听到信道为空闲时），该节点发送整个帧并等待确认。 4） 若收到确认帧，表明帧发送成功；若还要发送下一个帧，从第 2 步开始 CSMA/CA协议。 若未收到确认，节点重新进入第 2步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。 我们可以看到 CSMA/CA和 CSMA/CD 的差异。 在 CSMA/CD中，当节点侦听到信道空闲时，立即就可以发送数据。 而在 CSMA/CA中，当侦听到信道空闲时要推迟发送，尤其在第 2 步中要随机回退，这是为了减少冲突而采取的措施。 考 虑这样一种情形，一个节点正在发送，而另外两个节点在侦听信道准备发送。 当信道上的发送一完成，两个等待的节点同时侦听到信道空闲。 如果它们都等待 DIFS 后立即发送，则肯定发生冲突。 由于 CSMA/CA不检测冲突且发生冲突的代价很高，为了减少这种冲突的发生，令节点在侦听到信道忙后立即进入回退。 如果它们刚好选择了不同的回退值，则当信道空闲时会有一个节点先发送。 未发送的节点将冻结其计数值，并抑制发送直至前一个节点发送完成。 当然，如果两个节点选择了相同的回退值或者是相互隐藏的，则仍有可能发生冲突，这时可从一个更大的范围内选 取回退值。 (4) 帧结构 定义了三种类型的帧：数据帧、控制帧和管理帧，每种帧都有一个被 MAC 层使用的头，还有一些被物理层使用的头，下面只讨论 MA。