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內容安排

4.1 通道分配問題The Channel Allocation Problem 4.2 多路訪問協議Multiple Access Protocols 4.3 乙太網Ethernet 4.4 無線區域網Wireless LANs 4.5 寬頻無線Broadband Wireless 4.6 藍芽Bluetooth 4.7 RFID 4.8 資料鏈路層交換Data Link Layer Switching

本章討論的問題

網路鏈路分為：

點到點連線、採用廣播通道

廣播網路中的關鍵問題：

當通道的使用產生競爭時，如何確定誰可以使用通道——介質訪問控制方法，控制多個結點利用公共傳輸介質傳送和接收資料的方法；

介質訪問子層：

資料鏈路層的子層(底部)，決定廣播通道中通道分配。

4.1通道分配問題

• 通道分配方法有兩種：靜態分配、動態分配

靜態通道分配

• 頻分多路複用FDM（波分複用WDM）

原理：將頻帶平均分配給每個要參與通訊的使用者； 優點：適合於使用者較少，數目基本固定，各使用者的通訊量都較大的情況； 缺點：無法靈活地適應站點數及其通訊量的變化。

• 時分多路複用TDM

原理：每個使用者擁有固定的通道傳送時槽； 優點：適合於使用者較少，數目基本固定，各使用者的通訊量都較大的情況； 缺點：無法靈活地適應站點數及其通訊量的變化。

動態通道分配的假設

• 通道分配模型的五個基本假設：
• 流量獨立：每個站點是獨立的，並以統計固定的速率產生幀，一幀產生後到被髮送走之前，站點被封鎖。能幫助分析協議。
• 單通道假設：所有的通訊都是通過單一的通道來完成的，各個站點都可以從通道上收發資訊。
• 衝突可觀察：若兩幀同時發出，它們在時間上就重疊，由此產生的訊號是混亂的，稱為衝突。所有的站點都能檢測到衝突，衝突幀必須重發。除了因衝突而產生錯誤外，不會再有其它的錯誤。
• 時間連續或分槽：幀的傳輸只能從某個時間槽的起始點開始，一個時間槽可能包含0, 1或多個幀。
• 載波偵聽或非載波偵聽（確定能否傳送）。

4.2 多路訪問協議Multiple Access Protocols

多路訪問協議是指多個使用者共用一條通道的協議。

• 載波監聽(Carrier Sense)的思想是：站點在傳送幀訪問傳輸通道之前，首先監聽通道有無載波，若有載波，說明已有使用者在使用通道，則不傳送幀以避免衝突。多路訪問(Multiple Access)是指多個使用者共用一條線路。

4.2.1 ALOHA

• 70年代，美國夏威夷大學Norman Abramson設計了ALOHA協議

-目的：解決通道的動態分配，基本思想可用於任何無協調關係的使用者爭用單一共享通道使用權的系統； -將討論的兩個版本：純ALOHA和分槽ALOHA

• 純ALOHA

基本思想：使用者有資料要傳送時，可以直接發至通道；然後監聽通道看是否產生衝突，若產生衝突，則等待一段隨機的時間重發; 只要使用者有資料待發，就讓他們發； 無線通道為無差錯通道； 在某時間間隔內如只有一個使用者傳送幀，中央計算機接收後通過另一獨立通道發回應答訊號(ACK)。

分槽ALOHA協議

• 基本思想：把通道時間分成離散的時間槽，槽長為一個幀所需的傳送時間。每個站點只能在時槽開始時才允許傳送。其他過程與純ALOHA協議相同。

• 通道效率

–衝突危險區較純ALOHA大幅降低； –與純ALOHA協議相比，降低了產生衝突的概率，通道利用率最高為36.8%。

4.2.2 載波偵聽多路訪問協議Carrier Sense Multiple Access Protocols

• 採用分隙ALOHA協議時，只控制了通道的分隙，對結點的傳送過程不進行任何控制，因而吞吐率只能達到36.8%。
• 載波偵聽多路訪問協議要求網路各站點偵聽載波是否存在（即有無傳輸），並執行相應動作的協議。提出“先聽後說”的方法，是對ALOHA的一種改進協議。
• 基本思想：每個站在傳送資料前，先偵聽通道上有無其他站正在傳送資訊。如果沒有，則傳送資料；如果有，則暫不傳送，退避一段時間後再嘗試。
• 根據偵聽策略的不同，分為三種：

-1-堅持CSMA（1-persistent CSMA） -非堅持CSMA。 -P-堅持CSMA

• 1-堅持型CSMA（1-persistent CSMA）

原理 –若站點有資料傳送，先監聽通道； –若站點發現通道空閒，則傳送； –若通道忙，則繼續監聽直至發現通道空閒，然後完成傳送； –若產生衝突，等待一隨機時間，然後重新開始傳送過程。 優點：減少了通道空閒時間 缺點： –增加了發生衝突的概率 –廣播延遲對協議效能的影響：廣播延遲越大，發生衝突的可能性越大，協議效能越差

• 非堅持型CSMA（nonpersistent CSMA）

原理 –若站點有資料傳送，先監聽通道； –若站點發現通道空閒，則傳送； –若通道忙，等待一隨機時間，然後重新開始傳送過程； –若產生衝突，等待一隨機時間，然後重新開始傳送過程。 優點：減少了衝突的概率； 缺點：增加了通道空閒時間，資料傳送延遲增大 通道效率比1-堅持CSMA高，傳輸延遲比1-堅持CSMA大。

• p-堅持型CSMA（p-persistent CSMA）

適用於分槽通道 原理 –若站點有資料傳送，先監聽通道； –若站點發現通道空閒，則以概率p傳送資料，以概率q =1-p 延遲至下一個時槽傳送。若下一個時槽仍空閒，重複此過程，直至資料發出或時槽被其他站點所佔用； –若通道忙，則等待下一個時槽，重新開始傳送； –若產生衝突，等待一隨機時間，然後重新開始傳送。

五種CSMA多路訪問協議效能比較

帶衝突檢測的CSMA

• CSMA/CD的引入原因

當兩個幀發生衝突時，兩個被損壞幀繼續傳送毫無意義，而且通道無法被其他站點使用，對於有限的通道來講，這是很大的浪費。如果站點邊傳送邊監聽，並在監聽到衝突之後立即停止傳送，可以提高通道的利用率，因此產生了CSMA/CD

• CSMA/CD工作狀態–傳輸期–競爭期–空閒期

CSMA/CD先聽後說，邊說邊聽，衝突停止，延時再發

• 先聽後說——源站點在傳送資料幀之前，首先要偵聽通道是否忙，若偵聽到通道忙，即通道上有載波訊號，則推遲傳送，等待通道恢復到空閒狀態。
• 邊說邊聽——源站點採用邊傳送邊偵聽的技術，偵聽有沒有表示衝突發生的干擾訊號。
• 衝突停止——若偵聽到有干擾訊號，就表示通道上傳輸的資料發生了衝突，於是源站點就立即停止傳送。為了通知捲入衝突的其他站點發生了衝突，源站點首先迅速傳送一串阻塞訊號，進行線路報警。
• 延時再發——捲入衝突的站點等待一段隨機時間，然後重複上述動作準備重發受到衝突的資料幀。

4.2.3 無衝突協議Collision-Free Protocols

基本點陣圖協議（Bit-Map Protocol）

–工作原理

• 共享通道上有N個站，競爭週期分為N個時槽，如果一個站有幀傳送，則在對應的時槽內傳送位元1；
• N個時槽之後，每個站都知道哪個站要傳送幀，這時按站序號傳送。

基本點陣圖協議（Bit-Map Protocol）

• 象這樣在實際傳送資訊前先廣播發送請求的協議稱為預留協議（reservation protocol）
• 效率:–低負載下，效率為d / (N + d)，資料幀由d位構成；–高負載下，效率為d / (d + 1)。
• 缺點:–與站序號有關的不平等性，序號大的站得到的服務好；–每個站都有1 位元的開銷。

令牌傳遞（Token Ring）

通過傳遞令牌以預定義的順序輪流傳送幀。令牌代表了傳送許可權

二進位制倒計數（Binary Countdown）

• 工作原理

–所有站的地址用等長二進位制位串表示，若要佔用通道，則廣播該位串； –不同站發的地址中的位做“或”操作，一旦某站了解到比本站地址高位更高的位置被置為“1”，便放棄傳送請求。 –贏得競爭後可傳送一幀

• 效率:d / (d + logN)

4.2.2 有限競爭協議（Limited-Contention Protocols）

佔用通道的策略

• 競爭方法

–例，CSMA； –輕負載下，傳送延遲小；重負載下，通道效率低。

• 無衝突方法

–例，基本點陣圖法； –輕負載下，傳送延遲大；重負載下，通道效率高。

• 有限競爭方法

–結合以上兩種方法，輕負載下使用競爭，重負載下使用無衝突方法。 –減少競爭的站的數目可以增加獲取通道的概率； –基本思路：將站分組，組內競爭

有限競爭協議基本原理

• 將諸站點分成若干組，
• 在slot0，group 0的成員參加競爭，如其中之一成功，它就獲得通道並傳送它的幀；
• 若在slot0無站點發送或發生衝突，則group1的成員在slot1時參加競爭。

自適應樹遍歷協議（The Adaptive Tree Walk Protocol）

• 工作原理

–站點組織成二叉樹； –一次成功傳輸之後，第0槽全部站可競爭通道，只有一個站要使用通道則傳送；有衝突則在第1槽內半數站（2以下站）參與競爭。如其中之一獲得通道，本幀後的時槽留給3以下的站；如發生衝突，繼續折半搜尋。

• 當系統負載很重時，從根結點開始競爭發生衝突的概率非常大。為提高效率，可以從中間結點開始競爭。問題：搜尋應該從樹的哪一級開始？

A、G要求傳送slot0:衝突；slot1:左子樹，A成功；slot2:右子樹,G成功 A、Cslot0:衝突；slot1:衝突；slot2:A成功；slot3:C成功 C、Dslot0:衝突；slot1:衝突；slot2：空閒；slot3:衝突；slot4:C; slot5: D G、Hslot0:衝突;slot1:空閒;slot2:衝突; slot3:空閒; slot4:衝突; slot5:G ;slot6:H

4.2.5無線區域網協議

無線區域網與有線區域網不同，具有

• 隱藏站點問題（hidden station problem）由於站點距離競爭者太遠，從而不能發現潛在介質競爭者的問題稱為隱藏站點問題。
• 暴露站點問題（exposed station problem）由於非競爭者距離傳送站點太近，從而導致介質非競爭者不能傳送資料的問題稱為暴露站點問題。

衝突避免多路訪問MACA，Multiple Access with Collision Avoidance

• 基本思想：傳送站點刺激接收站點發送應答短幀，從而使得接收站點周圍的站點監聽到該幀，並在一定時間內避免傳送資料

• 基本過程

–A向B傳送RTS（Request To Send）幀，A周圍的站點在一定時間內不傳送資料，以保證CTS幀返回給A； –B向A回答CTS（Clear To Send）幀，B周圍的站點在一定時間內不傳送資料，以保證A傳送完資料； –A開始傳送 –若發生衝突(兩站點同時傳送RTS)，則等待隨機時間，再重試。

4.3 ETHERNET

• Classic Ethernet Physical Layer
• Classic Ethernet MAC Sublayer Protocol
• Switched Ethernet
• Fast Ethernet
• Gigabit Ethernet
• 10-Gigabit Ethernet

分類：

• 經典乙太網，執行速度：3-10Mbps
• 交換式乙太網，使用了交換機，執行速度：100, 1000, and 10,000 Mbps,稱為：高速乙太網, 千兆乙太網, 萬兆乙太網,乙太網和802.3幾乎完全一致

Classic Ethernet Physical Layer

傳統乙太網最初是使用粗同軸電纜，後來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最後發展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。

• 乙太網的規範寫法：

Classic Ethernet MAC Sublayer Protocol

• 前導序列: 7個位元組10101010+幀開始標誌（1位元組，10101011）
• 目的地址和源地址, 6個位元組，目的地址第一位為0，表示普通地址；為1，表示組地址，支援multicast，目的地址全1，為廣播地址。
• 有效幀長至少64位元組
• 填充欄位保證最小長度要求

二進位制指數後退的CSMA/CDCSMA/CD with binary exponential backoff

• 將衝突發生後的時間劃分為長度為51.2微秒的時槽
• 發生第一次衝突後，各個站點等待0 或1 個時槽再開始重傳；
• 發生第二次衝突後，各個站點隨機地選擇等待0, 1, 2或3個時槽再開始重傳；
• 第i次衝突後，在0 至2i-1 間隨機地選擇一個等待的時槽數，再開始重傳；
• 10次衝突後，選擇等待的時槽數固定在0至210-1間；
• 16次衝突後，傳送失敗，報告上層。

乙太網交換機

• 乙太網交換機的每個介面都直接與主機相連，並且一般都工作在全雙工方式。
• 交換機能同時連通許多對的介面，使每一對相互通訊的主機都能像獨佔通訊媒體那樣，進行無碰撞地傳輸資料。
• 乙太網交換機由於使用了專用的交換結構晶片，其交換速率就較高。

• 集線器只是在電氣上簡單地連線所有線
• 交換機把幀輸出到該幀想去的埠

高速乙太網

• 速率達到或超過100 Mbps 的乙太網稱為高速乙太網。
• 在雙絞線上傳送100 Mbps 基帶訊號的乙太網，仍使用IEEE 802.3 的CSMA/CD 協議。稱其為快速乙太網(Fast Ethernet)。

千兆乙太網

• 允許在1 Gb/s 下全雙工和半雙工兩種方式工作。

• 使用802.3 協議規定的幀格式。

• 在半雙工方式下使用CSMA/CD 協議（全雙工方式不需要使用CSMA/CD 協議）。

• 與10BASE-T 和100BASE-T 技術向後相容。

• 千兆乙太網的物理層

萬兆乙太網

• 萬兆乙太網與10 Mb/s，100 Mb/s 和1 Gb/s 乙太網的幀格式完全相同。
• 萬兆乙太網還保留了802.3 標準規定的乙太網最小和最大幀長，便於升級。
• 萬兆乙太網只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用CSMA/CD 協議。

端到端的乙太網傳輸

• 萬兆乙太網的出現，乙太網的工作範圍已經從區域網（校園網、企業網）擴大到都會網路和廣域網，從而實現了端到端的乙太網傳輸。
• 這種工作方式的好處是：

–成熟的技術 –互操作性很好 –在廣域網中使用乙太網時價格便宜。 –統一的幀格式簡化了操作和管理。

乙太網從10 Mbps 到10 Gbps 的演進

乙太網從10 Mb/s 到10 Gb/s 的演進證明了乙太網是：

• 可擴充套件的（從10 Mb/s 到10 Gb/s）。
• 靈活的（多種傳輸媒體、全/半雙工、共享/交換）。
• 易於安裝。
• 穩健性好。

4.4 Wireless LANs

• The 802.11 Architecture and Protocol Stack
• The 802.11 Physical Layer
• The 802.11 MAC Sublayer Protocol
• The 802.11 Frame Structure
• Services

4.4.1 The 802.11 Architectureand Protocol Stack

PCF(Point Coordination Function)and DCF (Distributed Coordination Function)

4.4.2 802.11 物理層

• 802.11b: 支援1,2,5.5,11Mbps速率,工作在2.4GHz ISM頻段,採用擴頻方法BPSK,QPSK,CCK等編碼技術

• 802.11a: 支援54Mbps速率,工作在5GHz ISM頻段, 基於OFDM(正交頻分複用)

• 802.11g: 支援54Mbps速率,工作在2.4G HzISM頻段, 基於OFDM(正交頻分複用)

• 802.11n: 支援100Mbps速率,採用4根天線,MIMO及OFDM技術

• CSMA with Collision Avoidance (CSMA/CA)

4.4.3 The802.11 MAC Sublayer Protocol

使用CSMA/CA的虛擬通道偵聽

• 使用RTS/CTS機制
• 通過網路分配向量（NAV）跟蹤通道使用時間
• 不能解決Exposed Terminal 問題

802.11e: 具有QoS的802.11

• SIFS: Short InterFrame Spacing
• DIFS: DCF InterFrame Spacing
• AIFS: Arbitration InterFrame Space
• EIFS: Extended InterFrame Spacing

4.4.4 The 802.11 Frame Structure

4.4.4 802.11 Services

• Association
• Disassociation
• Reassociation
• Authentication (認證)
• Privacy（隱私，通過加密實現）
• Data Delivery（資料傳送）
• Distribution（分發，如何路由）
• QoS traffic scheduling
• Transmit power control
• Dynamic frequency selection

Bluetooth

• Bluetooth Architecture
• Bluetooth Applications
• The Bluetooth Protocol Stack
• The Bluetooth Radio Layer
• The Bluetooth Link Layers
• The Bluetooth Frame Structure

Bluetooth Architecture

• 基本單元為微網piconet, 包含一個主節點及10米內至多7個活躍的從節點，還可以有多達255個駐留節點（只相應主節點的啟用或信標訊號）。
• 多個微網可同時共存，也可通過橋節點連線起來，構成散網。
• 微網是一個集中式的TDM系統，所有通訊是在主從節點之間進行，從節點間不直接通訊。

Bluetooth Applications

可支援25種應用程式，將這些應用稱為輪廓(profile)。

The Bluetooth Protocol Stack

The Bluetooth Radio Layer

• Range of 10 meters operating in the same 2.4-GHz ISM band. 79個通道，每個通道寬1MHz。
• To coexist with other networks using the ISM band, frequency hopping spread spectrum（調頻擴充套件）is used. There can be up to 1600 hops/s over slots with a dwell(駐留) time of 625 μsec.
• 採用自適應跳頻以減少干擾。
• 基本方案使用頻移鍵控，提供1Mbps的總資料速率。
• 藍芽2.0使用相移鍵控，提供2M或3Mbps的總資料速率。

The Bluetooth Data Layer

• The master in each piconet defines a series of 625-μsec time slots, with the master’s transmissions starting in the even slots and the slaves’ transmissions starting in the odd ones.
• Pairing (配對)並建立鏈路
• L2CAP層從上層接收資料包，拆分成幀或重組，處理多個數據包的多路複用與分用，差錯控制和重傳等。

The Bluetooth Frame Structure

• F：Flow標誌，從節點表示緩衝區是否已滿
• A：Acknowledgment確認標誌
• A：Sequence，採用停等控制機制，一位即可

4.7 RFID

• 4.7.1 EPC Gen 2 Architecture
• 4.7.2 EPC Gen 2 Physical Layer
• 4.7.3 EPC Gen 2 Tag Identification Layer
• 4.7.4 Tag Identification Message Formats

RFID與EPC

• 電子產品碼:EPC, Electronic Product Code，研究始於1999年美國MIT的Auto-ID中心，是條形碼的替代品
• EPCGlobal成立於2003,商品化由Auto-ID中心開發的RFID技術
• 分為兩種:-被動RFID;-主動RFID
• EPC程式碼+RFID+Internet=EPC系統，應用於物聯網

EPC系統是一個複雜、全面、綜合的系統，包括RFID、EPC編碼、網路、通訊協議等，RFID只是其中的一個組成部分。EPC是RFID技術的應用領域之一，只有特定的低成本的RFID標籤才適合EPC系統。

4.7.1 EPC Gen 2 Architecture

RFID Tag:有唯一的96位EPC識別碼和少量記憶體,記憶體資訊可由RFID讀寫器讀取和寫入。

4.7.2 EPC Gen 2 Physical Layer

• UHF：902-928MHz
• 採用幅移鍵控調製進行編碼
• 後向反射（backscatter）: tag反射微弱訊號
• 標籤只能以低速率給讀寫器傳送位元，不能接收或偵聽其他標籤的傳輸