计算机学习网-【computerpx】

招生咨询电话与微信:15225191462(周老师)
计算机学习网,我命由我不由天,学IT技术,做更好的自己

首页 > 电脑教程/ 正文

IEEE 802.3标准是什么

2014-05-13 16:30:15 www.computerpx.com

    对总线型、星型和树型拓扑最适合的介质访问控制协议是CSMA/CD(Carrier sense MultiPleAcces/Collisfon DeteCtion)。这种技术的基带版本是Xerox公司的以太网。更早的宽带版本属于MITRE公司,是MrrREnet局域网中的介质访问控制协议。所有这些工作构成了IEEE 802.3标准的基础。在详细讨论这种技术之前,先介绍早期对CSMA/CD协议有较大影响的ALOHA协议。

4.4.1 ALOHA协议

    ALOHA和它的后继者CSNUCD都是随机访问或竞争发送协议。随机访问意味着对任何站都无法预计其发送的时刻;竟争发送是指所有发送的站自由竞争信道的使用权。

    ALOHA系统是20世纪70年代美国夏威夷大学的Norman AITiramson等人为其地面无线分组网设计的。这种系统中有多个站点共享广播信道。假定所有站的数据业务特征具有明显的突发性,即大部分时间不发送数据,一旦有数据要发送,立即把数据组织成帧以全部信道带宽发送出去。在这种情况下,广播信道由所有站随机地使用,要发送的站不管其他站是否使用信道都可发送。可以说信道是完全随机地分布控制的。

当然,工作站完全独立而随机地使用信道会发生冲突,只要两个站发送的数据帧在时间上有一位以上的重叠,都会使整个帧出错。幸好发送站可以通过自发自收校验发现冲突,并随机延迟一段时间后重发冲突帧,如图49所示。可以看出这种协议的简单性:不需要接收站发回应答,甚至也不需要接收站进行差错校验(假若信道是理想的)

IEEE 802.3标准是什么

    这种简单系统的实用性取决于其工作效率如何。下面分析ALOHA系统的效率并找出改进的方法。为了简化讨论,假定:

    (l)无限多个站共享理想的(无差错)广播式信道,网络平均负载保持常数。

    (2)所有站发送的帧是等长的,一个帧时为to

(3)进入信道的帧数服从泊松分布,每个帧时内产生的帧数加上以前冲突需要重传的帧数之和的平均值为G(即信道负载)。根据泊松分布,在任一帧时内进入信道的帧数为K的概率是

                          IEEE 802.3标准是什么         4.1

(4)在完全随机发送的情况下,一个帧要能发送成功(不冲突),必须保证:在当前帧发送的内和当前帧发送之前的tf内都没有其他(生成的或重传的)帧进入信道·换言之,冲突区间为2tf,如图4-10所示。

IEEE 802.3标准是什么

因而在2tf时间内成功发送一帧的概率等于前一个帧时内不发送和后一个帧时内只发送一帧的概率,.

       IEEE 802.3标准是什么           4.2

(4.2)也表示系统的吞吐率,即单位时间内发送的帧数为

                     IEEE 802.3标准是什么                          4.3

为了求得最大吞吐率,令ds/dG=O,从而解得当G=0.5

                            IEEE 802.3标准是什么               4.4

1 972年,Robert发表了一种能把ALOHA系统吞吐率提高一倍的方法。他建议把时间划分成离散的时间间隔,每个间隔为tf,称为时槽.一个帧无论何时生成,都必须在时槽的起点上发送。这样,为了一个帧成功地发送,只需保证在前一个时槽中只有此一个帧生成(或需要重传),于是冲突区间缩小为tf,(4.2)简化为同时有

IEEE 802.3标准是什么                

G=1时,得到系统的最大吞吐率

                              IEEE 802.3标准是什么

    为了区分,把这种系统称为分槽的ALOHA,前一种叫做纯ALOHA。两种系统的效率(

信道利用率)与负载G的关系如图411所示。为了进一步提高系统的信道利用率,需要增加更多的功能,例如载波监听功能,下面详细讨论。

IEEE 802.3标准是什么

4.4.2 CSMNCD协议

    ALOHA和分槽ALOHA系统效率都不是很高,主要缺点是各站独立地决定发送的时刻,使得冲突概率很高,信道利用率下降。如果各个站在发送之前先监听信道上的情况,信道忙时后退一段时间再发送,就可大大减少冲突概率。这就是在局域网上广泛采用的载波监听多路访问(CSMA)协议。对于局域网,监听是很容易做到的。在局域网中,最远两个站之间的传播时延很小,只有几微秒,只要有站在发送,别的站很快就会听到,从而可避免与正在发送站产生冲突。同时,帧的发送时间t,相对于网络延迟要大得多,一个帧一旦开始成功地发送,则在较长一段时间内可保持网络中有效地传输,从而大大提高了信道利用率。

    CSMA的基本原理是:站在发送数据之前,先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。若有,说明信道正忙:否则信道是空闲的。然后根据预定的策略决定:

    (l)若信道空闲,是否立即发送。

(2)若信道忙,是否继续监听。

即使信道空闲,若立即发送仍然会发生冲突。一种情况是远端的站刚开始发送,载波信号尚未到达监听站,这时监听站若立即发送,就会和远端的站发生冲突;另一种情况是虽然暂没有站发送,但碰巧两个站同时开始监听,如果它们都立即发送,也会发生冲突。所以,上面的控制策略的第(l)点就是想要避免这种虽然稀少、但仍可能发生的冲突。若信道忙时,如果坚持监听,发送的站一旦停止就可立即抢占信道。但是,有可能几个站同时都在监听,同时都抢占信道,从而发生冲突。以上控制策略的第(2)点就是进一步优化监听算法,使得有些监听站或所有监听站都后退一段随机时间再监听,以避免冲突。

IEEE 802.3标准是什么

    监听算法

    监听算法并不能完全避免发送冲突,但若对以上两种控制策略进行精心设计,则可以把冲突概率减到最小。据此,有以下三种监听算法(如图412所示)

    (l)非坚持型监听算法。这种算法可描述如下:当一个站准备好帧,发送之前先监听信道。

    ①若信道空闲,立即发送,否则转②。

    ②若信道忙,则后退一个随机时间,重复①。

    由于随机时延后退,从而减少了冲突的概率。然而,可能出现的问题是因为后退而使信道闲置一段时间,这使信道的利用率降低,而且增加了发送时延。

    (2)l一坚持型监听算法。这种算法可描述如下:当一个站准备好帧,发送之前先监听信道。

    ①若信道空闲,立即发送,否则转②。

    ②若信道忙,继续监听,直到信道空闲后立即发送。

这种算法的优缺点与前一种正好相反:有利于抢占信道,减少信道空闲时间。但是,多个站同时都在监听信道时必然发生冲突。

    (3)P一坚持型监听算法。这种算法汲取了以上两种算法的优点,但较为复杂。这种算法描

述如下。

    ①若信道空闲,以概率P发送,以概率(l)延迟一个时间单位。一个时间单位等于网

络传输时延t

    ②若信道忙,继续监听直到信道空闲,转①。

    ③如果发送延迟一个时间单位乙则重复①。

    困难的问题是决定概率P的值,P的取值应在重负载下能使网络有效地工作。为了说明尸的取值对网络性能的影响,假设有n个站正在等待发送,与此同时,有一个站正在发送。当这个站发送停止时,实际要发送的站数等于nP。若nP大于1,则必有多个站同时发送,这必然会发生冲突。这些站感觉到冲突后若重新发送,就会再一次发生冲突。更糟的是其他站还可能产生新帧,与这些未发出的帧竞争,更加剧了网上的冲突。极端情况下会使网络吞吐率下降到0。若要避免这种灾难,对于某种n的峰值,nP必须小于1.然而,若P值太小,发送站就要等待较长的时间。在轻负载的情况下,这意味着较大的发送时延。例如,只有一个站有帧要发送,若P=0.1,则以上算法的第①步重复的平均次数为l/P=10,也就是说,这个站平均多等待9倍的时间单位t

关于各种监听算法以及ALOHA算法中网络负载和信道利用率的关系曲线如图413所示。可以看出,P值小的监听算法对信道的利用率有利,但是引入了较大的发送时延。

IEEE 802.3标准是什么

2.冲突检测原理

    载波监听只能减小冲突的概率,不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后,若继续发送,

将会浪费网络带宽。如果帧比较长,对带宽的浪费就很可观了。为了进一步改进带宽的利用率,

发送站应采取边发边听的冲突检测方法,即:

    (l)发送期间同时接收,并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。

    (2)若比较结果一致,说明没有冲突,重复(l).

    (3)若比较结果不一致,说明发生了冲突,立即停止发送,并发送一个简短的千扰信

(j alnlning),使所有站都停止发送。

    (4)发送Jalnming信号后,等待一段随机长的时间,重新监听,再试着发送。

    带冲突检测的监听算法把浪费带宽的时间减少到检测冲突的时间。对局域网来说,这个时间是很短的。在图414中画出了基带系统中检测冲突需要的最长时间。这个时间发生在网络中相距最远的两个站(AD)之间。在t0时刻,A开始发送。假设经过一段时间t(网络最大传播时延)后,D开始发送。D立即就会检测到冲突,并能很快停止。但A仍然感觉

不到冲突,并继续发送。再经过一段时间乙A才会收到冲突信号,从而停止发送。

可见,在基带系统中检测冲突的最长时间是网络传播延迟的两倍2t把这个时间叫做冲突窗口。

    与冲突窗口相关的参数是最小帧长。设想图414中的A站发送的帧较短,在

2t时间内已经发送完毕,这样A站在整个发送期间将检测不到冲突。为了避免这种

情况,网络标准中根据设计的数据速率和最大网段长度规定了最小帧长Lmin

IEEE 802.3标准是什么


    这里R是网络数据速率,d为最大段长,v是信号传播速度。有了最小帧长的限制,发送站必须对较短的帧增加填充位,使其等于最小帧长。接收站对收到的帧要检查长度,小于最小帧长的帧被认为是冲突碎片而丢弃。

3.二进程指数后退算法

上文提到,检测到冲突发送干扰信号后退一段时间重新发送。后退时间的多少对网络的稳定工作有很大影响。特别是在负载很重的情况下,为了避免很多站连续发生冲突,需要设计有效的后退算法。按照二进制指数后退算法,后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数关系或者说,随着重发次数.。的增加,后退时延行的取值范围按2的指数增大。即第一次试发送时。的值为O,每冲突一次n的值加1,并按下式计算后退时延。

IEEE 802.3标准是什么

    其中,第一式是在区间[02n]中取一均匀分布的随机整数,第二式是计算出随机后退时延。为了避免无限制的重发,要对重发次数n进行限制,这种情况往往是信道故障引起的。通常当n增加到某一最大值(例如16)时,停止发送,并向上层协议报告发送错误。

当然,还可以有其他的后退算法,但二进制指数后退算法考虑了网络负载的变化情况。事实上,后退次数的多少往往与负载大小有关,二进制指数后退算法的优点正是把后退时延的平均取值与负载的大小联系起来了。

4.CSMA/CD协议的实现

    对于基带总线和宽带总线,CSMA/CD的实现基本上是相同的,但也有一些差别。差别之一是载波监听的实现。对于基带系统,是检测电压脉冲序列。由于以太网上的编码采用

Manchester编码,这种编码的特点是每位中间都有电压跳变,监听站可以把这种跳变信号当作代表信道忙的载波信号。对于宽带系统,监听站接收RF载波以判断信道是否空闲。

    差别之二是冲突检测的实现。对于基带系统,是把直流电压加到信号上来检测冲突的。每个站都测量总线上的直流电平,由于冲突而迭加的直流电平比单个站发出的信号强,所以

EE 802标准规定,如果发送站电缆接头处的信号强度超过了单个站发送的最大信号强度,则说明检测到了冲突。然而,信号在电缆上传播时会有衰减,如果电缆太长,就会使冲突信号到达远端时的幅度小于规定的CD门限值。为此,标准限制了电缆长度(SO0m200rn)

对于宽带系统,有几种检测冲突的方法。方法之一是把接收的数据与发送的数据逐位比较。当一个站向入径上发送时,同时(考虑了传播和端头的延迟后)从出径上接收数据,通过比较发现是否有冲突;另外一种方法用于分裂配置,由端头检查是否有破坏了的数据,这种数据的频率与正常数据的频率不同。

对于双绞线星型网,冲突检测的方法更简单(如图4一巧所示)。这种情况下,HUB监视输入端的活动,若有两处以上的输入端出现信号,则认为发生冲突,并立即产生一个“冲突出现”的特殊信号CP,向所有输出端广播。图415(a)是无冲突的情况。在图4-15(b)中连接A站的IHUB检测到了冲突,CP信号被向上传到了HHUB,并广播到所有的站。图415(c)表示的是三方冲突的例子.

IEEE 802.3标准是什么

4.4.3CSMAICO协议的性能分析

    下面分析传播延迟和数据速率对网络性能的影响。

    吞吐率是单位时间内实际传送的位数。假设网上的站都有数据要发送,没有竞争冲突,各站轮流发送数据,则传送一个长度为L的帧的周期为tp+tf,如图4-16所示。

由此可得出最大吞吐率为

 IEEE 802.3标准是什么

其中,d表示网段长度,v为信号在铜线中的传播速度(大约为光速的65%~77%)R

网络提供的数据速率,或者称为网络容量.

IEEE 802.3标准是什么

同时可得出网络利用率

          IEEE 802.3标准是什么

      这里假定是全双工信.道,MAC子层可以不要应答,而由LLC子层进行捎带应答。得出的结论是:a(成者刀汀的乘积)越大,信道利用率越低。表47列出了LANa值的典型情况。可以看出,对于大的高速网络,利用率是很低的。所以在跨度大的城域网中,同时传送的不只是一个帧,这样才可以提高网络效率。值得指出的是,以上分析假定没有竞争,没有开销是最大吞吐率和最大效率。实际网络中发生的情况更差,详见下面的讨论。

IEEE 802.3标准是什么

4.4.4 MACPHY规范

    最早采用CSMA/CD协议的网络是Xerox公司的以太网。1981年,DEcIntelXcrox

三家公司制定了D以以太网标准,使这一技术得到越来越广泛的应用。IEEE 802委员制定局域网标准时参考了以太网标准,并增加了几种新的传输介质。下面会看到,以太网只是802.3标准中的一种。

  MAC帧结构

802.3的帧结构如图417所示。

IEEE 802.3标准是什么

    每个帧以7个字节的前导字段开头,其值为10rololo,这种模式的曼彻斯特编码产生10MHz、持续9.6娜的方波,作为接收器的同步信号。帧起始符的代码为10101011,它标志着一个帧的开始。

    帧内的源地址和目标地址可以是6字节或2字节长,IONps的基带网使用6字节地址。目标地址最高位为0时表示普通地址,为l时表示组地址,向一组站发送称为组播(Multicast).1的目标地址是广播地址,所有站都接收这种帧。次最高位(46)用于区分局部地址或全局地址。局部地址仅在本地网络中有效,全局地址由犯EE指定,全世界没有全局地址相同的站。正EE为每个硬件制造商指定网卡(NIC)地址的前3个字节,后3个字节由制造商自己编码。

    长度字段说明数据字段的长度。数据字段可以为0,这时帧中不包含上层协议的数据。为了保证帧发送期间能检测到冲突,802.3规定最小帧为64字节。这个帧长是指从目标地址到校验和的长度。由于前导字段和帧起始符是物理层加上的,所以不包括在帧长中,也不参加帧校验。如果帧的长度不足64字节,要加入最多46字节的填充位。

早期的802.3帧格式与DIx以太网不同,DIx以太网用类型字段指示封装的上层协议,而IEEE 802.3为了通过LLC实现向上复用,用长度字段取代了类型字段。实际上,这两种格式可以并存,两个字节可表示的数字值范围是0~65 535,长度字段的最大值是1500,因此1501~65 535之间的值都可以用来标识协议类型。事实上,这个字段的1536~65 535(0x0600~0xFFFF)之间的值都被保留作为类型值,而O~1500则被用作长度的值。许多高层协议(例如TCP/IPIPXDECnet4)使用DIx以太网帧格式,而IEEE 802.3/LLcApple Talk-2NetBIOS中得到应用。

    IEEE 802.3x工作组为了支持全双工操作,开发了流量控制算法,这使得帧格式出现了一些变化,新的MAC协议使用类型字段来区分MAC控制帧和其他类型的帧。IEEE 802.3x19972月成为正式标准,使得原来的“以太网使用类型字段而正EE 802.3使用长度字段”的差别消失。

2.CSMA/CD协议的实现

    IEEE 802.3采用CSMA/CD协议,这个协议的载波监听、冲突检测、冲突强化和二进制数后退等功能都由硬件实现。这些硬联逻辑电路包含在网卡中。网卡上的主要器件是以太网数据链路控制器(Ethemet Data Link Contr0llerEDLC)。这个器件中有两套独立的系统,分别用于发送和接收,它的主要功能如图418所示。

    EE 802.3使用1-坚持型监听算法,因为这个算法可及时抢占信道,减少空闲期,同时实现也较简单。在监听到网络由活动变成安静后,并不能立即开始发送,还要等待一个最小帧间隔时间,只有在此期间网络持续平静,才能开始试发送。最小帧间隔时间规定为9.6哪。

在发送过程中继续监听。若检测到冲突,发送8个十六进制数的序列55555,这就是协议规定的阻塞信号。

    接收站要对收到的帧进行校验。除CRC校验之外还要检查帧的长度。短于最小长度的帧被认为是冲突碎片而丢弃,帧长与数据长度不一致的帧以及长度不是整数字节的帧也被丢弃。

另外,网卡上还有物理层的部分设备,例如Manchester编码器与译码器,存储网卡地址的ROM,与传输介质连接的收发器,以及与主机总线的接口电路等。随着VLSI集成度的提高,网卡技术发展很快,网卡上的器件数量越来越少,功能越来越强。

IEEE 802.3标准是什么

3.物理层规范

802.3最初的标准规定了6种物理层传输介质,这些传输介质的主要参考数如表4-8所示。

IEEE 802.3标准是什么

由表48可知,Ethemet规范与IOBases相同。这里10表示数据速率为10MbpsBase表示基带,5表示最大段长为50Om。其他几种标准的命名方法是类似的。

    10Base5采用特性阻抗为50n的粗同轴电缆.这种网络的收发器不在网卡上,而是直接与

电缆相连,称为外收发器,如图419所示。收发器电缆最长为15m,电缆段最长为500m,最大节点数限于100个工作站。分接头之间的距离为2.5m的整数倍,这样的间隔保证从相邻分接头处反射回来的信号不会叠加。如果通信距离较远,可以用中继器(rePeater)把两个网络段连接在一起。标准规定网络最大跨度为2.5km,由5段组成,最多含4个中继器,其中3段为同轴电缆,其余为链路段,不含工作站。

10Base2标准可组成一种廉价网络,这是因为电缆较细,容易安装,收发器包含在工作站内的网卡上,使用T型连接器和BNC接头直接与电缆相连,如图4-20所示。由于数据速率相同,10Base2网段和10Base5网段可用中继器混合连接。这两种标准的主要参数对比如表49所示。


IEEE 802.3标准是什么

    1B ase510Base-T采用无屏蔽双绞线(Unshilded Tvvisted Pair)和星型拓扑结构。这两种网络的段长是指从工作站到Hub的距离。AT&T开发的1 Bases网络叫做StarLAN10Base-T是早期市场上最常见的LAN产品,现在已经被更快的100Base-T产品代替了。

    10Bmad36是一种宽带LAN,采用双缆或分裂配置。单个网段的长度为1800m,最大端到端的距离是3600m。这种网络可与基带系统兼容,方法是把基带曼码经过差分相移键控(DPSK)调制后发送到宽带电缆上。还有一种叫做10Base-F的网络,F代表光纤介质,可用同步有源星型或无源星型结构实现,数据速率都是10Mbps,网络长度分别为500m2000m


Tags:河南校企合作技术学校哪个学校计算机专业好,郑州安卓培训学校哪家好,郑州中专计算机专业都学什么,郑州的计算机学校怎么招生,安阳市技术学校学什么专业有前途,郑州学设计类的计算机学校哪家好

郑州北大青鸟计算机专业学校
郑州北大青鸟计算机专业学校介绍
郑州北大青鸟计算机专业学校专业设置
郑州北大青鸟计算机专业学校招生要求
郑州北大青鸟计算机专业学校校园活动
郑州北大青鸟计算机专业学校就业保障
搜索
计算机培训学校,就来计算机学习网咨询
计算机培训学校,就来计算机学习网咨询
热门标签
计算机培训学校,就来计算机学习网咨询
计算机培训学校,就来计算机学习网咨询
计算机培训学校,就来计算机学习网咨询
  • QQ交谈