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第二章接入网技术

第二章接入网技术. 接入网技术. 电话网络接入 Internet 802.11 无线局域网 802.16 无线城域网. 主要内容. 1. 电话网络接入 Internet. 电话拨号 (9600~64kbps) 数字用户线路 (DSL: Digtial Subcriber Lines) 对称 DSL 下行和上行速率相同 非对称 DSL 下行速率一般大于上行速率 ADSL(Asymetric DSL) ， 非对称数字用户线路 : 下行速率理论上 8~12Mbps, 上行小于 2Mbps ADSL2+: 下行速率理论上 24Mbps, 上行小于 3.5Mbps.

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第二章接入网技术

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  1. 第二章接入网技术

  2. 接入网技术 • 电话网络接入Internet • 802.11无线局域网 • 802.16无线城域网 主要内容

  3. 1. 电话网络接入Internet • 电话拨号(9600~64kbps) • 数字用户线路(DSL: Digtial Subcriber Lines) • 对称DSL • 下行和上行速率相同 • 非对称DSL • 下行速率一般大于上行速率 • ADSL(Asymetric DSL)，非对称数字用户线路:下行速率理论上8~12Mbps,上行小于2Mbps • ADSL2+: 下行速率理论上24Mbps,上行小于3.5Mbps 主要接入技术 实际上能够达到的速率与具体的环境有关,包括电话线的长度、线路质量、外界环境干扰、其他用户正在进行的数据业务（串扰：CrossTalk）等

  4. 1. 电话网络接入到Internet • 利用电话线话音带宽300~3.4KHz • 采样率为2400次/秒,即2400baud • 速率:2400*码元位数 • V.32(4+1), QAM-32,9.6kbps • V.32 bis(6+1) QAM-128, 14.4kbps • V.34(12) 28.8kbps • V.34bis(14) 33.6kbps • 35kbps限制（香农公式）: 本地回路长度和线路质量 • 一个本地回路，用户到ISP，可达70kbps • 两个本地回路，两个通过调制解调器和模拟线路连接的用户，可达33.6kbps • V.90：8k采样(电话信道带宽4kHz，8比特量化编码，其中1比特用于控制) 上行33.6kbps（较少噪声），56kbps下行 电话拨号 QAM：正交振幅调制

  5. PPP协议 1. 电话网络接入到Internet 电话拨号 RADIUS服务器 RJ232C接口 电话线 E1 运营商网络 Internet PSTN Modem PC 拨号接入服务器 路由器 PPP是个数据链路层协议 ，通过PPP，完成： 1）链路建立和维护 2）用户认证 3）网络参数协商，包括IP地址分配等

  6. PPP协议主要内容 1. 电话网络接入到Internet • PPP：Point to Point Protocol • 在点对点链路上传输多种协议数据 • 协议构成 • 封装方法 • 封装各种协议数据的方法 • 在同一条链路上同时复用各种不同的网络层协议 • 链路控制协议（LCP：Link Control Protocol） • 建立、配置、维护和终结链路 • 认证协议 • PAP、CHAP • 网络控制协议（NCP：Network Control Protocol） • 建立和配置各种不同的网络层协议 • 对于不同的网络层协议定义有不同的NCP，例如对于IP协议是IPCP 电话拨号

  7. Protocol Protocol Information Information Padding Padding Code Identifier Length Data… 0xc021 1. 电话网络接入到Internet • PPP封装 • Protocol • 1～2字节，指明了封装在Information域中的数据类型 • 0x0***~0x3***：网络层协议（ex: 0x0021-IP） • 0x8***~0xb***：NCP（ex: 0x8021-IPCP） • 0xc***~0xf***：LCP（ex: 0xc021-LCP） • Information • Protocol指定协议数据 • 最大接收单元（MRU），包括填充，缺省为1500字节 • LCP消息格式 电话拨号 Code: 1 Configure-Request 2 Configure-Ack 3 Configure-Nak 4 Configure-Reject 5 Terminate-Request 6 Terminate-Ack

  8. 1. 电话网络接入到Internet • PPP操作 电话拨号 SUCCESS /NONE Dead UP Establish OPEN Authenticate FAIL FAIL DOWN Terminate Network CLOSING Establish、Terminate：LCP Authentication：PAP、CHAP Network：NCP

  9. 在链路建立阶段协商的参数包括：最大接收单元（MRU）、认证协议、协议相关压缩算法等在链路建立阶段协商的参数包括：最大接收单元（MRU）、认证协议、协议相关压缩算法等 拨号服务器 PC Phase Setup < Link Dead > Connect LCP Configuration-Request < Link Establishment > Configure-Ack < Authentication > IPCP Configure-Request Configuration-Ack Datagram < Network Layer Protocol > IPCP Terminate-Request Terminate-Ack LCP Terminate -Request < Link Termination > Terminate-Ack Clear < Link Dead > Disconnect

  10. 1. 电话网络接入到Internet • PAP：Password Authentication Protocol 电话拨号 PC 拨号服务器 Authenticate-Request User name and password Authenticate-Ack or Authenticate-Nak Accept or Reject

  11. 1. 电话网络接入到Internet • CHAP: Challenge Handshake Authentication Protocol 电话拨号 PC 拨号服务器 Challenge Challenge Value Response Response and Name Ack Accept or Reject 在response中，包含的是用户通过Challenge Value和Password通过预先定义的函数进行运算以后得到的值

  12. 1. 电话网络接入到Internet • ADSL的概念于1989年提出，1998年开始广泛用于互联网接入 • ITU-T技术标准 • 第一代ADSL技术 • G.992.1-1999，也称G.dmt规范，定义ADSL收发器 • G.992.2-1999，也称G.lite规范，定义无分离器ADSL收发器 • 第二代ADSL技术 • G.992.3-2002，也称ADSL2，定义了ADSL2收发器 • G.992.4-2002，定义了无分离器的ADSL2收发器 • G.992.5-2003，也称ADSL2+，定义了增强功能的ADSL2收发器 ADSL

  13. 电话线的带宽> 4kHz 电话拨号：端局过滤300Hz~ 3.4KHz 范围外的非话音频率 ADSL：ADSL将用户线路接到没有滤波器的线路上 频率在26khz以上的信号被分离到DSLAM(用户数字线访问复用) DMT(DiscreteMultiTone,离散多信道调制) 总带宽1.1MHz划分为256条独立信道(256*4312.5Hz) 信道0:传统简单电话服务(POTS) 信道1-5:避免干扰 一条上行控制,一条下行控制,其余全部用于数据 局端 电话交换 电话 NID 分离器 分离器 电话线 DSLAM ADSL 调制解调器 PC ISP 上行 下行 1. 电话网络接入到Internet NID：网络接口设备 ADSL

  14. 1. 电话网络接入到Internet • ADSL宽带接入模型 • ADSL协议栈结构 ADSL RADIUS Server ATU-C（DSLAM） PC ATU-R（ADSL Modem） 运营商网络 （ATM） BAS Internet ATU-R：ADSL Transmission Unit-Remote ATU-C：ADSL Transmission Unit-Central office BAS：Broadband Access Server

  15. IP IP IP PPP PPP Ethernet RFC1483 RFC1483 PPPOE PPPOE ATM/AAL5 ATM/AAL5 Ethernet Ethernet Ethernet ATM 100Base-TX 100Base-TX ADSL SONET/SDH 100Base-Tx ADSL SONET/SDH 1. 电话网络接入到Internet • PPPOE: PPP Over Ethernet ADSL RADIUS Server ATU-C（DSLAM） PC ATU-R（ADSL Modem） 运营商网络 （ATM） BAS Internet (IP) ADSL 100Base-TX Ethernet ATM PPPOE

  16. 1. 电话网络接入到Internet • PPPOE=PPP+Ethernet • 在以太网上建立PPP连接，本质是在多路访链路上提供一条逻辑的点对点链路 • 以太网的可扩展性 • PPP协议的管理控制机制 ADSL

  17. TAG_TYPE TAG_Len TAG_Value 2 octets 2 octets TAG_TYPE TAG_Len TAG_Value 2 octets 2 octets 1. 电话网络接入到Internet • PPPOE帧格式 ADSL DEST_ADDR SRC_ADDR ETHER_TYPE payload CheckSum 6 octets 6 octets 2 octets 1 octets Ver TYPE Code SESSION_ID Length payload 0001 0001 1 octets 2 octets 2 octets ….. ETHER_TYPE: 0x8863 Discovery阶段 0x8864 PPP会话阶段 Code： 0x00 PPP会话阶段 0x09 PPPoE Active Discovery Initiation (PADI) 0x07 PPPoE Active Discovery Offer (PADO) 0x19 PPPoE Active Discovery Request (PADR) 0x65 PPPoE Active Discovery Session-confirmation(PADS) 0xa7 PPPoE Active Discovery Terminate (PADT)

  18. 1. 电话网络接入到Internet • PPPOE过程 • Discovery阶段 • PPP会话阶段 ADSL PC Concentrator（BAS） Broadcasting Initiation packet PADI (PPPoE Active Discovery Initiation) One of more concentrator send Offer packet PADO (PPPoE Active Discovery Offer) Session request packet (unicast) PADR (PPPoE Active Discovery Request) Confirmation packet PADS (PPPoE Active Discovery Session-confirmation) PPP session stage Terminate packet PADT (PPPoE Active Discovery Termination)

  19. 1. 电话网络接入到Internet • PPPOE的特点 • 通过PPP会话的建立和释放进行基于时间或者流量的统计，计费方式灵活方便 • 动态IP地址配置和管理 • 与传统拨号上网类似，提供基于用户名和密码的认证 ADSL

  20. 接入网技术 • 电话网络接入Internet • 802.11无线局域网 • 802.16无线城域网 主要内容

  21. 2. 802.11无线局域网 • 无线局域网概述 • 无线局域网基本概念 • 802.11协议 • 无线局域网部署 主要内容

  22. 2.1 无线局域网概述 • 无线局域网WLAN (Wireless Local Area Network) • 以无线电波为传输媒介的局域网技术 • 无线电波按照工作的频率的不同被划分为信道，每个信道对应着一个频率范围，WLAN的传输介质是建立在无线信道的基础上的 • WLAN标准 • 802.11系列标准：IEEE802.11工作组制定 • Hiper LAN系列标准 ：ETSI的BRAN小组制定 无线局域网协议标准 从目前的WLAN市场来看，IEEE 802.11系列标准占了绝对的上风。下面讨论的WLAN如果没有特别说明的话都是基于IEEE 802.11系列协议的

  23. 2.1 无线局域网概述 • Wi-Fi • 最初是Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）的注册商标，用来描述基于802.11系列协议的无线局域网技术 • 现在也被用来描述WLAN中移动设备的无线接口 • Wi-Fi联盟 • 由工业界发起成立的一个全球性的非盈利组织，负责测试和认证兼容IEEE 802.11系列协议的设备，并且对于通过测试和认证的设备打上Wi-Fi认证标志 WiFi

  24. 2.1 无线局域网概述 • 优势 • 快速部署（deployment）：不需要进行繁琐的布线工作 • 支持移动漫游（roaming） ：在无线信号覆盖范围内，用户可以随意的移动漫游 • 易于扩展（scalability） ：根据应用的需求来配置相应的网络拓扑结构 • 问题 • 传输带宽和传输效率相比有线网络低 • 移动终端进行功率控制 • 安全性问题 特点

  25. 2.2 无线局域网基本概念 • 无线站点STA（wireless STAtion） • 配置支持802.11协议的无线网卡的终端 • STA通过MAC层机制来共享同一个无线信道，最简单的WLAN仅仅由STA组成 ，它们之间直接通信 • 无线接入点AP（wireless Access Point），有时也被称为基站BS（Base Station） • 数据链路层设备 • AP为STA之间的通信提供帧转发功能 网络组成

  26. 2.2 无线局域网基本概念 • Ad Hoc网络，也称为自组织网络 • 仅由STA之间通过无线传输媒介组成的网络，这些STA在彼此无线信号覆盖范围内，因此之间能够互相通信 • Ad Hoc网络也被称为IBSS • BSS是一个不包含AP的STA集合，或者是一个与一个AP相关联的STA组，IBSS特指前一种情况 网络拓扑—Ad Hoc网络 BSS：Basic Service Set，基本业务群 IBSS：Independent BSS，独立基本业务群

  27. 2.2 无线局域网基本概念 • 最简单的基础设施网络包括一个AP以及一些和AP关联的STA，组成一个以AP为中心的BSS • 在基础设施网络中，STA之间不能直接通信，所有的通信都必须经过AP • 更大的基础设施网络可能由多个以AP为中心的BSS通过分布式系统DS互连组成，也称为扩展业务群ESS • DS可以是一个交换机，一个有线网络或者一个无线网络 • STA可以在ESS内移动漫游 网络拓扑—基础设施网络 AP：Access Point STA：STAtion BSS：Basic Service Set ESS：Extended Service Set DS：Distribution System

  28. 2.2 无线局域网基本概念 • BSSID是一个48位的标识，用来指示一个特定区域内的BSS • Ad Hoc网络，BSSID是随机产生 • 基础设施网络，BSSID是AP的无线网络接口的MAC地址 • SSID是一个最大长度为32个字符的标识符，它有时也被称为网络名，可以用来对STA接入BSS进行控制 • 每个BSS都配置有一个SSID，STA要加入必须配置相同的SSID • ESSID是SSID的一种扩展形式，它被特定地用于ESS ，同一个ESS内的所有STA和AP都必须配置相同的ESSID BSSID和SSID BSS：Basic Service Set ESS：Extended Service Set

  29. 2.3 802.11协议 1999年IEEE发布802.11a，工作在5GHz的ISM频段，支持最大速率为54M，室内约30米，室外约100米 发展历程 2003年IEEE发布802.11g，工作在2.4GHz的ISM频段，支持最大速率为54M，室内约35米，室外约110米 802.11 history 1997年IEEE发布第一个802.11标准，工作在2.4GHz的ISM频段，支持速率为1M或者2M，室内约25米，室外约75米 1999年IEEE发布802.11b，工作在2.4GHz的ISM频段，支持最大速率为11M，室内约35米，室外约110米 2008年IEEE发布802.11n draft5.0，工作在2.4GHz的ISM频段，支持最大速率为600M，室内约70米，室外约250米 注意：如果没有特别说明，一般用“802.11”来表示“802.11系列协议”

  30. 网络层 数据链路层 物理层 2.3 802.11协议 • 物理层对应着OSI参考模型的物理层 • 对传输媒介和拓扑的规定 • OSI参考模型的数据链路层被划分为两个子层，即逻辑链路控制(LLC)子层和媒介访问控制(MAC)子层 局域网体系结构—802参考模型 IEEE 802参考模型由IEEE 802委员会开发,并且被所有的制定LAN标准的组织所采用 LLC MAC 物理层 OSI参考模型 IEEE 802参考模型

  31. 2.3 802.11协议 • 将数据链路层划分为两个子层的原因 • 在传统的数据链路控制中没有管理访问共享媒介的逻辑需求 • 对于相同的LLC子层，可以提供不同的MAC子层 • 常用以太网、无线局域网等局域网具有相同的LLC子层，只是MAC子层不同 • MAC子层负责检测错误并且丢弃任何发生错误的帧，而LLC子层可以知道哪些帧被成功接收，并且可以重传出错的帧 局域网体系结构— LLC和MAC LLC：Logical Link Control MAC：Medium Access Control

  32. 2.3 802.11协议 局域网体系结构—协议封装 MAC帧 MAC帧尾一般为循环冗余校验（CRC：Cyclic Redundary Check），或者说是帧校验序列（FCS：Frame Check Sequence），用来检测帧在传输过程中是否出错

  33. 2.3 802.11协议 • LLC是一个对所有LAN都相同的链路层协议，它定义了在媒介上寻址站点及控制两个用户之间数据交换的机制，提供了三种可选的服务 • 无确认的非连接服务（Unacknowledged Connectionless Service） • 连接模式服务（Connection-mode Service） • 确认无连接服务（Acknowledged Connectionless Service） • 设备厂商将LLC服务作为可选项提供给客户，客户可以根据自己应用的需求选择合适的服务 局域网体系结构— LLC子层 在大多数情况下，无确认的非连接服务是优先考虑的选项，但在一些不可靠的网络环境，例如无线网络，一般使用确认无连接服务

  34. 2.3 802.11协议 • MAC的一个重要的功能是控制网络设备对传输媒介的访问，以实现这些网络设备对传输容量的有序高效共享 • MAC帧格式 局域网体系结构— MAC子层 MAC地址是网络接口设备例如网卡的物理地址，购买这些设备时一般就固化在设备的内部，它用来标识连接在LAN上的网络接口的物理接入点

  35. 2.3 802.11协议 • 经典以太网在总线型共享链路上以10Mbps的速率工作，也称为10M以太网，对应标准为802.3 • 传输媒介 • 同轴电缆（10Base5，10Base2，已经很少使用了），双绞线（10Base-TX）及光纤（10Base-F） • MAC层使用CSMA/CD来实现多台主机竞争访问共享链路 经典以太网—概述 CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波侦听多路访问

  36. 2.3 802.11协议 经典以太网—共享链路问题 问题1：在共享链路上，任何主机都能够接收其它主机发送的数据，因此需要一种机制来指明数据的接收者 解决方法：主机发送数据时以帧为单位。数据帧的头标中包含了接收这个数帧的目的地址，即目的MAC地址

  37. 2.3 802.11协议 经典以太网—共享链路问题 问题2：在共享链路上，需要一种机制协调所有主机之间的数据发送，以公平竞争访问链路 解决方法：每个数据帧都有最大长度限制（数据域部分不超过1500字节），发送完后主机之间要重新使用CSMA/CD机制协调对共享链路的访问，

  38. 两台主机同时发送数据 2.3 802.11协议 • 冲突（Collision），有时也叫做碰撞，由多台主机争用传输媒介引起的。当连接在共享链路上的两台或两台以上主机同时发送数据时，表示这些数据的信号将在同一段传输媒介上叠加时，从而导致无法被接收主机正确接收 经典以太网—冲突

  39. 主机发送数据之前进行载波侦听 主机检测到冲突发送干扰信号 2.3 802.11协议 • CSMA/CD机制包括两个步骤，即载波侦听和冲突检测 • 载波侦听（Carrier Sense）：当某台主机想要发送数据时，它首先侦听媒介是否忙，如果是，表示当前有其它主机正在传输数据，因此将继续侦听，直到媒介空闲，然后发送数据 • 冲突检测（Collision Detection）：如果主机在数据发送过程中检测到冲突，则发送干扰信号（jamming signal），以确保所有主机都知道发生了冲突，并且取消发送 经典以太网— CSMA/CD步骤

  40. 2.3 802.11协议 • 当主机检测冲突后，它将等待一个随机的时间，也称作退避（backoff） • 二进制指数退避算法（binary exponential backoff）来确定冲突发生后的随机等待时间 • 在一次冲突之后，时间被划分为离散的时槽，其长度等于最差情况下在以太网媒介上往返传播所需要的时间，时槽与以太网所允许的媒介最大长度有关，一般设置为51.2us • 当第k次冲突发生后，从离散整数集合{0，1，….，2k-1}中随机地选择一个数r，然后等待r个时槽。因此对于第一次冲突，就是等待0或者1个时槽后再次尝试发送，对于第二次冲突，随机选择0，1，2或者3，然后等待这么多个时槽。等等 • 如果k>=10，则保持离散整数集合{0，1，….，210-1} (1023)不变，从其中选择一个随机数r，然后等待r个时槽 • 如果k>16，也就是说尝试16次后仍然没有成功发送，则主机放弃发送，并且产生一个错误 经典以太网—退避算法

  41. 2.3 802.11协议 经典以太网— CSMA/CD+退避算法 发送帧 Yes 媒介忙？ 执行退避算法 No No Yes 发送帧 N≥16? No No 发送完？ 冲突？ 发送失败 Yes Yes 冲突次数N++ 发送成功 发送干扰

  42. 2.3 802.11协议 • 物理层与OSI参考模型的物理层对应 • 数据链路层被划分为两个子层，即媒介访问控制MAC 和逻辑链路控制LLC • MAC子层：确定信道分配方式，也就是决定下一个该由谁传输数据 • CSMA/CA 机制，在无线环境下要检测冲突很难，尽量避免冲突 • LLC子层的任务是隐藏802各个标准之间的差异，使得它们对于网络层而言是一致的 • 确认无连接服务，由于无线信道传输的不可靠性 协议栈 上面各层 逻辑链路控制子层（LLC） 数据链路层 MAC子层 82.11 红外线 82.11 FHSS 82.11 DSSS 82.11a OFDM 82.11b HR-DSSS 82.11g OFDM 82.11n MIMO 物理层

  43. 2.3 802.11协议 • 不同的802.11协议采用的传输方式和编码不同 • 除了802.11a，其它都工作在2.4GHz的ISM频段上，而802.11a工作在5GHz的ISM频段上 物理层 上面各层 逻辑链路控制子层（LLC） 数据链路层 MAC子层 82.11 红外线 82.11 FHSS 82.11 DSSS 82.11a OFDM 82.11b HR-DSSS 82.11g OFDM 82.11n MIMO 物理层

  44. 2.3 802.11协议 • MAC子层实现多个无线站点（STA）对共享无线信道的访问 • 问题：无线环境下很难检测到冲突 • 隐藏站点问题 • 暴露站点问题 MAC子层—概述

  45. 2.3 802.11协议 • 隐藏站点问题 • 由于并不是所有的STA都在其它STA的无线信号覆盖范围内，因此在一个无线信号覆盖区域内的某一部分正在进行的数据传输可能不会被同一区域内的其它部分接收到，从而导致所谓的隐藏节点问题 MAC子层—概述

  46. 2.3 802.11协议 • 暴露站点问题 • 一个无线信号覆盖区域内的某一部分正在进行的数据传输会影响到该区域内其它站点的数据传输 MAC子层—概述

  47. 2.3 802.11协议 • 结论 • 在802.11的MAC子层不能直接采用以太网的CSMA/CD机制 • 802.11中定义了两种操作模式 • 分布式协调功能 • 与以太网类似，无任何中心控制手段，所有站点竞争访问信道 • 强制要求实现的操作 • 点协调功能 • 使用AP或者基站来控制所有的通信 • 可选的操作 MAC子层—概述

  48. 2.3 802.11协议 • 分布式协调功能DCF（Distributed Coordination Function） • 带冲突避免的载波侦听多路访问机制CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance） • 冲突避免CA而不是冲突检测CD，在无线环境下很难检测到冲突 • 两种CSMA/CA操作 • 基本CSMA/CA：采用物理信道侦听方法 ，该操作强制要求必须使用 • 扩展CSMA/CA：采用虚拟信道侦听方法，使用两个控制帧，即RTS/CTS，可解决隐藏站点问题，该操作是可选的，可以根据需要配置 DCF操作 CSMA/CA，CSMA with Collision Avoidance，载波侦听多路访问机制

  49. 2.3 802.11协议 • 包括载波侦听和冲突避免两个过程 • 载波侦听 ：站点在发送帧之前侦听无线信道是否空闲，如果是，则发送数据帧，如果当前信道忙，说明现在有其它站点正在传输数据，则延迟发送帧直到侦听到信道空闲 • 冲突避免：站点在发送帧之前要先等待一个帧间间隔IFS（InterFrame Spacing），并且确保在IFS时间内信道空闲 • 为了防止多个站点在等待IFS时间后同时发送而导致冲突，与以太网类似，引入了一个随机退避算法来选择一个退避时间 （backoff time） 基本CSMA/CA概述

  50. 2.3 802.11协议 基本CSMA/CA的具体过程

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