IEEE 802.11 无线 LAN

1. IEEE 802.11 无线 LAN • 无线 LANs: 不拘范围 (经常是移动的) 联网形态 • IEEE 802.11 标准: • MAC 协议 • 无需注册的频率范围(US): 900Mhz, 2.4Ghz • 基本服务集 (BSS)包括: • 无线主机 • 接入点 (AP):基站 • 由BSS再联合组成分配系统 (DS) • 用门桥（portal）接入有线网 第6讲 数据链路层之三

2. 自组网络（Ad Hoc Networks） • 自组网络: IEEE 802.11 站点可以不使用AP动态地组成网络 • 应用: • 在会议室、汽车中举行“膝上型” 会议 • 与个人使用的电子设备进行互联 • 战场上 • 自组网络与因特网的连接采用所谓的残桩网络(stub network)方式 第6讲 数据链路层之三

3. 无线局域网中的隐蔽站问题 • 隐蔽站: A, C两个站点不能互相“听见” • 障碍物, 信号衰减 • 在B站点发生冲突 • 802.11MAC的设计目标:避免可能在B站发生的冲突 • CSMA/CA: 带有冲突避免（Collision Avoidance）策略的CSMA 第6讲 数据链路层之三

4. 802.11 MAC层: CSMA/CA 802.11 CSMA: 发送方 - 如果检测到信道闲置了DISF秒. 然后传输整个帧 (无冲突检测) -如果检测到信道忙然后 进行二进制避退（binary bakeoff） 802.11 CSMA 接收方: 如果接收 OK 等待 SIFS后返回ACK 第6讲 数据链路层之三

5. IEEE 802.11 MAC 协议 802.11 CSMA 协议: 其他方 • NAV: 网络分配向量（Network Allocation Vector） • 802.11 帧具有传输时间字段 • 其他站点(听见有传输时) 必须推迟若干 NAV时间单位再对信道进行访问 第6讲 数据链路层之三

6. 冲突避免: RTS-CTS 交换 • CSMA/CA: 进行显式的信道预留 • 发送方: 发送简短的 RTS: request to send • 接收方: 使用简短的 CTS: clear to send回应 • CTS 为发送方预留了信道, 并通知了其他 (可能是隐蔽的) 站点 • 避免了隐蔽站点的冲突 第6讲 数据链路层之三

7. 冲突避免: RTS-CTS 交换 • 由于RTS / CTS比较短: • 发送时间短，发生冲突的可能小 • 最终的结果同冲突检测基本一致 • IEEE 802.11 允许: • CSMA • CSMA/CA: 信道预留 • 从AP进行轮询 第6讲 数据链路层之三

8. 点对点的数据链路协议（DLC） • 一方发,一方收,一条链路:比广播信道简单的多 • 无需介质访问控制 • 不必进行MAC寻址 • e.g., 拨号链路, ISDN 线路等 • 常见的点对点DLC协议: • SLIP (Serial Line Internet Protocol)(p89) • PPP (point-to-point 协议) • SDLC: Synchronous Data Link Control (SNA的面向比特的数据链路规程) • HDLC: High level data link control (ISO高级数据链路控制)(p85) 第6讲 数据链路层之三

9. PPP 设计要求 [RFC 1557] • 分组成帧:将网络层的分组封装入数据链路层的帧 • 同时可以承载任意网络协议的网络层数据 (不仅仅是 IP) • 提供向上分用的能力 • 位流透明:在数据字段中，必须能携带任意组合的位流 • 错误检测(无需校正) • 网络层地址协商:端点间可以学习/配置对方的网络地址 第6讲 数据链路层之三

10. PPP 无需做的工作 • 无错误校正/恢复 • 无流量控制 • 允许失序递交 • 无需支持多点链路 (e.g., 轮询) 出错恢复、流量控制、分组重新排序 都被赶到更高层去解决了! 第6讲 数据链路层之三

11. PPP 数据帧 • Flag:定界符(成帧) • Address:没用 (只有一种选择) • Control:没用; 将来可能会用作多点控制字段 • Protocol:本帧传递数据的上层协议 (eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc) 第6讲 数据链路层之三

12. PPP 数据帧 • info:所携带的上层数据 • check: CRC 进行错误检测 第6讲 数据链路层之三

13. 字节填充（Byte Stuffing） • “数据透明” 要求: 数据字段必须可以包括帧的flag字段的固定字节<01111110> • Q:如何判断这个 <01111110>到底是数据还是flag? • 发送方:在每个<01111110>数据字节后加入一个额外的<01111110> • 接收方: • 在连续收到两个01111110 时: 丢弃第一个字节,继续数据接收 • 单个01111110: flag 字节 第6讲 数据链路层之三

14. 字节填充 flag 字型出现在发送数据中 flag 字型加上填充字节在传输数据中 第6讲 数据链路层之三

15. PPP 数据控制协议 在交换网络层数据之前, 数据链路的对等双方必须 • 配置 PPP 链路(最大帧长度, 认证等) • 学习/配置网络 就IP而言: 携带 IP 控制协议 (IPCP) 报文 (protocol field: 8021) 给出比要配置/学习的IP 地址 第6讲 数据链路层之三

16. ATM 技术 • 1980s/1990’s standard标准 用于高速(155Mb/s to 622 Mb/s 以上) Broadband Integrated Service Digital Network（B-ISDN）体系结构 • 目标:集成的, 端对端的 voice, video, data传输 • 满足voice, video传输的 timing/QoS 要求 (针对 Internet best-effort 模型) • “下一代” 电话系统: 技术之根基植于telephone world • 分组交换 (固定长度分组, 称为 “cells-信元”) 使用虚电路 第6讲 数据链路层之三

17. ATM 体系结构 • adaptation layer（适配层）:仅存于ATM网络的边缘上 • 数据分段/装配（data segmentation/reassembly） • 基本等同于Internet transport layer • ATM 层: “网络” 层 • 信源交换,路由选择 • 物理层 第6讲 数据链路层之三

18. ATM: 网络层或 链路层 ? 理想（Vision）:端对端的传输: “ATM从桌面到桌面” • ATM 的确是网络技术 现实（Reality）:用来连接IP主干路由器 • “IP over ATM” • ATM 作为交换链路, 连接 IP 路由器 第6讲 数据链路层之三

19. ATM 适配层 (AAL) • ATM Adaptation Layer (AAL):夹在中间，用来对其上层(IP or ATM 本身的应用程序)和其下层（ ATM 层 ）进行 “适配” • AAL 仅出现在端接系统, 而交换机中是不存在的 • AAL层的数据段 (首部/尾部字段, 数据)被分割后放入多个ATM 信元 • 类比: TCP的数据段可分入多个IP分组 第6讲 数据链路层之三

20. ATM 适配层 (AAL) [续] 不同版本的AAL层,取决于ATM的服务类别: • AAL1:用于 CBR (Constant Bit Rate，恒定传输速率) 服务, e.g. 线路交换模拟（circuit emulation） • AAL2:用于VBR (Variable Bit Rate，可变传输速率) 服务, e.g., MPEG video • AAL5:用于UBR,数据传输 (eg, IP 分组) User data AAL PDU ATM cell 第6讲 数据链路层之三

21. AAL5 - Simple And Efficient AL (SEAL)简单有效的适配层 • AAL5: 开销低，可用来传输 IP 分组 • 4 字节的CRC • PAD 用来保证数据负荷（payload）为 48字节的整倍数 • 大个的AAL5数据单元被分入多个 48-byte ATM cells 第6讲 数据链路层之三

22. ATM 层 服务: 将信元通过ATM网络进行传输 • 如同 IP 网络层 • 但其提供的服务与 IP网络层大相径庭 Guarantees ? Network Architecture Internet ATM ATM ATM ATM Service Model best effort CBR VBR ABR UBR Congestion feedback no (inferred via loss) no congestion no congestion yes no Bandwidth none constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none Loss no yes yes no no Order no yes yes yes yes Timing no yes yes no no 第6讲 数据链路层之三

23. ATM层: 虚电路 • VC传输:信元的传输是通过 VC完成的 • 在数据传输之前需要建立连接，完后断开 • 每个分组携带 VC定义符 (而不是信宿的ID) • 为传输路径每个正在通信的连接上所有交换结点维持“状态” • 链路,交换资源 (带宽,缓存) 可以被分配给VC: 以获取线路交换类似的性能 • 永久型虚电路(PVCs) • 长期持续的连接 • 典型: 在IP路由器之间的“永久性”路由 • 交换型虚电路 (SVC): • 在每次通信的基础上动态设置 第6讲 数据链路层之三

24. ATM 虚电路 • ATM VC 的优点: • 连接时QoS 的性能承诺可以映射到VC上 (带宽, 延迟, 延迟抖动-delay jitter) • ATM VC 的缺点: • 对数据报的支持效率不高（不合算） • 每个信源/信宿对间的PVC需要N*2 连接 • SVC由于需要呼叫建立（call setup）等待,因此处理生存期短的连接开销较大 第6讲 数据链路层之三

25. ATM 层: ATM cell（信元） • 5字节ATM信元首部 • 48字节的有效负荷（payload） • Why?: 较小的payload -> 对数字化语音来说，创建信元的延迟较小些 • 介乎于32和 64之间 (折衷!) Cell header Cell format 第6讲 数据链路层之三

26. ATM 信元首部 • VCI: virtual channel ID（虚通道标志） • 在通过网络的各段链路时会变化 • PT:Payload type （负荷类型）(e.g. RM cell vs.data cell) • CLP: Cell Loss Priority bit(信元丢失优先位) • CLP = 1 意味着低优先级信元, 如果拥塞可先丢弃 • HEC: Header Error Checksum（首部错误校验） • cyclic redundancy check（CRC） 第6讲 数据链路层之三

27. ATM 物理层 两 片 (子层) 形式的物理层: • Transmission Convergence Sublayer (TCS)-传输汇聚子层:在ATM 层和 PMD 子层间进行适配 • Physical Medium Dependent（物理媒体相关子层）:取决于使用的物理介质 传输汇聚子层（TCS）功能: • 首部校验和计算: 8位 CRC • 信源圈定 • 对于 “非结构化的” PMD子层, 在没有数据传输时须传输空闲信元 ，进行速率适配 第6讲 数据链路层之三

28. ATM 物理层 物理媒体相关 (PMD) 子层 • SONET/SDH:传输帧结构 (类似集装箱运输); • 位同步; • 带宽分割 (TDM); • 若干种速率: OC1 = 51.84 Mb/s; OC3 = 155.52 Mb/s; OC12 = 622.08 Mb/s • T1/T3（北美标准）:传输帧结构 (沿袭于传统的电话体系技术): 1.5 Mb/s～ 45 Mb/s • 无结构的（unstructured）: 仅用信元(忙/闲) 第6讲 数据链路层之三

29. IP-Over-ATM IP over ATM • 用ATM网络替代传统 “网络” (e.g., LAN 网段) • ATM地址, IP 地址 传统的 IP • 3个“网络” (e.g., LAN 网段) • MAC (802.3) 和 IP 地址 ATM network Ethernet LANs Ethernet LANs 第6讲 数据链路层之三

30. IP-Over-ATM 业务: • IP分组放入ATM AAL5 PDU • 从IP地址映射到 ATM 地址 • 就像IP地址映射到 802.3 MAC 地址! ATM network Ethernet LANs 第6讲 数据链路层之三

31. 在 IP-over-ATM网络中的分组旅程 • 在信源主机: • IP层 (使用ARP) 寻求IP信宿地址到ATM地址之间的映射 • 将分组送入AAL5 • AAL5 把数据段封装入信元，再传递给ATM层 • ATM网络:沿VC将信元送到信宿 • 在信宿主机: • AAL5 将信元重新装配成原始分组 • 如果 CRC OK, 分组将传递给 IP层 第6讲 数据链路层之三

32. ATM网络的ARP（地址解析协议） • ATM网络需要信宿的ATM地址 • 就像以太网需要信宿的以太网地址 • IP/ATM之间的地址转换通过ATM ARP (Address Resolution Protocol)进行 • ATM网络中的ARP 服务器对所有连接的设备广播ATM ARP的转换请求 • 主机可以在服务器上注册其ATM地址以免去查找之烦 第6讲 数据链路层之三

33. X.25 和帧中继（ Frame Relay） 类似ATM: • 广域网络技术 • 面向虚电路 • 根植于 telephony world • 可以传输 IP分组 • 从这个视角，可以把其看成IP协议的链路层 第6讲 数据链路层之三

34. X.25 • X.25 为每个用户在信源和信宿之间建立VC连接 • 在通信路径上按步跳进行控制(校验，可靠性，拥塞控制) • 在每个步跳之间使用LAP-B协议进行错误控制 (具有重发功能) • 采用了HDLC协议的变体 • 按步跳使用信用证（ credits ）进行流量控制 • 在中间结点发生的拥塞回传回通道上的前个结点 • 最后通过背压方式（ back pressure ）传回信源 第6讲 数据链路层之三

35. IP vs.X.25 • X.25: 可以做到可靠的、按序的端对端的传递 • “智能在网络中（intelligence in the network）” • IP: 只能完成不可靠的, 可能失序的端对端传递 • “智能在端系统中(intelligence in the endpoints)” • IP over X.25 • X.25也可以作为IP的数据链路层 第6讲 数据链路层之三

36. 帧中继（Frame Relay） • 设计于1980s末, 广泛应用于1990s, 是在信道技术进步的现实基础上对X.25的改进 • Frame relay 服务: • 无错误控制 • 进行端对端的拥塞控制 第6讲 数据链路层之三

37. 帧中继 (续) • 设计用来对公司用户的LANs进行互联 • 一般为永久性 VC’s: 把两个路由器间的数据流通过这样的“管道” 连接起来 • 交换VC’s: 通过拨号连接，类似 ATM • 公司用户从公共的Frame Relay网络租用 FR 服务 (eg, Sprint, ATT，中国电信) 第6讲 数据链路层之三

38. address data CRC flags flags 帧中继 (续) • Flag 位, 01111110, 界定帧 • address: • 10 位 VC ID 字段 • 3 拥塞控制位 • FECN: forward explicit congestion notification (帧在前向通道上遭遇拥塞) • BECN: congestion on reverse path • DE: discard eligibility（丢弃资质） 第6讲 数据链路层之三

39. 帧中继 –VC速率控制 • Committed Information Rate (CIR)-承诺信息速率 • 定义, “承诺的” 每个 VC的速率 • 在VC建立的协商过程中确定 • 用户根据 CIR付费 • DE位: Discard Eligibility bit（丢弃资质） • 端接的FR 交换机为每条VC测量速率; 标记DE位 • DE = 0: 高优先, 重要帧;”不惜一切代价”的传递 • DE = 1: 低优先, 在拥塞时首先丢弃 第6讲 数据链路层之三

40. 帧中继 -承诺信息速率(CIR) & 帧标记 • 访问速率: R指（用户的)源路由器到（服务商的）FR端接交换机之间的数据速率; 64Kbps < R < 1,544Kbps • 一般，许多VC (每条通向一个信宿路由器) 被复用到统一个访问干线上; 每条VC有自己的 CIR • FR端接交换机测量每个VC的信息流量; 并作标记（ marks） • (ie DE >= 1) 超出了CIR的帧 (这些帧可能会在稍后被丢弃) 第6讲 数据链路层之三

41. 广域网技术的应用 • 三类： • 拨号（电路交换） • PSTN、ISDN • 分组(帧)交换 • ATM、X.25、Frame Relay • 专线（点到点） • DDN、xDSL 第6讲 数据链路层之三

42. 互联实例1：远程PC接入局域网 LAN 拨号访问服务器 RAS PSTN Modem Modem PC PC 第6讲 数据链路层之三

43. 互联实例2：利用帧中继实现局域网远程互联 LAN1 路由器 FRS：帧中继交换机 FRS 广域网 FRS FRS 路由器 路由器 LAN2 LAN3 第6讲 数据链路层之三

44. 公共电话交换网PSTN (POTS) • 电路交换 • 有拨号连接过程 • 即可传输模拟信息，也可传输数字信息 • 用户环路为模拟传输 • 数据通信时需要使用MODEM • 收发双方传输速率必须相同，最高为56kbps 第6讲 数据链路层之三

45. PSTN的协议结构 • 物理层主要使用RS-232(DTE和Modem之间的接口，目前也有相当部分集成主板和内置的Modem)； • 链据层为PPP (或SLIP，现已很少用)； • PPP支持的任何一种高层协议 网络层 IP/IPX/… 数据链路层 PPP/SLIP RS-232 物理层 第6讲 数据链路层之三

46. PSTN的组成 用户家庭 电信公司 模拟线路 数字线路 电话交换机 计算机 MODEM MODEM 中继网 本地环路 用户的设备 电话公司的设备 RS-232 第6讲 数据链路层之三

47. 综合业务数字网 ISDN（Integrated Service Digital Network） • 电路交换，利用现有的电话交换系统 • 有拨号连接过程 • 全数字传输网络 • 多服务：语音、数据、文本、图形、视频 • 采用带外信令（D信道），拨号连接速度快 • 载体信道（B信道）带宽为64kbit/s 第6讲 数据链路层之三

48. N-ISDN的协议结构 • 物理层使用I.430(BRI)和I.431(PRI)； • 链路层和网络层分为控制呼叫协议和用户访问协议 • 链路层 • 控制：LAPD • 用户：PPP、FR、LAPB(X.25)等 • 网络层 • 控制：Q.931 • 用户：IP、X.25 控制呼叫 用户访问 Q.931 IP/IPX X.25 网络层 LAPD(Q.921) PPP FR LAPB 数据链路层 I.430/I.431 物理层 第6讲 数据链路层之三

49. ISDN的组成 • 家庭用的ISDN 用户家庭 电信公司 ISDN数字电话 ISDN终端 ISDN交换机 本地回路 NT1 TE1 TE1 TE1 广域网 T U 用户的设备 电信公司的设备 第6讲 数据链路层之三

50. 大型商用的ISDN 用户办公室 电信公司 TE1 ISDN交换机 NT2 S 本地回路 TE1 NT1 S 广域网 TE1 U T S PBX TA TE2 电信公司的设备 R 用户的设备 第6讲 数据链路层之三