Bài giảng Mạng Viễn thông (33BB) Trần Xuân Nam Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự
1
Chương 6 Các Giao thức Điều khiển Truy nhập Môi trường và Mạng Cục bộ Part II: Mạng Cục bộ Tổng quan về LANs Ethernet Token Ring and FDDI 802.11 Wireless LAN LAN Bridges
2
Chapter 6 Các Giao thức Điều khiển Truy nhập Môi trường và Mạng Cục bộ Tổng quan về LANs
3
What is a LAN? Mạng Cục bộ (Local Area Network): Mạng riêng trong phạm vi nhỏ Cự ly ngắn (~1km) giữa các máy tính
Chi phí thấp Tốc độ cao, truyền thông tin cậy Không cần sử dụng các phương pháp điều khiển lỗi phức tạp
Các máy tính luôn “chuyển động”
Bám theo vị trí của các máy tính phức tạp Gán cho mỗi máy một địa chỉ riêng Broadcast tất cả các messages tới tất cả các máy trong LAN
Cần một giao thức MAC Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
4
Cấu trúc LAN điển hình Môi trường truyền dẫn Network Interface Card (NIC) Địa chỉ vật lý MAC duy nhất Ethernet Processor
RAM
ROM RAM
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
5
Medium Access Control Sublayer Trong IEEE 802.1, Data Link Layer được chia thành: 1. Medium Access Control Sublayer
Điều phối truy nhập tới môi trường Dịch vụ chuyển frame không kết nối (connectionless) Các máy xác định bởi MAC/physical address Các broadcast frames có MAC addresses
2. Logical Link Control Sublayer
Giữa Network layer & MAC sublayer
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
6
MAC Sub-layer OSI
IEEE 802 Network layer
Network layer
802.2 Logical link control
LLC
Data link layer MAC
802.11 802.3 802.5 CSMA-CD Token Ring Wireless LAN
Physical layer
Various physical layers
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Other LANs
Physical layer
7
Logical Link Control Layer z
IEEE 802.2: LLC nâng cao dịch vụ cung cấp bởi MAC
C
A A Unreliable Datagram Service
Reliable frame service C
LLC
LLC
LLC
MAC
MAC
MAC
MAC
MAC
MAC
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
PHY
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
8
Các dịch vụ Logical Link Control Type 1: dịch vụ connectionless không cần xác nhận
Unnumbered frame mode của HDLC
Type 2: dịch vụ connection-oriented tin cậy
Chế độ cân bằng không đồng bộ của HDLC
Type 3: Dịch vụ connectionless có xác nhận Đánh địa chỉ bổ sung
Một workstation có một địa chỉ vật lý MAC duy nhất Có thể xử lý vài kết nối logic, phân biệt với nhau bởi SAP (service access points) của chúng.
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
9
Cấu trúc PDU của LLC 1
1 byte
1 Source SAP Address
Destination SAP Address
1 or 2 bytes Control
Source SAP Address
Destination SAP Address C/R
I/G 1
Information
7 bits
I/G = Individual or group address C/R = Command or response frame
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
1
7 bits
Examples of SAP Addresses: 06 IP packet E0 Novell IPX FE OSI packet AA SubNetwork Access protocol (SNAP) 10
Đóng gói MAC frames IP Packet LLC LLC PDU Header
MAC Header
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
IP
Data
FCS
11
Chapter 6 Medium Access Control Protocols and Local Area Networks Ethernet
12
A bit of history… 1970 Mạng vô tuyến ALOHAnet được triển khai ở đảo Hawaiian 1973 Metcalf và Boggs phát minh Ethernet, truy nhập ngẫu nhiên ở mạng hữu tuyến 1979 Chuẩn DIX Ethernet II 1985 Chuẩn IEEE 802.3 LAN (10 Mbps) 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet 2002 10 Gigabit Ethernet Ethernet là chuẩn LAN phổ biến Metcalf’s Sketch
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
13
IEEE 802.3 MAC: Ethernet Giao thứcMAC: CSMA/CD Slot Time là một tham số hệ thống quan trọng
Biên trên về thời gian phát hiện va chạm Biên trên về thời gian chiếm kênh Biên trên về độ dài của segment tạo bởi va chạm Lượng tử (quantum) cho định trình truyền lại max{round-trip propagation, MAC jam time}
Truncated binary exponential backoff
Backoff cho lần truyền lại n: 0 < r < 2k, với k=min(n,10) Từ bỏ truyền sau 16 lần truyền lại
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
14
Các tham số cơ bản của IEEE 802.3 Tốc độ truyền dẫn: 10 Mbps Frame tối thiểu: 512 bits = 64 bytes Slot time: 512 bits/10 Mbps = 51.2 µsec
51.2 µsec x 2x105 km/sec =10.24 km, 1 chiều Cự ly 5.12 km round trip
Cự ly max: 2500 meters + 4 repeaters Để tăng tốc độ gấp 10 lần cần giảm cự ly đi 10 lần
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
15
IEEE 802.3 MAC Frame 802.3 MAC Frame 7
1
Preamble
SD
Synch
z z z z z
6 Destination address
Start frame
6 Source address
2 Length Information Pad
4 FCS
64 - 1518 bytes
Mỗi lần truyền frame bắt đầu từ đầu (“from scratch”) Preamble giúp máy thu đồng bộ đồng hồ với máy phát 7 bytes của chuỗi 10101010 tạo nên một sóng vuông Start frame byte chuyển thành 10101011 Máy thu tìm thay đổi trong mẫu 10
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
16
IEEE 802.3 MAC Frame 802.3 MAC Frame 7
1
Preamble
SD
Synch
6 Destination address
Start frame
0
Single address
1
Group address 0
Local address
1
Global address
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
6 Source address
2 Length Information Pad
4 FCS
64 - 1518 bytes
• Destination address • single address • group address • broadcast = 111...111 Addresses • local or global • Global addresses • 24 bits đầu được gán cho manufacturer; • 24 bits tiếp theo gán bởi manufacturer • Cisco 00-00-0C • 3COM 02-60-8C 17
IEEE 802.3 MAC Frame 802.3 MAC Frame 7
1
Preamble
SD
Synch
z
z z
6 Destination address
Start frame
6 Source address
2 Length Information Pad
4 FCS
64 - 1518 bytes
Length: số bytes trong trường Information z Max frame 1518 bytes, trừ preamble & SD z Max information 1500 bytes: 05DC Pad: đảm bảo min frame bằng 64 bytes FCS: CCITT-32 CRC, bao gồm toàn bộ addresses, length, information, pad fields z NIC loại bỏ các frames không có độ dài thích hợp hay không thỏa mãn CRC
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
18
DIX Ethernet II Frame Structure Ethernet frame 7
1
Preamble
SD
Synch
6 Destination address
Start frame
6 Source address
2 Type
4 Information
FCS
64 - 1518 bytes
DIX: Digital, Intel, Xerox joint Ethernet specification Type Field: xác định protocol của PDU ở trường information, ví dụ, IP, ARP Framing: Làm sao máy thu biết độ dài frame?
Tín hiệu physical layer, byte count, FCS
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
19
SubNetwork Address Protocol (SNAP) Các chuẩn của IEEE giả thiết LLC luôn được sử dụng Các giao thức lớp trên phát triển cho DIX hy vọng vào trường Type DSAP, SSAP = AA, AA chỉ thị SNAP PDU; 03 = Type 1 (connectionless) service SNAP được sử dụng để đóng khung các Ethernet II frames Type
ORG 3
2
SNAP PDU LLC PDU
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Information
AA AA 03 1
MAC Header
SNAP Header
1
1
FCS 20
IEEE 802.3 Physical Layer Table 6.2 IEEE 802.3 10 Mbps medium alternatives
Medium Max. Segment Length Topology
(a)
10base5
10base2
10baseT
10baseFX
Thick coax
Thin coax
Twisted pair
Optical fiber
500 m
200 m
100 m
2 km
Bus
Bus
Star
Point-to-point link
transceivers
Thick Coax: Stiff, hard to work with Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
(b)
Hubs & Switches!
T connectors flaky 21
Ethernet Hubs & Switches Single collision domain
(a)
z z z
z
z
z
(b)
High-Speed backplane or interconnection fabric
z
Dây xoắn rẻ tiền Dễ làm việc Tin cậy Cấu hình Star, CSMA-CD Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
z
z
z
Dây xoắn rẻ tiền Bridging tăng tính mở (scalability) Các collision domains riêng biệt Full duplex operation 22
Ethernet Scalability CSMA-CD 30 25 20 15 10 5 0.96
0.9
0.84
0.78
0.72
0.66
0.6
0.54
0.48
0.42
0.36
0.3
0.24
0.18
0.12
0.06
0 0
Avg. Transfer Delay
a = .2
a = .01
a = .1
Load
Thông lượng max của CSMA-CD phụ thuộc vào tích trễ băng tần chuẩn hóa a=tprop/X Tăng tốc độ bit lên 10 lần = tăng X lên 10 lần Để giữ a không đổi cần: giảm tprop (distance) đi 10 lần; hoặc tăng độ dài frame lên 10 lần Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
23
Fast Ethernet Table 6.4 IEEE 802.3 100 Mbps Ethernet medium alternatives
Medium
100baseT4
100baseT
100baseFX
Twisted pair category 3 UTP 4 pairs
Twisted pair category 5 UTP two pairs
Optical fiber multimode Two strands
100 m
100 m
2 km
Star
Star
Star
Max. Segment Length Topology
Để đảm bảo tương thích với 10 Mbps Ethernet: Cùng frame format, cùng interfaces, cùng protocols Cấu hình Hub chỉ sử dụng với twisted pair & fiber Cấu hình Bus & cáp đồng trục bị loại bỏ Cáp xoắn Category 3 (chuẩn cho telephone thông thường) yêu cầu 4 cặp Cáp đôi dây xoắn Category 5 yêu cầu 2 pairs (phổ biến nhất) Sử dụng trong phần lớn các mạng LAN Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
24
Gigabit Ethernet Table 6.3 IEEE 802.3 1 Gbps Fast Ethernet medium alternatives 1000baseSX
1000baseLX
1000baseCX
1000baseT
Optical fiber multimode Two strands
Optical fiber single mode Two strands
Shielded copper cable
Twisted pair category 5 UTP
550 m
5 km
25 m
100 m
Star
Star
Star
Star
Medium Max. Segment Length Topology
Slot time increased to 512 bytes Small frames need to be extended to 512 B Frame bursting to allow stations to transmit burst of short frames Frame structure preserved but CSMA-CD essentially abandoned Extensive deployment in backbone of enterprise data networks and in server farms
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
25
10 Gigabit Ethernet Table 6.5 IEEE 802.3 10 Gbps Ethernet medium alternatives 10GbaseSR
Medium
Two optical fibers Multimode at 850 nm
10GBaseLR
10GbaseEW
Two optical fibers
Two optical fibers
Single-mode at 1310 nm
Single-mode at 1550 nm SONET compatibility
64B66B code 64B66B Max. Segment Length
300 m
10 km
40 km
10GbaseLX4 Two optical fibers multimode/singlemode with four wavelengths at 1310 nm band 8B10B code 300 m – 10 km
Giữ nguyên cấu trúc frame Chính thức từ bỏ giao thức CSMA-CD LAN PHY cho các ứng dụng thuộc mạng nội bộ WAN PHY cho các kết nối vùng rộng sử dụng SONET OC-192c Triển khai rộng khắp ở các mạng metro
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
26
Typical Ethernet Deployment Server farm Server
Switch/router
Server
Ethernet switch 100 Mbps links Hub 10 Mbps links
Department A Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Server
Server
Gigabit Ethernet links Gigabit Ethernet links
Ethernet switch 100 Mbps links
Server
Hub 10 Mbps links
Department B
Switch/router
Ethernet switch 100 Mbps links
Server
Hub 10 Mbps links
Department C
27
Chapter 6 Medium Access Control Protocols and Local Area Networks Token Ring and FDDI
28
IEEE 802.5 Ring LAN Mạng vòng một chiều (unidirectional ring network) Xác định 2 tốc độ 4 Mbps và 16 Mbps trên đôi dây xoắn (twisted pair)
Mã hóa đường dây Manchester vi sai
Đa truy nhập sử dụng token passing 9 9 8
Công bằng Các mức độ ưu tiên truy nhập Một nút hỏng làm toàn mạng tê liệt
Sử dụng star topology để nâng cao tin cậy Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
29
Star Topology Ring LAN Các trạm kết nối theo kiểu hình sao tới tủ đấu dây
Sử dụng dây điện thoại sẵn có
Thực hiện vòng bên trong hộp thiết bị Rơle có thể bỏ qua tuyến hay trạm bị hỏng
Ví dụ trạm E A Wiring Center E B C
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
D 30
Token Frame Format Data frame format 1
1
SD
AC
1 FC
6 Destination address
Token frame format Starting delimiter Access control
SD
M
1
Information FCS ED
1 FS
AC ED
J K 0 J K 0
PPP T
4
6 Source address
0
0
RRR
Ending J K 1 J K 1 I Trần Xuân Nam, Học viện KTQS delimiter
E
J, K nondata symbols (line code) J begins as “0” but no transition K begins as “1” but no transition PPP=priority; T=token bit M=monitor bit; RRR=reservation T=0 token; T=1 data I = intermediate-frame bit E = error-detection bit
31
Data Frame Format Data frame format 1
1
SD
AC
6 Destination address
1 FC
6 Source address
4
1
Information FCS ED
FF
Addressing
48 bit format as in 802.3
Information
Length limited by allowable token holding time
FCS
CCITT-32 CRC
Frame status
A
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
C
xx
A
C
x x
FS
FF = frame type; FF=01 data frame FF=00 MAC control frame ZZZZZZ type of MAC control
Frame control
Z Z Z Z Z Z
1
A = address-recognized bit xx = undefined C = frame-copied bit 32
Các chức năng khác của vòng Hoạt động Ưu tiên
PPP cung cấp 8 mức ưu tiên Các trạm đợi token với ưu tiên như nhau hoặc thấp hơn Sử dụng các bit RRR để “đấu thầu” quyền ưu tiên của token tiếp theo
Duy trì Vòng
Trạm phát phải loại bỏ các frames của nó Điều kiện lỗi 9
Orphan frames, mất token, lỗi frame
Trạm giám sát tích cực chịu trách nhiệm loại bỏ orphans
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
33
Ring Latency & Token Reinsertion Giả thiết M trạm Trễ tại mỗi trạm là b bit
b=2.5 bits (using Manchester coding)
Ring Latency:
t’ = d/n + Mb/R seconds t’R = dR/n + Mb bits
Ví dụ
Case 1: R=4 Mbps, M=20, 100 meter separation 9
Latency = 20x100x4x106/(2x108)+20x2.5=90 bits
Case 2: R=16 Mbps, M=80 9
Latency = 840 bits
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
34
(a)
Low Latency (90 bit) Ring A
t = 0, A begins frame
(b)
A
t = 90, return of first bit
A
t = 210, return of header
A
t = 400, last bit enters ring, reinsert token
High Latency (840 bit) Ring A
A
t = 0, A begins frame t = 400, transmit last bit Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
A
t = 840, arrival first frame bit
A
t = 960, reinsert token 35
Fiber Distributed Data Interface (FDDI) Giao thức token ring cho LAN/MAN Counter-rotating dual ring topology 100 Mbps bằng cáp quang Đường kính tới 200 km, và 500 trạm Trạm có 10-bit “elastic” buffer để lấy định thời giữa input & output Max frame 40,000 bits 500 stations @ 200 km có ring latency bằng 105,000 bits FDDI có tùy chọn làm việc ở chế độ multitoken
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
36
A
X E
B
C Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
D
Dual ring becomes a single ring
37
FDDI Frame Format Data Frame Format 8
1
PRE SD
1 FC
6 Destination Address
6 Source Address
4
1
Information FCS ED
1 FS
Preamble Frame control
CLFFZZZZ
C = synch/asynch L = address length (16 or 48 bits) FF = LLC/MAC control/reserved frame type CLFFZZZZ = 10000000 or 11000000 denotes token frame
Token Frame Format
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
PRE
SD
FC
ED
38
Timed Token Operation Two traffic types
Synchronous Asynchronous
All stations in FDDI ring agree on target token rotation time (TTRT) Station i has Si max time to send synch traffic Token rotation time is less than 2*TTRT if
S1 + S2 + … + SM-1 + SM < TTRT FDDI guarantees access delay to synch traffic
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Station Operation Maintain Token Rotation Timer (TRT): time since station last received token When token arrives, find Token Holding Time
THT = TTRT – TRT THT > 0, station can send all synchronous traffic up to Si + THT-Si data traffic THT < 0, station can only send synchronous traffic up to Si
As ring activity increases, TRT increases and asynch traffic throttled down
39
Chapter 6 Medium Access Control Protocols and Local Area Networks 802.11 Wireless LAN
40
Wireless Data Communications Wireless communications compelling 9 9 9
Easy, low-cost deployment Mobility & roaming: Access information anywhere Supports personal devices 9
9
Supports communicating devices 9
8 8 8
PDAs, laptops, data-cell-phones Cameras, location devices, wireless identification
Signal strength varies in space & time Signal can be captured by snoopers Spectrum is limited & usually regulated
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
41
Ad Hoc Communications C
A
B
D
Temporary association of group of stations
Within range of each other Need to exchange information E.g. Presentation in meeting, or distributed computer game, or both
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
42
Infrastructure Network
Portal Distribution System
Server
Gateway to Portal the Internet
AP1 AP2 A1
B1
BSS A Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
B2
A2 BSS B
Permanent Access Points provide access to Internet
43
Hidden Terminal Problem (a)
A
C
Data Frame
A transmits data frame B (b)
Data Frame A
B
C senses medium, station A is hidden from C
Data Frame
C
C transmits data frame & collides with A at B
New MAC: CSMA with Collision Avoidance Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
44
CSMA with Collision Avoidance
(a)
B
RTS
C
A requests to send
(b)
CTS
B
A
CTS C
B announces A ok to send
(c) Data Frame A sends Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
B C remains quiet 45
IEEE 802.11 Wireless LAN Stimulated by availability of unlicensed spectrum
U.S. Industrial, Scientific, Medical (ISM) bands 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, 5.725-5.850 GHz
Targeted wireless LANs @ 20 Mbps MAC for high speed wireless LAN Ad Hoc & Infrastructure networks Variety of physical layers
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
46
802.11 Definitions Basic Service Set (BSS)
Group of stations that coordinate their access using a given instance of MAC Located in a Basic Service Area (BSA) Stations in BSS can communicate with each other Distinct collocated BSS’s can coexist
Extended Service Set (ESS)
Multiple BSSs interconnected by Distribution System (DS) Each BSS is like a cell and stations in BSS communicate with an Access Point (AP) Portals attached to DS provide access to Internet
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
47
Infrastructure Network
Portal Distribution System
Server
Gateway to Portal the Internet
AP1 AP2 A1
B1
BSS A Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
B2
A2 BSS B
48
Distribution Services Stations within BSS can communicate directly with each other DS provides distribution services:
Transfer MAC SDUs between APs in ESS Transfer MSDUs between portals & BSSs in ESS Transfer MSDUs between stations in same BSS 9
Multicast, broadcast, or stations’s preference
ESS looks like single BSS to LLC layer
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
49
Infrastructure Services Select AP and establish association with AP
Then can send/receive frames via AP & DS
Reassociation service to move from one AP to another AP Dissociation service to terminate association Authentication service to establish identity of other stations Privacy service to keep contents secret
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
50
IEEE 802.11 MAC MAC sublayer responsibilities
Channel access PDU addressing, formatting, error checking Fragmentation & reassembly of MAC SDUs
MAC security service options
Authentication & privacy
MAC management services
Roaming within ESS Power management
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
51
MAC Services Contention Service: Best effort Contention-Free Service: time-bounded transfer MAC can alternate between Contention Periods (CPs) & ContentionFree Periods (CFPs) MSDUs
Contentionfree service
MSDUs
Contention service
Point coordination function
MAC
Distribution coordination function (CSMA-CA) Physical Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
52
Distributed Coordination Function (DCF) DIFS
Contention window
PIFS
DIFS
SIFS Busy medium Defer access
Next frame Wait for reattempt time
Time
DCF provides basic access service
Asynchronous best-effort data transfer All stations contend for access to medium
CSMA-CA
Ready stations wait for completion of transmission All stations must wait Interframe Space (IFS)
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
53
Priorities through Interframe Spacing DIFS
Contention window
PIFS
DIFS
SIFS Busy medium Defer access
Next frame Wait for reattempt time
Time
High-Priority frames wait Short IFS (SIFS)
Typically to complete exchange in progress
ACKs, CTS, data frames of segmented MSDU, etc.
PCF IFS (PIFS) to initiate Contention-Free Periods DCF IFS (DIFS) to transmit data & MPDUs Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
54
Contention & Backoff Behavior If channel is still idle after DIFS period, ready station can transmit an initial MPDU If channel becomes busy before DIFS, then station must schedule backoff time for reattempt
Backoff period is integer # of idle contention time slots Waiting station monitors medium & decrements backoff timer each time an idle contention slot transpires Station can contend when backoff timer expires
A station that completes a frame transmission is not allowed to transmit immediately
Must first perform a backoff procedure
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
55
(a)
B
RTS
C
A requests to send
(b)
CTS
B
CTS
A
C B announces A ok to send
(c) Data Frame
B
A sends
(d)
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
C remains quiet
ACK
B
B sends ACK
ACK
56
Carrier Sensing in 802.11 Physical Carrier Sensing
Analyze all detected frames Monitor relative signal strength from other sources
Virtual Carrier Sensing at MAC sublayer
Source stations informs other stations of transmission time (in µsec) for an MPDU Carried in Duration field of RTS & CTS Stations adjust Network Allocation Vector to indicate when channel will become idle
Channel busy if either sensing is busy
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
57
Transmission of MPDU without RTS/CTS DIFS Data Source SIFS
ACK
Destination
DIFS
Other
NAV
Defer Access Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Wait for Reattempt Time 58
Transmission of MPDU with RTS/CTS DIFS RTS
Data
Source SIFS
CTS
SIFS
SIFS
Ack
Destination
DIFS NAV (RTS) Other
NAV (CTS) NAV (Data)
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Defer access
59
Collisions, Losses & Errors Collision Avoidance
When station senses channel busy, it waits until channel becomes idle for DIFS period & then begins random backoff time (in units of idle slots) Station transmits frame when backoff timer expires If collision occurs, recompute backoff over interval that is twice as long
Receiving stations of error-free frames send ACK
Sending station interprets non-arrival of ACK as loss Executes backoff and then retransmits Receiving stations use sequence numbers to identify duplicate frames
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
60
Point Coordination Function PCF provides connection-oriented, contentionfree service through polling Point coordinator (PC) in AP performs PCF Polling table up to implementor CFP repetition interval
Determines frequency with which CFP occurs Initiated by beacon frame transmitted by PC in AP Contains CFP and CP During CFP stations may only transmit to respond to a poll from PC or to send ACK
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
61
PCF Frame Transfer TBTT
Contention-free repetition interval SIFS
B PIFS
SIFS
SIFS
SIFS
SIFS CF End
D2+Ack+ Poll
D1 + Poll
Contention period
U2+ ACK
U1+ ACK
Reset NAV NAV CF_Max_duration
D1, D2 = frame sent by point coordinator U1, U2 = frame sent by polled station TBTT = target beacon transmission time B = beacon frame
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
62
Frame Types Management frames
Station association & disassociation with AP Timing & synchronization Authentication & deauthentication
Control frames
Handshaking ACKs during data transfer
Data frames
Data transfer
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
63
Frame Structure 2
2
Frame Control
Duration/ ID
MAC header (bytes) 6 6 Address 1
Address 2
6
2
6
0-2312
4
Address 3
Sequence control
Address 4
Frame body
CRC
MAC Header: 30 bytes Frame Body: 0-2312 bytes CRC: CCITT-32 4 bytes CRC over MAC header & frame body
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
64
Frame Control (1) 2
2
Frame Control
Duration/ ID
MAC header (bytes) 6 6 Address 1
Address 2
2
2
4
Protocol version
Type
Subtype
1
6
2
6
0-2312
4
Address 3
Sequence control
Address 4
Frame body
CRC
1
1
1
1
1
1
1
To From More Pwr More Retry WEP Rsvd DS DS frag mgt data
Protocol version = 0 Type: Management (00), Control (01), Data (10) Subtype within frame type Type=00, subtype=association; Type=01, subtype=ACK MoreFrag=1 if another fragment of MSDU to follow Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
65
Frame Control (2) 2
2
6
6
6
2
6
0-2312
4
Frame Control
Duration/ ID
Address 1
Address 2
Address 3
Sequence control
Address 4
Frame body
CRC
2
2
4
Protocol version
Type
Subtype
To From DS DS
Address 1 Destination address Destination address
0
0
0
1
1
0
BSSID
1
1
Receiver address
Address 2 Source address
1
1
1
1
1
1
1
To From More Pwr More Retry WEP Rsvd DS DS frag mgt data
Address 3
Address 4
BSSID
N/A
Data frame from station to station within a BSS
N/A
Data frame exiting the DS
N/A
Data frame destined for the DS
Source address
WDS frame being distributed from AP to AP
Source address Source Destination address address Transmitter Destination address address BSSID
1
Meaning
To DS = 1 if frame goes to DS; From DS = 1 if frame exiting DS
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
66
Frame Control (3) 2
2
Frame Control
Duration/ ID
MAC header (bytes) 6 6 Address 1
Address 2
2
2
4
Protocol version
Type
Subtype
1
6
2
6
0-2312
4
Address 3
Sequence control
Address 4
Frame body
CRC
1
1
1
1
1
1
1
To From More Pwr More Retry WEP Rsvd DS DS frag mgt data
Retry=1 if mgmt/control frame is a retransmission Power Management used to put station in/out of sleep mode More Data =1 to tell station in power-save mode more data buffered for it at AP WEP=1 if frame body encrypted Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
67
Physical Layers LLC PDU LLC
MAC header
MAC SDU
CRC
MAC layer Physical layer convergence procedure
PLCP PLCP preamble header
PLCP PDU
Physical medium dependent
Physica layer
802.11 designed to
Support LLC Operate over many physical layers
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
68
IEEE 802.11 Physical Layer Options
Frequency Bit Rate Band
Modulation Scheme
802.11
2.4 GHz
1-2 Mbps
Frequency-Hopping Spread Spectrum, Direct Sequence Spread Spectrum
802.11b
2.4 GHz
11 Mbps
Complementary Code Keying & QPSK
802.11g
2.4 GHz
54 Mbps
Orthogonal Frequency Division Multiplexing & CCK for backward compatibility with 802.11b
802.11a
5-6 GHz
54 Mbps
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
69
Chapter 6 Medium Access Control Protocols and Local Area Networks LAN Bridges
70
Hubs, Bridges & Routers Hub: Active central element in a star topology
Twisted Pair: inexpensive, easy to insall Simple repeater in Ethernet LANs “Intelligent hub”: fault isolation, net configuration, statistics Requirements that arise: User community grows, need to interconnect hubs Hubs are for different types of LANs
?
Hub
Two Twisted Pairs
Two Twisted Pairs
Station
Hub
Station
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Station
Station
Station
Station 71
Hubs, Bridges & Routers Interconnecting Hubs
Repeater: Signal regeneration 9
Bridge: MAC address filtering 9
All traffic appears in both LANs
Higher Scalability
Local traffic stays in own LAN
Routers: Internet routing 9
All traffic stays in own LAN
? Hub
Hub
Two Twisted Pairs
Station
Two Twisted Pairs
Station
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Station
Station
Station
Station 72
General Bridge Issues Network
Network
LLC
LLC
MAC
802.3
802.3
802.5
802.5
MAC
PHY
802.3
802.3
802.5
802.5
PHY
802.3 CSMA/CD
802.5 Token Ring
Operation at data link level implies capability to work with multiple network layers However, must deal with
Difference in MAC formats Difference in data rates; buffering; timers Difference in maximum frame length
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
73
Bridges of Same Type
Network
Network Bridge
LLC
LLC
MAC
MAC
MAC
MAC
Physical
Physical
Physical
Physical
Common case involves LANs of same type Bridging is done at MAC level Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
74
Transparent Bridges Interconnection of IEEE LANs with complete transparency Use table lookup, and
discard frame, if source & destination in same LAN forward frame, if source & destination in different LAN use flooding, if destination unknown
Use backward learning to build table
observe source address of arriving LANs handle topology changes by removing old entries
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
S1
S2
S3
LAN1 Bridge LAN2
S4
S6
S5
75
S1
S2
S3
LAN1
LAN2 Port 1
B1
Port 2
Address Port
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
S5
S4
LAN3 Port 1
B2
Port 2
Address Port
76
S1→S5 S1
S2
S3
S1 to S5
S1 to S5
S1 to S5
LAN1
S1 to S5
LAN2 Port 1
B1
Port 2
Address Port S1
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
1
S5
S4
LAN3 Port 1
B2
Port 2
Address Port S1
1
77
S3→S2 S2
S1
S3
S3ÆS2
S3ÆS2
S3ÆS2
S3ÆS2
S3ÆS2
LAN1
LAN2 Port 1
B1
Port 2
Address Port S1 S3
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
1 1
S5
S4
LAN3 Port 1
B2
Port 2
Address Port S1 S3
1 1
78
S4ÆS3 S1
S2
S3
S4
LAN1
S4ÆS3
Port 1
B1
Port 2
Address Port S1 S3 S4
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
1 2 2
LAN2
S5
S4
S4ÆS3
S4ÆS3 Port 1
S3
LAN3
B2
Port 2
Address Port S1 S3 S4
1 1 2
79
S2ÆS1 S2
S1
S3
S5
S4
S2ÆS1 LAN1
S2ÆS1 Port 1
LAN2 B1
Port 2
Address Port S1 S3 S4 S2
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
1 2 2 1
LAN3 Port 1
B2
Port 2
Address Port S1 S3 S4
1 1 2
80
Adaptive Learning In a static network, tables eventually store all addresses & learning stops In practice, stations are added & moved all the time
Introduce timer (minutes) to age each entry & force it to be relearned periodically If frame arrives on port that differs from frame address & port in table, update immediately
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
81
Avoiding Loops LAN1 (1)
(1) B1
B2
(2) B3 LAN2 B4
LAN3 B5
LAN4 Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
82
Spanning Tree Algorithm 1. Select a root bridge among all the bridges. •
root bridge = the lowest bridge ID.
2. Determine the root port for each bridge except the root bridge •
root port = port with the least-cost path to the root bridge
3. Select a designated bridge for each LAN • •
designated bridge = bridge has least-cost path from the LAN to the root bridge. designated port connects the LAN and the designated bridge
4. All root ports and all designated ports are placed into a “forwarding” state. These are the only ports that are allowed to forward frames. The other ports are placed into a “blocking” state.
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
83
LAN1 (1)
(1)
B1
B2
(1)
(2)
(2) LAN2
B3
(3)
(2)
(1) B4 (2)
LAN3
(1) B5 (2) LAN4
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
84
LAN1 (1)
(1)
B1
Bridge 1 selected as root bridge
B2
(1)
(2)
(2) LAN2
B3
(3)
(2)
(1) B4 (2)
LAN3
(1) B5 (2) LAN4
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
85
LAN1 (1)
R (1)
B1
B2 (2)
(2) LAN2
R
(1) B3
R (1)
Root port selected for every bridge except root port (3)
(2)
B4 (2) LAN3
R (1)
B5 (2) LAN4 Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
86
LAN1 D (1)
R (1)
B1
B2 (2)
D (2)
LAN2
R
(1) B3
R (1)
Select designated bridge for each LAN
D (2)
(3) D
B4 (2) LAN3
R (1)
B5 (2) LAN4 Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
87
LAN1 D (1)
R (1)
B1
B2 (2)
D (2)
LAN2
R
(1) B3
R (1)
All root ports & designated ports put in forwarding state
D (2)
(3) D
B4 (2) LAN3
R (1)
B5 (2) LAN4 Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
88
Source Routing Bridges To interconnect IEEE 802.5 token rings Each source station determines route to destination Routing information inserted in frame Routing control 2 bytes
Route 1 Route 2 designator designator 2 bytes 2 bytes
Routing Destination Source address address information Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
Route m designator 2 bytes
Data
FCS
89
Route Discovery To discover route to a destination each station broadcasts a single-route broadcast frame Frame visits every LAN once & eventually reaches destination Destination sends all-routes broadcast frame which generates all routes back to source Source collects routes & picks best
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
90
Detailed Route Discovery Bridges must be configured to form a spanning tree Source sends single-route frame without route designator field Bridges in first LAN add incoming LAN #, its bridge #, outgoing LAN # into frame & forwards frame Each subsequent bridge attaches its bridge # and outgoing LAN # Eventually, one single-route frame arrives at destination
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
When destination receives singleroute broadcast frame it responds with all-routes broadcast frame with no route designator field Bridge at first hop inserts incoming LAN #, its bridge #, and outgoing LAN # and forwards to outgoing LAN Subsequent bridges insert their bridge # and outgoing LAN # and forward Before forwarding bridge checks to see if outgoing LAN already in designator field Source eventually receives all routes to destination station
91
Find routes from S1 to S3 LAN 2
S1
B4
LAN 4
B1
LAN 1
S2 B5
B3
B7
B2
S3 B6
LAN 3
LAN1
B1
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
B3
LAN3
B4
LAN4
LAN 5
B6
LAN5
LAN2
92
LAN 2
S1
LAN 4
B4
B1
S2
LAN 1
B3
B5
B7
LAN 3
B6
LAN 5
B2
B6
LAN3
LAN5
B2
LAN1
B1
LAN2
B3
LAN2
B1 B4
LAN1 LAN4
B5
LAN4
B4
LAN2
B4 B7
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
LAN1
B3
LAN3
B2
LAN1
B3 B6
LAN2
LAN2
LAN4 B5
B7 B1
LAN3
S3
B3 B4 B2 B5 B7 B1 B3
LAN4
B5 B7
LAN1
B2
B2
LAN3
B2 B5 B6 B1 B1 B4
LAN1
B3 B5 B6 B1
LAN2 LAN1
B3 B4 B2 93
Virtual LAN VLAN 1
S3
VLAN 2
S6
VLAN 3
S9 Floor n + 1
S2
S5
Physical S8
partition
Floor n 1 2 3 4 5 6 Bridge
7
or
8
switch
9
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
S1
S4
S7
Floor n – 1
Logical partition
94
Per-Port VLANs VLAN 1
S3
VLAN 2
S6
VLAN 3
S9 Floor n + 1
S2
S5
S8
Floor n 1 2 3 4 5 6 Bridge
7
or
8
switch
9
S1
S4
S7
Floor n – 1
Logical partition
Bridge only forwards frames to outgoing ports associated with same VLAN
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
95
Tagged VLANs More flexible than Port-based VLANs Insert VLAN tag after source MAC address in each frame
VLAN protocol ID + tag
VLAN-aware bridge forwards frames to outgoing ports according to VLAN ID VLAN ID can be associated with a port statically through configuration or dynamically through bridge learning IEEE 802.1q
Trần Xuân Nam, Học viện KTQS
96