Lecture6-lans

  • May 2020
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Lecture6-lans as PDF for free.

More details

  • Words: 6,143
  • Pages: 96
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