Chapter 07 區域網路原理

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2024/06/18 Edited by Ting

IEEE802委員會及其標準

• 代表性網路架構
  • CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/ Collison Detection；載波感測多重存取/ 碰撞偵測)：乙太網路(Ethernet；802.3)。
  • CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/ Collison Avoidance；載波感測多重存取/ 碰撞避免)：無線網路(Wi-Fi；802.11)。

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CSMA/CD - 乙太網路(Ethernet, 802.3)

• CSMA/CD 流程圖
  

• CSMA/CD主要是依循"先聽(CS)再送、送完再聽"。

  • CS(Carrier Sense；載波感測)：感測有沒有在工作，沒工作就可以傳資料，有工作就讓設備知道，持續到工作停為止。

    感測方式如下:

    • 基頻(Baseband)：感測傳輸線上是否有脈波變化，有就是在工作。
    • 寬頻(Broadband)：以調變載波訊號來感測是否在工作。

  • MA(Mutiple Access；多重存取)：各個工作點都可以對傳輸線進行存取，會有同一時間有多台設備同時傳輸資料的情況，所以CD就誕生了。

  • CD(Collision Detection；碰撞偵測)：發生在監聽(CS)後，檢測有沒有碰撞

    • Case1：同一時間對無訊號的傳輸線傳輸，導致碰撞
    • Case2：訊號有延遲(Propagation Delay；大約
      $200m/\mu s$)，導致碰撞，如下圖。
      
    • 可以用Binary Exponentail Backoff(BEB)演算法來檢測碰撞。
    • 發生碰撞送出壅塞信號(Jamming Signal)。
    • 發生碰撞的所有工作點必須等待一段時間(Backoff; 這段時間發生退讓)。
    • 等待退讓時間(Backoff Time)採隨機方式產生。
    • 亂數數字如果再次相同，就是再發生碰撞，次數加一，16次後，直接丟棄訊框。
      

• 乙太網路訊框格式

  • Preamble(前序)

    • 由8 bytes組成的欄位，負責調整時脈。(Ethernet2.0)。
    • 前面7 bytes是由10101010組成，最後1 bytes則是10101011。
    • IEEE802.3把最後1 bytes獨立出來稱為SFD(Start Frame Delimiter; 起始訊框分界元)，但功能其實差不多。

  • Destination MAC Adress& Soure MAC Adress

    • MAC是實體位置(網卡卡號；不變；layer2)，IP是邏輯位置(隨者位置變動；layer3)。
    • MAC有6 bytes，前面3 bytes是顯示哪個製作廠商，後面3 bytes是顯示卡號。
    • MAC是橋接器或交換器判別封包是屬於某個網段的依據。
    • 如果不知道dst MAC的話，通常會以廣播位置(1111…; 48個1)做通訊工作。

  • Etype(上層類型或資料長度)

    • 欄位只有2 bytes，用來判定不同協議。
    • 協定編號/協定名稱：0800/IP ; 0806/ARP; 0600/XNS; 0835/RARP; 6003/DECNet。

  • Data(資料欄位)

    • 用來放資料訊息，包含網路層以上的標頭資料。
    • 資料長度必須在46~1500(bytes)之間，不足46時，填入0(Padding)，超過1500，資料切分。

  • 802.2欄位

    • Ethernet 2.0 裡它屬於OSI模型layer1和layer2。
    • IEEE802.3 屬於layer1和layer2下半(MAC)，上半的LLC才屬於802.2。
    • 802.2有DSAP(目的端服務存取點)、SSAP(來源端服務存取點)和SAP(服務存取點)。
      • DSAP(Destination Service Access Point)：占用1 bytes。
      • SSAP(Source Service Access Point)：占用1 bytes。
      • 控制欄位: 控制欄位要用占用1 bytes還2 bytes(用0、1控制)。
      • 網路層透過SAP進行資料處理的工作。

• FCS(Frame Check Sequence；訊框檢查序列)欄位。
  負責除錯。

• 訊框的解析

  • Ethernet 2.0
    
  • IEEE802.2/802.3
    
    LLC有SSAP、DSAP與控制欄位，各佔1 bytes

• 碰撞網域(Collision Domain)和廣播網域(Boardcast Domain)

  • broadcast domain：廣播域中的節點可以在layer2通過廣播的方式到達任意一個節點，節點共享相同的通訊頻寬，也可能會發生碰撞，訊號也可能外洩。
  • collision domain：用CSMA/CD進行節點運輸，同區域網路內有多台主機傳送資料時就有機率發生碰撞，發生碰撞會傳出壅塞信號(Jamming Signal)，隨後就會給亂數，亂數相同就再次給亂數，當碰撞超過16次時，就會對網路進行切割。
  • 每個Router(不同網域)下就是一個廣播網域。
  • 每個Switch(同網域)下就是一個碰撞網域。
    
    

• 交換機(Switch)運作

  • Adress Learing
  • 資料不會永久保存，一段時間就會更新(設備切換到其他位置會有錯誤)。
  • 可以把資料塞爆它的儲存空間，讓它暫時變成hub(安全性低，可竊取資料)。

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CSMA/CA - 無線網路(Wi-Fi, 802.11)

• CSMA/CA 流程圖
  

• 為了避免傳送延遲(Propagation Delay)，傳送端會等待訊框間隔(IFS；Inter-Frame Space；layer2 MAC)

• 免競爭傳輸模式(PCF；Point Cootdination Function)

  • 只是用在Infracture無線環境中，由協調者(通常是AP)決定個主機是否要發言。
  • 訊框間隔(PIFS；PCF Inter-Frame Space)，contention-free(CF-End；Contention Free End)。

• CSMA/CA(DCF; Distributed Coordination Function)

  • 無線網路不像有線網路可以對碰撞進行偵測，所以改採碰撞避免(Collision Avoidance)。
  • 可以用在Ad Hoc或Infractructure環境，主機要互相爭取發送權。
  • 訊框間隔(DIFS; DCF Inter-Frame Space)，contention。
  • 運用亂數產生退讓時間(Backoff Time)，退讓時間的計算以"時槽時間(slot time)"為單位。
  • slot time相同就重傳，重傳次數越多，代表網路越壅塞，亂數範圍也越大，下圖是亂數範圍和重傳次數的關係
    

• Hidden terminal problem(隱藏節點問題)：當A和C要傳資料給B時(AC互相看不到)，會發生碰撞。
  

  
  這時如果使用RTS/CTS，A會傳RTS給B，B會同時送CTS給A和C，就可以降低Hidden terminal problem。

• 無線網路封包最大值: 2346 bytes。

• 基地台

  • RTS threshold(臨界值)預設 2347 bytes, 就是所有封包都使用Case1去傳。
  • Packet fragmention(切割)，如果環境有干擾，小封包傳送效率高。