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Chapter 07 區域網路原理

tags: Information Network

2024/06/18 Edited by Ting

IEEE802委員會及其標準

IEEE工作群組 (1)

  • 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)。

CSMA/CD - 乙太網路(Ethernet, 802.3)

  • CSMA/CD 流程圖
    CSMACD

  • 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/μs
        ),導致碰撞,如下圖。
        Data_Collision
      • 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。
        等待退讓時間
  • 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
      Ethernet訊框解析
    • IEEE802.2/802.3
      IEEE802訊框解析
      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。
      BroadcastCollision_Domain
      BroadcastDomain
  • 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)。

CSMA/CA - 無線網路(Wi-Fi, 802.11)

  • CSMA/CA 流程圖
    CSMACA

  • 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
      無線網路重傳次數和亂數範圍
  • 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。
    Hidden_terminal_problem
    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。