第四章 介质访问控制子层

思维导图

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数据链路层

• 　　逻辑链路控制（LLC Sublayer）
• 　　介质访问控制（MAC Sublayer）
  • 　　解决某一时刻由哪个工作站共享信道的问题

数据通信方式

• 　　单播
• 　　广播（以太网采用）
• 　　组播

广播网络面临的问题

• 　　广播信道/多路访问信道上确定下一个访问者
•        介质的多路访问控制/介质的访问控制MAC
  • 　　静态分配——预先分配给各用户
    • 　　用户数量少且用户数目固定
    •        通信量大且流量稳定
    •        不适合突发性业务
  •        动态分配——信道时开放的，无预分配
    • 　　多路访问协议（Multiple Access Protocol）
      • 　　随机访问协议
        • 　　ALOHA协议
        •        CSMA协议
        •        CSMA/CD协议（以太网采用此协议）
      •        受控访问协议　　

二、 ALOHA协议

两个版本

• 　　纯ALOHA协议
  • 　　任性，想发就发
  •        冲突危险期：2t，信道利用率：18.4%
• 　　分隙ALOHA协议（隙——时槽）　
  • 　　把时间分成时隙（时间片）
  •        时隙 = 帧时T
  •        发送帧必须在时隙的起点，所以冲突只发生在时隙的起点 
  •        冲突危险期缩短为T
  •        一旦某个站占用某个时隙并发送成功，则在该时隙内不会发生冲突
  •        冲突危险期：t，信道利用率：36.8%

吞吐率（Throughout）S

• 　　在发送时间T（一个帧时）内发送成功的平均帧数
• 　　0<S<1

运载负载（Carried load）G

• 　　也叫网络负载
• 　　一个帧时内T内所有通信站总共发送的帧平均值（包括原发和重发的帧）
• 　　显然，G大于等于S　　

三、  CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波监听多路访问协议

非持续式——载波监听多路访问协议

• 　　监听介质正在被使用，会等待一个随机分布的时间

持续式——载波监听多路访问协议　　

• 　　帧听介质正在被使用，会持续帧听
• 　　发生碰撞，等待一个随机时间

　　

CSMA/CD(CSMA  with Collision Detection)

• 带冲突检测的载波监听多路访问协议
• 其实是：1-持续的载波监听多路访问协议
• 先听后发、边听边发
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冲突检测的要求

• 　　时隙宽度 = 最大冲突检测时间（冲突窗口）
  • 　　　　保证在一个时隙内能够检测到最远距离的冲突
• 　　发送有效帧的时间 >= 最大冲突检测时间（冲突窗口）
  • 　　　　防止因为在发生冲突时，已完成短帧发送而无法知道实际上已经发送失败

冲突窗口

• 　　冲突危险期
• 　　数值上等同于：信号在最远两个工作站的传输延迟的2倍

  

四、以太网

• 事实上的以太网标准：IEEE802.3以太网
• 位于OSI参考模型的下两层：物理层和数据链路层

两种以太网

• 　　经典以太网（3M——10Mbps）
• 　　交换式以太网（10M、100M、1G，广泛使用）　　　　

三种以太网线缆参数对比

以太网介质访问控制技术（CSMA/CD）

计算冲突等待的时间——二进制指数后退算法

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优点

• 　　简单性和灵活性
• 　    易于维护
• 　　支持TCP/IP,互联容易
• 　　善于借鉴：4B/5B...
•         KISS: Keep It Simple, Stupid

帧结构（802.3帧结构——1.5层）

DIX以太网的帧结构——2层

区分字段时类型还是长度

帧的长度必须大于64byte

小结

• 　　IEEE802.3以太网跟DIX以太网帧的主要差别时前导码和类型/长度字段
• 　　通过查看类型/长度的值是否大于0x600（1536）来判定时类型字段还是长度字段
• 　　物理地址（MAC地址）由48位构成，其中前24位OUI，需要向IEEE申请
• 　　MAC地址不可更改，全球唯一
• 　　帧最长1518字节，最短64字节（包括帧头帧尾，不含前导码）

六、  二层交换的基本格式

• 连接LAN
• 二层交换不关心三层协议
• 交换机是网桥的现代名称

不同网络的连接

• 不同的帧格式——重新封装
• 不同的数据传输速率——缓存
• 不同的最大帧长度——切割
• 不同的安全策略
• 不同的服务质量要求

透明的网桥

• 　通过透明网桥（transparent bridges）将多个LAN连接起来，硬件和软件不需做任何变化
• 　透明网桥工作在混杂模式（promiscuous mode），它接收所有的帧
• 　当一个帧到达网桥时，它必须做出丢弃（discard）还是转发（forward）的决策
• 　决策时通过在网桥内部的地址表（hash table）中查找目的MAC地址而作出的

当一个帧到达网桥/交换机的时候

• 广播（泛洪，flooding）
  •        MAC地址表为空的时候，大量采用广播
  • 　　当网桥未知目的地址时（表示查不到），它广播这个帧
• 逆向学习（backward learning）
  • 　　信息对：源地址及其到达的端口　　　　

网桥如何适应拓扑的变化

• 往表中加入记录的同时，也必须打上时戳
• 如果到达帧的源地址在表中已有记录，更新时戳
• 周期性地扫描表，删除超时的记录

工作原理

• 目的端口与源端口相同，丢弃；不同，转发；未知，广播

二层交换的基本原理

• 　　泛洪/扩散
• 　　转发
• 　　过滤

网桥/交换机隔离了冲突，是冲突域的边界

 七、  生成树协议（Spanning Tree Protocol）——生成逻辑无回路的树

冗余拓扑产生问题：

• 　　多帧传送
• 　　广播风暴
• 　　MAC地址库的不稳定

Radia   Perlman（生成树算法）

IEEE802.1D将该算法标准化为：STP(Spanning Tree Protocol)　

• STP可能产生非最优路径，付出了代价
• 当逻辑STP树上的某点出故障了，非指定端口将会被重新启动

 算法：

• 每个网络有一个根网桥
• 每个网桥有一个根端口
• 每个网段有一个制定的端口
• 剩下的非指定端口不被使用 

 八、  二层设备

NIC网卡：Network Interface Card

网桥

交换机——多端口的网桥

•  无分片交换
•  直接交换
•  存储转发