计算机网络——介质访问控制子层（一）

最新推荐文章于 2021-02-25 19:56:24 发布
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分类专栏： 计算机理论与基础 文章标签： 计算机网络
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本文详细介绍了计算机网络中介质访问控制子层的概念，包括Mac子层概述、ALOHA协议（纯ALOHA与分隙ALOHA）、CSMA协议（非持续式与持续式）以及以太网的相关知识，如以太网的发展、编码和介质访问控制技术。重点探讨了信道分配方式和冲突检测方法。

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计算机网络——介质访问控制子层（一）

一、Mac子层概述

数据链路层被分为MAC和LLC两个子层。
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1.1 数据的通信方式

1. 单播
2. 广播 （局域网采用的方式，共享传输介质以降低费用）
3. 组播

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1.2 广播面临的问题

广播面临的最大问题就是多个站点需共享信道

解决方法：介质的多路访问控制——在多路的访问信道上确定下一个使用者。

1.3 信道分配方式

1.3.1 静态分配

静态分配只有一个用户使用信道。

存在问题：

  1. 资源分配不合理：每个用户对贷款的需求不一样。
  2. 有资源浪费、不合理：有些用户不需要带宽，但是静态分配已经提前分给他了。
  3. 延迟时间增大N倍。

一般使用的分配技术有两个：频分多路复用FDM，时分多路复用TDM

1.3.2 动态分配

信道是开放的，没有预分配。
通过多路访问协议动态分配信道资源。

多路访问协议

  1. 随机访问协议
    站点争用信道，可能出现站点的冲突
    典型的随机访问协议：ALOHA 、CSMA、CSMA/CD（以太网采用的协议）
  2. 受控访问协议
    站点被分配占用信道

二、ALOHA协议

2.1 纯ALOHA协议

工作原理：

  • 任意一个站点都可以在帧生成后立即发送（可能冲突），并通过信号的反馈，检测信道，以确定发送是否成功。
  • 若发送失败，则经随时延迟后再发送。
  • 每个站点可在任意时间发送数据（不关心信道是否被占用）
  • 两个以上站点在发送数据时就会冲突

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性能分析

  1. 吞吐率S：在时间T内发送成功的平均帧数，0<S<1
  2. 运载负载G：时间T内所有通信站总共发送的帧的平均值，包括重发的。G>=s，只有在不冲突时G=S，当重负载G>>1时冲突频繁。
  3. P0：P0是一帧发送成功的概率。 S=G*P0。

如何计算P0
这里我没看懂
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总之信道利用率为18.4%
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这是吞吐率和G的关系

2.2 分隙ALOHA

工作原理

  1. 分隙ALOHA把时间分为时隙
  2. 时隙对应的长度为一帧的传输时间
  3. 新帧产生是随机的，但是分隙ALOHA不允许随机发送，帧的发送必须在时隙的起点。
  4. 冲突只发生在时隙的起点，冲突发生时只浪费一个时隙，一旦某个站占用时隙并发送成功，则在该时隙内不会出现冲突。

下图更易理解
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性能分析
Z
吞吐率和G的关系
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三、CSMA协议

3.1 CSMA

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特点：先听后发

主要有两类：

  1. 非持续式
    特点：先侦听，如果介质空闲则开始发送，如果介质忙，则等待一个随机时间重复前面的动作。
    优缺点：等待一个随机时间可以减少冲突的可能性，但是等待时间内介质上没有数据传输，这段时间是浪费的。
  2. 持续式
    1持续：侦听 -> 若介质忙，持续侦听，一旦空闲立即发送 -> 若发生冲突，等待一个随机时间重复前面动作。若两个以上的站在等待，一旦介质空闲就一定会发生冲突。
    p持续：和1持续动作相同，只不过介质空闲时，帧会以p概率发送。

尽管做了上述所有的动作，但是还是会发生冲突。

  1. 同时再发送
  2. 传播时间延迟

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冲突窗口
发生冲突时间的上限，即发送帧后能检测碰撞的最长时间，数值等于两站传播时间的两倍。
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如何计算
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3.2 CSMA/CD（1持续）

先听后发，边听边发
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原理图示
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冲突检测和处理
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冲突检测时间与时隙的关系图解
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四、以太网

以太网位于OSI参考模型的下两层（物理层和数据链路层）
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4.1 发展史

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4.2 两种以太网

  • 经典以太网
    3M~10M 已不再使用
  • 交换式以太网
    10M 100M 1G 广泛使用

4.3 IEEE以太网命名规则

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4.4 10Base-T

拓扑结构
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特点

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4.5 以太网编码

以太网采用曼切斯特编码
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1：高电压到低电压
0：低电压到高电压
比特率 b = 10Mbps
波特率 B = 20MHz

4.6 IEEE802.3

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4.7 以太网工作站接受数据的流程

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4.8 以太网介质访问控制技术（CSMA/CD）

总结为八个字就是，先听后发，边听边发
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4.9 二进制指数后退算法

发送方，在检测到冲突，双方都将延迟一段时间。
冲突检测到后，时间被分成离散的间隙。
时隙的长度等于信号在介质上来回传输时间。
一般的，i次冲突后，等待的时隙将从(0~2^i-1)*51.2us中随机选择。
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i次冲突后时间片为：
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4.10 经典以太网

10base（10base2/10base5/10base-T）经典网络，已经不能满足人们的要求了。
提高负载的方法：

  • 提速到100M
  • 全双工
  • 交换式网络，集线器替换为交换机。
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4.11 100M以太网：IEEE802.3u

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编码的方式也改变了，使用4b/5b编码

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4.12 吉比特以太网：802.3z

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计算机网络——介质访问控制子层（二）

计算机网络——介质访问控制子层（二）

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