第四章介质访问控制子层
计算机网络 局域网参考模型
计算机网络局域网参考模型20世纪80年代初期，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）成立了IEEE 802委员会，他根据局域网自身的特征，并在参考开放式系统互联参考模型（OSI/RM）后，提出了局域网的参考模型（LAN/RM），从而制定出局域网的体系结构。
按照IEEE 802标准，局域网的体系结构由物理层（Physical layer）、介质访问控制子层（Medium Access Control Sublayer，MAC）和逻辑链路控制子层（Logical Link Control Sublayer，LLC）三个层次构成。
在这三个层次中，其物理层（Physical layer）对应OSI/RM参考模型中的物理层，介质访问控制子层（MAC）与逻辑链路控制子层（LLC）共同对应OSI/RM参考模型中的数据链路层，其对应关系如图7-1所示。
OSI参考模型局域网参考模型图7-1 局域网参考模型与OSI/RM间的关系在OSI参考模型中，物理层的作用是处理机械、电气、功能和规程等方面的特性，确保在通信信道上二进制位信号的正确传输。
其主要功能包括信号的编码与解码，同步前导码的生成与去除，二进制位信号的发送与接收，错误校验（CRC校验），提供建立、维护和断开物理连接的物理设施等功能。
局域网参考模型的物理层与OSI参考模型中的物理层相对应，它包括以下功能：●信号的编码与解码。
●前导码的生成与去除（前导码只用于接收同步数据）。
●比特的发送与接收。
在OSI/RM参考模型中，数据链路层的功能较简单，它负责把数据从一个节点可靠地传送到相邻的节点。
在局域网中，由于多个站点共享传输介质，因此在节点之间传输数据之前要处理好由哪个设备使用传输介质的问题，所以数据链路层要有介质访问控制功能。
又因为存在介质的多样性，所以必须提供多种介质访问控制方法。
介质访问控制
拓扑结构： 工作原理： Token Bus 在物理总系线上建立逻辑环。 逻辑环上，令牌是站点可以发送数据的必要条件。 令牌在逻辑环中按地址的递减顺序传送到下一站点。 从物理上看，含DA的令牌帧广播到BUS上，所有站点按DA = 本站地址判断收否。 特点： 无冲突，令牌环的信息帧长度可按需而定。 顺序接收Fairness (公平性），站点等待Token的时间是确知的。 （需限定每个站发送帧的最大值） 因检测冲突需要填充信息位（不允许小于46字节）
介质访问控制(medium access control)简称MAC。 是解决当局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题 局域网的数据链路层分为逻辑链路层LLC和介质访问控制MAC两个子层。 MAC属于局域网数据链路层下的一个子层。局域网中目前广泛采用的两种介质访问控制方法，分别是： 1 争用型介质访问控制，又称随机型的介质访问控制协议，如CSMA/CD方式。 2 确定型介质访问控制，又称有序的访问控制协议，如Token(令牌）方式 CSMA/CD工作原理 在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使通信双方的站点都没有侦听到载波信号，在发送数据时仍可能会发生冲突，因为他们可能会在检测到介质空闲时同时发送数据，致使冲突发生。尽管CSMA可以发现冲突，但它并没有先知的冲突检测和阻止功能，致使冲突发生频繁。 一种CSMA的改进方案是使发送站点在传输过程中仍继续侦听介质，以检测是否存在冲突。如果两个站点都在某一时间检测到信道是空闲的，并且同时开始传送数据，则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号幅度的电磁波，由此判断出冲突的存在。一旦检测到冲突，发送站点就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上通信的对方站点，快速地终止被破坏的帧，可以节省时间和带宽。这种方案就是本节要介绍的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议），已广泛应用于局域网中。 所谓载波侦听（Carrier Sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要确认总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。 所谓多路访问（Multiple Access），意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。 所谓冲突（Collision），意思是若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，这样哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突，又称为碰撞。 为了减少冲突发生后的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，看有没有在传输过程中与其他工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（Collision Detected）。 1．CSMA/CD冲突检测原理 CSMA/CD是标准以太网、快速以太网和千兆以太网中统一采用的介质争用处理协议（但在万兆以太网中，由于采用的是全双工通信，所以不再采用这一协议）。之所以称之为"载波侦听"（"载波"就是承载信号的电磁波），而不是称之为"介质侦听"，那是因为如果介质上正在有载波存在，则证明介质处于忙的状态（因为信号或者数据不是直接传输的，而是通过电磁载波进行的）；如果没有载波存在，则介质是空闲状态。也就是通过载波的检测，可以得知介质的状态，而不能直接来侦听介质本身得出其空闲状态。 【说明】其实这里侦听的应该是"信道"，而不是"介质"本身，因为在一条传输介质中，可能包含有多条信道，用于不同的传输链路。 前面说了，CSMA/CD相对CSMA来说的进步就是具有冲突检测功能，随之问题就来了，CSMA/CD是如何检测冲突呢？ CSMA/CD的工作原理可以用以下几句话来概括： 先听后说，边听边说。 一旦冲突，立即停说。 等待时机，然后再说。 这里的"听"即监听、检测之意；"说"即发送数据之意。具体的检测原理描述如下： （1）当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是否有其他站点正在传输，即侦听信道是否空闲。 （2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道空闲，站点就准备好要发送的数据。 （3）在发送数据的同时，站点继续侦听网络，确信没有其他站点在同时传输数据才继续传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。若无冲突则继续发送，直到发完全部数据。 （4）若有冲突，则立即停止发送数据，但是要发送一个加强冲突的JAM（阻塞）信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突，然后，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。 CSMA/CD控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降 令牌访问控制工作原理 令牌访问控制方法可分为令牌环访问控制和令牌总线访问控制两类。目前已较少采用令牌总线访问控制。 下面介绍令牌环访问控制原理。
4-3介质访问控制子层(受控多点接入)
FDDI网络
光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）是以光纤为 传播介质旳局域网原则
FDDI采用双环构造 FDDI采用令牌传递旳访问控制协议 FDDI网络技术规范
需求优先级协议
各工作站有数据要发时，要向集线器发出祈求。每个 祈求都标有优先级别。一般旳数据为低优先级，而对 时间敏感旳多媒体应用旳数据（如话音、活动图像） 则可定为高优先级。集线器使用一种循环仲裁过程来 管理网络旳结点。它对各结点旳祈求连续进行迅速旳 循环扫描，检验来自各结点旳服务祈求。集线器维持 两个指针：高优先级指针和低优先级指针。高优先级 旳祈求可在低优先级祈求之前优先接入网络，因而可 确保对时间敏感旳某些应用提供所需旳实时服务。集 线器接受输入旳数据帧并只将其导向具有匹配目旳地 址旳端口，从而提供了固有旳网络数据安全性。
传递轮询
传递轮询与轮叫轮询旳比较如下：
传递轮询旳帧时延总是不大于一样条件下旳 轮叫轮询旳时延。
站间旳距离越大，传递轮询旳效果就比轮叫 轮询旳越好。
站间距离较小且通信量较大时，传递轮询带 来旳好处就不太明显。
传递轮询系统虽然具有较轮叫轮询更小旳帧 等待时延，但因为实现起来技术上比较复杂， 代价也较高，所以在目前实用旳轮询系统中， 主要还是使用轮叫轮询。
这种措施是使用两个数据传播方向相反 旳环路。在正常情况下，只有一种方向 旳环路在工作。这个工作旳环路叫做主 环，而另一种不工作旳环路叫做次环。 当环路出现故障时，不论是链路或站点 出故障，FDDI可自动重新配置，同步开 启次环工作，使整个网络不致瘫痪 。
介质访问控制方法
计算机网络介质访问控制方法局域网的数据链路层分为逻辑链路层LLC和介质访问控制MAC两个子层。
逻辑链路控制是局域网中数据链路数据链路层的上层部分，IEEE 802.2中定义了逻辑链路控制协议。
用户的数据链路服务通过LLC 子层为网络层提供统一的接口。
在LLC子层下面是MAC子层。
介质访问控制属于LLC（LogicalLinkControl）下的一个子层。
是局域网中公用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用这种分配信道使用权方法称之为介质访问控制方法。
1适合总线结构的带冲突监测的载波监听多路访问（CSMA/CD）方法。
2适合环形结构的令牌环（TOKEN RING）方法。
3适合令牌环总线（TOKEN BUS）访问控制方法。
介质访问控制方法三带冲突监测的载波监听多路访问（CSMA/CD ）CSMA/CD适合于总线型和树型的网络拓扑结构，CSMA/CD有效解决了介质共享、信道分配和信道共享的问题，是目前局域网中最常用的一种介质访问控制方法。
Collision Detection介质访问控制方法四CSMA/CD 各部分含义CSMA/CD 各部分含义所谓载波侦听（Carrier Sense ），是网络上各个工作站在发送数据前都要确认总线上有没有数据传输。
所谓多路访问（Multiple Access 是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。
所谓冲突（Collision ）是有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，这种情况称为数据冲突，又称为碰撞。
介质访问控制方法五CSMA/CD 冲突检测原理01020304侦听信道是否空闲。
如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道空闲，站点就准备好要发送的数据。
在发送数据的同时，站点继续侦听网络，确信没有其他站点在同时传输数据才继续传输数据。
若无冲突则继续发送，直到发完全部数据。
若有冲突，则立即停止发送数据，发送一个加强冲突的JAM （阻塞）信号。
介质访问控制方法
介质访问控制方法介质访问控制方法是指对数据传输介质进行访问控制的技术手段，通过对数据传输介质的访问进行管理和控制，可以有效地保护数据的安全性和完整性。
在网络通信和信息传输过程中，介质访问控制方法起着非常重要的作用，它可以有效地防止未经授权的用户或设备对数据传输介质的非法访问，从而保障数据传输的安全和可靠性。
介质访问控制方法主要包括物理层介质访问控制和数据链路层介质访问控制两种方式。
物理层介质访问控制是指通过对数据传输介质的物理特性进行管理和控制，来实现对数据传输的访问控制。
常见的物理层介质访问控制技术包括载波侦听多址接入（CSMA）、载波侦听多址接入/碰撞避免（CSMA/CA）和载波侦听多址接入/碰撞检测（CSMA/CD）等。
这些技术可以有效地避免数据传输介质上的冲突和碰撞，保证数据传输的顺利进行。
数据链路层介质访问控制是指通过对数据链路层的协议和技术进行管理和控制，来实现对数据传输的访问控制。
常见的数据链路层介质访问控制技术包括逻辑链路控制（LLC）、介质访问控制子层（MAC）和逻辑拓扑控制等。
这些技术可以有效地控制数据传输的访问权限和优先级，保证数据传输的安全和可靠。
除了物理层和数据链路层的介质访问控制方法外，还可以通过网络层和应用层的安全协议和技术来实现对数据传输介质的访问控制。
例如，网络层的IPsec协议可以对数据传输进行加密和认证，从而保护数据的安全性；应用层的访问控制列表（ACL）可以对数据传输的访问进行精细化控制，实现对特定用户或设备的访问权限管理。
总的来说，介质访问控制方法是保障数据传输安全的重要手段，它通过对数据传输介质的访问进行管理和控制，可以有效地防止未经授权的用户或设备对数据传输的非法访问，从而保障数据传输的安全和可靠。
在实际应用中，我们可以根据具体的网络环境和安全需求，选择合适的介质访问控制方法来保护数据的安全性和完整性。
4-3介质访问控制方法
局域网组成示意图
局域网协议的特点
（1）协议的简单性 （2）数据链路层分为两上子层 （3）开销位的使用限制较小 （4）数据单元较长
协议的简单性
由于LAN本身比较简单，其所涉及的设备 类型和数量较少，地理范围也较小，而且采 用了广播通信技术，从而简化了流量控制和 路径控制等；另一方面则考虑下述两个要求： （1）由于LAN连接的主要是微机或基于微处理 器的设备，因而要求具有简单且灵活的协议 以便实现。 （2）复杂的网络协议将导致软件开发和维护更 加困难，而对LAN来说，其开发与维护力量通 常较弱，故而要求LAN协议尽量简单。
分布式控制方法
分布式控制方法常用的有： 带有碰撞检测的载波侦听多点访问 （CSMA/CD）法、令牌（也称许可证或通行标 志）（Token Passing）控制法、时隙（Time Slot）控制法和寄存器延迟插入法（Buffer Insertion) 。 从占用传输介质的机会方面来看，访问 控制方法可以分为确定性访问控制方法和随 机访问控制方法。 随机访问控制大多用于总线型局部网络 中，如CSMA/CD技术就属于随机访问控制法。
开销位的使用限制较小
由于WAN中通信线路的造价等原因， 所以希望提高传输信息中的有效成分， 为此必须减少信息帧中的控制和说明信 息，即通过压缩控制信息的方法来减少 开销位，这显然会增加处理机的负担； 反之，LAN中为减轻处理机的负担，往 往增加一些控制信息。
当一个工作站准备发送报文信息时，首先要 等待令牌的到来，当检测到一个经过它的令牌为 空令牌时，即可以“帧”为单位发送信息，并将 令牌置为“忙”（例如将00000000标志附在信息 尾部）向下一站发送。下一站用按位转发的方式 转发经过本站但又不属于由本站接收的信息。由 于环中已无空闲令牌，因此其它希望发送的工作 站必须等待。接收过程为：每一站随时检测经过 本站的信号，当查到信包指定的目的地址与本站 地址相同时，则一面拷贝全部有关信息，一面继 续转发该信息包，环上的帧信息绕环网一周，由 原发送点予以收回。按这种方式工作，发送权一 直在源站点控制之下，只有发送信包的源站点放 弃发送权，把Token（令牌）置“空”后，其他 站点得到令牌才有机会发送自己的信息。
物理介质相关子层
物理介质相关子层
物理介质相关子层（Physical Medium Dependent Sublayer，PMD）是OSI 参考模型的数据链路层中的一个子层。
它主要负责处理物理介质的特性和与之相关的问题，例如物理连接、信号传输和电气特性等。
PMD 子层的主要功能包括：
1. 物理连接管理：负责建立、维护和释放物理连接，例如在有线网络中管理物理线缆的连接，或在无线网络中管理无线信道的连接。
2. 信号传输：处理物理介质上的信号编码、解码和传输，确保数据能够在物理介质上正确传输。
3. 电气特性管理：管理物理介质的电气特性，例如电压、电流、频率等，以确保数据传输的稳定性和可靠性。
4. 介质访问控制：在共享物理介质的情况下，PMD 子层可能参与介质访问控制，例如控制网络节点对物理介质的访问权限。
PMD 子层的具体实现方式会因所使用的物理介质类型而异。
例如，在有线以太网中，PMD 子层涉及到物理线缆和连接器的规范，以及信号传输的电气特性；而在无线局域网（WLAN）中，PMD 子层则涉及到无线信号的调制、解调、频率选择等。
PMD 子层是数据链路层的一部分，它处理物理介质的具体特性和与之
相关的问题，为上层协议提供可靠的数据传输服务。
如果你想了解更多关于物理介质相关子层的详细信息，可以参考相关的网络协议和通信教材。
介质访问控制子层
4
4.2 多路访问协议
4.2.1 ALOHA协议
– 纯ALOHA – 分槽ALOHA
4.2.2 载波侦听多路访问协议
– 1坚持CSMA – 非坚持CSMA – p坚持CSMA
第四章 介质访问控制子层
5
4.2.1 ALOHA协议
• ALOHA 协 议 是 70 年 代 在 夏 威 夷 大 学 由 Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面 无线电广播信道的争用问题。
– IEEE 802.3 标准 （1985）
– IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（1995）
– IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准（1998）
– IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（1999）
– 10Gbps Ethernet标准（2001年？）
第四章 介质访问控制子层
12
冲突检测时间
第四章 介质访问控制子层
13
4.3 Ethernet/IEEE 802.3
• 以太网发展历史
– University of Hawaii 的ALOHA 网络
– Xerox 的 2.94M 以太网（1973）
– Xerox, DEC and Intel 的 10M 以太网（DIX 标 准）（1980 Ver1；1982 Ver2 ）
2)若介质忙，继续监听直到介质空闲，重复第1步
若发送延迟1个时间单位，则重复第1步
第四章 介质访问控制子层
10
CSMA/CD(冲突检测)
• 某站点想要发送数据，它首先侦听信道，如果信 道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；如果信 道忙，根据不同的CSMA协议或等待一段时间， 或继续侦听信道，直到信道变为空闲，发送数据 并进行冲突检测。如果站点在发送数据过程中检 测到冲突，立即停止发送数据并等待一随机长的 时间，重复侦听信道。
计算机通信网第4章MAC子层
帧的接收与解析
接收方对数据帧进行 解析，提取出数据和 相关信息。
数据链路释放
通信结束后，释放数 据链路连接，回收相 关资源。
差错控制机制在数据链路层中应用
检错码
在数据帧中加入校验码，接收方通过校 验码检测数据传输过程中的错误。
流量控制
通过滑动窗口等机制控制发送方发送 数据的速率，避免接收方来不及处理
02
强制访问控制（ MAC）
基于安全策略和系统安全状态进 行访问控制，安全性高，但灵活 性和易用性相对较差。
03
基于角色的访问控 制（RBAC）
根据用户在组织中的角色分配访 问权限，适用于大型企业和组织 ，可简化权限管理。
访问控制策略制定原则和实施步骤
最小权限原则
只授予用户完成任务所需的最小权限，降低滥用风险。
静态分配
网络管理员手动为每一个网络 接口分配一个MAC地址，这种 方式适用于小型网络。
动态分配
通过网络管理协议（如DHCP ）动态分配MAC地址，这种方 式适用于大型网络。
地址解析协议（ARP）
在网络层使用IP地址进行通信 ，但在实际的数据传输过程中 ，需要使用MAC地址来定位目 标设备。ARP协议用于将32位 的IP地址转换为MAC地址。
其他MAC子层协议及标准
令牌环网（Token Ring ）
一种环形网络拓扑结构，采用令牌传递方式 实现访问控制，提供高速、可靠的数据传输 服务。
光纤分布式数据接口（FDDI ）
一种高速、高可靠性的光纤环形网络，采用令牌环 和定时令牌协议实现访问控制，适用于大型计算机 网络。
异步传输模式（ATM）
一种面向连接的、快速分组交换技术，提供 高速、低延迟的数据传输服务，适用于多媒 体通信和宽带网络应用。
介质访问控制
介质访问控制介质访问控制综述局域⽹的数据链路层分为逻辑链路层LLC和介质访问控制MAC两个⼦层。
逻辑链路控制（Logical Link Control或简称LLC）是局域⽹中数据链路层的上层部分，IEEE 802.2中定义了逻辑链路控制协议。
⽤户的数据链路服务通过LLC⼦层为⽹络层提供统⼀的接⼝。
在LLC⼦层下⾯是MAC⼦层。
MAC(medium access control)属于LLC（Logical Link Control）下的⼀个⼦层，提供介质访问控控制的功能。
模型图如下：1. 为什么需要介质访问控制？因为局域⽹是⼀种⼴播式的⽹络（⼴域⽹是⼀种点对点的⽹络），所有联⽹计算机都共享⼀个公共信道，所以，需要⼀种⽅法能有效地分配传输介质的使⽤权，使得两对结点之间的通信不会发⽣相互⼲扰的情况，这种功能就叫介质访问控制。
2. 介质访问控制的分类？常见的介质访问控制⽅法有信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制。
其中前者是静态划分信道的⽅法，⽽后两者是动态分配信道的⽅法。
2.信道划分介质访问控制信道划分介质访问控制将使⽤介质的每个设备与来⾃同⼀通信信道上的其他设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给⽹络上的设备。
信道划分的实质就是通过分时、分频、分码等⽅法把原来的⼀条⼴播信道，逻辑上分为⼉条⽤于两个结点之间通信的互不⼲扰的⼦信道，实际上就是把⼴播信道转变为点对点信道。
信道划分介质访问控制分为以下4 种：频分多路复⽤（Frequency division multiplexing FDM）频分多路复⽤是⼀种将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成⼀个复合信号的多路复⽤技术。
每个⼦信道分配的带宽可不相同，但它们的总和必须不超过信道的总带宽。
在实际应⽤中，为了防⽌⼦信道之间的⼲扰，相邻信道之间需要加⼊“保护频带”。
频分多路复⽤的优点在于充分利⽤了传输介质的带宽，系统效率较⾼；由于技术⽐较成熟，实现也较容易。
Computer networks
距离尺度
• 不同的距离尺度将会使用不同的技术。 不同的距离尺度将会使用不同的技术。 处理器中间的距离 1m 10m 100m 1km 10km 100km 1000km 10 000km 处理器所在的位置 一米见方的范围内 同一个房间 同一建筑物内 同一校园 同一城市 同一国家 同一个洲 同一个星球 例子 个人区域网 局域网
1.1计算机网络的应用 计算机网络的应用
• 移动用户 移动办公 老式的、 老式的、没有布线的建筑物 军事 无线停车计时器 自动售货机 仪表阅读服务
1.1计算机网络的应用 计算机网络的应用
• 社会问题 法律问题 安全问题（隐私安全） 安全问题（隐私安全）
1.2 网络硬件
• 计算机网络分类 传输技术 距离尺度
无线网络
• 几乎所有的无线网络都在某一个点上连接 到有线网络中。 到有线网络中。
1.2.5 家庭网络
• 家庭中的每一个设备都具备与其他设备进行通信 的能力，通过Internet可以访问所有这些设备。 可以访问所有这些设备。 的能力，通过 可以访问所有这些设备 • 家庭网络的特性： 家庭网络的特性： 易于安装 易于操作 低价格 足够的传输能力 接口、 接口、网线保持不变 安全性和可靠性 有线、无线？ 有线、无线？
• 环型： 环型： IEEE802.5(IBM令牌网） 令牌网） 令牌网
仲裁机制
• 当两台或者多台机器想同时传送数据的时候，需 当两台或者多台机器想同时传送数据的时候， 要有一种仲裁机制来解决冲突问题。 要有一种仲裁机制来解决冲突问题。 静态分配方式 将时间分成离散的间隔，并且使用一种轮询算法， 将时间分成离散的间隔，并且使用一种轮询算法， 每一台机器只有在它自己的时槽到达时候才能发 送数据。 送数据。 动态分配方式 集中式：总线仲裁单元决定谁是下一个发送方。 集中式：总线仲裁单元决定谁是下一个发送方。 分布式：每台机器自己决定是否传送数据。 分布式：每台机器自己决定是否传送数据。
以太网及介质访问控制方法
5-3 以太网及介质访问控制方法1、CSNM/CD媒体访问控制方法所谓媒体访问控制，就是控制网上各工作站在什么情况下才可以发送数据，在发送数据过程中，如何发现问题及出现问题后如何处理等管理方法。
CSMA/CD是英文carrier sense multiple access/collision detected 的缩写，可把它翻成“载波侦察听多路访问/ 冲突检测”，或“带有冲突检测的载波侦听多路访问”。
所谓载波侦听（carrier sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要总线上有没有数据传输。
若干数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。
所谓多路访问（multiple access)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。
所谓冲突（collision），意思是，若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。
这种情况称数据冲突又称碰撞。
为了减少冲突发生后又的影响。
工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。
CSNM/CD媒体访问控制方法的工作原理，可以概括如下：先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说；听，即监听、检测之意；说，即发送数据之意。
上面几句话在发送数据前，先监听总线是否空闲。
若总线忙，则不发送。
若总线空闲，则把准备好的数据发送到总线上。
在发送数据的过程中，工作站边发送检测总线，是否自己发送的数据有冲突。
若无冲突则继续发送直到发完全部数据；若有冲突，则立即停止发送数据，但是要发送一个加强冲突的JAM信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突，然后，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。
计算机网络(第三版)第一到第六章 课后问答题 答案整理
第一章计算机网络概论1.请参考本章对现代Internet结构的描述，解释“三网融合”发展的技术背景。
基于Web的电子商务、电子政务、远程医疗、远程教育，以及基于对等结构的PSP网络、3G/4G与移动Internet的应用，使得Internet以超常规的速度发展。
“三网融合”实质上是计算机网络、电信通信网与电视传输网技术的融合、业务的融合。
2.请参考本章对Internet应用技术发展的描述，解释“物联网”发展技术背景。
物联网是在Internet技术的基础上，利用射频标签、无线传感与光学传感等感知技术自动获取物理世界的各种信息，构建覆盖世界上人与人、人与物、物与物的智能信息系统，促进了物理世界与信息世界的融合。
3.请参考本章对于城域网技术特点的描述，解释“宽带城域网”发展技术背景。
宽带城域网是以IP为基础，通过计算机网络、广播电视网、电信网的三网融合，形成覆盖城市区域的网络通信平台，以语音、数据、图像、视频传输与大规模的用户接入提供高速与保证质量的服务。
4.请参考本章对WPAN技术的描述，举出5个应用无线个人区域网络技术的例子。
答：家庭网络、安全监控、汽车自动化、消费类家用电器、儿童玩具、医用设备控制、工业控制、无线定位。
5..请参考本章对于Internet核心交换、边缘部分划分方法的描述，举出身边5种端系统设备。
答：PDA、智能手机、智能家电、无线传感器节点、RFID节点、视频监控设备。
第二章网络体系结构与网络协议1．请举出生活中的一个例子来说明“协议”的基本含义，并举例说明网络协议三要素“语法”、“语义”与“时序”的含义与关系协议是一种通信规则例：信件所用的语言就是一种人与人之间交流信息的协议，因为写信前要确定使用中文还是其他语言，否则收信者可能因语言不同而无法阅读三要素：语法：用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现顺序语义：解释比特流的每一部分含义，规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作和作出的响应时序：对实现顺序的详细说明2．计算机网络采用层次结构的模型有什么好处？1）各层之间相互独立2）灵活性好3）各层都可采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层4）易于实现和维护5）有利于促进标准化3．ISO在制定OSI参考模型时对层次划分的主要原则是什么？1）网中各结点都具有相同的层次2）不同结点的同等层具有相同的功能3）不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信计算机网络技术基础教程计算机网络概述...计算机网络概述...4）同一结点内相邻层之间通过接口通信5）每个层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务4．如何理解OSI参考模型中的“OSI环境”的概念？“OSI环境”即OSI参考模型所描述的范围，包括联网计算机系统中的应用层到物理层的7层与通信子网，连接结点的物理传输介质不包括在内5．请描述在OSI参考模型中数据传输的基本过程1）应用进程A的数据传送到应用层时，加上应用层控制报头，组织成应用层的服务数据单元，然后传输到表示层2）表示层接收后，加上本层控制报头，组织成表示层的服务数据单元，然后传输到会话层。
介质访问控制
令牌控制法
令牌是一种特殊的控制帧 令牌在网络中传送，只有获得令牌的节点才能启
动帧的发送 分:
令牌环访问控制（Token Ring） 令牌总线访问控制(Token Bus)
具体过程如下：
l 当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络察看是否 有其他站点正在传输，即侦听信道是否空闲。
l 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。 l 如果信道闲，站点就传输数据。 l在发送数据的同时，站点继续侦听网络确信没有其他站 点在同时传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据， 就会产生冲突。 l 当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞 信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的节点都 有能发现。 l 其它节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随 机产生的时间间隙（回退时间Backoff Time）后重发。
B
C A
令牌环访问控制
D
令牌环工作原理
各站点通过站接口连接成物理环型拓朴，令牌在物理环 中逐站传送。 当一个站点想发送帧时，必须获得空闲令牌，并在启动 数据帧的传送前将令牌帧中的忙/闲状态位置于“忙”。 由于只存在一个令牌，所以任何时候，环中只能有一个 节点发送数据，而其余站点只能允许接收帧。 当数据帧沿途经过各站的环接口时，各站将该帧的目的 地址与本站地址进行比较，若不相符，则转发该帧；若 相符，则放入接收BUFFER以送入本站，并修改环上帧的 接收状态位，修改后的帧在环上继续流动直到循环一周 后回到发送站，由发送站将帧移去。 若发送站数据发送完毕，则释放令牌。
计算机网络技术
环形网的介质访问控制方法
HDLC帧结构： LLC帧结构： •
F
A
C
SSAP
INFO
C
FCS INFO
F
DSAP
LLC帧结构与HDLC帧不同之处：
•
LLC帧的地址有源地址和目的地址，而HDLC是点到点的协议， 无需源地址。 LLC帧没有帧标记和帧效验，它的帧标记和帧效验移至了MAC子 层。
原因：LLC与MAC共同完成数据链路层的功能，而且LLC还完成
· SAP地址： 即进程在站中的地址，由LLC帧负责传送。
由此可见，局域网中的寻址要分两步走，第一步是用MAC帧的地址 信息找到网络中的某一个站，第二步是用LLC帧的地址信息找到该站中的 某个SAP。这样，从站A发出的连接请求帧的源地址和目的地址分别表示 为A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，括号中的数字则是相应站中 LLC层上的SAP地址。 当站C同意建立连接时，就向站A返回一个接受连接的帧，从此以后， 所有由站A的进程x发往站C的帧，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡 是发给地址C(1)的帧，若其源地址不是A(1)，都将被过滤掉（拒收）。同 样，凡不是由地址C(1)发给A(1)的帧也被过滤掉。
令牌环网：6.令牌环网的特点
1.
令牌
2. 3. 4. 5.
不是竞争机制，使用令牌， 所以站点越多，工作效率越 高。 可设立优先级 可用于实时控制 覆盖范围大一些。 自动应答的功能。
环接口
三、 令牌总线技术
令牌 令牌
7 2
令牌
6
5
令牌
1
令牌 令牌
3
令牌
4
令牌
特点：物理上是总线型，逻辑上环形网 可设立优先级 缺点：对令牌的管理
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
t=0
A
t
L
B
碰撞
B 发送数据
A 检测到发生碰撞
B 检测到发生碰撞
t= t=
t = 2
单程端到端 传播时延记为
CSMA/CD的性能 (4.3.5 以太网的性能)
平均NR个竞争周期
竞争周期 竞争周期 … 竞争周期
传输周期 成功发送 T0
2
2
2
t
发送一帧所需平均时间TAV
假设所有帧等长，称传输一个帧所需要的时间为帧时； 假设每个帧时中帧的到达服从泊松分布，平均到达率为G。 吞吐量S=GP0，P0是一帧没有冲突的概率 在t个帧时内产生k帧的概率服从泊松分布
(Gt ) k eGt Pr[ N (t ) k ] k!
在两个帧时内生成零帧的概率（无冲突）为 P0=e-2GS=Ge-2G
4.2.1 ALOHA－纯ALOHA
一个帧时 N1 N2 N3 M3j M11 M1i 随机时间 M1i 随机时间 M2k M3j
Ni
Mi1
信道
M11
Mi1
M1i
M2k
M3j
想说就说：每当用户有数据要发送，立刻发送 发送方通过广播的反馈特性侦听信道，可以知道是否发生 了冲突；若发生冲突，则发送方等待一段随机的时间，再 次发送该帧，直到发送成功为止
实现通信实体间良好的连通性，获得尽可能高
的吞吐量。 良好的报文时延特性。
分类：
静态信道分配方案 动态信道分配方案
4.1.1 静态信道分配方案
静态的信道分配方案
FDM频分复用 TDM时分复用 将信道均分为若干个子信道，每个子信道为一
个用户所独占。
FDM系统的性能分析： N个子信道时，每个子信道的带宽为C bps，帧到 达率为每秒帧 平均帧长为1/µ bit 子信道平均服务率为每秒µC帧 若到达率和服务速率均服从泊松分布，数据帧的 平均时延TFDM
通过逻辑连接，差错控制，流量控制等办法
当不需要可靠性时，LLC可以是很薄的一层，甚至省
略。
底层信道对 LLC 子层是透明的
LLC 子层看不见 下面到底是广播式信道还是点到点信道
网络层 网络层
逻辑链路控制
媒体接入控制
LLC
MAC 广播式信道
LLC
MAC
数据 链路层
物理层
站点 1
物理层
站点 2
max
T0 1 T0 (2e 1) 1 4.44a
其中a表示以帧时为单位的归一化传播时延，设F为帧长， B为网络带宽，L为电缆长度，c是信号传播的速度，则 有：
BL a T0 cF
2 =51.2us, B=10Mbps时的网络性能
1 BL ,a , A kp(1- p) k 1 1 a(2 A1 1) cF
S=Ge-2G，当G=0.5时，Smax=1/2e≈0.184
时隙ALOHA（Slotted ALOHA）
将时间分成离散间隔（slot），所有用户遵守统一 的时隙边界，用户只能在时隙开始时发送数据
一个帧时 N1 N2 N3 M31 M11 M1i M2k 随机时间 随机时间 M2k M1i
Ni
4.1.2 动态信道分配方案
通常采用的信道访问方法有两类
随机访问：各节点根据自已的意愿发送数据，
Hale Waihona Puke 可能会产生冲突。分布式，节点间协作化解冲 突。 受控访问：通过某种控制机制使得任何时刻只 有一个接点接入信道，需要一个仲裁机制，可 以是集中式的，也可以是分布式的。
4.2 多路访问协议
随机接入类（亡羊补牢） 无冲突类（防患于未然）
自适应树搜索协议：把站点看作是二叉树的叶子
自适应树搜索协议原理
在一次成功传送之后的第一个时隙，slot 0，所有的 站都允许尝试获取信道，如果发生了冲突，则在slot 1中，只有树中2号节点之下的那些站才可以竞争。如 果其中之一获得了信道，则这一帧之后的那个时隙被 保留给节点3下面的那些站。另外，如果节点2下面的 两个或者多个站希望发送数据，在slot 1中会发生冲 突，则slot 2就由节点4下面的站来竞争。
坚持对信道的检测，以利于及时知道信道的忙闲情况，
避免浪费。 即便发现信道空闲，也不一定非要坚持发送，若某个 结点能主动退避一下的话，可以减少冲突的可能性。
Q：0.01坚持的CSMA在G=9时整体性能如何？
D表示以帧时为单位的归一化平均报文发送 时延
CSMA/CD
带冲突检测Collision detection的CSMA
p-坚持CSMA（时隙信道）
工作原理：
如果信道忙，则发送站持续侦听信道；
如果信道空闲，以概率p发送数据，以概率1-p将
数据的发送延迟到下一时隙并重复这一过程。当 发生冲突时，等待一段随机时间后再重新开始
Mik在结点内等待
Mik到达 Ni τ …… 信道 M1i M2j M3l 持续监测信道直至空闲
4.2.3 无冲突的协议
不再使用随机接入的思路，而是通过某种 机制提前避免冲突。
位图协议（比特映射协议） 二进制倒计数协议。
位图协议（Basic Bitmap Method）
由竞争周期和帧传输周期组成。 每个竞争周期包含N个时隙，如果站点n需要占用 信道，则在第n个时隙中写入1，构成位图。 当所有的N个时隙都通过后，每一个站点都知道 了哪些站点希望发送数据，然后按照数字顺序开 始传送数据
S=Ge-G，当G=1时，Smax=1/e≈0.369
D表示以帧时为单位的归一化平均报文发送时延
4.2.2 载波检测多路访问协议
ALOHA的信道利用率很低，根本原因在于想说就 说，导致了频繁的冲突。 载波检测（载波侦听）（carrier sense）：可以 检测到信道上当前是否有数据在传输 载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）--先听再说
边说边听：正在发送数据的站点一旦检测到冲
突，立刻停止发送。 半双工系统
工作流程
先听再说 边说边听 冲突停止 延时再试
CSMA/CD性能分析模型
CSMA/CD由三种状态交替组成
竞争
传输
空闲
竞争周期
竞争周期为2, 是信道上间隔最远的两台 机器间的传播时延 每个节点发出一帧后，在2时间内无冲突， 则可以肯定该帧必将成功发送。
TFDM
若合并这N个子信道为一个信道为N个用户同时提 供服务，对应的平均时延
TFDM 1 1 T NC N N (C ) N
1 C
静态的信道分配方案适用于
适用于用户数较少且每个用户都有平滑的 流量负担（电话局间通信） 不适用于数据流量突发性很大的网络，很 多网络（如LAN）的流量具有突发性和间歇 性特征，业务量和发送速率上都具有很高 的峰值/平均比率，如1000:1
信道
M11
M31
M2k
M1i
时隙ALOHA的性能
危险周期减少一半，系统吞吐率S=Ge-G G=1时，Smax=1/e≈0.368，是纯ALOHA的两倍 每帧平均重传次数随着G的增大而呈指数增长
Pk e (1 e )
k 1 k 1
G
G k 1
E kpk ke G (1 e G ) k 1 eG
第四章 介质访问控制子层
网络的分类
点到点连接的网络 使用广播信道的网络(多用于局域网)
广播信道由多个用户共享，由此产生冲突，关键的 问题是解决信道的争用，即MAC(Media Access Control )。
远端服务器 计算机 路由器 Internet 电缆
数据链路层的两个子层
将数据链路层拆为两个子层：
二进制倒计数法
地址采用二进制编码，开销减少。设d为数据 帧长，N为站点数，则信道利用率为d/(d+log2N) 如果帧格式选择恰当，帧中第一字段为发送方 地址，则效率为100%。
特点
各站需严格同步
公平性差可能的改进？？
4.2.4 有限竞争协议
结合随机访问法和无冲突法的优点：
在轻负载时采用随机访问法来尽快接入信道。 在重负载时采用无冲突法来保证信道利用率。
非坚持CSMA
工作原理：发送站侦听信道，发现信道空闲，则开 始传送数据；如果信道不空闲，则等待一段随机的 时间后再次侦听信道 优点：减少了冲突概率 缺点：增加了信道空闲时间，增大了数据发送延迟
Mik在结点内等待
Mik到达 随机时间 Ni τ 信道忙 信道 M1i τ 信道忙 M2j 随机时间 Mik τ 信道闲 Mik
每帧的平均发送时间TAV N R 2 T0 T0 信道利用率 TAV
CSMA/CD的性能 (4.3.5 以太网的性能)
假设总线上有k个站要传送数据，每个站要发送 帧的概率为p，则在一个竞争周期中总线上只有 一个站发送帧的概率A=kp(1-p)k-1
当p=1/k时，A最大，k→∞时，A→1/e
CSMA/CD的性能分析
max
1 1 4.44
T0
1 BL 1 4.44 cF
电缆越长，竞争周期越长 帧越短，传送帧所需要的时间越短 带宽越大，传送帧所需要的时间越短
信道利用率 就越低。
CSMA/CD不适用于长距离（卫星），高带 宽（光纤）或短帧的网络环境，应寻求其他 解决思路。