介质访问控制子层
介质访问控制子层
第五章介质访问控制子层5.1 概述计算机网络由通信子网和资源子网组成。
根据通信子网的结构不同，又可将计算机网络分为两类：采用点到点连接的网络和采用广播信道的网络。
在广播网中就必须解决信道的合理分配问题。
将传输介质的信道有效地分配给网上各站点的用户的方法称为介质访问控制协议。
网络的介质访问控制协议包括两个方面的内容：（1）确定网络中每个站点能够将信息送到通信介质上去的特定时刻。
（2）如何对公用通信介质的存取和利用加以控制。
一个好的介质访问控制协议应该是简单的，能有效利用信道,公平的，还应是坚固的。
介质访问控制协议属于数据链路层的子层，称作介质访问控制MAC(medium access control)子层。
5.2 随机访问方式随机访问方式是总线拓扑中常用的介质存取控制方法。
它的工作原理是：不预先规定发送时间，也不预先建立各站点发送信息的先后顺序，任何站点，在准备好要发送的信息后，就自行决定向外发送的时刻，因此，各站点的发送时间是完全随机的。
这种方法要解决的主要问题是冲突，即在一个站点发送过程中，又有另一个站点进行发送，以致造成信息被破坏的情况。
随机访问控制方式有多种不同的控制方案，就是针对如何尽量避免冲突，以及出现冲突后如何处理等问题而建立的。
下面，我们研究几种有代表性的随机访问控制方法。
5.2.1 ALOHA 协议首先使用随机访问方式进行通信的是70年代美国夏威夷大学的ALOHA系统。
本节讨论两种版本的ALOHA：纯ALOHA和分隙ALOHA。
纯ALOHA的基本思想是：任何站点只要有信息待发，就可在任意时刻发送。
因此，产生冲突而使冲突帧受到破坏的可能性很大。
理论分析证明，纯ALOHA信道的利用率最好为18%。
分隙ALOHA：在该方法中，把时间分为离散时间段，每段时间对应一帧，要求所有站点都配备以同步时钟，用来指示每一时间片的起点，各站点要发送信息时，不能随到随发，而要等到下一个时隙的开始时才传送；这样，连续的纯ALOHA就变成了离散的分隙ALOHA，从而使冲突危险区减少为原来的一半。
计算机网络 第5章_介质访问控制子层---第二次课
B 发送数据 B
TB
A 检测 到冲突
TJ t
信 道 占 用 时 间
B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接 着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。
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随机延迟重发
？ 问 题 ？
考虑这样的一种情形：当某站正在发送数据时，另外 两个站有数据要发送。这两个站进行载波监听，发现总 线忙，于是就等待；当它们发现总线变为空闲时，就立 即发送自己的数据。但这必然再次发生碰撞；经检测发 现了碰撞，就停止发送。然后再重新发送，……，这样 下去，一直不能发送成功。
解决这一问题，需要采用 所谓的退避算法。
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退避算法
二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)
这样做是为了减小 再 次发生碰撞的概率。
——就是让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是立即再发送 数据，而是推迟（这叫做退避）一个随机时间才能再发送数据。 具体做法是： （1）确定基本退避时间，一般是取为争用期2 τ 。 （2）定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10 (k 10) ，即 k=min(重传次数，10)。 （3）从离散整数集合[0,1,2,…,(2 k-1)]中随机地取出一个数，记为r。 重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。 （4）当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。
公司：Cisco 3Com IBM 00-00-0c 00-20-AF 08-00-5A Novell 00-00-1B 00-60-8C 00-00-D8
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网卡上的硬件地址
路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。
1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02
介质访问控制子层概要
02 60 8C 82 24 28 02 60 8C 02 24 20 00 81 F0 F0 DA 3A 0E 00 FF EF 16 00 00 00 00 00 6B 16 19 01 FF 53 4D 42 2D 00 00 01 00 06 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 08 18 04 00 94 06 07 00 2E 3F 00 09 00 01 FF EE 13 00 00 85 00 00 00 EE CA 3C 00 00 FF AF 12 00 06 06 00 00 6D 18 00 00 EA 3A 00 00 FF 00 00 00 01 00 00 08 6A 00 12 FF
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讨论
双绞线已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s 的 高速局域网中； 在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在 远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采 用无线技术的趋势已经明朗。
2024年10月21日星期一
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5.1.4 IEEE 802参考模型
IEEE 802 标准所描述的局域网参考模型与OSI参 考模型的关系 ：
802.10 可互操作的局域网安全
802.1 体系结构与网络互联
802.2 逻辑链路控制子层
802.3 CSMA/CD
802.4 令牌总线
802.5 令牌环
802.6 城域网
802.9 语音与 数据综合 局域网
802.11 无线
局域网
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5.2 Ethernet局域网
5.2.1 Ethernet的发展
IBM
08-00-5A
典型的Ethernet地址 ：
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 。
dlr名词解释
dlr名词解释
DLR，全称为Data Link Layer（数据链路层），是OSI模型中的第二层，负
责在物理层上建立数据链路，管理数据的传输和接收。
本层的主要功能是将数据包转换成比特流，以便在物理层上进行传输。
DLR在计算机网络中起着至关重要的作用，下面将详细解释其概念和功能。
首先，DLR是OSI模型中的第二层，位于物理层和网络层之间。
它负责数据的
传输和接收，并对数据进行差错校验和流量控制。
DLR通过数据链路的建立和维护，确保数据在发送和接收之间的可靠传输。
在数据链路层中，数据被分割成帧并加上帧头和帧尾，以便在物理层上传输。
其次，DLR在网络通信中具有重要的功能。
它通过逻辑链路将网络中的设备连
接起来，实现数据的传输。
DLR还可以检测和纠正数据传输过程中的错误，提高数
据传输的可靠性。
此外，DLR还可以实现流量控制，防止网络拥堵和数据丢失，保
证数据的顺利传输。
另外，DLR还可以分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制
子层（MAC）。
LLC负责逻辑链路的建立和维护，确保数据的正确传输；MAC负责介质的访问和管理，控制数据的发送和接收。
两个子层共同工作，实现数据链路的建立和维护。
总的来说，DLR是计算机网络中非常重要的一层，它负责数据的传输和接收，
确保数据在发送和接收之间的可靠传输。
DLR通过数据链路的建立和维护，实现网
络设备之间的连接，并提高数据传输的可靠性和效率。
DLR的作用不可或缺，对网
络通信起着至关重要的作用。
介质访问子层
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Ethernet结点数据发送 流程
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长度字段 帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节。
LLC数据字段 LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节，少于46
个字节，需要填充。
帧校验字段 采用32位的CRC校验 校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段。
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3.Ethernet接收
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CSMA/CD发送流程经典概括：
先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发
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载波侦听
检查是否已经有结点利用总线在发送数据。
v(t)
1 0
总线忙
t 总线空闲
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冲突检测：比较法和编码违例判决法
V1(t) V2(t) V1(t)+V2(t)
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6.4 高速局域网
传统共享式局域网的缺点
传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介 质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus； 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公 共传输介质； 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减 少； 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率 将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。
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
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。
通信网体系与协议-第05章-MAC子层
Fig. 4-3
效率：信道利用率最高只有18.4%.
5.2.2 分槽ALOHA协议
基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为
一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始 时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。 信道效率 冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以P0 = e-G，S = Ge-G；Fig. 4-2 与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率， 信道利用率最高为36.8%。Fig. 4-3
每帧传输的期望值
Pk e (1 e )
-G
G k1
E kPk ke-G (1 eG )k1 eG
k 1 k 1
5.2.3载波监听多路访问协议CSMA
CSMA-Carrier Sense Multiple Access Protocols 载波监听（Carrier Sense）
ALOHA协议
目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协
调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；
分类： 纯ALOHA协议 分槽ALOHA协议
纯ALOHA协议基本思想：用户有数据要发送时，可以直
接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突， 则等待一段随机的时间重发;
送； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
优点：减少了信道空闲时间； 缺点：增加了发生冲突的概率； 广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生
冲突的可能性越大，协议性能越差；
非坚持型CSMA -- nonpersistent CSMA
原理
若站点有数据发送，先监听信道；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ若站点发现信道空闲，则发送； 若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程； 若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
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
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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
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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。
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。
介质访问控制 名词解释
介质访问控制（Medium Access Control，MAC）是计算机网络中的一个重要的数据链路层协议，用于控制网络中多个终端设备在共享网络介质（如以太网）时的访问权限。
以下是一些基本的相关概念的词汇解释：
1. 帧：是数据链路层通信中的基本数据单位，包含数据部分和控制信息部分。
2. CSMA/CD：是介质访问控制协议的一种方法，用于减少数据冲突，提高数据传输效率。
3. 令牌桶：是一种流量控制算法，用于限制网络中一段时间内的数据发送速率，防止网络拥塞。
4. 媒体访问控制地址（MAC地址）：是一个物理地址，由网卡厂商唯一制定，用于标识网络中各个终端设备的身份。
5. 帧同步：是为了确保接收方能够正常解析数据帧，发送方在发送数据帧前需要先发送一组特定的同步信号，以确保数据的同步。
6. Token Ring：是一种介质访问控制协议，用于控制局域网
中各节点对网络介质的访问权限和流量控制。
7. MAC层协议数据单元（MPDU）：是网络中数据链路层的数据传输单元，是由MAC层处理和传输的数据单元，通常包含一定的控制信息和纠错编码，用于控制数据在传输过程中的可靠性。
以上是介质访问控制相关的一些基本概念的解释，希望对您理解介质访问控制协议有所帮助。
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。
3.2 局域网将数据链路层分割为哪两个子层？这两个子层分别完成了什么功能？
3.2 局域网将数据链路层分割为哪两个子层？这两个子层分别完成了什么功能？答：局域网将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制LLC 子层和介质访问控制MAC 子层，从而使LAN 体系结构能适应多种传输介质。
因此，对各种类型的局域网来说，其物理和MAC 子层需要随着所采用介质和访问方法的不同发生改变，而这些不同对于LLC 子层来说都是透明的。
（1） LLC 作为数据链路层的一个子层，使用MAC 子层为其提供的服务，通过与对等实体LLC 子层的交互为它的上层网络层提供服务。
（2） MAC 子层是用来实现介质访问控制的网络实体。
MAC 子层主要功能包括数据帧的封装/拆封、帧的寻址与识别、帧的接收与发送、链路的管理、帧的差错控制及MAC 协议的维护等。
3.3 什么叫1-坚持的CSMA ？这种技术有什么优点？答： 1-坚持CSMA 是，当某站要送数据时，先监听信道，若信道忙，就坚持监听，直到信道空闲为止，当空闲时立即发送一帧。
若两个站同时监听到信道空闲，立即发送，必定冲突，即冲突概率为1，故称之为1-坚持型。
假如有冲突发生，则等待一段时间后再监听信道。
其优点是：线路忙，继续侦听；不忙时，立即发送；提高信道利用率，增大冲突。
3.9阐述RADIUS 协议的工作流程。
答：radius 服务器对用户的认证过程通常需要利用nas 等设备的代理认证功能，radius 客户端和radius 服务器之间通过共享密钥认证相互间交互的消息，用户密码采用密文方式在网络上传输，增强了安全性。
radius 协议合并了认证和授权过程，即响应报文中携带了授权信息。
基本交互步骤如下：1． 用户输入用户名和口令；2． radius 客户端根据获取的用户名和口令，向radius 服务器发送认证请求包网络层数据链路层 物理层逻辑链路控制 LLC媒体访问控制 MAC物理层PHY（access-request）。
3．radius 服务器将该用户信息与users 数据库信息进行对比分析，如果认证成功，则将用户的权限信息以认证响应包（access-accept）发送给radius 客户端；如果认证失败，则返回access-reject 响应包。
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每个节点在发送前，先侦听信道，如果信道正忙，则不 再继续侦听，而是延时以随机时隙数，再侦听信道
P-持续
用于分时隙信道，先侦听信道，如信道正忙，则等到下 一时隙再侦听；如信道空闲，则以概率p发送，以（1-p） 把本次发送延至下一时隙，直至发送成功
传播时延对载波侦听的影响（例子）
在极限条件下，802.3局域网中收发器间（允许4 个中继器）的最大距离为2500米，往返5000米， 同轴电缆的时延特性为5us/km，即如遇冲突， 端到端并返回的时延为25us。然而，这是理想
的时延，考虑到中继器的额外时延，最坏情况 下估计为45us，再加上强化冲突需要发送48bit， 接收方要接收到48bit才能确认冲突，即在曾加 4.8us，共49.8us，以太网通常取51.2us为竞争 周期时隙长度，即帧的长度至少为64个字节
(CSMA/CD) 访问控制方法的总线形Ethernet， 称为“以太网”。 采用令牌控制的令牌总线形（Token Bus）局域 网，称为“Token Bus”或“令牌总线网”。 采用令牌控制的令牌环形（Token Ring）局域 网，称为“Token Ring”或“令牌环网”。
CSMA/CD总线形局域网特点
允许立即发送，将在下一个时隙的开始处发送， 危险区比纯ALOHA减少一半，吞吐率最大 0.368
载波侦听多路访问CSMA（Carrier Sense Multiple Access）
1-持续CSMA 非持续CSMA P-持续CSMA
1-持续CSMA
每个节点在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等待 并持续侦听，一旦信道为空，立即发送，如冲突，则延 时一随机时隙数后，重新发送
冲突检测方法 信号电平法
基于基带传输，两个帧信号叠加后，电压大一 倍
过零点检测法 用曼彻斯特编码时，零点在每个比特的正中央， 当有干扰时，则可能偏移
自收自发检测法 检测到冲突发送一个加强信号，通知已经冲突
介质访问控制方法CSMA/CD、 Token Bus与Token Ring的比较
三种不同的介质访问控制方法对应三种不同类型 的局域网： 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问
CSMA/CD要点
在一帧传输完成后的时刻t0，想要发送的站点都可以尝 试发送
如果两个或多个站点同时发送冲突 判断冲突后，立即停止发送，并延时一个随机时隙后，
通常其中的一个站点将成功发送 随机延迟重发的第一步是发送“冲突加强干扰序列
（jamming sequence）信号”。冲突加强干扰序列信 号长度规定为48bit。 发送冲突加强干扰序列信号的目的是：确保有足够的冲 突持续时间，使网中所有主机都能检测出冲突存在，并 立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道 利用率
二进制指数后退算法
发送方在检测到冲突后，双方都将延时一 段时间，所谓一段时间到底是多长？
冲突检测后，时间分成离散的时隙 时隙的长度等于信号在介质上往返的传播
时间（以太网中51.2us） 一般的，经过i次冲突后，发送站点需要
等待的时隙数将是0~2i-1中随机选择
改进现状
1、提高以太网的数据传输速率 2、将共享介质方式改为交换方式 3、将一个大型局域网划分成由路由器互联
结点1
结点2
结点3
总线
结点4
结点5
(a) 总线型局域网的物理结构
结点1
结点2
结点3
总线 结点4
结点5
(b) 总线型局域网的拓扑结构
令牌总线形局域网的特点
结点1
结点2
结点3
总线
结点4
结点1 令牌
结点2
结点的物理结构
结点3
结点5
(b) Token Bus局域网的逻辑结构
CSMA/CD形象比喻
很多人在一间黑屋子里举行讨论会，参加会议的人只能 听到其他人的声音。每个人在说话前必须先倾听，只有 等会场安静下来后，他才能发言。人们将发言前要侦听 以确定是否已有人在发言的动作称为“载波侦听”；将 在会场安静的情况下，每人都有平等的机会讲话称为 “多路访问”；如果在同一时刻有两人或两人以上同时 说话，大家都无法听清其中任一的发言，称为“冲突”， 发言人在发言过程中要及时发现是否发生冲突，这个动 作叫做“冲突检测”；如果发言人发现冲突已经发生， 这时他需要停止讲话，然后随机延时，再重复上述过程， 直至讲话成功。如果失败次数太多，他也许就放弃这次 发言机会
动态分配 讨论前假设： 节点模型假设：由N个独立的节点组成、每个节点
都可产生待发送的帧、在t时间内生成一帧的概 率为a t、一旦生成一帧，就等待发送，直到发 送成功 单信道假设：所有通信（包括发送和接收）都通 过单信道进行、所有的节点都在该信道上发送 或接收信息、所有节点都是平等的、任何时刻 只允许一个站点可以发送，并且任何站点都必 须通过竞争才能取得发送权
的小型局域网
以太网帧结构
前导码
目的地址 源地址 类型
数据
帧校验字段
8B
6B
6B
2B
（a）DIX帧结构
前导码 帧前定界符 目的地址 源地址 长度
46～1500B
4B
数据
帧校验字段
7B
1B
6B
6B
2B
46～1500B
4B
（b）802.3帧结构
前导码：由8B（64bit）1010...1010，实现收发 双方的帧同步，接收后不需要保留，也不计入 帧头的长度中
侦听假设：非载波侦听（所有节点在使用信道前，都不检 测当前信道是否正被使用，盲目发送）、载波侦听（所 有节点在使用信道前，都可检测到当前信道是否正被使 用，如信道忙，则等待）
多路访问协议CSMA
ALOHA 纯ALOHA中，站点一旦产生新帧则立即发送，
如果发送一个帧的时间是t，那么冲突危险区2t， 当负载轻，几乎无冲突 当负载重，冲突频繁 模型分析结论：吞吐率最大0.184 ALOHA：在一个时隙内只产生一个新帧，新帧不
目的地址和源地址：硬件地址，长度为48bit。 类型字段：以太网表示网络层使用的协议类型
数据字段：网络层发送的数据部分
帧校验字段:CRC
问题：为什么以太网最小帧长64字节，最 大帧长1518字节？
以太网采用CSMA/CD协议
为了确认发送帧是否正确到达终点，必须保 证可能的冲突信号返回时帧的发送尚未结 束，如在2t内没有冲突信号返回，则发送 成功，如果发送端在2t时间内发送帧已经 结束，则无法检测冲突，即最短帧长应与 2t时间相当
如果两个或多个准备发送的站都检测到信 道空闲而同时发送将产生冲突，CSMA并 不能完全解决冲突问题
CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问） CSMA/CD的概念模型： 帧传输周期
竞争周期（竞争时隙，一旦冲突，则放弃并随 机延时，一直竞争到某一节点抓到信道）什么 时候抓住这条线到，意味着其他节点都知道我 发送消息
CSMA/CD
0
4
8
12 16 20 24
发送数据速率
以太网
早期以太网使用的传输介质是同轴电缆， 造价比较高，并且故障率高，1990年， 10base-T的推出，使非屏蔽的双绞线作 为传输介质，组网造价降低，可靠性提高， 同年以太网交换机的出现，标志着交换式 以太网出现，1993年研发出全双工以太 网，带宽增加1倍，使得以太网脱颖而出
4.2 介质访问控制子层
1、信道分配问题 2、多路访问协议CSMA 3、以太网
1、信道分配问题
静态分配：频分多路复用、时分多路复用 静态分配的问题：延迟时间长和信道利用率低 根据排队论来分析平均延时时间T 结论：频段分成N段，平均延时增加N倍
频段分成N段，当用户数小于N时，不产生 争用，但并非每个被分配的用户每时每刻都在 通信，所以，信道的利用率较低，且不能调整 时分多路复用与频分多路复用相似 静态分配问题：时延较长和通道利用率低下
空闲周期
竞争周期
到底什么时候我抓到这条信道呢，抓住了这条信道，意 味着其他节点都知道我在传输消息，别人不会打断我， 到底经多多久我知道自己拿到信道，
竞争周期，把时间分成时隙，如果听了一个时隙后，没 有发生冲突，意味着抓住了信道，时隙到底是多少？
A快到B节点，B节点检测还是空，接近B处造成冲突， 最长时间，A到B的来回时间t，时隙就是2t，一旦进入 竞争周期，分时隙，物理网络环境来决定2t时间
冲突假设：如两帧同时发送，则发生冲突、所有站点都能 检测到冲突、冲突的帧必须重发，除了冲突引起的差错 外，没有其他差错 （由于每个节点都必须通过竞争才 能取得发送权，所以冲突是不可避免的，但在某些共享 信道中采用特殊的机制来消除冲突 令牌网）
时间假设：时间连续（帧的发送可在任意时刻）、时间分 时隙（时间被分成时隙，帧在时隙的开始处发送）
令牌环局域网的特点
结点1
结点5
结点2
结点4
结点3
(a) Token Ring局域网的物理结构
结点5
结点1
令牌
结点2
结点4
结点3
(b) Token Ring局域网的拓扑构型
不同通信负荷下实际数据传输速率的比较
可 24
能
达 到 20
的
最 大
16
数
据 速
12
率
8
4
Token Ring Token Bus