计算机网络复习——Ch4MAC子层(局域网)

知识点

1. 广播式网络数据链路层的特殊问题：资源竞争与冲突解决

2. 广播式网络数据链路层的两个子层：MAC和LLC

• MAC（Medium Access Control）
• 用于确定介质的访问（存取）权，属于数链层的子层

3. 有冲突的动态信道分配协议：ALOHA、CSMA

• ALOHA

ALOHA系统首次将网络技术和无线通信技术结合起来，最初在无线信道上实现，并逐渐在总线式共享信道的有线网络中得到应用。
使用了地面无线电广播，但基本思想适用于任何竞争使用单个共享信道的系统

• 纯ALOHA

  • 站有帧要发送，则立即发送
  • 如果帧的整个发送过程中无其它帧发送，成功；
  • 如有，失败
  • 失败的情况下，随机后退一段时间（等待）后重发，直到成功

• 纯ALOHA性能分析

  • 重负载下信道利用率低
  • 在低负载和高速的条件下，冲突较少，传输时延不大，网络仍有一定的实用价值

• Slotted(分槽)ALOHA

  • 时间分成离散的时间间隔，称为slot（时槽）。一个Slot的长度对应一帧的发送时间；提供中心时钟同步
  • 帧只能在时槽开始时发送
  • 冲突后随机后退一段时间重发，超过一定次数后放弃发送，报告上层

• ALOHA的问题

  • ALOHA信道利用率较低
  • 每个节点发送数据的时候，完全不知道其它节点是否也在发送数据
  • 频繁的冲突是难免的

• CSMA——载波侦听多路访问 Carries Sense Multiple Access

  • CSMA是一种适合于具有信道检测功能的分布式介质访问控制方法；其控制手段为：“发送数据前先对信道上的载波进行侦听”，即“先听后说”
  • 各站在发送信息帧之前，先监听信道，看信道是忙或闲；如信道闲（即没有别的站往信道上发送信息帧）就可以发送信息帧；否则，就推迟自己的发送行动。推迟的时间，取决于一定的退避算法。
    确保信道忙的时候，不会发送数据。但是不能完全避免冲突：两个节点仍有可能会同时发送

• 三种CSMA(不能完全避免冲突)：

  • 1－坚持CSMA

    • 当有数据发送，监听信道；
      • 如果信道空闲，发送数据；
      • 如果信道忙，则等待并坚持监听信道直至信道空闲，然后发送数据。
    • 如果发生冲突，等待一段随机的时间，从头开始上述过程。
    • 1-坚持：信道空闲时，发送数据的概率是100%

  • 0－坚持：发送方比较理智，不贪婪

    • 当有数据发送，监听信道；
      • 如果信道空闲，发送数据；
      • 如果信道忙，则并不坚持监听信道以便信道空闲时发送数据，而是等待一段随机的时间，从头开始上述过程。

  • P－坚持

    • 如果信道空闲，则以P概率发送，以1－P概率将发送推迟到下一个时槽（仍以该策略进行）；
    • 如忙，则在下一个时槽再侦听（仍以该策略进行）；
    • 如果冲突，或者被其它节点抢先发送，则等待一段随机时间，重新开始上述过程

4. 无冲突的动态信道分配协议：Bitmap协议、令牌token ring、令牌总线token bus

• 位图协议（预约协议）

  • 如有N个站，则置N个竞争（预约）时槽
  • 站在预约时槽中表明发送与否

• 令牌环协议

  • 网络拓扑为一个单环结构
  • 一个称为令牌（token）的短消息被所有节点顺序传递
  • 如果某个节点有数据发送，则等它接收到令牌后就可以发送数据，然后把令牌传递给下一站；如果接收到令牌但没有数据，则简单地将令牌传递下去

5. 经典以太网：总线型、粗缆、曼彻斯特编码、1-坚持的CSMA/CD

6. 以太网的CSMA/CD协议：

当某个站点要发送数据，首先监听介质，然后执行以下步骤
（1）如果介质空闲，则发送；
（3）如果介质忙，则坚持继续监听，一旦发现介质空闲，则立即发送；
（3）发送的同时继续监听介质，以检查是否发生了冲突；如果检测到冲突发生，则立即停止发送，并发送阻塞信号以强化冲突；
（4）执行二进制指数回避算法，等待一段随机时间，返回步骤（1）

7. 以太网冲突检测的最短时间：2t

(单程端到端传播时延记为)

8. 以太网最短帧长：2tC

(t是单向传播时延，C是发送速率)

9、 几个规范

• 802.3: CSMA/CD，以太网规范
• 802.11: CSMA/CA，无线局域网规范
• 802.15: 蓝牙技术规范
• 802.16: Wireless MAN，无线城域网规范

10. 以太网的二进制指数后退算法（冲突后的等待时间）

• 定基本时槽为51.2μs
• 如果第一次冲突，则在0，1两个时槽中随机选择后退
• 如果第二次冲突，则在0～3个时槽中随机选择后退
• 如果第i次冲突，则在0～2ⁱ－1个时槽中随机选择后退
• 次数如果大于10次，则固定延迟1023个时槽
• 次数如果大于16次，放弃传输并向上层提交错误报告

11. 网桥的工作原理

• 网桥

  • 网桥工作在数据链路层；最初两个端口。

• 网桥根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行有目的地存储转发(store & forward)

• 网桥具有帧过滤功能。

  • 当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口。

• 网桥的学习

  • 转发表的建立
    • 刚加电时转发表为空；
    • 在转发过程中逆向自学习路由；

• 逆向学习——检查收到的报文的源MAC地址：

  • 若收到的报文的源MAC地址不在转发表中，则插入到表中。
  • 每个表项的生存期都是有限的：
    • 在一段时间内未收到以同一MAC地址为源地址的报文时，该表项被删除，以适应网络拓扑的变化。

• 网桥在转发表中登记以下三个信息:

  • 站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。
  • 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。
  • 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。
  • 转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。

如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A

• 网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表

  1. 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。
  2. 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则转到(5)。
  3. 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。
  4. 转到(6)。
  5. 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。
  6. 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。
  7. 更新计时器。
  8. 等待新的数据帧。转到(1)。

• 网桥的优点

  • 过滤通信量。
  • 扩大了物理范围。
  • 提高了可靠性。
  • 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率的局域网。

• 网桥的缺点

  • 存储转发增加了时延。
  • 在MAC 子层并没有流量控制功能。
  • 不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
  • 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴

12. 以太网交换机的工作原理：利用目的物理地址进行有目的地转发

• 交换机是现代网桥的另一个称呼
• 网桥倾向于连接相对数目较少的局域网，因而端口数也相对较少
• 现在“交换机”一词更为流行

13. 无线局域网的特殊问题：站隐藏和站暴露问题

不同节点传输范围不同，不是所有节点都在彼此的广播范围内 -站隐藏和站暴露问题

• 站隐藏：
  
  • 未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做站隐藏问(hidden station problem)
  • 当 A 在向B发送数据，但 C 检测不到无线信号(此时A和C对彼此来说是隐藏的)，以为信道空闲，
    也向 B 发送数据，结果在B处发生碰撞。
• 站暴露：
  
  • 其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是站暴露站问题(exposed station problem)
  • 但是B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号(B和C彼此站暴露)，于是就不敢向 D 发送数据。

14. CSMA/CA工作原理：无冲突检测(无CD)、早期退避、有确认(ACK)、虚拟侦听(NAv)

• 早期退避

有助于冲突避免

• 仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。

• 除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：

  • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。
  • 在每一次的重传后。
  • 在每一次的成功发送后

• 虚拟侦听：MAC层的侦听

15. PCF和DCF的共存：不同的帧间隔

即在不同时刻发挥作用

• 分布式协调功能(DCF，Distributed Coordinate Function)
  每个站都独立行事，没有任何一种中央控制机制
• 点协调功能(PCF，Point Coordinate Function)下，AP控制自己覆盖范围内的一切活动，像蜂窝通信中的基站一样
• 实际使用中很少用PCF，因为通常没有办法阻止领近网络中的站发送竞争流量

例题

1. 在一个采用CSMA/CD协议的网络中，传输介质是一根完整的电缆，传输速率为1Gbps，电缆中的信号传播速度是200 000km/s。若最小数据帧长度减少800比特，则最远的两个站点之间的距离至少需要
   A．增加160m B.增加80m C.减少160m D.减少80m

解析：

• 距离为：

  (800/10⁹) * 2 * 10⁸ = 160
  160/2 = 80。

• 原因如下：
  (800/10⁹) 是算的减少的数据帧传输的时间，由于要保证总的传输时间（2SML）一定，所以要保证把这段时间传输的距离减去，这段距离就是(800/10⁹) * 2 * 10⁸ = 160，而由于 此距离是来回的距离，所以要除以2

2. 下列选项中，对正确接收到的数据帧进行确认的MAC协议是
   A．CSMA B．CDMA C．CSMA/CD D．CSMA/CA

解析：
CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。

3. 局域网的协议结构一般不包括_________。
   A.网络层 B.物理层 C.数据链路层 D.介质访问控制层

解析：

局域网的体系结构遵循IEEE 802．2制定的标准，在该体系结构中，只定义了相当于ISO/OSI七层参考模型的最低两层，即物理层和数据链路层。其中，将数据链路层又分为两个子层，一个是与物理层密切相关的介质访问子层(MAC)，另一个是对上层提供统一服务的逻辑链路控制子层(LLC)，介质访问子层和物理层一起构成了如IEEE 802.3、802.4、802.5等标准，逻辑链路控制子层的标准是IEEE 802.2

4. 下列不属于数据链路层设备的是
   A．网桥 B . 交换机 C. 路由器 D. 集线器

解析：

层	设备
应用层	应用网关
传输层	传输网关
网络层	路由器
数据链路层	网桥,交换机
物理层	中继器,集线器

5. 局域网的数据链路层被分成MAC和LLC两个子层。

解析： 见例3解析

6. Ethernet表示以太网，它对应的局域网标准是:
   A.IEEE 802.5 B. IEEE 802.11 C.IEEE 802.3 D. IEEE 802.2

解析：

• 802.3: CSMA/CD，以太网规范
• 802.11: CSMA/CA，无线局域网规范
• 802.15: 蓝牙技术规范
• 802.16: Wireless MAN，无线城域网规范

7. 现有五个站分别连接在三个局域网上，并且用两个透明网桥连接起来，如下图所示。每一个网桥的两个端口号都标明在图上。
   
   在一开始，两个网桥中的转发表都是空的。以后有以下各站依次向其他的站发送了数据帧，即H5发送给H1，H3发送给H2，H4发送给H3，H2发送给H5。Hi的地址记为MACi。试将有关数据填写在下表中。

发送的帧	网桥1的转发表		网桥2的转发表		网桥1的处理	网桥2的处理
	站地址	端口	站地址	端口	(转发？丢弃？)	（转发？丢弃？）
H5→H1	MAC5	2	MAC5	2	转发	转发
H3→H2	MAC3	2	MAC3	1	转发	转发
H4→H3	MAC4	2	MAC4	2	丢弃	转发
H2→H5	MAC2	1	MAC2	1	转发	转发

8. (4-1)采用CSMA/CD介质访问控制方式的局域网，总线长度为1000m，数据传输速率为10Mbps，电磁波在传输介质中的传播速度为2* 10⁸m/s。请计算：最小帧长度应该为多少?
   最小帧长 = （2* 1000/2*10⁸) *10⁷ = 100bit

解析：
最小帧长公式：2 *单向时延 *传播速率

9. (4-2)主机A连接在总线长度为1000m的局域网总线的一端，局域网介质访问控制方式为CSMA/CD，发送速率为100Mbps。电磁波在总线传输介质中的传播速度2* 10^8m/s。如果主机A最先发送帧，并且在检测出冲突发生的时候还有数据要发送。请问：
   （1）主机A检测到冲突需要多少时间?
   t >=（1000* 2）/2* 10⁸ =1* 10^-5
   （2）当检测到冲突的时候，主机A已经发送多少位的数据？
   L = 1* 10⁸* 1* 10^-5 = 1000bit