北工大计算机网络95分复习——【第四章 介质访问控制子层】

网络链路分类：（2）

      点到点连接；

      广播信道/multi access channel 多路访问信道/random access channel 随机访问信道。

Medium access control sublayer 介质访问控制子层MAC：用来确定多路访问信道下一个使用者的协议，属于数据链路层（data link）的一个子层。

      MAC子层位于数据链路层的底部。

      类似公交专用道——信道变化。

      传统的以太网，共享介质下发送数据，多个媒体访问同一介质，彼此处于竞争关系，需要协议来判断。

LAN中——especially in 无线局域网，本质为广播信道。

WAN中——except 卫星网络，本质为点到点链路。

4.1 信道分配问题

Channel allocation problem 信道分配问题：竞争用户之间分配单个广播信道，考虑每个信道的用户之间的互相干扰问题。

4.1.1 静态信道分配

Static allocation 静态信道分配：把信道容量拆开分给多个用户使用。

      适用于：

      FDM（频分多路复用），例如：FM无线电广播。

      FDM（频分多路复用）；TDM（时分多路复用）；CDMA（码分多址）。

Poorly for bursty traffic 不适应突发性流量 because of 会分配给不常用的用户。

Fixed channel, traffic from multiple users

      Divide up bandwidth using FTM, TDM, CDMA, etc.

      A static allocation, e.g., FM radio

Static allocation performs poorly for bursty traffic

      Allocation to a user sometimes goes unused

4.1.2 动态信道分配

Dynamic allocation 动态信道分配：assigns the channel to a user when the user needs it 当用户需要使用的时候分配给它。

5个假设基础：

      1.independent traffic 独立流量：N个独立站且都有程序或用户产生要传输的帧，一旦生成一帧，则站被阻塞直到发送成功。

      2.single channel 单信道：所有的通信都使用这一个信道，所有站的能力相同（可以由协议分配不同的优先级）。

      3.observable collision 冲突可观察：两帧同时传输，在时间上重叠，产生信号混乱，所以要检测冲突重新发送冲突帧。

      4.continuous or slotted time 时间连续或分槽：假设时间连续，在任何时刻都可以开始传输帧，or把时间分槽或者里三成时间间隔，只有在时间槽开始才能发送成功。

      5.carrier sense or no carrier sense 载波侦听或不听：一个站在试图用信道之前就能知道该信道是否能被正常使用。

Assumption：产生帧的速率恒定，无其他通信途径，检测到冲突、提前终止传输（有线）、重新发送帧，时间槽不总是适用于所有系统、于是给定了两个假设，载波监听不一定有（有线有）。

Where？

4.2多路访问协议

4.2.1 ALOHA

Pure ALOHA 纯ALOHA：users transmit frames whenever they have data 当用户有数据需要发送时就传输。时间是连续的。

      产生冲突，帧损坏？

·Users retry after a random amount of time for collisions 当帧被损坏了，发送方要等待一段随机时间重新发送该帧。——contention 竞争系统

      评价：采用统一长度的帧比长度可变的帧能达到更大的吞吐量。

·Efficient and low delay in low load environment 低负载环境下的高效低延迟。

·Collisions happen when other users transmit during a vulnerable period that is twice the frame time

      当其他用户在两倍于帧时的易受攻击期间进行传输时会发生冲突

·Synchronizing senders to slots can reduce collisions

      将发送者同步到时隙可以减少冲突

阴影帧的易受冲突周期

 

Slotted ALOHA 分槽ALOHA：时间分成离散槽，所有帧必须同步到时间槽中。

      Slot 时间槽：时间分成离散的间隔，每一个时间槽对应一帧，遵守统一的时间槽边界。

·Slotted ALOHA is twice as efficient as pure ALOHA

      分槽 ALOHA 的效率是纯 ALOHA 的两倍

·Low load wastes slots, high loads causes collisions

      低负载浪费槽，高负载导致碰撞

·Efficiency up to 1/e (37%) for random traffic models

      随机流量模型的效率高达 1/e (37%)

 

 

4.2.2 载波侦听多路访问

Carrier sense protocol 载波侦听协议：站监听是否存在载波（传输），并采取相应的动作。

why减少冲突？because 冲突要重发，浪费时间。

·CSMA improves on ALOHA by sensing the channel CSMA 通过感知信道改进了 ALOHA

      User doesn’t send if it senses someone else is sending如果用户感觉到其他人正在发送，则不会发送

·Variations on what to do if the channel is busy频道繁忙时如何处理的变化？

      1-persistent (greedy) sends as soon as the channel becomes idle

      1-坚持（贪婪），一旦通道空闲就发送

      Non-persistent waits for a random amount of time before trying again

      非坚持，在重试之前等待随机时间

      p-persistent sends with probability p when idle

      p-坚持，发送空闲时概率为 p

1-persistent CSMA 1-坚持CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：

      If idle, transmit 如果空闲，则传输

      If not idle, continuously sense until the channel becomes idle 如果不空闲，则持续监听直到信道空闲

      当发现空闲信道时，它的传输概率为1。

Non-persistent CSMA 非坚持CSMA：

      If idle, transmit 如果空闲，则传输

      If not idle, wait for a random amount of time, then repeat the whole process 如果没有空闲，等待一个随机的时间，然后重复整个过程

p-persistent CSMA p-坚持CSMA：

      Applicable to slotted channels 适用于开槽通道

      If idle, transmit with probability p (and defer the transmission until the next slot with probability 1-p) 如果空闲，则以概率 p 传输（并以概率 1-p 将传输推迟到下一个时隙）

      If not idle, wait for the next slot 如果不空闲，则等待下一个时隙

      If collision occurs, wait for a random amount of time 如果发生碰撞，等待随机时间

 

不同随机访问协议的信道使用率和负载比较

CSMA outperforms ALOHA CSMA 表现优于 ALOHA

Being less persistent is better under high load 在高负载下不那么坚持会更好

CSMA with collision detection 带冲突检测的CSMA CSMA/CD：在检测到发生冲突后立刻停止传输帧，节省时间和宽带以提升性能。

 传输期    竞争期                    竞争槽                    空闲期

4.2.3 无冲突协议——略

4.2.4 有限竞争协议——略

4.2.5 无线局域网协议

Wireless LAN 无线局域网：最常见的配置是在一座办公大楼内，有策略地防止一些环绕大楼的接入点（AP）。

无线局域网vs有线局域网：由于无线局域网中无线电传播能力有限，站无法给其他所有站发送帧，也无法接受来自所有站发送的帧；有线局域网收发帧没有限制。

无线局域网呈现复杂性。

Hidden station problem 隐藏终端（hidden nodes）问题：由于竞争者离得太远而导致站无法检测到潜在的竞争者。Hidden nodes are senders that cannot sense each other but nonetheless collide at intended receiver.

      Consequence: loss of efficiency. 效率降低

Exposed station problem 暴露终端（exposed nodes）问题：两方给不一样的对象传输数据，由于相距太近一方害怕冲突，所以不同时发送。Exposed nodes are senders who can sense each other but can still transmit safely (to different receivers).

      Desirable concurrency: improve performance. 提高性能

 

在给B传输时A和C是隐藏终端             在给A和D传输时B和C是暴露终端

Multiple access with collision avoidance 冲突避免多路访问CSMA/CA：发送方刺激接收方输出一个短帧，以便其附近站能检测到该次传输，从而避免打扰接下来较大数据帧的传输。

 

      Request to send RTS：听到了要等CTS看状态

      Clear to send CTS：听到了就保持安静

 

C——是这里面唯一一个可以为所欲为的站！！！！！

4.3 以太网

2类：

      Classic Ethernet 经典以太网：使用以上技术，解决了多路访问问题。

      Switch Ethernet 交换式以太网：使用了一种成为交换机的设备连接不同的计算机。

实际上，现在使用的只有交换式以太网。

4.3.1 经典以太网物理层

Ether 以太网 Transceiver 收发器 Interface cable 接口电缆

Repeater 中继器：物理层设备，连接多条电缆，接收放大并在两个方向上重发信号。以便建设更大的网络。

经典以太网物理层：One shared coaxial cable to which all hosts attached 所有主机都连接到一根共享同轴电缆

·Up to 10 Mbps, with Manchester encoding 高达 10 Mbps，曼彻斯特编码

·Hosts ran the classic Ethernet protocol for access 主机运行经典以太网协议进行访问

4.3.2 经典以太网MAX子层协议

帧格式——Preamble 前导码 Pad 填充 Check-sum 校验和

 

MAC protocol is 1-persistent CSMA/CD (earlier)

MAC 协议是 1-persistent CSMA/CD（早期）

·Random delay (backoff) is computed with BEB (Binary Exponential Backoff) after collision 碰撞后使用 BEB（二进制指数后退）计算随机延迟（退避），动态地适应发送站的数量

·Frame format is still used in modern Ethernet 现代以太网仍在使用帧格式

帧不能太短，限制最小帧长，下面的图？

填充为了满足最小帧长，避免冲突检测时，突发噪声回到了发送方之前，传送就已经结束了。

Collisions can occur and take as long as 2t to detect 冲突检测至少要守住2t时间

·t is the time it takes to propagate over the Ethernet 通过以太网传播所需的时间

·Leads to minimum packet size for reliable detection 导致可靠检测的最小数据包大小——限制最小帧

 

4.3.3 交换式以太网

 

Port 端口              Line 线路              Hub 集线器                   Switch 交换机

 

集线器不能增加容量——逻辑上等同于单根电缆的经典以太网。

交换式以太网的系统核心是——switch 交换机。

集线器——所有站都位于同一个冲突域（collision domain），使用CSMA/CD算法来调度各自的传输。

      Hubs join all lines to form a single CSMA/CD domain

交换机——所有的端口都有自己独立的冲突域。Switches isolate ports to form separate domains

      Much greater throughput for multiple ports 多个端口吞吐量更大

      No need for CSMA/CD with full-duplex lines 全双工电缆无需使用CSMA/CD

      半双工需要CSMA/CD

 

Switches be wired to computers, hubs and switches 交换机与计算机和集线器相连

Hubs concentrate traffic from computers 集线器集中来自计算器的流量。

4.4 无线局域网

4.4.1 802.11体系结构和协议栈

 

有架构模式

自组织模式

 

有架构模式：客户端与接入点AP（Access Point）相关联，该接入点又与其他网络连接。Wireless clients associate to a wired access point (AP). Called infrastructure mode.

几个接入点可通过分布式系统（distribution system）的有线网络连接在在一起。

自组织网络：一组相互关联的计算机组成。Without an AP: called ad-hoc mode, but that is the future.

MAC is used across different physical layers. MAC跨不同的物理层使用。

 

Logical Link Control 逻辑链路控制子层-MAC子层-物理层

4.4.2 802.11 物理层

4.4.3 802.11 MAC子层

CSMA/CA 带有冲突避免的CSMA：在发送前侦听信道和检测到冲突主动后退。

 

Backoff 后退 idle 空闲

B、C等待空闲，A收到ACK，它俩为了避免冲突于是执行后退算法，C退的少，所以后退后看到空闲就发送。

·CSMA/CA inserts backoff slots to avoid collisions

      CSMA/CA 插入后退槽以避免冲突

·MAC uses ACKs/retransmissions for wireless errors

      MAC 使用 ACK/重传来处理无线错误

 

DCF帧间隔：常规的数据帧间隔。

4.4.4 802.11帧结构——简单看帧结构

3种类型：数据帧、控制帧、管理帧。

4.4.5 服务——简单看

Association 关联 Reassociation 重新关联 Distribute 分发 Integration 继承 Data Delivery 数据传送 ……

4.5 宽带无线——略

4.6 蓝牙——略

4.7 RFID——略

4.8 数据链路层交换

交换的目的？数据链路层进行网络互联，将源于计算机网络层的数据可靠的传输到相邻节点的目标计算机的网络层。

因特网是不同层次的互联。

Bridge 网桥：连接多个局域网的设备，扩展了数据链路层。

Switcher 交换机：

工作在数据链路层，检查数据链路层地址来转发帧，可以处理IP或者其他数据包。

Router 路由器：

工作在网络层，检测数据包的地址，基于地址进行路由，需要预先设定好协议。

连接网桥的好处：

Multiple LANs can be connected by bridges to handle load that is higher than the capacity of a single LAN

可以通过网桥连接多个 LAN，以处理高于单个 LAN 容量的负载

 

A configuration with four LANs and two bridges

4.8.1 学习网桥

Flooding algorithm 泛洪算法：对于第一次接入网络的网桥，哈希表为空。对于每个法相未知目标地址的入境帧，网桥将它输出到所有端口，除了输入的端口。随时时间的推移，网桥将学习到目标地址在哪里。

Backward learning 后向学习算法：检查每一帧的源地址就可以知道通过那个端口可以到达那些机器。

      用来阻止不需要发送的流量。

 

Backward learning algorithm picks the output port 后向学习算法选择输出端口

·Source address in a frame is associated with the input port 源地址和输入端口关联

·Frame with destination address is sent to the learned port 目标地址发送学习端口

·Frame with an unlearned destination is sent to all ports except the input port 发送到与输入端口以外的所有端口探索帧的目的地

·Frame is discarded if destination port is the same as the source port 目的端口与源端口相同则丢弃帧

No need for configuration 无需配置

·Forget unused addresses to allow changes 忘记未使用的地址允许更改

·Bandwidth efficient for two-way traffic 双向流量的宽带效率

Bridges extend the data link layer

网桥扩展了数据链路层

·Use but don’t remove Ethernet header/addresses

      使用但不要删除以太网标头/地址

·Don’t inspect the network header

      不要检查网络标头

Relay 中继模块：属于MAC层，使用了MAC头来检查数据链路层地址转发帧，它把帧向前传递给通往目标计算机端口的以太网MAC层，然后帧继续向前传输。

 

4.8.2 生成树网桥

Spanning tree 生成树算法：避免交换机线缆连接成环路。

 

 

Only a subset of the forwarding ports is used for data to avoid loops

只有一部分转发端口用于数据以避免环路

The subset can be selected using a spanning tree distributed algorithm

可以使用生成树分布式算法选择子集

4.8.3 中继器/集线器/网桥/交换机/路由器/网关

 

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

中继器：不理解帧、数据包或帧头，只把比特编码成电压的符号。

集线器：多条线路连接，使从任何一条路线上来的帧可以被发送到所有其他路线上。

网桥：连接多个局域网。

交换机：现代网桥的另一个称呼。

路由器：剥掉帧头、帧尾，帧的有效荷载中的数据包被传给路由软件，路由软件通过数据包头信息来选择路线，IPv4（32位）或IPv6（128位）地址。

传输网关：将两台使用了不同面向连接传输协议的计算机连接起来。

应用网关：理解数据的格式和内容，从消息的一种格式转换为另一种格式。

网关：指一个运行在较高层次的转发进程。