计算机网络学习笔记——介质访问控制子层ALOHACSMA/CDCSMA/CA有限竞争协议非竞争式协议网桥交换机以太网

Posted 2021-07-03 Couldhelp

文章目录

• 前言
• 概念
• • 一、介质访问控制子层和广播式信道
  • 二、多路信道分配
  • 三、竞争式访问协议
  • • （一）ALOHA及时隙ALOHA（S-ALOHA）协议
    • （二）CSMA协议
    • （三）CSMA/CD协议
    • （四）CSMA/CA协议
  • 四、非竞争式协议（此时没有冲突）
  • • （一）预定协议/位图协议
    • （二）二进制倒计数法
    • （三）令牌传递
  • 五、有限竞争协议
  • 六、共享式以太网
  • • （一）以太网MAC层帧格式
    • （二）以太网分类
    • （三）共享式以太网（无中心站）和集线器
  • 七、网桥、交换机及交换式以太网
  • • （一）网桥
    • （二）交换机
    • （三）虚拟局域网VLAN
  • 八、其他类型局域网
  • • （一）无线局域网WLAN
    • （二）IEEE802.16
    • （三）蓝牙
• 参考资料

前言

笔者系电子科技大学2019级在读本科生，针对本学期学校开设的计算机通信网课程，将学习笔记以博客形式上传到CSDN上以便日后复习整理，其中的瑕疵欢迎大家向我指正，在评论区多多交流讨论。（考后整理笔记，这波是《朝 花 夕夕夕夕夕 拾》）

概念

一、介质访问控制子层和广播式信道

广播式信道（又称多路访问信道）：
（1） 无线信道、同轴电缆（总线结构-T形头）、环网、双绞线（集线器-总线）、光纤（光柱-共享信道）
（2） 问题：
a. 不能有多个站点同时发送——冲突
b. 接收站如何从帧流中识别送给自己的数据
PS：冲突——两个及以上的站点在同一个信道上发送，接收方因信号叠加等原因，从而无法识别任一条数据的现象。

信道分配：
（1） 中心分配（基站）VS 分布式分配
（2） 静态分配（静态分配子载波、带宽、时隙等） VS 动态分配

将数据链路层具体分成两个层：
（1） 逻辑链路控制（LLC， Logic Link Control）：关注两点之间的通信控制
（2） 介质（媒体）访问控制（MAC， Media Access Control）：关注在共享媒体上收发数据（更靠近物理层），解决广播信道访问时的冲突问题。

介质访问控制子层：
（1） 功能：控制广播式共享信道中的媒体访问，制定共同遵守的规则-多路访问信道、随机访问信道
（2） 媒体访问：数据收发的规则，主要式发送的规则
（3） 多个用户共享一个信道的控制方法：多路复用-TDM、FDM、多路访问-CSMA/CD

二、多路信道分配

共享信道的技术
（1） 分路复用技术——xDM={FDM、TDM、WDM}
（2） 分路多路访问（多址）技术——xDMA={FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA}
（3） 多路访问技术——xMA={ALOHA，CSMA}

不同：
（1） xDM，一般有线，“复用/解复用器”，多数体现为静态提前分配子信道
（2） xDMA，可无线按规则使用信道，多数体现为动态按需分配子信道
（3） xMA，无中心，竞争式访问，也是动态

静态分配的效率和问题：

三、竞争式访问协议

（一）ALOHA及时隙ALOHA（S-ALOHA）协议

ALOHA协议：
发送有数据即发送，利用停等协议解决冲突，冲突现象很严重（主要是上行冲突，下行广播无冲突）

Sloted ALOHA（时槽式ALOHA）：
（1） 信道使用时间分成离散的时槽，每个时槽一帧数据，只能在时槽起始处发送帧，冲突要么完全重叠要么完全分开。
（2） 冲突窗口减小一半，吞吐量提高一倍-37%，每个帧的平均多延迟T/2

性能分析：

（二）CSMA协议

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波侦听多路访问：
发送前侦听线路，线路空闲立即发送（竞争式），信道忙时要侦听直到信道空闲再按类型延迟或立即发送。

类型：
1坚持CSMA：以1的概率立即发送，前面一帧信号时间过长易冲突
P坚持CSMA：以P的概率立即发送，（1-P）随机延时后尝试发送
0坚持CMSA：以0的概率立即发送，都需进行随机延时后才发送

（三）CSMA/CD协议

CSMA/CD（CSMA with Collison Detection）载波侦听多路访问/冲突检测——应用场景：有线局域网

冲突检测

1. 发送过程中继续检测信道，以及时发现冲突
2. 冲突发生后立即停止正常发送
3. 发送短时冲突加深信号——帮助大家发现冲突

冲突判断方法

1. 电平判断：信号叠加超过额定值
2. 逻辑判断：发送数据与同时收回来的数据不一致；集线器上有两个及以上的端口活动

冲突检测时间2ε
ε为传播时延 = 距离/0.7倍光速（注：电缆）
超过2ε后不再检测冲突（而冲突窗口时间 = ε）

停止发送——停止传输后随即延迟一段时间再发送
延迟时间（以时间片为单位，一个时间片=最大冲突检测时间2ε）
随机延时算法——截断二进制指数回退算法

• 输入：冲突次数 输出：时间片个数（一个时间片=最大冲突检测时间）

（四）CSMA/CA协议

CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）——场景：无线局域网-信道公用、无基站对等式

隐藏站点和暴露站点问题

冲突避免技术——MACA（Multiple Access with Collison Avoidance）冲突避免多路访问
作用：

1. 解决隐藏站点问题
2. 减轻暴露站点问题
   
   🔺PS：收到多个RTS后不发送CTS，使得其他站点各自随机延时后再发送RTS
   

四、非竞争式协议（此时没有冲突）

（一）预定协议/位图协议

预定协议/位图协议：基本位图法，预定信道。

（二）二进制倒计数法

自定方式——不预定信道，利用站点自带信息（地址）决定使用信道顺序

如上图：D第一个使用信道

（三）令牌传递

五、有限竞争协议

有限竞争协议——视情况采用竞争或无竞争方式

结论：

1. 轻载时-竞争式协议具有地发送延时特性
2. 重载时-无冲突协议具有较高的信道利用率

协议——分组分时隙法

• 分组：组数——N；组内成员——M
• 组间采用无竞争方式（固定时隙）；组内采用竞争方式
• 轻载时——增加组内成员数量，减少组的数量【倾向竞争式】
• 重载时——减少组内成员数量，增加组的数量【倾向无竞争式】

六、共享式以太网

以太网（IEEE 802.3）——采用CSMA/CD的局域网
①一根电缆连接所有站点：范围小、数传速率高、共享介质
②物理层接口：同轴电缆接口（BNC）、双绞线接口（RJ45）、光纤接口（SC）
③采用曼彻斯特编码（10Mbps以太网）实现帧同步，编码效率低
重要规定：

1. 最小帧长64字节，最大帧长1518字节
2. 最多连续冲突次数：16次
3. 帧间间隔12字节

（一）以太网MAC层帧格式

MAC地址（物理地址，网卡地址）

“第一字节的最‘高’位”——第一字节的最低位

长度/类型字段

帧校验——32位CRC校验

（二）以太网分类

1、快速以太网

2、千兆以太网

3、万兆以太网

（三）共享式以太网（无中心站）和集线器

集线器（工作在物理层）——将所有的数据无条件转发到所有的端口
🔺各端口共享同一带宽，是交换机的1/N

七、网桥、交换机及交换式以太网

（一）网桥

网桥作用：连接不同的局域网；
网桥技术目标：在隔离不同局域网之间的流量基础上实现连通。隔离冲突域，但并未隔离广播域。（“隔离”也是区别于集线器的地方）

网桥核心技术：
接

1. 收局域网上所有的帧，根据帧内目的地址进行转发（跨网才转发）——网间实现隔离，允许多个端口同时收发数据。
2. 采用存储转发技术——利用解封和重新封装，进行速率匹配、信号转换、协议转换等。
3. 工作在数据链路层。
4. 不同的LAN之间可能需要进行协议格式转换——不同LAN的帧格式不同，转换具有相当的难度。（包括重新计算校验和）

网桥的常用技术
一、 透明网桥（Transparent Bridge）——以太网交换机的主要技术，可视为交换机的别称。
（网桥增加维护转发表的开销）

端口地址表：端口及该端口上的全部MAC地址
反向地址学习法：“学习”帧中的源地址，记录到端口地址表中。
以太网交换机成环问题——生成树协议：在环路情况下裁剪部分分支，变成一个树型拓扑。

二、 源路由网桥
（对用户来说是不透明的，帧中设置转发路径，增加主机开销）
由源端在数据帧中指明转发路径，即经过的桥序列；网桥只关心自己是否在桥的序列中。

三、 远程网桥
网桥上用PPP协议封装以太网帧传输两边的以太网帧，“将两边的以太网合成一个以太网”。

（二）交换机

交换机
原理：就是多端口桥。
技术实现：

1. 交换机的每个端口通常只连接一台计算机。
2. 交换机一般在相同类型的LAN端口间交换数据。
3. 交换机可采用部分存储转发技术（Cut Through），只存储目的地址部分就开始转发。
   
   交换式以太网——每个端口的带宽独立，总带宽是集线器N倍
   纯交换式网络——CSMA/CD作用不大
   多个交换机连接：
   （1）级联-组成大规模网络
   （2）层叠-多台变成一台，延时和带宽相同
   

（三）虚拟局域网VLAN

虚拟交换机——>虚拟局域网

虚拟局域网两种形式
① 单台交换机——任意多个端口一组形成一个VLAN
② 多台堆叠的交换机——跨交换机的多个端口形成一个VLAN
🔺一个VLAN就是一个广播域，一个IP网络。
🔺VLAN之间不连通，相互之间隔离，不同VLAN之间连通转发靠路由器。

VLAN操作
① 交换机的控制界面生成VLAN并赋予VLAN ID（每个端口一个并且一个端口只位于一个VLAN中）。
② 没有特别指定的VLAN端口默认VLAN 0。

VLAN种类
① 按端口划分：最简单
② 按MAC地址划分：灵活，终端可移动
③ 按用户划分：最灵活，应用不广泛

VLAN具体实现
① 交换机内部——根据帧出现的端口判断帧属于哪个VLAN
② 交换机之间——在帧中增加额外信息标定帧的VLAN

VLAN协议
802.3帧格式头部增加两个字段TPID（类型字段，说明是VLAN帧）、TCI（可认为是VLAN ID，表明帧VLAN属性）

Trunk端口
① 交换机之间的连接及端口
② Trunk口的帧需要封装VLAN协议头部

VLAN小结
① 灵活组网
② 降低交换式以太网广播风暴程度（减少带宽消耗）
③ VLAN之间接通需要路由器
④ 三层交换机（L3交换机）内部相当于：一个虚拟路由器+若干二层交换机

八、其他类型局域网

（一）无线局域网WLAN

WiFi——IEEE802.11协议

🔺AP跟基站不同，AP只负责组织网络，不负责分配信道，仍然采用竞争式信道。

WLAN物理层
（1） 红外线IR
（2） 跳频扩频FHSS-常用扩频，军事上跳频更安全
（3） 直接序列扩频DSSS-类似CDMA
（4） 正交频分多路复用OFDM-常用300Mbps-1Gbps、5GHz
WLAN的MAC层
（1） 操作模式：DCF是对CSMA的继承更常用、PCF是集中式信道控制
（2） CSMA/CA技术-RTS/CTS

WLAN帧格式

WLAN组网服务
（1） 独立基本服务组（IBSS）-没有中心站，形成单跳独立网络
（2） 扩展服务组（ESS）-有中心结构（AP），AP之间为有线
PS：两种组网形态互斥
（3） 服务：关联、保密、认证

（二）IEEE802.16

IEEE802.16固定宽带无线访问系统的空中接口——WiMax
IEEE802.16 V.S IEEE802.11

（三）蓝牙

计算机和通信设备或附加不见通过短距离、低功耗、低成本的无线电波相互连接
（1） 微微网
（2） 主从式网络-最多7个从节点
（3） 13种应用协议栈-协议栈结构松散
（4） 基于TDM的控制，集中式分配时槽
（5） 帧格式

参考资料

中国大学MOOC电子科技大学计算机通信网络
计算机网络（第五版） 清华大学出版社 严伟、潘爱民 译