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

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了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相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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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
一根电缆连接所有站点:范围小、数传速率高、共享介质
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

  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

以上是关于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的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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