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Chap 4 | 介质访问子层

章节启示录

本章节是计算机网络的第四章。有些内容可能不重要，后续应该会标注。注意，介质访问子层的结构位于数据链路层之下！！！ 这章内容好混乱qwq

1.信道分配问题

静态分配的性能分析

• 子信道的平均延迟：信道N等分后每个子信道的平均延迟时间： \(T_{FDM}=NT\)

2.多路访问协议

2.1 随机访问协议

• 特点：冲突不可避免

ALOHA协议

• 原理：想发就发

• 定义：帧时：发送一个标准长的帧所需的时间

• 服从泊松分布

  1. 一个帧时内用户产生新帧：均值 \(N\) 个
  2. 一个帧时内信道中产生的帧（包括重传）：均值 \(G\) 个

• 分析：

  1. \(0<N<1\)，轻载N接近0，重载N接近1
  2. \(G>=N\)，轻载 \(G=N\) （无冲突）， 重载 \(G>N\) （冲突/重传）

• 概率：
  

• 性能分析：

  1. 吞吐量 \(S\) ： \(S=1\) 时分组一个接一个地发送出去，帧之间没有空隙。一般用 \(S\) 接近于1的程度来衡量信道的利用率
  2. 运载负载 \(G\) ,又称网络负载
  3. \(P_0\) ：是一帧发送成功的概率，就是发送成功的分组再已发送分组的总数中所占的比例： \(S=G * P_0\)

如何计算传输成功的概率 \(P_0\)

• 单向传播延迟Delay: \(D\)
• 冲突危险期：\(2D\)
  1. 生成帧均值：\(2G\)
  2. 不遭受冲突的概率 \(P_0 = e^{-2G}\)

P[0] 和 \(P_0\) 完全不同

性能计算？

• 分隙ALOHA工作原理：

  1. 帧的发送必须在时隙的起点
  2. 冲突只发生在时隙的起点

  

性能计算？

CSMA

• 特点：“先听后发”

非持续式CSMA

• 特点

  1. 经侦听，如果介质空闲，开始发送
  2. 如果介质忙，则等待一个随机分布的时间，然后重复步骤1

• 好处：等待一个随机时间可以减少再次碰撞冲突的可能性

• 缺点：等待时间内介质上如果没有数据传送，这段时间是浪费的

持续式（指1-持续式）CSMA

• 特点
  1. 经侦听，如介质空闲，则发送
  2. 如介质忙，持续侦听，一旦空闲立即发送
  3. 如果发生冲突，等待一个随机分布的时间再重复步骤1
• 好处：持续式的延迟时间要少于非持续式
• 主要问题：如果两个以上的站等待发送，一旦介质空闲就一定会发生冲突

p-持续式CSMA

• 特点
  1. 经侦听，如介质空闲，那么以 p的概率 发送，以(1–p)的概率延迟一个时间单元发送
  2. 如介质忙，持续侦听，一旦空闲重复①
  3. 如果发送已推迟一个时间单元，再重复步骤1
• 注意：1-持续式是p-持续式的特例

先听再发，避免了冲突吗？

CSMA：如侦听到介质上无数据发送才发送，发送后还会发生冲突吗？

• 肯定会！
• 1. 同时传送
  2. 传播延迟时间

  两种情形:

  

• 冲突窗口：即发送站发出帧后能检测到冲突（碰撞）的最长时间。
  数值上：等于最远两站传播时间的两倍，即2D（D是单边延迟）

CSMA/CD （1-持续）

• 原理：“先听后发、边发边听”
• 过程
  1. 经侦听，如介质空闲，则发送。
  2. 如介质忙，持续侦听，一旦空闲立即发送。
  3. 如果发生冲突，等待一个随机分布的时间再重复步骤1

边发边听：是否发生了冲突？

• 一旦冲突，发送Jam（强化）信号
  1. t4时刻：甲检测到冲突，发送Jam
  2. t3时刻：乙检测到冲突，是否发送？

• 二进制指数后退( Binary exponential backoff )：

  1. 确定基本退避时间槽，其长度为以太介质上往返传播时间(2𝜏) ，以太网中设为512比特时间
  2. 定义重传次数k，k ≤10，即 k = min[ 重传次数, 10 ]
  3. 从整数集合[0,1,…, (2k −1)]中随机地取出一个数，记为r ；
  4. 重传所需的时延就是 r 倍的时间槽2𝜏；
  5. 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

• 性能：
  传送一帧平均需要P秒，某个站获得信道的概率为A，2𝜏为时间槽。
  

  P=F/B，F为帧长，B为带宽；L为电缆长度，c为信号传播速度；假设每帧e个竞争时间槽。

  2.2 受控访问协议

• 特点：克服了冲突

位图协议

• 竞争期：在自己的时槽内发送竞争比特
  1. 举手示意
  2. 资源预留
• 传输期：按序发送
  1. 明确的使用权，避免了冲突

• 信道利用率分析:
  1. 假设：有N个用户，需N个时隙，每帧d比特
  2. 信道利用率：
     1. 在低负荷条件下：d/(d+N) （N越大，站点越多，利用率越低）
     2. 在高负荷条件下：d/(d+1)，接近100%
  3. 缺点：位图协议无法考虑优先级

令牌传递：（不太重要）

1. 令牌：发送权限
2. 令牌的运行：发送工作站去抓取，获得发送权 除了环，令牌也可以运行在其它拓扑上，如令牌总线
3. 发送的帧需要目的站或发送站将其从共享信道上去除；防止无限循环
4. 缺点：令牌的维护代价

二进制倒计数协议

• 站点：编序号，序号长度相同
• 竞争期：有数据发送的站点从高序号到低序号排队，高者得到发送权

• 特点：高序号站点优先

• 信道效率分析

  1. N个站的二进制编码所需位数是 \(log_2N\) 位
  2. 信道的利用率为：d/(d+log2N) （低负载时）
  3. 如果规定每个帧的帧头为发送地址，即竞争的同时也在发送。则效率为100%

2.3 有限竞争协议

• 特点：利用上述二者的优势

低负荷时用随机访问（想发就发），高负荷时用受控访问（需要竞争）

自适应树搜索协议

1. 在一次成功传输后的第一个竞争时隙，所有站点同时竞争。
2. 如果只有一个站点申请，则获得信道。
3. 否则在下一竞争时隙，有一半站点参与竞争（递归），下一时隙由另一半站点参与竞争
4. 即所有站点构成一棵完全二叉树

3.以太网

3.1 经典以太网

硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址

MAC地址长6字节，一般用由连字符（或冒号）分隔的12个十六进制表示，例如02-60-8c-e4-b1-21。高24位为厂商代码，低24位为厂商自行分配的适配器序列号。

当路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的MAC地址就用来标志路由器的某个接口，路由器若同时连接到两个网络上，则它需要两个适配器和两个MAC地址。

• 经典以太网的物理层：

  1. 最高速率10Mbps
  2. 使用曼彻斯特编码
  3. 使用同轴电缆和中继器连接

• MAC子层协议：

  1. 主机运行CSMA/CD协议 使用CSMA/CD的经典以太网检测到冲突后，会立即中止传输，并发出一个短冲突加强信号，在等待一段随机时间后重发。

     二进制指数后退( Binary exponential backoff )的CSMA/CD

     1. 确定基本退避时间槽，其长度为以太介质上往返传播时间(2𝜏) ，以太网中设为512比特时间
     2. 定义重传次数k，k ≤10，即 k = min[ 重传次数, 10 ]
     3. 从整数集合[0,1,…, (2k −1)]中随机地取出一个数，记为r；
     4. 重传所需的时延就是r倍的时间槽2𝜏；
     5. 当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

  2. 常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

     1. DIX Ethernet V2 标准（最常用的）
     2. IEEE 的 802.3 标准

     

     • 数据字段：46 ~ 1500字节
       1. 最小帧长= 46+18 = 64B
       2. 最大帧长= 1500+18 = 1518B （MTU：1500B）
     • 校验和
       1. FCS, Frame Check Sequence
       2. 使用CRC32计算除了校验和以外的其他字段

物理地址（实际上讲的是MAC地址）在数据链路层

以太网规定最短有效帧长为64 字节，凡长度小于64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
如果发生冲突，就一定是在发送的前64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64 字节。

3.2 以太网性能

传送一帧平均需要P秒，某个站获得信道的概率为A，2𝜏为时间槽。

P=F/B，F为帧长，B为带宽；L为电缆长度，c为信号传播速度；假设每帧e个竞争时间槽

• 增加带宽或距离会降低网络效率。

3.3 交换式以太网：

1. 集线器（HUB）:用集线器组成更大的局域网都在一个冲突域中
2. 交换机（Switch）：检查 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发，不在一个冲突域中

3.4 以太网的类型

• 快速以太网（百兆以太网）：

  1. 带宽10Mbps -> 100Mbps
  2. 比特时间100ns -> 10ns
  3. 保留原来的工作方式（帧格式、接口、过程规则）

• 千兆以太网：

  1. 100Mbps -> 1000Mbps（1Gbps）
  2. 保留原来的工作方式（帧格式、接口、过程规则）
  3. 全双工和半双工两种方式工作。
     1. 在半双工方式下使用CSMA/CD （为了向后兼容），增加载波扩充和帧突发
     2. 全双工方式不需要使用CSMA/CD（缺省方式）

• 万兆以太网：

  1. 1Gbps -> 10Gbps
  2. 只支持全双工，不再使用CSMA/CD
  3. 保持兼容性

• 40G-100G以太网"

  1. 10Gbps -> 40Gbps & 100Gbps
  2. 只支持全双工
  3. 保留以太网帧格式和MAC方法
  4. 保留当前802.3标准的最小帧和最大帧大小
  5. 联网设备可以通过可插拔模块支持不同的物理层类型

4.数据链路层交换

• 问题：如何让三个独立的冲突域实现互联互通？
  

• 解决：

  1. 物理层设备扩充网络
     
  2. 数据链路层设备扩充网络
     

4.1 数据链路层交换原理

• 理想的网桥是透明的：
  1. 即插即用，无需任何配置
  2. 网络中的站点无需感知网桥的存在与否

如何让交换机知道A/B/C/D的存在？

从A发送数据帧，集线器会把数据帧发送给所有与之联通的线路，也就是同时发到B和交换机，之后交换机收到了来自于A的帧（目的地是B），因此交换机知道了A的存在（虽然这时候它还不知道B是哪里），未来如果别人要发送给A，则通过端口1进行发送。

从A再次发送数据帧，网桥发现MAC_A已在表中！更新该表项的帧达到时间，重置老化时间。

全部学习后得到以下的这张表：

• MAC地址表的构建

  1. 增加表项：帧的源地址对应的项不在表中
  2. 删除表项：老化时间到期
  3. 更新表项：帧的源地址在表中，更新时间戳

• Forwarding（转发）

• Filtering（过滤）：找到匹配项！入境口=出境口，丢弃！

• Flooding（泛洪）：找不到匹配表项！从所有端口（除了入境口）发送出去

  1. 广播帧：目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的数据帧
  2. 未知单播帧：目的地址不在MAC地址转发表中的单播数据帧

4.2 链路层交换机

• 交换方式：从带宽的角度

  1. 对称交换：出和入的带宽相同

     例如：交换机上全为1000Mb/s速率端口

  2. 非对称交换：出和入的带宽不同

     例如：交换机上有100Mb/s、1000Mb/s等多种速率端口

• 交换方式：从转发时机的角度

  1. 存储转发模式（Store and Forward）
     1. 特点：转发前必须接收整个帧、执行CRC校验
     2. 缺点：延迟大
     3. 优点：不转发出错帧、支持非对称交换
  2. 直通模式（Cut-through）
     1. 特点：一旦接收到帧的目的地址，就开始转发
     2. 缺点：可能转发错误帧、不支持非对称交换
     3. 优点：延迟非常小，可以边入边出
  3. 无碎片模式（Fragment-free）
     1. 特点：接收到帧的前64字节，即开始转发（小于64字节的帧一定是发生冲突的，即碎片帧）
     2. 缺点：仍可能转发错误帧，不支持非对称交换
     3. 优点：过滤了冲突碎片，延迟和转发错帧介于存储转发和直通交换之间

4.3 生成树协议（STP）

可靠传输：冗余拓扑
付出的代价：导致物理环路

• 物理环路引发的问题：

  1. 广播风暴
  2. 重复帧
  3. MAC地址表不稳定

• 怎么得到一棵无环的生成树呢？

  1. 参与的交换机（网桥）：收发桥协议数据单元BPDU
  2. 选举产生根桥、根端口、指定端口，形成生成树

• 桥协议数据单元BPDU包含的四个关键信息

  1. 根桥ID（Root ID）: 被选为根的桥ID。
     桥ID共8字节，由2字节的优先级和6字节的MAC地址组成的。
  2. 根路径开销（Root Path Cost）: 到根桥的最小路径开销。
  3. 指定桥ID（Designated Bridge ID）: 生成和转发BPDU的桥ID
  4. 指定端口ID（Designated Port ID）: 发送BPDU的端口ID。

• 生成树的三个选举过程

  1. 选举根桥(Root Bridge) 。
  2. 为每个非根桥选出一个根端口（Root Port）。
  3. 为每个网段确定一个指定端口（Designated Port）。

• 选举根桥

  1. 同一广播域中的所有交换机均参与选举；
  2. 桥ID最小的交换机（网桥）成为生成树的根；
  3. 在给定广播域内只有一个根桥，其它均为非根桥。
  4. 根桥的所有端口都处在转发状态。
     

• 为每个非根桥选出一个根端口

  1. 每个非根桥，通过比较其每个端口到根桥的根路径开销，选出根端口；
  2. 具有最小根路径开销的端口被选作根端口；
  3. 如果多个端口的根路径开销相同，则端口ID最小的端口被选作根端口；
  4. 非根桥只能有一个根端口，根端口处于转发状态。

什么是根路径开销？

• 根桥的根路径开销为0
• 非根桥的根路径开销为到根桥的路径上所有端口（链路）开销之和。
• 端口（链路）开销值由IEEE定义（如下表），也可通过手工配置改变。

• 为每个网段确定一个指定端口
  1. 对于每一个网段，在所有连接到它的交换机（网桥）端口中进行选择；
  2. 一个具有最小根路径开销的端口，作为该网段的指定端口；
  3. 指定端口处于转发状态，负责该网段的数据转发；
  4. 连接该网段的其他端口，若既不是指定端口，也不是根端口，则阻塞。

一个小判断题

根桥的所有连接端口都是指定端口？对。

• 生成树的某“枝”断掉了，怎么办？当由交换机（网桥）或链路故障导致网络拓扑改变时，重新构造生成树。

• 重新构建生成树太慢了，怎么办？使用快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP）

• RSTP的改进（不要求）
  
  “边缘端口”是指那些直接和终端设备相连，不再连接任何交换机的端口。不能阻塞！

4.4 虚拟局域网

• 广播域（Broadcasting Domain）
  1. 广播域是广播帧能够到达的范围；
  2. 缺省情况下，交换机所有端口同属于一个广播域，无法隔离广播域；
  3. 广播帧在广播域中传播，占用资源，降低性能，且具有安全隐患

12个冲突域（一个发其他的都能收到的才可以合并为一个冲突域）

VLAN是一个在物理网络上根据用途，工作组、应用等来逻辑划分的局域网络，与用户的物理位置没有关系。

不同VLAN的成员，不能直接进行二层通信。（可以在三层网络层及以上的层次可以通信）

• VLAN类型
  1. 基于端口的VLAN（最常见）
  2. 基于MAC地址的VLAN
  3. 基于协议的VLAN
  4. 基于子网的VLAN

• 如何区分不同VLAN的数据帧？

  1. 在数据帧中携带VLAN标记；
  2. VLAN 标记由交换机添加/剥除，对终端站点透明；

• 帧标记标准：IEEE802.1Q

  1. 带VLAN标记的帧称为标记帧（Tagged Frame）
  2. 不携带VLAN标记的普通以太网帧称为无标记帧（Untagged Frame）

  
  VLAN标签的前两个字节总是置0x8100，表示这是一个802.1Q帧。在VLAN标签的后两个字节中，前四位没什么用，后12位是该VLAN的标识符VID，它唯一地标识该802.1Q帧属于哪个VLAN。12位地VID可识别4096个不同地VLAN。

• 端口类型：

  1. Access链路类型端口：
     1. 一般用于连接用户设备（无需识别802.1Q帧的设备）；
     2. 如何采用基于端口的VLAN划分,Access端口只能加入一个VLAN；
     3. 一旦Access端口加入了特定的VLAN，连接在该端口的设备被视为属于该VLAN。
  2. Trunk链路类型端口与Trunk链路
     1. Trunk端口一般用于交换机之间连接；
     2. 干道链路允许多个VLAN的流量通过。

• VLAN优点

  1. 有效控制广播域范围
  2. 增强网络的安全性
  3. 灵活构建虚拟工作组
  4. 提高网络的可管理性

5.无线局域网

无限局域网指以无线信道作为传输介质的计算机局域网。

5.1 无线局域网组网模式

(大概知道原理即可)

• 基础架构模式

  1. 分布式系统（DS）
  2. 访问点（AP）
  3. 站点（STA）
  4. 基本服务集（BSS）
  5. 扩展服务集（ESS）
  6. 站点之间通信通过AP转发

• 自组织模式（Ad hoc）

  1. 站点（STA）
  2. 独立基本服务集（IBSS）
  3. 站点之间直接通信
  4. 共享同一无线信道

5.2 IEEE 802.11物理层

• 频段：2.4GHz、5GHz（ISM频段，无需授权；限制发送功率，例如：≤1瓦）
• 调制技术：DPSK → QPSK → CCK → 64-QAM → 256-QAM → 1024-QAM
• 直接序列扩频（DSSS）→ 正交频分多路复用（OFDM）→正交频分多址（OFDMA）
• 单天线→ 单用户多入多出（SU-MIMO）→ 多用户多入多出（MU-MIMO）
• 目标：提升传输速率、增强可靠性、支持高密度接入

5.3 IEEE 802.11介质访问控制

能否直接将CSMA/CD用于无线局域网？
存在以下问题：

• 冲突检测困难
  1. 在接收端，发送功率和接收功率相差太大
  2. 站点在发送时关闭接收功能，无法在发送时同时检测冲突
• 在同一BSS中，不是所有站点都能互相感知到对方发送的信号
  1. 载波侦听失败，但在接收站点处发生冲突
  2. 被称为隐藏终端问题
• 暴露终端问题，降低网络的吞吐量

• 信号衰落随时间发生变化，使问题变得更加复杂

• CSMA/CA:先听后发

  1. 当信道空闲时间大于IFS（帧间隙），立即传输
  2. 当信道忙时，延迟直到当前传输结束+IFS时间
  3. 开始随机退后过程
     1. 从（0，CWindow）中选择一个随机数作为退后计数器（backoff counter）
     2. 通过侦听确定每个时间槽是否活动
     3. 如果没有活动，则减少退后时间
  4. 退后过程中如果信道忙，则挂起退后过程（解决站点之间的公平问题）
  5. 在当前帧传输结束后恢复退后过程

• 差错检测与确认重传

  1. 差错检测：32位CRC校验（与以太网相同）
  2. 采用停等机制：发送数据，等待确认，超时重传（重传定时器）
  3. 如果达到最大重传限制，该帧被丢弃，并告知上层协议

  采用停等机制的原因？为什么不采用流水线机制？

  停等协议在卫星通信时非常低效
  因为通信距离非常远，延迟大，网络速度高，效率低
  但Wifi范围小（局域网），距离短，使用stop-wait效率高。（水管中的水往往能塞满）

• 不同帧间隙控制优先级（只需要知道使用不同帧间隙，来实现不同帧的优先级控制）

  1. SIFS（Short IFS）：最高优先级，用于Ack, CTS, 轮询响应等
  2. PIFS（PCF IFS）：中等优先级（SIFS+1槽口时间），轮询服务
  3. DIFS（DCF IFS）：最低优先级（SIFS+2槽口时间），异步数据服务

• RTS-CTS机制（可选机制） 目的：通过信道预约，避免长帧冲突

  1. 发送端发送RTS（request to send）

  2. 接收端回送CTS（clear to send）

  3. RTS和CTS中的持续时间（Duration）中指明传输所需时间（数据+控制）

  4. 其他相关站点能够收到RTS或（和）CTS，维护NAV

  

• 如何应对无线链路较高的出错率？

  1. 解决方法：采用较小的帧（将用户数据帧分段的机制对用户透明）
  2. \(F_i\) 帧中携带 \(F_{i+1}\) 的传输时间

5.4 IEEE 802.11帧格式

• 帧控制：具有多种用途（关联请求、响应，探测请求、响应，解除关联，信标帧，认证，解除认证等）
• 持续时间：下一个要发送帧可能持续的时间（NAV）或关联ID（AID）
• 地址1~地址4：每个地址的含义基于“去往DS”和“来自DS”域段确定
• 顺序控制：过滤掉重复帧，或用于分片组合
• QoS控制域段：存放数据流的QoS信息（802.11e中扩展）
• 数据：包含任意长度的数据（0-2312字节）
• CRC校验：802.11采用4个字节的校验码

5.5 无线局域网的构建与管理

通过AP接入有线网络（互联网络）

• 关键：如何关联到AP？

  1. BSSID：AP的MAC地址，标识AP管理的基本服务集
  2. SSID：32字节网名，标识一个扩展服务集（ESS），包含一个或多个基本服务集

• 关联到AP的三个阶段

  1. 扫描（Scan）
     1. 被动扫描：AP周期性发送Beacon帧，站点在每个可用的通道上扫描Beacon帧
     2. 主动扫描：站点依次在每个可用的通道上发出包含SSID的Probe Request 帧，具有被请求SSID的AP返回Probe Response帧
  2. 认证（Authentication）：当站点找到与其有相同SSID 的AP，在SSID 匹配的AP 中，根据收到的AP 信号强度，选择一个信号最强的AP，然后进入认证阶段
  3. 关联（Association）：AP维护站点关联表，并记录站点的能力

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