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介質訪問控制

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1簡介

介質訪問控制(medium access control)簡稱MAC。 是解決當區域網中共用通道的使用產生競爭時,如何分配通道的使用權問題
區域網的數據鏈路層分為邏輯鏈路層LLC和介質訪問控制MAC兩個子層。
邏輯鏈路控制Logical Link Control或簡稱LLC)是區域網中數據鏈路層的上層部分,IEEE 802.2中定義了邏輯鏈路控制協議。用戶的數據鏈路服務通過LLC子層為網路層提供統一的介面。在LLC子層下面是MAC子層。
MAC(medium access control)屬於LLC(Logical Link Control)下的一個子層。區域網中目前廣泛採用的兩種介質訪問控制方法,分別是:
1 爭用型介質訪問控制,又稱隨機型的介質訪問控制協議,如CSMA/CD方式。
2 確定型介質訪問控制,又稱有序的訪問控制協議,如Token(令牌)方式
CSMA/CD工作原理
在CSMA中,由於通道傳播時延的存在,即使通信雙方的站點都沒有偵聽到載波信號,在發送數據時仍可能會發生衝突,因為他們可能會在檢測到介質空閑時同時發送數據,致使衝突發生。儘管CSMA可以發現衝突,但它並沒有先知的衝突檢測和阻止功能,致使衝突發生頻繁。
一種CSMA的改進方案是使發送站點在傳輸過程中仍繼續偵聽介質,以檢測是否存在衝突。如果兩個站點都在某一時間檢測到通道是空閑的,並且同時開始傳送數據,則它們幾乎立刻就會檢測到有衝突發生。如果發生衝突,通道上可以檢測到超過發送站點本身發送的載波信號幅度的電磁波,由此判斷出衝突的存在。一旦檢測到衝突,發送站點就立即停止發送,並向匯流排上發一串阻塞信號,用以通知匯流排上通信的對方站點,快速地終止被破壞的幀,可以節省時間和帶寬。這種方案就是本節要介紹的CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,載波偵聽多路訪問/衝突檢測協議),已廣泛應用於區域網中。
所謂載波偵聽(Carrier Sense),意思是網路上各個工作站在發送數據前都要確認匯流排上有沒有數據傳輸。若有數據傳輸(稱匯流排為忙),則不發送數據;若無數據傳輸(稱匯流排為空),立即發送準備好的數據。
所謂多路訪問(Multiple Access),意思是網路上所有工作站收發數據共同使用同一條匯流排,且發送數據是廣播式的。
所謂衝突(Collision),意思是若網上有兩個或兩個以上工作站同時發送數據,在匯流排上就會產生信號的混合,這樣哪個工作站都辨別不出真正的數據是什麼。這種情況稱為數據衝突,又稱為碰撞。
為了減少衝突發生后的影響,工作站在發送數據過程中還要不停地檢測自己發送的數據,看有沒有在傳輸過程中與其他工作站的數據發生衝突,這就是衝突檢測(Collision Detected)。
1.CSMA/CD衝突檢測原理
CSMA/CD是標準乙太網、快速乙太網和千兆乙太網中統一採用的介質爭用處理協議(但在萬兆乙太網中,由於採用的是全雙工通信,所以不再採用這一協議)。之所以稱之為"載波偵聽"("載波"就是承載信號的電磁波),而不是稱之為"介質偵聽",那是因為如果介質上正在有載波存在,則證明介質處於忙的狀態(因為信號或者數據不是直接傳輸的,而是通過電磁載波進行的);如果沒有載波存在,則介質是空閑狀態。也就是通過載波的檢測,可以得知介質的狀態,而不能直接來偵聽介質本身得出其空閑狀態。
【說明】其實這裡偵聽的應該是"通道",而不是"介質"本身,因為在一條傳輸介質中,可能包含有多條通道,用於不同的傳輸鏈路。
前面說了,CSMA/CD相對CSMA來說的進步就是具有衝突檢測功能,隨之問題就來了,CSMA/CD是如何檢測衝突呢?
CSMA/CD的工作原理可以用以下幾句話來概括:
先聽后說,邊聽邊說。
一旦衝突,立即停說。
等待時機,然後再說。
這裡的"聽"即監聽、檢測之意;"說"即發送數據之意。具體的檢測原理描述如下:
(1)當一個站點想要發送數據的時候,它檢測網路查看是否有其他站點正在傳輸,即偵聽通道是否空閑。
(2)如果通道忙,則等待,直到通道空閑;如果通道空閑,站點就準備好要發送的數據。
(3)在發送數據的同時,站點繼續偵聽網路,確信沒有其他站點在同時傳輸數據才繼續傳輸數據。因為有可能兩個或多個站點都同時檢測到網路空閑然後幾乎在同一時刻開始傳輸數據。如果兩個或多個站點同時發送數據,就會產生衝突。若無衝突則繼續發送,直到發完全部數據。
(4)若有衝突,則立即停止發送數據,但是要發送一個加強衝突的JAM(阻塞)信號,以便使網路上所有工作站都知道網上發生了衝突,然後,等待一個預定的隨機時間,且在匯流排為空閑時,再重新發送未發完的數據。
CSMA/CD控制方式的優點是:原理比較簡單,技術上易實現,網路中各工作站處於平等地位,不需集中控制,不提供優先順序控制。但在網路負載增大時,發送時間增長,發送效率急劇下降
令牌訪問控制工作原理
令牌訪問控制方法可分為令牌環訪問控制和令牌匯流排訪問控制兩類。目前已較少採用令牌匯流排訪問控制。
下面介紹令牌環訪問控制原理。

2令牌環介質訪問控制

IEEE 802.5令牌環介質訪問控制使用一個令牌沿著環循環,且應確保令牌在環中為唯一的。令牌環工作原理:
網上站點要求發送幀,必須等待空令牌。
當獲取空令牌,則將它改為忙令牌,后隨數據幀;環內其它站點不能發送數據。
環上站點接收、移位數據,並進行檢測。如果與本站地址相同,則同時接收數據,接收完成後,設置相應標記。
該幀在環上循環一周后,回到發送站,發送站檢測相應標記后,將此幀移去。
將忙令牌改成空令牌,繼續傳送,供後續站發送幀。 環的長度用位計算:
由於電磁波的傳播速度有限,傳輸介質中可能同時存在多個數據位。
環上每個中繼器引入至少 1 bit 延遲
環上保留的位數:
傳播延遲(us /km)×介質長度×數據速率 + 中繼器延遲
例:介質長度 L = 1 km ,數據速率 C = 4 Mbit/s ,站點數 N = 50。
解:傳播延遲 tp = L / v
v = 2 ×105km / s tp = 5 us 環上保留的位數 = 5 × 1 ×4 + 50 = 70 bit
令牌控制協議
拓撲結構: 工作原理: Token Bus 在物理總系線上建立邏輯環。
邏輯環上,令牌是站點可以發送數據的必要條件。
令牌在邏輯環中按地址的遞減順序傳送到下一站點。
從物理上看,含DA的令牌幀廣播到BUS上,所有站點按DA = 本站地址判斷收否。
特點: 無衝突,令牌環的信息幀長度可按需而定。
順序接收Fairness (公平性),站點等待Token的時間是確知的。
(需限定每個站發送幀的最大值)
因檢測衝突需要填充信息位(不允許小於46位元組)
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