介質訪問控製

介質訪問控製

介質訪問控製(medium access control)簡稱MAC。 是解決當區域網路中共用信道的使用產生競爭時,如何分配信道的使用權問題。

它定義了資料幀怎樣在介質上進行傳輸。在共享同一個頻寬的鏈路中,對連線介質的訪問是"先來先服務"的。物理定址在此處被定義,邏輯拓撲(信號通過物理拓撲的路徑)也在此處被定義。線路控製、出錯通知(不糾正)、幀的傳遞順序和可選擇的流量控製也在這一子層實現。

  • 中文名稱
    介質訪問控製
  • 外文名稱
    medium access control
  • 簡稱
    MAC
  • 解決問題
    如何分配信道的使用權問題

簡介

區域網路的資料鏈路層分為邏輯鏈路層LLC和介質訪問控製MAC兩個子層。

邏輯鏈路控製(Logical Link Control或簡稱LLC)是區域網路中資料鏈路層的上層部分,IEEE 802.2中定義了邏輯鏈路控製協定。使用者的資料鏈路服務通過LLC子層為網路層提供統一的接口。在LLC子層下面是MAC子層。

MAC(medium access control)屬于LLC(Logical Link Control)下的一個子層。區域網路中目前廣泛採用的兩種介質訪問控製方法,分別是:

1 爭用型介質訪問控製,又稱隨機型的介質訪問控製協定,如CSMA/CD方式。

2 確定型介質訪問控製,又稱有序的訪問控製協定,如Token(令牌)方式

CSMA/CD工作原理

在CSMA中,由于信道傳播時延的存在,即使通信雙方的站點都沒有偵聽到載波信號,在傳送資料時仍可能會發生沖突,因為他們可能會在檢測到介質空閒時同時傳送資料,致使沖突發生。盡管CSMA可以發現沖突,但它並沒有先知的沖突檢測和阻止功能,致使沖突發生頻繁。

一種CSMA的改進方案是使傳送站點在傳輸過程中仍繼續偵聽介質,以檢測是否存在沖突。如果兩個站點都在某一時間檢測到信道是空閒的,並且同時開始傳送資料,則它們幾乎立刻就會檢測到有沖突發生。如果發生沖突,信道上可以檢測到超過傳送站點本身傳送的載波信號幅度的電磁波,由此判斷出沖突的存在。一旦檢測到沖突,傳送站點就立即停止傳送,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,可以節省時間和頻寬。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/沖突檢測協定),已廣泛套用于區域網路中。

所謂載波偵聽(Carrier Sense),意思是網路上各個工作站在傳送資料前都要確認匯流排上有沒有資料傳輸。若有資料傳輸(稱匯流排為忙),則不傳送資料;若無資料傳輸(稱匯流排為空),立即傳送準備好的資料。

所謂多路訪問(Multiple Access),意思是網路上所有工作站收發資料共同使用同一條匯流排,且傳送資料是廣播式的。

所謂沖突(Collision),意思是若網上有兩個或兩個以上工作站同時傳送資料,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資料是什麽。這種情況稱為資料沖突,又稱為碰撞。

為了減少沖突發生後的影響,工作站在傳送資料過程中還要不停地檢測自己傳送的資料,看有沒有在傳輸過程中與其他工作站的資料發生沖突,這就是沖突檢測(Collision Detected)。

1.CSMA/CD沖突檢測原理

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定(但在萬兆乙太網中,由于採用的是全雙工通信,所以不再採用這一協定)。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,則證明介質處于忙的狀態(因為信號或者資料不是直接傳輸的,而是通過電磁載波進行的);如果沒有載波存在,則介質是空閒狀態。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閒狀態。

【說明】其實這裏偵聽的應該是"信道",而不是"介質"本身,因為在一條傳輸介質中,可能包含有多條信道,用于不同的傳輸鏈路。

前面說了,CSMA/CD相對CSMA來說的進步就是具有沖突檢測功能,隨之問題就來了,CSMA/CD是如何檢測沖突呢?

CSMA/CD的工作原理可以用以下幾句話來概括:

先聽後說,邊聽邊說。

一旦沖突,立即停說。

等待時機,然後再說。

這裏的"聽"即監聽、檢測之意;"說"即傳送資料之意。具體的檢測原理描述如下:

(1)當一個站點想要傳送資料的時候,它檢測網路查看是否有其他站點正在傳輸,即偵聽信道是否空閒。

(2)如果信道忙,則等待,直到信道空閒;如果信道空閒,站點就準備好要傳送的資料。

(3)在傳送資料的同時,站點繼續偵聽網路,確信沒有其他站點在同時傳輸資料才繼續傳輸資料。因為有可能兩個或多個站點都同時檢測到網路空閒然後幾乎在同一時刻開始傳輸資料。如果兩個或多個站點同時傳送資料,就會產生沖突。若無沖突則繼續傳送,直到發完全部資料。

(4)若有沖突,則立即停止傳送資料,但是要傳送一個加強沖突的JAM(阻塞)信號,以便使網路上所有工作站都知道網上發生了沖突,然後,等待一個預定的隨機時間,且在匯流排為空閒時,再重新傳送未發完的資料。

CSMA/CD控製方式的優點是:原理比較簡單,技術上易實現,網路中各工作站處于平等地位,不需集中控製,不提供優先權控製。但在網路負載增大時,傳送時間成長,傳送效率急劇下降

令牌訪問控製工作原理

令牌訪問控製方法可分為令牌環訪問控製和令牌匯流排訪問控製兩類。目前已較少採用令牌匯流排訪問控製。

下面介紹令牌環訪問控製原理。

套用

不管是在傳統的有線區域網路(LAN)中還是在目前流行的無線區域網路(WLAN)中,MAC協定都被廣泛地套用。在傳統區域網路中,各種傳輸介質的物理層對應到相應的MAC層,目前普遍使用的網路採用的是IEEE802.3的MAC層標準,採用CSMA/CD訪問控製方式;而在無線區域網路中,MAC所對應的標準為IEEE802.11,其工作方式採用DCF(分布控製)和PCF(中心控製)。

訪問控製

IEEE 802.5令牌環介質訪問控製使用一個令牌沿著環迴圈,且應確保令牌在環中為唯一的。令牌環工作原理:

網上站點要求傳送幀,必須等待空令牌。

當獲取空令牌,則將它改為忙令牌,後隨資料幀;環內其它站點不能傳送資料。

環上站點接收、移位資料,並進行檢測。如果與本站地址相同,則同時接收資料,接收完成後,設定相應標記。

該幀在環上迴圈一周後,回到傳送站,傳送站檢測相應標記後,將此幀移去。

將忙令牌改成空令牌,繼續傳送,供後續站傳送幀。 環的長度用位計算:

由于電磁波的傳播速度有限,傳輸介質中可能同時存在多個資料位。

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×資料速率 + 中繼器延遲

例:介質長度 L = 1 km ,資料速率 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

令牌環MAC幀結構

IEEE 802.5 MAC幀格式令牌和資料幀的管理:

如何防止資料幀在環上無休止迴圈?

設定監控器

在幀結構上留一標識

如何監測令牌出錯?

無令牌

多個令牌

忙令牌死迴圈

集中式檢測:

設定集中監控站(逾時計數器)/標記丟失

在幀結構上檢測忙標記標識/ 死迴圈

分散式檢測:

每站設定定時器:當站有資料要發且等待標記的時間超限 /標記丟失

令牌控製協定

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,令牌是站點可以傳送資料的必要條件。

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: 無沖突,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。

(需限定每個站傳送幀的最大值)

因檢測沖突需要填充信息位(不允許小于46位元組)

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