局域网介质访问控制方式

介质 传输介质网线、无线信号访问控制 多台设备如电脑、路由等如何有序地使用同一根线/同一片空间来发数据避免碰撞和混乱。一下均已电脑作比。一、CSMA/CD带冲突检测的载波侦听多路访问适用场景总线型以太网用一根同轴电缆串起所有电脑核心口诀先听后说边听边说冲突即停随机再听。工作原理分四步走第一步先听载波侦听任何电脑在“说话”发数据之前必须先“听”一下线路上有没有其他电脑正在发信号。如果线路忙有载波就耐心等待持续侦听直到线路空闲。如果线路闲立刻开始发送数据。第二步边说边听冲突检测发送数据的过程中电脑不是只顾着自己说而是同时也在“听”线路上自己发出的信号。因为信号在电缆上传播有微小的延迟存在一种可能两台电脑几乎同时觉得线路空闲进而同时开始发送。这就会在线上产生信号叠加造成冲突。电脑将自己收到的信号与发出的信号对比一旦发现波形不同、电平不对就判断为“发生冲突”。第三步冲突即停强化冲突一旦检测到冲突立即停止发送有用的数据。紧接着发送一个简短的“人为干扰信号”目的是通知所有电脑确保大家都知道发生了冲突不要留下不完整的坏帧。第四步随机再听退避重传发送完干扰信号后发生冲突的这两台电脑不会立即重发否则会再次撞上。它们会各自运行一个“截断二进制指数退避算法”从离散的整数集合中随机选一个值 rr等待 rr 倍的基本时间片后再回到第一步去“听”。关键规律碰撞的次数越多随机选择的等待范围就越大。越撞越等自动适配网络拥挤程度。如果重传16次都失败就彻底放弃并报错。二、CSMA/CA带冲突避免的载波侦听多路访问适用场景无线局域网Wi-Fi核心口诀先听后说信道预约确认到达。为什么不用 CD因为无线环境下冲突检测CD极其困难。1. 为什么无线网不一样隐蔽站问题电脑A和C相距很远互相收不到对方信号但它们都能和中间的接入点无线路由器通信。A向接入点发数据时C在侦听发现信道是空闲的因为它听不到A于是也开始发在接入点处就会发生冲突。A和C都无法直接检测到这个冲突。信号强度问题自己发出的强信号会淹没远方来的弱冲突信号很难像有线那样做边发边听。所以无线网的目标从“检测冲突”变为“千方百计避免冲突”加上确认机制来保证可靠。2. 工作原理核心机制首先侦听物理载波侦听想发数据前先听信道。如果空闲它并不会立刻发而是先维持一段特定的等待时间叫 DIFS分布式帧间间隔。随机回退虚拟载波侦听即使信道是空闲的它还要启动一个随机回退计时器。倒计时结束后才能发送。为什么这样设计如果好几台电脑都在等大家随机选倒计时谁的数先走完谁就先发这就把潜在的冲突概率大大降低了。信道预约RTS/CTS 握手可选但很典型为了彻底解决“隐蔽站”问题发送方和接收方会用简短的控制帧来预先“预订”周围的无线信道。发送方发出RTS请求发送帧内容“我要向接入点发数据需要占用多少时间。”接收方接入点收到后广播一个CTS允许发送帧内容“好的我为发送方预留这段时间的信道周围其他电脑禁止在这段时间内发送”所有收到 CTS 的电脑都会更新自己的“网络分配向量”相当于虚拟地标记这段信道为“忙”从而避免碰撞。确认到达ACK 机制这是保证可靠性的关键一步。接收方正确收到数据帧后过一小段时间间隔SIFS短帧间间隔会立刻回复一个ACK确认帧。如果发送方没在规定时间内收到 ACK就认为发送失败发生了冲突或干扰会启动重传机制。令牌方式是和CSMA家族思路完全不同的另一大类它追求的是完全无冲突。它不靠“先听后说”而是靠一个在网络上循环流动的“令牌”Token一个特殊的小数据帧来给予发送权就像古时候的“传国玉玺”——只有拿到玉玺的人才能发号施令。三、令牌环网Token RingIEEE 802.5物理拓扑逻辑上是一个环形所有电脑首尾相连。核心思想一个叫做“令牌”的3字节短帧在环上单向循环流动。谁拿到空令牌谁就能发数据。工作过程三步走第一步截获令牌改头换面电脑想发数据时就等着空令牌转到自己这儿。一旦收到就把这个令牌“吞掉”不转发它了然后立刻把自己的数据帧发到环上。相当于把通行证换成了自己的车。第二步数据帧环游一圈由发送方回收数据帧沿着环一站一站往下传。每一站的电脑都看这个帧的目的地址不是给自己的原样转发到下一站。是给自己的把数据拷贝下来同时在帧里做一个标记“已收到”然后继续转发不改动原帧让它继续往前走。数据帧就这样绕环一圈最终回到发送方手里。发送方检查这个帧如果发现“已收到”的标记就知道发送成功。然后它负责把这个数据帧从环上清除掉不再让它循环。第三步释放新令牌发送方清掉自己发的那圈数据后会立刻生成一个新的空令牌交给下一站让其他人有机会发送。关键特性无冲突同一时刻环上只有一台电脑能发数据效率很高特别是在负载很重时没有CSMA/CD那种碰撞开销。公平性令牌按顺序传递每站都有机会不会出现某站一直抢不到线的情况。故障敏感有一个致命弱点。环上任何一台电脑或一段线路坏了整个环就断了令牌传不下去全网瘫痪。需要复杂的容错机制。二、令牌总线网Token BusIEEE 802.4物理拓扑实实在在的总线型一根网线串起来或者是树形。逻辑拓扑在逻辑上强行规定出一个顺序的环。为什么搞这么别扭的混合体是为了结合两者的优点既有令牌环的无冲突、公平性又利用总线这种最普及的物理结构且能设置优先级。它的核心机制1. 逻辑环的建立虽然大家物理上都挂在同一根总线上发消息所有人都能听到但只有拿到令牌的站才能发数据。令牌传递时不按物理位置顺序而是按每一位站点的网络地址MAC地址大小从小到大、首尾相连形成一个虚拟的逻辑环路。就像教室里全班同学按学号顺序传课本和谁坐哪儿无关。2. 极其复杂的环维护这几乎是局域网协议里最复杂的部分了需要处理各种状况环的初始化网络刚启动时谁先当老大所有站通过一个基于地址竞选的算法最终推举出地址最大的站来产生第一枚令牌。新站入环持有令牌的站定期开个“窗口期”邀请新站加入让逻辑环自动更新。老站离环某站不想玩了拿到令牌后发个“我要退出”的帧把它前、后站“缝合”起来。故障管理如果持有令牌的站突然死机令牌就丢了。网络必须能自动发现令牌丢失并在超时后通过重组逻辑环来重新生成一枚新令牌。如果有站发现自己的前驱站没响应也能主动去修复环路。结一下它们的核心区别访问控制方式核心思想典型应用是否有冲突CSMA/CD随机争用冲突后检测中止传统以太网有且会随负载加重CSMA/CA随机争用主动避免冲突无线局域网有但尽量避免了令牌传递持有令牌才能发确定性无冲突令牌环、令牌总线无