5 MAC Sublayer
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1. 信道分配
需要解决的问题：多方竞争信道使用权时如何确定谁可以使用信道。
1.1 静态分配
- 方法：TDM、FDM
- 适用范围：用户少；数目固定；通信量大；流量稳定
- 不适用：突发性业务；
- 缺点：资源分配不合理，有浪费，效率低；延迟时间增大N倍（N为划分的子信道个数）
1.2 动态分配
1.2.1 ALOHA
1.2.1.1 纯ALOHA
- 想发就发，随时发
- 冲突的判断方式：
- 每个站在给中央计算机发送帧之后，该计算机把该帧重新广播给所有站。因此，那个发送站可以侦听来自集线器的广播，以此确定它的帧是否发送成功。
- 类比：SSH终端输入，看到的是远程反馈回来的接收的结果。
- 信道效率评估：
- 假设新生成的帧加上需要重发的老帧的数量符合Poisson Distribution，每帧时平均帧数为G。
- 吞吐量 S 就是负载 G 乘以成功传输的概率：\(S = GP_0\) （\(P_0\)是这一帧没有遭受冲突的概率）。
- 给定的帧时内生成了k帧的概率：\(Pr[k] = {G^k e^{-G} \over k!}\)。不冲突即为k=0，概率为\(e^{-G}\)。
- 考虑某一帧（图中阴影），其可能与前面的或者后面的帧时中发出的帧冲突。前后两帧加起来生成0帧的概率为\(e^{-2G}\)。
- 吞吐量：\(S=Ge^{-2G}\)。最大值：\(S = {1 \over 2e} \approx 0.184\), where \(G = 0.5\)。
1.2.1.2 分槽 ALOHA
- 改善：敲回车之后，必须等到下一个时槽的开始时刻才发送。
- 在测试帧所在的同一个时间槽中没有其他流量的概率是\(e^{-G}\)，\(S = G e^{-G}\)。
1.2.2 Carrier Sense Protocol 载波侦听
1.2.2.1 1-persistent Carrier Sense Multiple Access
- 发之前先侦听信号
- 其它站在发，等待直到信道空闲
- 空闲，发一帧（1-persistent：发现信道空闲时发送的概率为1）
- 冲突：等待一段随机的时间，然后再从头开始上述过程
1.2.2.2 Non-persistent Carrier Sense Multiple Access
- 如果信道忙，并不是持续侦听然后一到空闲就立即发送
- 等待一段随机时间，重复以上过程
- 缺点：延时++
1.2.2.3 p-persistent Carrier Sense Multiple Access
- 如果信道空闲，发送概率为p
比较：
1.2.2.4 CSMA with Collision Detection (CSMA/CD)
-
被Ethernet采用
-
如果一个站检测到冲突，它立即中止自己的传送，等待一段随机时间，然后再重新尝试传送。
如何确定竞争周期的长度？
- 假设两个相距最远的站传播信号所需要的时间为\(\tau\)。
- \(t_0\)时一个站开始发
- \(t_0 + \tau - \epsilon\)，即信号到达最远那个站之前的一刹那， 那个站也开始传输
- 最远的那个站立即检测到冲突，停止
- 冲突引起的微小噪声尖峰要到\(t_0 + 2\tau - \epsilon\)才能回到原来那个站
综上，一个站传输了\(2\tau\)之后还没有监听到冲突，它才可以确保自已经seize了信道（即知道其他站知道自己在传因此不会干扰自己）。
最小有效帧长度：64 Bytes。凡是低于此值的，均视为因冲突而异常中止的帧。
该值是由上述的\(2 \tau\)决定的：802.3规范中的10Mbps以太网，长度2500m，在\(2 \tau \approx 50 \mu s\)的时间内能发送500bits，加上安全余量增加至512bits = 64Bytes。
缺点：电缆很长而帧的长度又很短时，冲突不仅降低了带宽，而且使得发送一个帧的时间变得动荡不定。
1.2.3 无冲突协议
1.2.3.1 位图协议
- 竞争期：举手示意，资源预留
-
传输期：按序发送
-
利用率：
- 低负荷/非均衡时：d/(d+N) （站点越多，N越大，利用率越低）
- 在高负荷条件下：d/(d+1)，接近100%
- 缺点：无法考虑优先级
2. 数据链路层交换原理
数据链路层设备扩充网络
冲突域的个数 https://blog.51cto.com/u_2225558/2312623
网桥：
方式：存储转发
作用：分割冲突域；连接不同类型的局域网
2.1 透明网桥
无需配置
2.1.1 逆向学习
MAC地址表的构建：逆向学习源地址：
主机向外发送数据时，其MAC地址就会被学习
老化时间（默认300s）（应对设备位置变更）
总结：增（帧的源地址不在表中）；删（老化时间到期）；改（帧的源地址在表中，更新时间戳）
2.1.2 泛洪 Flooding
将从某个接口收到的数据流向除该接口之外的所有接口发送出去。
两种目的地址的帧，需要泛洪：
- 广播帧:目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的数据帧
- 未知单播帧:目的地址不在MAC地址转发表中的单播数据帧
2.2 链路层交换机
分类：多端口透明网桥；POE（Power Over Ethernet）交换机
交换模式1：存储转发：转发前接收整个帧，CRC校验；延迟高
交换模式2：直通交换：一旦接收到帧的目的地址，就开始转发；延迟低
交换模式3：无碎片转发：接收到帧的前64字节，即开始转发；延迟中，但是过滤了冲突导致的碎片帧
对称交换/非对称交换：出入带宽是否相同
2.3 生成树协议
增强稳定性：冗余拓扑；物理环路引发了以下问题：
- 广播风暴：交换机在网桥上无休止地flooding，无限循环
- 重复帧：X发送到环路的单播帧，造成目的设备Y收到重复的帧
- MAC地址表不稳定：当一个帧的多个副本到达不同端口时，交换机会不断修改同一MAC地址对应的端口
解决冗余拓扑中的传输问题：构建无环生成树
- 收发BPDU：
- 根桥ID
- 根路径开销
- 指定桥ID
- 指定端口ID
- 选举：
- 根桥
- 同一广播域中的全部交换机参与选举
- 桥ID最小的
- 根桥所有端口都处在转发状态
- 为每个非根桥选出一个根端口（开销最小；kaixiao哦 IEEE根据）
- 为每个网段指定端口
- 一个具有最小根路径开销的端口，作为该网段的指定端口
- 指定端口处于转发状态，负责该网段的数据转发
- 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（显然，根桥的所有端口都是指定端口）
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
快速生成树协议(Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP)
如何寻找最优路径？
2.3.1 源路由网桥
2.4 虚拟局域网
广播域：
交换机划分VLAN，分隔广播域
区分不同VLAN的数据帧的方式：
- 数据帧中携带VLAN标记
- VLAN标记由交换机添加/剥除，对终端透明
3. 无线局域网
3.1 802.11 物理层
3.1.1 MAC
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid)
