介质访问控制协议
介质控制协议
介质控制协议引言介质控制协议是在计算机网络中，用于控制和管理传输介质的一种协议。
它负责管理和调度网络中的物理介质，以确保数据的可靠传输和网络的高效运行。
本文将介绍介质控制协议的基本概念、工作原理和常见的应用。
什么是介质控制协议？在计算机网络中，介质控制协议是一种用于确保数据在传输介质中可靠传输的协议。
它负责协调网络中多个节点之间的访问介质，以避免冲突和碰撞，并调度数据包的传输。
介质控制协议通常在数据链路层或物理层中实现。
介质访问控制方法介质控制协议使用介质访问控制方法来调度节点对传输介质的访问。
常见的介质访问控制方法包括以下几种：1. 基于载波侦听多路访问（CSMA）CSMA是一种基本的介质访问控制方法，它通过监听传输介质上的载波活动来确定是否可以发送数据。
当传输介质空闲时，节点可以发送数据；当传输介质被占用时，节点将等待，并在合适的时机再次尝试发送。
常见的CSMA协议包括CSMA/CD（用于以太网）和CSMA/CA（用于无线网络）。
2. 碰撞检测（Collision Detection）碰撞检测是一种用于检测传输介质上的碰撞的方法。
当多个节点同时发送数据包时，可能会发生碰撞，导致数据包损坏。
碰撞检测方法会在发送数据过程中不断检测是否发生碰撞，并进行相应的处理，如重新发送数据包。
碰撞检测常用于以太网等共享介质的网络中。
3. 时间分割多路访问（Time Division Multiple Access）时间分割多路访问是一种通过时间划分的方式来实现对传输介质的访问控制的方法。
在时间分割多路访问中，传输介质被划分为多个时隙，每个节点在特定的时隙中进行数据传输。
这种方法可以避免碰撞和冲突，但可能导致传输效率降低。
4. 频分多路复用（Frequency Division Multiplexing）频分多路复用是一种通过频率划分的方式来实现对传输介质的访问控制的方法。
在频分多路复用中，不同节点使用不同的频率进行数据传输，以避免碰撞和冲突。
介质访问控制MAC
介质访问控制MAC常见的MAC地址在OSI的模型第⼆层也就是数据链路层的主要⼀个功能就是提供MAC码；他还有很多的别称：局域⽹地址（LAN Address）， MAC 位址，以太⽹地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address）由⽹络设备制造商⽣产时烧录在⽹卡 (Network lnterface Card) 的 EPROM(⼀种闪存芯⽚，通常可以通过程序擦写)。
IP 地址与 MAC 地址在计算机⾥都是以⼆进制表⽰的，IP 地址是 32 位的，⽽ MAC 地址则是 48 位的使⽤的⽬的是为了使得公⽤⼀条⼼到的时候，使得结点之间的通信不会互相⼲扰。
常见的三种介质访问控制⽅法：信道划分介质访问控制：多路复⽤技术：通过在⼀条介质上携带多个传输信号的⽅法来提⾼传输系统的利⽤率。
⼀条链路多个信道；⼀般就是通过分时，分频，分码等⽅式把⼴播信道转变成点到点的信道1. 频分多路复⽤ FDM将多路的信号调制到不同的频率载波上。
叠加成⼀个复合的信号的多路复⽤技术。
物理的信道的可⽤带宽超过单个原始信号带宽的情况下；在实际应⽤中，不同信道之间会加⼊保护屏带，防⽌信道之间的⼲扰；利⽤了传输介质的带宽，系统效率⾼，技术成熟，实现容易；2. 时分多路复⽤技术 TDM物理信道按照时间分成若⼲时间⽚，轮流的分配给多个信号使⽤。
每个时间⽚复⽤的⼀个信号占⽤。
⽽不是FDM同⼀个时间同时发送多路信号。
但是由于计算机数据的突发性，⼀个⽤户对于已经分配到的⼦信道利⽤率部不⾼，统计时分多路复⽤，STDM，异步时分多路复⽤技术。
有数据传送时才会分配到时间⽚。
3. 波分多路复⽤技术 WDM不同波长{频率} 就是光的频分多路复⽤技术使⽤的设备是合波器，合分波器4. 码分多路复⽤ CDM根据不同的编码格式来区分原始信号的CDMA : S T (S-T)随机访问介质访问控制在随机访问中不通过集中式控制⽅式解决信息发送的次序问题；任意⽤户都可以按照⾃⼰的意愿随机的发送信息，占⽤全部的速率。
ieee802.11定义的介质访问控制方法
ieee802.11定义的介质访问控制方法
IEEE 802.11定义了两种介质访问控制方法（MAC）：分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）和基础设施模式（Infrastructure Mode）。
1. 分布式协调功能（DCF）：DCF是一种以CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，具有碰撞避免的载波监听多路访问）技术为基础的MAC方法。
它使用随机退避机制来避免碰撞。
在DCF中，设备在传输数据之前必须先监听信道，如果信道空闲，则可以开始传输数据。
如果信道被占用，则设备需要随机选择一个退避时间，在退避时间结束后再次尝试传输。
这种方法可以有效地避免多个设备同时传输导致的碰撞。
2. 基础设施模式（Infrastructure Mode）：基础设施模式是一种在无线局域网（WLAN）中使用的MAC方法。
它主要适用于无线接入点（Access Point，AP）和无线终
端之间的通信。
在基础设施模式中，AP充当一个中心控制器的角色，协调终端设备之间的通信。
终端设备需要首先关联到AP，并通过AP进行数据传输。
基础设施模式提供了更可靠和集中管理的通信方式，适用于大规模的无线网络环境。
CSMA冲突检测和冲突避免
CSMA冲突检测和冲突避免CSMA/CDCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）即载波监听多路访问/冲突检测方法在以太网中，所有的节点共享传输介质。
如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。
一、基础篇：是一种争用型的介质访问控制协议。
它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。
CSMA/CD控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。
但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。
CSMA/CD应用在OSI 7层里的数据链路层它的工作原理是: 发送数据前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发送数据.在发送数据时,边发送边继续监听.若监听到冲突,则立即停止发送数据.等待一段随即时间,再重新尝试.二、进阶篇：CSMA/CD控制规程：控制规程的核心问题：解决在公共通道上以广播方式传送数据中可能出现的问题（主要是数据碰撞问题）控制过程包含四个处理内容：侦听、发送、检测、冲突处理（1）侦听：通过专门的检测机构，在站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送（线路是否忙）？若“忙”则进入后述的“退避”处理程序，进而进一步反复进行侦听工作。
若“闲”，则一定算法原则（“Ｘ坚持”算法）决定如何发送。
（2）发送：当确定要发送后，通过发送机构，向总线发送数据。
（3）检测：数据发送后，也可能发生数据碰撞。
因此，要对数据边发送，边接收，以判断是否冲突了。
（参5P127图）（4）冲突处理：当确认发生冲突后，进入冲突处理程序。
有两种冲突情况：①侦听中发现线路忙②发送过程中发现数据碰撞①若在侦听中发现线路忙，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，一直到可以发送为止。
物联网讲座06WSNMAC协议5439825
（1）周期性侦听和睡机制 S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。
具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。 为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。
SMAC协议-前提条件和基本思想
前提条件数据量少，可进行数据的处理和融合节点协作完成共同的任务网络可以容忍一定程度的通信延迟基本思想周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇）自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟
随机退避时间按下面公式进行计算： 退避时间=Random()×aSlottime 其中，Random()是在竞争窗口[0，CW]内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。
S-MAC
典型MAC协议：S-MAC协议
这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(Sensor MAC)。这种协议是在802.1l MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。 S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。
以太网技术基本原理
以太网技术基本原理以太网是一种局域网技术，其基本原理是基于CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议，采用共享介质的方式实现各个终端设备之间的数据通信。
以下是以太网技术的基本原理的详细介绍。
1.CSMA/CD协议：CSMA/CD协议是以太网的核心协议，用于解决多个终端设备同时访问共享介质时产生的冲突问题。
其工作原理是，在发送数据之前，终端设备会先监听共享介质上是否有信号传输，如果没有，则可以开始发送自己的数据。
如果检测到有信号传输，表示介质正在被占用，终端设备会等待一段随机的时间后再次进行监听，以便选择合适的时机进行数据发送。
如果在发送数据的过程中，终端设备检测到介质上有冲突，就会终止发送并等待一段时间，再次检测介质是否被占用，然后重新开始发送数据。
通过这种方式，CSMA/CD协议可以有效地解决冲突问题，实现数据的可靠传输。
2.介质访问控制：以太网采用的是共享介质的方式，多个终端设备共享同一根传输介质。
为了保证每个终端设备的公平性和均衡性，以太网采用了介质访问控制机制。
具体来说，以太网将共享介质分割为多个时隙，并将每个时隙划分为一个最小的数据传输单元（称为“帧”）。
终端设备在进行数据传输之前，需要等待一个空闲的时隙，然后按照时隙进行数据发送。
这种介质访问控制机制能够有效地保证每个终端设备的公平访问权，并避免了数据传输的混乱和冲突。
3.MAC地址：以太网使用MAC（媒体访问控制）地址来唯一标识网络中的每个终端设备。
MAC地址是一个48位的全球唯一标识符，由6个字节组成。
其中前3个字节是由IEEE管理的组织唯一标识符（OUI），用于标识设备的生产厂商，后3个字节由设备厂商自行分配。
每个终端设备在生产时都会被分配一个唯一的MAC地址，以太网通过这个地址来确定数据应该发送到哪个设备。
4.帧格式：以太网的数据传输通过帧来进行，每个帧是一个完整的数据包。
以太网的帧格式包括了源MAC地址、目标MAC地址、协议类型和数据部分。
介质访问控制
拓扑结构： 工作原理： Token Bus 在物理总系线上建立逻辑环。 逻辑环上，令牌是站点可以发送数据的必要条件。 令牌在逻辑环中按地址的递减顺序传送到下一站点。 从物理上看，含DA的令牌帧广播到BUS上，所有站点按DA = 本站地址判断收否。 特点： 无冲突，令牌环的信息帧长度可按需而定。 顺序接收Fairness (公平性），站点等待Token的时间是确知的。 （需限定每个站发送帧的最大值） 因检测冲突需要填充信息位（不允许小于46字节）
介质访问控制(medium access control)简称MAC。 是解决当局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题 局域网的数据链路层分为逻辑链路层LLC和介质访问控制MAC两个子层。 MAC属于局域网数据链路层下的一个子层。局域网中目前广泛采用的两种介质访问控制方法，分别是： 1 争用型介质访问控制，又称随机型的介质访问控制协议，如CSMA/CD方式。 2 确定型介质访问控制，又称有序的访问控制协议，如Token(令牌）方式 CSMA/CD工作原理 在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使通信双方的站点都没有侦听到载波信号，在发送数据时仍可能会发生冲突，因为他们可能会在检测到介质空闲时同时发送数据，致使冲突发生。尽管CSMA可以发现冲突，但它并没有先知的冲突检测和阻止功能，致使冲突发生频繁。 一种CSMA的改进方案是使发送站点在传输过程中仍继续侦听介质，以检测是否存在冲突。如果两个站点都在某一时间检测到信道是空闲的，并且同时开始传送数据，则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号幅度的电磁波，由此判断出冲突的存在。一旦检测到冲突，发送站点就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上通信的对方站点，快速地终止被破坏的帧，可以节省时间和带宽。这种方案就是本节要介绍的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议），已广泛应用于局域网中。 所谓载波侦听（Carrier Sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要确认总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。 所谓多路访问（Multiple Access），意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。 所谓冲突（Collision），意思是若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，这样哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突，又称为碰撞。 为了减少冲突发生后的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，看有没有在传输过程中与其他工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（Collision Detected）。 1．CSMA/CD冲突检测原理 CSMA/CD是标准以太网、快速以太网和千兆以太网中统一采用的介质争用处理协议（但在万兆以太网中，由于采用的是全双工通信，所以不再采用这一协议）。之所以称之为"载波侦听"（"载波"就是承载信号的电磁波），而不是称之为"介质侦听"，那是因为如果介质上正在有载波存在，则证明介质处于忙的状态（因为信号或者数据不是直接传输的，而是通过电磁载波进行的）；如果没有载波存在，则介质是空闲状态。也就是通过载波的检测，可以得知介质的状态，而不能直接来侦听介质本身得出其空闲状态。 【说明】其实这里侦听的应该是"信道"，而不是"介质"本身，因为在一条传输介质中，可能包含有多条信道，用于不同的传输链路。 前面说了，CSMA/CD相对CSMA来说的进步就是具有冲突检测功能，随之问题就来了，CSMA/CD是如何检测冲突呢？ CSMA/CD的工作原理可以用以下几句话来概括： 先听后说，边听边说。 一旦冲突，立即停说。 等待时机，然后再说。 这里的"听"即监听、检测之意；"说"即发送数据之意。具体的检测原理描述如下： （1）当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是否有其他站点正在传输，即侦听信道是否空闲。 （2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道空闲，站点就准备好要发送的数据。 （3）在发送数据的同时，站点继续侦听网络，确信没有其他站点在同时传输数据才继续传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。若无冲突则继续发送，直到发完全部数据。 （4）若有冲突，则立即停止发送数据，但是要发送一个加强冲突的JAM（阻塞）信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突，然后，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。 CSMA/CD控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降 令牌访问控制工作原理 令牌访问控制方法可分为令牌环访问控制和令牌总线访问控制两类。目前已较少采用令牌总线访问控制。 下面介绍令牌环访问控制原理。
介质访问控制的方法
介质访问控制的方法
介质访问控制（MAC）是一种网络协议，用于控制多个计算机或设备在共享同一物理介质（如Ethernet或WiFi）上的访问。
以下是一些常见的MAC方法：
1. CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路接入）：在这种方法中，计算机听取信道上的信号，如果信道上没有其他计算机发送数据，则发送数据。
如果检测到碰撞，则停止发送数据，并等待随机时间后再次尝试发送。
2. CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听多路接入）：在这种方法中，计算机在发送数据之前，首先发送一个请求访问信号，等待其他计算机的确认，并等待一段时间，然后再发送数据。
3. Token Passing（令牌环）：在这种方法中，一个特殊的令牌沿着物理环路传递，只有拥有令牌的计算机才能发送数据。
当计算机完成发送数据后，会将令牌传递给下一个计算机。
4. Polling（轮询）：在这种方法中，一个中心节点（如服务器）轮流询问每个节点是否有数据要发送，然后处理节点的请求。
5. Reservation（预约）：在这种方法中，节点先发送一个请求访问信号，并指定一个特定的时间段，然后其他节点在该时间段中不能发送数据。
如果时间段内
有碰撞，则节点必须重新发送请求信号。
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介质访问控制协议的比较
介质访问控制分为以下两种：争用型介质访问控制，又称随机型的介质访问控制协议，如时隙ALOHA方式、纯ALOHA方式和CSMA/CD方式；确定型介质访问控制，又称有序的访问控制协议，如令牌环方式和令牌总线方式。
下面对这几种介质访问控制协议进行简单介绍和比较。
1.纯ALOHA协议
纯ALOHA协议的工作原理是：站点只要产生帧，就立即发送到信道上。
在规定的时间内如果收到应答，表示数据发送成功，否则就要等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。
纯ALOHA的优点：简单易行，不需要同步。
纯ALOHA的缺点：冲突概率大，极容易冲突。
2.时隙ALOHA协议
时间被划分为相同大小的时隙，一个时隙等于传送一帧的时间，节点只能在一个时隙的开始才能传送，如果一个时隙有多个节点同时传送，所有节点都能检测到冲突。
当节点要发送新帧，它等到下一时隙开始时传送。
如果没有冲突，节点可以在下一时隙发送新帧；如果有冲突，节点在随后的时隙以概率p重传该帧，直到成功为止。
时隙ALOHA的优点：
1）单个活跃节点可以持续以满速率传送帧
2）具有高分散性，只需节点的时隙同步
3）实现简单
时隙ALOHA的缺点：
1）冲突，浪费时隙
2）空闲时隙
3.载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)控制协议
所谓载波侦听，即总线上各个结点在发送数据前都要检测总线上是否有别的结点发送数据。
如果发现总线是空闲的，则立即发送已准备好的数据；如果监听到总线忙，这时结点要持续检测或等待一个随机时间，再重新监听总线，直到总线空闲再发送数据。
所谓多路访问，即总线上所有结点收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。
所谓冲突检测，即两个或两个以上结点同时监听到总线空闲，开始发送数据时，就会发送碰撞，产生冲突，从而导致两个正在传输的数据都被破坏。
为确保数据的正确传输，因此每个结点在发送数据时要边发送边检测冲突。
CSMA/CD的优点：
1)算法简单，易于实现。
2)设备量少，价格低廉，安装使用方便，便于扩充。
3)某个站点失效不会影响到其他站点。
4)共享资源能力强，便于广播式工作，一个节点发送的数据帧所有节点都可接收。
5)多个节点共用一条传输信道，信道利用率高；
6)传输速率高，可达1-10 Mbps。
CSMA/CD的缺点：
1)用户访问总线时间不确定，不能达到对实时性的要求。
2)网络通信负荷高时，吞吐率下降，传输延迟增加。
3)总线型拓扑的网不是集中控制，故障检测需在各个节点进行，使故障诊断困难。
4)如果传输介质故障，则整个这段总线要切断，因而故障隔离困难。
4.令牌环（Token Ring）访问控制协议
令牌控制网络结点的发送权，只有持有令牌的结点才能够发送数据。
某一结点要发送数据时，它必须等待空闲令牌的到来。
当它获得空闲令牌后，将令牌置“忙”，并以帧为单位发送数据。
如果下一结点就是其目的结点，则将帧拷贝到接收缓冲区，在帧中标志出帧已被正确接收和复制，同时将帧送回环上，否则只仅仅将帧送回环上。
帧绕行一周后到达源结点时，源节点回收已发送的帧，并将令牌置“闲”，再将令牌向下一个结点传送。
当环正常工作时，令牌单向逐结点传送。
令牌环的优点：
1)令牌环型网络可覆盖较远的物理通信距离。
2)数据帧中不要求添加数据，所以帧长比较短。
3)在负载较大的情况下，仍有良好的性能。
4)通过环的接线集中器，环可以被桥接入环中有效的部位，环的大小没有限制。
令牌环的缺点：
1)在低负载的情况下，甚至网络是空载的时候，有一段等待令牌返回的延迟。
2)建立和维护需要较高的费用，可靠性不高。
3)当令牌丢失或出现多个令牌时，必须提供相应维护策略。
5.令牌总线（Token Bus）访问控制协议
令牌总线主要适用于总线型或树型网络结构。
网络中每一个结点都有一个本站地址，并知道其上一个结点和下一个结点地址。
令牌传递规定由高地址向低地址，最后由低地址向高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。
只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。
信息是双向传送，每个站都可检测到其他站点发出的信息。
在令牌传递时，都要加上目的地的地址，所以只有检测并得到令牌的结点，才能发送信息。
令牌总线的优点：
I)出色的吞吐量性能，这一性能不因线路长度增加而下降。
2)支持大的动态范围，没有相对信号强度方面的问题。
3)媒体访问有调节。
令牌总线的缺点：
1)算法过于复杂，难以实现后期的维护。
2)时间开销较大。
在轻负载下，站点为了使令牌转一圈而等待，性能下降。