计算机网络——介质访问控制 (Medium Access Control, MAC)

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#计算机网络 #macos #网络

于 2025-06-06 22:14:05 首次发布

介质访问控制 (Medium Access Control, MAC)

为什么需要介质访问控制？

想象一下，很多人在同一个房间里开会，但只有一支麦克风。如果大家想说就说，不遵守任何规则，那肯定会乱作一团，谁也听不清谁在说什么。这种情况在计算机网络里，就叫做“冲突 (Collision)”。

在很多网络（尤其是早期的局域网）中，多台计算机共享同一条物理通信线路（比如一根同轴电缆或一个集线器连接的网络），这条共享的线路就叫共享信道 (Shared Channel) 或广播信道 (Broadcast Channel) 。当两台或更多的设备同时在共享信道上发送数据时，它们的信号就会在信道上相互干扰，导致数据被破坏，这就是冲突。

为了解决这个问题，我们就需要一套规则来协调大家如何使用这支“麦克风”（共享信道）。这套规则，就是介质访问控制 (MAC) 协议。它的核心任务是：决定在广播信道中，下一个时刻由哪一个节点获得信道的使用权 。

MAC协议的功能是在数据链路层中一个专门的子层——MAC子层——来实现的。

介质访问控制协议的分类

这些“规则”大体上可以分为三类：

竞争协议 (Contention Protocols)：也叫随机接入协议。规则是“先到先得，发生冲突再解决”。就像开会时，谁想发言就直接说，如果发现和别人同时说了（冲突），那就都停下来，各自等一个随机时间再尝试发言。以太网使用的CSMA/CD就属于这一类。这类协议在网络负载较轻时，延迟低，效率高。
无冲突协议 (Collision-Free Protocols)：规则是“轮流发言，保证不冲突”。例如，依次传递一个叫“令牌 (Token)”的信物，只有拿到令牌的设备才能发言。这种方式可以确保任何时候只有一个设备在发送数据，但缺点是即使只有一个设备想发言，它也必须等到轮到自己时才能说，所以在网络负载轻的时候效率不高。
有限竞争协议 (Limited-Contention Protocols)：这是上述两种协议的混合体，试图在低负载时获得低延迟，在高负载时获得高效率。

以太网访问控制：CSMA/CD 协议

以太网是目前应用最广泛的局域网技术。在共享信道的以太网中（例如使用集线器连接的网络），它采用的介质访问控制协议就是带冲突检测的载波侦听多路访问 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD) 。

我们可以把这个长长的名字拆解成三部分来理解：

1. 载波侦听 (Carrier Sense, CS)

这是指“先听再说”。网络中的每个设备在发送数据前，都会先“听”一下共享信道上有没有其他设备在传输数据（通过检测信道上的电压）。

如果信道空闲：设备就准备发送数据。
如果信道忙碌：设备就继续等待，直到信道变为空闲。

这样做可以大大降低冲突的概率。但仅仅“先听再说”还不够，因为电信号在介质上传播是需要时间的，这个时间叫做传播时延 (Propagation Delay)。

2. 多路访问 (Multiple Access, MA)

这指的是多台计算机设备共同连接在同一个共享介质上，它们都有访问和使用这个信道的权利。

3. 冲突检测 (Collision Detection, CD)

这是指“边说边听，一旦冲突，立即停止”。

由于传播时延的存在，即使一个设备在发送前侦听到信道是空闲的，也可能在它发送数据的过程中，另一台远处的设备也恰好侦听到信道空闲并开始发送数据，从而导致冲突。

为了解决这个问题，CSMA/CD要求设备一边发送数据，一边持续侦听信道。如果在发送过程中，设备检测到信道上的信号能量变得异常（比自己发送的信号能量大得多），它就知道发生了冲突。

一旦检测到冲突，设备会立即执行以下三步：

停止发送数据。
发送一个特殊的“阻塞信号 (Jamming Signal)”，这是一个短促的信号，目的是让网络上所有的设备都知道这里发生了冲突。
执行“二进制指数退避算法”来决定等待多久后再重新尝试发送。

CSMA/CD 协议的关键知识点（考试重点）

1. 争用期 (Contention Period)

这是CSMA/CD协议中一个至关重要的概念。争用期是指从设备开始发送数据，到它可能检测到冲突所经过的最长时间。这个时间等于信号在网络中任意两点之间往返一次的传播时延 ( $2τ2\tau$ )。

为什么是 $2τ2\tau$ ？ 考虑网络中最远的两台设备A和B。A发送数据，信号传播到B需要一个传播时延 $τ\tau$ 。假设在A的信号到达B的前一瞬间，B也侦听到信道空闲并开始发送，此时冲突发生。B检测到冲突后，冲突的信号再传回A，又需要一个传播时延 $τ\tau$ 。所以，A最多需要 $2τ2\tau$ 的时间才能确定自己发送的数据有没有和别人冲突。
争用期的意义：如果一个设备在争用期内没有检测到冲突，那么它就可以确定这次发送不会再发生冲突了，可以安心地把剩下的数据发送完毕。在10Mbps的以太网中，争用期通常被定为51.2 $μs\mu s$ 。