在上一講中，我們學習了鏈路層可以提供的服務?：framing，link access，reliable delivery，error detection&correction。這一講我們從link access中的broadcast接入方式深入，學習這種接入方式下的協議，以及衍生出的MAC地址，最後會學習一下主要的區域網種類。
課件地址：https://cs.nju.edu.cn/lwz/networks/CH2-Direct Link Networks-3.pdf
多路訪問協議（MAC協議）
在上一講我們提到了在link access中有point-to-point和broadcast兩種鏈路接入方式。
在broadcast中，多路複用問題需要使用一系列的MAC協議來解決，它負責”當多個節點處於活躍狀態時，為了確保廣播通道執行有用的工作，以某種方式協調活躍節點的傳輸“。
設計這些協議前，在broadcast通道的傳輸速率為R bps的前提下，我們設定了協議需要實現的一系列的理想狀態：
- 單一活躍節點傳輸時，能達到
R的傳輸速率 - 當
M個節點共用通道時，每個節點傳輸平均速率達到R/M - 完全分散（
fully decentralized），沒有所謂的主節點- 不需要特殊節點來協調傳輸
- 儘量時鐘、時隙不同步
- 儘可能簡單，使實現不昂貴
我們儘量按這些理想狀態設計了一些協議，這些協議可以劃分為三類：
通道劃分協議
Channel partitioning主要思想是把通道劃分為小片，然後把這些小片分下去給各個節點單獨使用。劃分標準可以為時隙（time slot）、頻段（frequency）、編碼（code）有以下幾種：
-
TDMA：分時多重進接。和前文的分時多工TDM一樣，在時間幀內按照時隙來劃分通道；
-
FDMA：分頻多重進接。和前文的分頻多工FDM一樣，按照劃分的頻段來劃分通道；
-
CDMA：分碼多重進接。給使用者分配不同的正交的chipping sequece，對使用者要傳送的資料進行編碼，使得多個使用者的資料可以進行疊加後變成“一個資料”在通道上傳輸，然後再由接收方分別根據chipping sequece來解碼消除噪音拿到資料。流程如下圖：
隨機接入協議
random access協議可以讓單個活躍節點傳輸達到R的速率，而且傳輸前不用對各個節點進行協調，但這就很容易產生collision。如何探測並解決這些collision，是我們在隨機接入協議中主要考慮解決的問題。主要有以下幾種協議：
ALOHA
ALOHA的主要解決 collision 的方法是：一旦有幀準備好了就立刻傳送，發生 collision 就根據p的機率進行重傳（1-p的機率等一段時間，等待的時間是隨機的），進行重傳後還是沒有收到ACK資訊就把當前幀直接丟棄。
Slotted ALOHA
相比於純ALOHA，時隙ALOHA做的一個改變就是把所有幀定義為相同大小，並且根據幀的大小來劃分時隙（ T == Size/R ）。這樣子的操作使得節點在時間上的傳輸和等待都是同步的，都得向時隙對齊。
它的具體操作是一旦有幀準備好了就在下一個時隙中進行傳送，發生 collision 就根據p的機率進行重傳（1-p的機率等一段時間，等待的時間是隨機的），直到重傳成功為止。它的效率剛好是純ALOHA的兩倍，為1/e。
CSMA
載波監聽多路訪問。在兩種ALOHA中節點進行幀傳送時是完全不夠別的節點的死活的，想傳就傳，這放到生活中是非常不禮貌不道德的行為。這會導致collision的數量大大地增加，CSMA協議對此進行了最佳化。
在CSMA中，每個節點必須“ listen before transmit”， 先聽一下有沒有人在講話，也就是觀測通道上有無能量波動（幀的傳輸），這種觀測行為會一直進行直到當前通道從 busy 變為 idle 為止。在觀測的過程中，如果通道是 busy 的，那麼就推遲傳送。
CSMA對 busy 的推遲操作因演算法而不同。有三種busy推遲處理演算法：
-
Non persistent CSMA：如果busy就先躺平一會（躺一個 random time，這減少了 collision 的機率）再回來聽，也就是它不是全天候保持觀測的；但是這種演算法雖然減少了碰撞機率，但是如果通道在節點躺平還沒結束時變為了idle，那麼通道就會存在被浪費的情況； -
1-persistent CSMA：為了避免non persistent中的通道浪費情況，我們節點不再開擺，全天候工作一直從 busy 聽到 idle 為止 ? ，通道 idle 了就把幀傳輸出去；但這種演算法就會導致節點們太自私，如果有多個節點同時等待監聽，通道變為 idle 時就一定會發生碰撞； -
p-Persistent CSMA：折中方案，既能像第二種那樣減少idle時間，又能減少碰撞機率；通道 idle 時以p的機率進行傳輸，以1-p的機率等待一個時間單位（大小為最大傳播時延）p的值取等待傳送的節點數N的倒數即1/N。
但我們進行了這麼多的工作，還是會因為傳播延遲的問題出現碰撞的情況……?所以我們搞出了CSMA/CD！
CSMA/CD
根據CSMA協議進行幀傳送，按理說都萬事俱備了，怎麼還會發生collision呢？?
原來是在幀傳送過程中，因為在鏈路上傳播速率的問題，幀會產生因端對端傳播時延產生的碰撞。CSMA沒有進行碰撞的檢測，即使碰撞了還是會繼續傳輸這些幀。而在CSMA/CD中，當某節點進行碰撞檢測時，一旦它檢測到了碰撞就會立刻停止幀的傳輸。
CSMA/CD的幀傳送步驟為：
- If medium idle, transmit; otherwise, step 2
- If busy, listen for idle, then transmit immediately （採用的1-persistent演算法）
- If collision detected, send jam signal then abort
- After jam, wait random time then start from step 1
在這個協議的工作環境下，我們可以解釋Minimum Frame Size的由來：
在當下，size作為協議的介面是不能變的，物理傳播速率v也是不變的，所以變的就只有鏈路長度L和頻寬B；
所以，早期乙太網能連幾百米，到了現在頻寬越來越快，鏈路長度就只有十幾米嘍?
IEEE 802.3協議用的是CSMA/CD加上1-persistence演算法，同時為了解決因 1-persistent 出現的頻繁collision問題，打上了一個叫“二進位制指數後退”（binary exponential backoff）的補丁。在自頂向下中對這個演算法的描述如下：
輪流協議
taking-turns型別的協議可以讓M個節點共用通道時，每個節點傳輸平均速率達到R/M。我們來看兩種比較重要的協議：
Polling
輪詢協議。協議會指定鏈路上的多個節點之一為主節點，主節點能夠透過觀察在通道上是否缺乏訊號，來決定一個節點何時完成幀的傳送，它以迴圈的方式poll每個節點，告訴節點可以傳輸的最大幀數量，傳輸了某些幀後繼續下一個節點的poll。
polling協議有幾個缺點：
- 產生了輪詢時延；
- 單一活躍節點傳輸因輪詢而速率小於
R； - 主節點故障是很糟糕的，會導致整個通道的崩潰
我們使用的藍芽就是採用了這種MAC協議。
Token passing
令牌傳遞協議。該協議沒有主節點，一個被稱為令牌（token）的小幀在節點之間以某種固定順序交換傳遞。令牌意味著幀傳送的許可證。當一個節點需要進行幀的傳送時它才能持有令牌，否則立刻釋放令牌轉發給下一個節點。
token passing有幾個缺點：
- 要不停地傳令牌，產生時延；
- 單個節點的故障同樣會導致整個通道的崩潰，如節點忘記釋放令牌；
- 公平性問題：雖然拿到 token 的節點想發多大就發多大，但這耗時很長，其他節點得等好久。
具體的實現有IBM的 TOKEN ring，FDDI，我們會在後面的LAN中看到TOKEN ring的具體情況。
協議效能分析結論
這裡放的是分析後得出的結論，分析過程見ppt嗷 XD
一個協議效能的好壞可以用幀的傳輸時間比來衡量。
設傳播時延為a，傳輸時延為1，則代表各個協議效率的 U 如下：
point2point：無論 a 大於1還是小於1，U的結果都是1/(1+a).ring：當環中存在N個節點時，有- 令牌環釋放前提是幀頭部被接收到&幀完成傳輸；
- a大於1時，U為
1/(a + a/N) - a小於1時，U為
1/(1 + a/N)
slotted ALOHA：- N 個節點全部成功傳送的機率為
A = N*p*(1-p)^(N-1) - p 等於
1/N時， A 達到最大為1/e - 成功傳送的用時為
1/(1+2a) - 所以
U = 1/(1+2a) * A-->1/e
- N 個節點全部成功傳送的機率為
pure ALOHA：- N 個節點全部成功傳送的機率為
A = N*p*(1-p)^(2N-1) - p 等於
1/2N時， A 達到最大為1/2e - 成功傳送的用時為
1/(1+2a) - 所以
U = 1/(1+2a) * A-->1/2e
- N 個節點全部成功傳送的機率為
CSMA/CD + p-persistence： U 經過種種分析後最終為1/(1 + (2e-1)*a)
MAC
MAC地址
什麼是MAC地址？
MAC地址的全稱為 Medium Access Control (MAC) Address，它是一個與網路介面卡相關聯的數字地址。鏈路層地址有許多種稱呼：LAN地址，實體地址或MAC地址，MAC地址是目前最廣泛的鏈路層地址稱呼。
有啥特點？
- MAC地址具有扁平結構，而IP是層次結構，兩者相當於身份證號和郵政地址的區別（後者會因搬家而變動），網路卡是出生廠家，mac就是它給你配的身份證號，獨一無二，永久存在（但現在的技術可以靠軟體來改）。
- MAC分配給網路介面卡的方式是：IEEE把前三個位元組分配給（賣給）廠家，然後後三個位元組的內容由廠家決定寫啥。
- 交換機沒有MAC地址。
- 特殊廣播地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF，用於讓通道上所有
adaptor接收處理該幀。
從MAC地址出發
我們現在知道，一個主機“誕生”時只知道自己的 MAC 地址，它想要和遠處的主機通訊，就像寄信，是需要確切的地址的，怎麼辦？
- 我的IP地址是啥？
- 對面的IP地址是啥？
- 如果在同一個LAN中，對面的MAC地址是啥？
- 如果不在，那我要找的第一跳的路由器地址是啥？
- ………………
解決了這些問題，我們才能成功達成通訊。我們需要ARP和DHCP協議。
ARP
地址解析協議.Address Resolution Protocol（RFC 826）
ARP的功能就是將子網內的任意IP地址解析為MAC地址。ARP僅僅在LAN下才能工作！！它不能跨越子網而去解析別的主機！！
ARP的具體工作原理是：
- 首先，每個主機或路由器的記憶體中都放著一個動態的ARP表，動態表示它所有的表項都不是永久的，表項具有一個壽命值（TTL），是會過期的。（在cmd中輸入
arp -a可以看到這個表）
- 好，我們要開始通訊了！傳送端主機首先透過拿到的對方的IP地址來查詢自己的ARP表，如果存在對映，就直接獲取MAC；
- 如果在ARP表中找不到表項，那麼就會經歷以下過程：
- 傳送端構造一個特殊的ARP packet；這裡有ARP報文格式詳解！
- 傳送端把一個這樣的查詢packet傳遞到介面卡中，介面卡在鏈路層中封裝它，使用廣播MAC地址來作為幀的目的地址，並將幀傳輸到子網中；
- 子網上的其它介面卡接收到該幀並向上傳遞給ARP模組，由模組檢查目的IP是否與自己匹配；
- 匹配的主機給查詢主機返回一個響應packet；
- 查詢主機拿到目的MAC，將其封裝在IP資料包後傳送。
要注意的是，查詢ARP報文是在廣播幀中傳送，而響應報文是在標準幀中；ARP"即插即用"，不用自己配置；ARP並不劃分到具體的鏈路層或網路層，它可以看成跨這兩層之間的協議。
當主機想要向外網通訊時，需要用尋找的MAC是第一跳路由器的MAC。（用子網掩碼來識別通訊的主機在外網）
DHCP
動態主機配置協議.Dynamic Host Configuration Protocol（RFC 2131）
一個主機用DHCP協議來配置自己的IP地址、子網掩碼、DNS伺服器的IP地址、第一跳路由器的IP地址。
DHCP執行的過程為：
- 客戶端在其子網上廣播一條DHCP-DISCOVER訊息；
- 每臺伺服器都可以使用一條DHCP-Offer訊息進行響應；
- 客戶端選擇一個伺服器，廣播包含伺服器IP的DHCP請求訊息；
- 選定的伺服器提交繫結，並使用一條DHCP-ACK訊息進行響應；
- 客戶端在DHCP-ACK內設定其配置引數；
- 客戶端透過DHCP-Release訊息放棄繫結；
- 如果客戶端之前沒有續訂(重新繫結)繫結，則繫結將到期。
網路層地址和鏈路層地址共存原因
IP-to-IP communication is really just a series of MAC-to-MAC communication taking place at each router hop.
自頂向下對現象的解釋：
LAN
TOKEN Ring
令牌環是一個區域網的協議，可以說是輪流協議中token passing類協議的一個例項，它由IEEE 802.5所規定。
每個節點有三種狀態：監聽狀態，傳輸狀態和通行狀態。
Listen State： 節點會監聽流經自身的位元流，它會將傳輸過來的幀抓住copy一份後再釋放轉發，如果這個幀發給自己的，那麼節點歡歡喜喜收下copy的一份後，對原始幀進行一個ACK的修改；Transmit State：傳送方節點在傳送幀後所處的狀態，它會等待自己發出去的幀轉回來然後進行回收；在此過程，它有一個buffer用來暫存其它節點發出來的幀（不讓它們跑，只讓自己發的幀跑）Bypass State：啥也不幹，只是單純地連線；
節點發出去的幀是肯定能到達目的地的，除非中途有節點故障（因為環形的結構）。這個協議在大的負載量傳輸下需要多次輪詢，在小負載量下效率也不會很高。
具體圖示如下：
具體的標準有：
Ethernet
乙太網是一類計算機區域網技術。它以便宜的實現價格佔領了有線區域網市場，取代了其他區域網標準如TOKEN ring、FDDI和ARCNET。
IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了乙太網的技術標準，它規定了包括物理層的連線、電子訊號和介質訪問層協議的內容。
乙太網在邏輯上使用匯流排型拓撲（以前是bus結構，當前快速乙太網使用了交換機，拓撲結構變成了star）和CSMA/CD的匯流排技術。
在當下交換機的使用下，就沒必要用CSMA/CD的broadcast鏈路接入了，詳細可以看看這個問答：
乙太網的特點有倆：unreliable、connectionless。
-
unreliable：在NIC之間傳送接收幀時，不用進行握手； -
connectionless：接收方不會返回ACK資訊給傳送方；data in dropped frames recovered only if initial sender uses higher layer rdt (e.g., TCP), otherwise dropped data lost.
僅當初始傳送者使用更高層的RDT(例如，TCP)時，丟棄的幀中的資料才能恢復，否則丟棄的資料會丟失。
乙太網的演化非常快。啥都變了就只有幀的格式沒有變化，作為一個介面，乙太網幀的實現是非常成功的。（乙太網規定了最小幀長應滿足：幀的傳輸時延等於最遠兩個站點間訊號的往返傳播時延。）我們來看看幀的結構：
Preamble: 前同步碼欄位，8個位元組；7個位元組用以喚醒接收介面卡並進行時鐘同步，每個位元組的值都是0xAA；後一個位元組用以確認幀的起始位。（為了確定起始位我們使用了一個哨兵位機制，對資料進行每5個1填充1個0）Addresses: 地址欄位，兩個地址欄位都是6個位元組，地址是MAC地址。Type: 型別欄位，2個位元組，說明了上層的協議是啥（可以記錄2^16種）Data payload: 最大1500位元組，最小46位元組；CRC: 迴圈冗餘檢測欄位，4個位元組；
乙太網具體的標準有：
使用的802.3協議（CSMA/CD+1-persistent+beb）的演算法邏輯圖如下：
octet是什麼？
octet 表示的是8個bit ，當我們在談論網路上的問題時，更喜歡使用這個詞而不是Byte。
一些小的點
NOTE：物理上看到的節點星型組網形狀並不一定是broadcast的接入方式，很可能是多個point-to-point！這種邏輯上的組網拓撲的link access 因中心裝置不同而不同：中心裝置是switch的話其實是多個point-to-point，今天的以太區域網基本就是這樣，這就不用MAC協議了；而中心是hub的話對應的就是broadcast，hub相當於一個匯流排。
一個IEE802圖示：
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