Mac层功能和协议

在计算机网络中，介质访问控制 (MAC) 层发挥着作用，因为它负责协调设备通过共享通信通道的连接。为了确保连接到网络的设备之间数据流的高效且无冲突，OSI（开放系统互连）模型中的 MAC 层（包含在数据链路层中）负责授权访问物理通信介质。本文探讨了 MAC 层的核心功能和协议，阐明了该层在当代网络中的重要性。

理解 MAC 层功能

MAC 层的主要功能是充当试图通过共享通信通道发送数据的设备的交通警察。

以下列表总结了其主要职责

寻址和标识

作为 MAC 层的一部分，为网络设备分配独特的身份，能够有效地路由和转发数据包。MAC 地址是此过程的基础。当网络接口卡 (NIC) 制造时，就会被赋予一个 MAC 地址。它是一个全球唯一的标识符。通常以十六进制表示法书写，由六组字符组成，例如 00:1A:2B:3C:4D:5E。它通常是一个 48 位数字。

• 全球覆盖和唯一性：MAC 地址确保世界上每个网络接口都是独一无二的。由电气和电子工程师协会 (IEEE) 管理分配给制造商的 MAC 地址块。这种广泛的范围确保了跨多个网络的顺畅设备识别。
• ARP 和 MAC 解析：ARP 用于将IP 地址转换为 MAC 地址，从而实现同一网络上设备之间的通信。当设备希望将数据传输到另一个设备时，ARP 会发现与目标 IP 地址关联的 MAC 地址。

总之，OSI 模型 MAC 层的寻址和标识是关键操作。MAC 地址实现了独特的设备识别和有效的路由，而 CSMA 等标识技术保证了正确的通道访问。这些功能会影响网络的有效性、安全性和整体通信可靠性。随着技术的进步，MAC 层寻址和标识在确定当代网络性能方面的作用仍然至关重要。

帧的封装和解封装

MAC 层将来自上层的数据封装到帧中，以便通过物理介质发送。接收设备上的 MAC 层在接收后解封装这些帧，以检索相关数据以供进一步处理。

介质访问控制

MAC 层对设备如何访问共享通信通道的控制可能是其最重要的作用。当多个设备同时争用访问权限时，此过程会变得复杂。MAC 层使用各种协议来协调访问、消除数据冲突并最大化性能。

流量控制

MAC 层采用流量控制算法，以防止接收设备过载数据。这些数据传输速率控制可以防止缓冲区溢出和数据丢失。

• 流量控制基础：如果发送方的传输速率超过接收方的处理速度，可能会发生数据丢失。流量控制可以防止这种情况发生。MAC 层采用技术来协调数据传输速率以解决此问题。
• 滑动窗口协议：滑动窗口协议是一种流行的流量控制方法。发送方跟踪一组预期的来自接收方的确认的序列号。接收方在成功接收和验证数据后将确认发送回发送方。收到确认后，发送方的窗口会扩大，减少了当前传输中未确认信息的总量。

错误检测和纠正

任何数据传输系统的关键需求是错误检测。它确保没有发生与传输相关的数据损坏，并且在目标位置接收到的数据是正确的。

MAC 层内的错误检测可以通过多种机制实现

• 校验和：在传输的数据中附加校验和是一种常用的技术。根据数据的内​​容生成此校验和，并随数据一起传输。接收方执行相同的计算，并验证计算出的校验和与接收到的校验和是否相同。如果不相同，则表示发现了错误。
• CRC：循环冗余校验是另一种广泛使用的错误检测方法。在传输之前，根据数据创建一个多项式码并将其附加到数据中。接收方执行相同的计算，并验证接收到的 CRC 是否与生成的 CRC 匹配。
• 奇偶校验位：在简单的系统中，奇偶校验位用于错误检测。数据中包含一个奇偶校验位，以确保数据位（包括奇偶校验位）的总数不是偶数或奇数。每当接收位置的奇偶校验与预期奇偶校验不符时，就会检测到问题。
• 帧校验序列 (FCS)：在以太网网络中，FCS 经常被使用。为了进行错误检查，在数据帧的末尾添加了一个字段。根据接收到的数据，接收方应用算法生成一个 FCS，然后将其与帧中的 FCS 进行比较。

总之，MAC 层在数据传输网络的连接管理和错误检测中至关重要。它利用多种错误检测机制来保护传输过程中的数据完整性。此外，连接管理协议有助于设备有效地共享通信通道，减少冲突并提高网络性能。

重要的 MAC 层协议

为了控制设备如何竞争通信通道的访问权限，已经建立了几种协议。

以下是一些著名的 MAC 层协议

CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）

以太网网络中常用的 CSMA/CD 标准的核心概念是，在传输信息之前应检测正在使用的介质上的传输信号。万一发生意外冲突（多个终端同时传输数据），CSMA/CD 会暂停传输，等待轮到自己，然后重新开始。

优点

CSMA/CD 的众多优势促成了其广泛应用。这些优势包括

• 简单性：由于该协议非常易于安装，因此可以将其用于各种网络设备和设置。
• 效率：通过最小化不必要的冲突和重传，CSMA/CD 有效地利用了可用带宽。
• 可扩展性：该协议可以处理网络中不同数量的设备，而不会明显降低性能。
• 分布式：由于 CSMA/CD 是分布式运行的，因此不需要集中协调，允许设备自由决定何时广播。

CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听多路访问）

虽然在移动通信中检测冲突很困难，但它已被 CSMA/CD 取代。在这种情况下，当机器争用通信通道时，首先会通过接收端发送请求发送 (RTS) 信号。收到发送方清除发送 (CTS) 信号后，电子设备即可准备好发送初始信息。

优点

CSMA/CA 在网络通信中的优势如下

• 冲突避免：CSMA/CA 通过使用 RTS/CTS 和随机退避等方法，降低了冲突的可能性，从而提高了信道利用率并减少了数据丢失。
• 公平性：CSMA/CA 通过确保所有设备都有平等访问信道的机会来促进公平的资源分配。
• 适应性：由于随机化和指数退避过程，CSMA/CA 可以适应不断变化的网络条件，例如可变的流量和干扰水平。
• 易于使用：该协议的基本概念并不复杂，使其非常易于使用和理解。

TDMA（时分多址）

在 TDMA 中，通信通道被划分为多个时隙，每个时隙分配给不同的设备。这种方法完全避免了事故发生的可能性，适用于需要保证传输速率的场景。

控制 TDMA 操作的调度决定了哪个用户可以在每个时隙进行传输。例如，在无线网络中，基站或接入点通常会控制此时间表。用户同步他们的传输以与时间表保持一致，以防止相互干扰。每个用户的广播仅限于为其分配的时隙。

FDMA（频分多址）

在当今的计算机网络中，FDMA 并非 MAC 层协议的常用选择。它在较旧的技术中更为常见，例如模拟蜂窝系统 (1G) 和一些卫星通信系统。然而，让我们更好地理解 FDMA 在 MAC 协议中的用法。

在基于 FDMA 的 MAC 协议中，可用频率频谱中的每个频带被分配给特定的设备或用户。数据传输和接收时，每个用户都会分配一个特定的频率通道。通常，基站或中央组织负责管理此分配。

优点

• 频谱效率：通过将可用频率频谱分割成不重叠的通道，FDMA 有效地利用了它。与某些替代访问技术相比，这可能会提高频谱效率。
• 降低干扰：由于每个用户使用不同的频率通道，用户之间的干扰较少，这提高了信号质量并降低了冲突率。
• 性能可预测性：由于每个用户都分配了特定的频率通道，FDMA 可以提供可预测的性能。在通信必须清晰的环境中这可能很有用。
• 令牌传递：在令牌环等基于令牌的协议中，令牌在网络中循环，并赋予其持有者传输能力。为了避免数据冲突，在数据传输完成后，令牌会传递给下一个设备。

演变和模型趋势

随着网络技术的发展，MAC 层取得了显著进步

• 服务质量 (QoS)：通过整合根据传输数据类型划分带宽的技术，当代 MAC 协议优先考虑 QoS。通过这样做，可以确保像音频和视频这样的时间敏感型应用程序获得足够的带宽以实现流畅运行。
• 虚拟局域网 (VLAN)：网络管理员可以将物理网络划分为多个虚拟网络。通过这种分段（通常在 MAC 层完成），设备可以像在同一物理网络上一样进行通信，即使它们物理上是分离的。
• MAC 层安全：确保数据传输的安全性至关重要。为了保护数据免受未经授权的访问和篡改，现代 MAC 协议通常会在 MAC 层集成加密和身份验证技术。

结论

MAC 层是计算机网络复杂网络中的关键组成部分，是有效可靠数据传输的重要促进者。它通过执行寻址、访问控制、错误检测等活动，确保设备能够通过共享通信通道无缝通信。MAC 层随着技术的发展而不断发展，不断增加新的功能和协议以满足当代网络环境的需求。任何希望理解驱动我们互联世界的基础机制的人，都必须对 MAC 层的协议和功能有扎实的理解。