计算机网络中的媒体访问控制

什么是介质访问控制？

在OSI（开放系统互连）计算机网络模型中，数据链路层（第2层）的一个子层称为介质访问控制（MAC）。其主要职责是控制对网络共享通信介质的访问，确保各种设备能够在一个公共通信路径（如以太网有线网络或Wi-Fi无线网络）上有效地、公平地传输数据。

介质访问控制的功能

计算机网络的介质访问控制（MAC）层执行多项关键任务，以控制对共享通信介质的访问。

其主要职责是防止冲突，同时确保多个设备能够公平高效地通过共享通信通道传输数据。

MAC层执行以下主要任务：

• 访问控制： MAC层通过控制对共享通信介质的访问来控制在任何给定时间哪个设备可以传输数据。它采用各种访问控制技术来控制设备如何争用对介质的访问。可以使用基于冲突（如载波侦听多路访问/冲突检测或CSMA/CD）和无冲突（如令牌传递）的技术。
• 帧寻址： 同一网络段上的联网设备由其MAC地址（也称为硬件地址或物理地址）唯一标识。MAC层在数据帧中包含源和目的MAC地址，以识别数据的发送者和接收者。
• 帧格式化： MAC层将来自较高层（通常是网络层）的数据打包成可以在网络介质上传输的帧。这些帧包含数据、控制信息、用于错误检查的信息以及用于寻址的信息。
• 错误检测： 许多MAC协议包含错误检查组件，以识别传输错误。这保证了通过介质传输的数据的准确性。如果发现错误，MAC层可能会要求重新传输该帧。
• 帧检测和冲突处理： 当多个设备尝试同时在共享通信介质（如以太网）上传输数据时，可能会发生冲突。MAC层负责检测冲突并将冲突解决方法机制付诸实施，以减轻其影响。例如，当CSMA/CD检测到冲突时，它会启动一个退避机制，在任意时间过后再次发送数据。
• 流量控制： 一些MAC协议采用流量控制来确保数据以接收设备可以处理的速度传输，而不会丢失数据或溢出。流量控制机制可能会使用来自接收方的反馈来改变发送方的传输速率。
• 地址解析： 在以太网网络中，MAC层使用地址解析协议（ARP）将较高层（如IP地址）的地址转换为MAC地址。ARP用于查找本地网络段的相应MAC地址，它将目标IP地址映射到该地址。
• 广播和组播： MAC层同时支持广播和组播，允许根据需要将帧发送到多个设备组（组播）或网络段中的所有设备（广播）。
• 安全性： 一些MAC层协议包含安全功能，如加密和身份验证，以保护数据并确保只有授权设备才能访问网络。

MAC层的具体角色和行为可能因网络技术和标准而异。不同的MAC协议旨在满足网络的需求和通信介质的特性（有线以太网、无线Wi-Fi等）。

MAC如何工作？

每个MAC协议都有独特的规则和控制来管理谁可以访问共享通信介质。在此，我将简要解释MAC通常如何工作。

1. 载波侦听
   许多MAC协议，例如载波侦听多路访问（CSMA），首先侦听通信介质，以查看是否有其他设备正在使用它。如果介质未使用，则可以继续传输数据。
2. 竞争或预留
   根据MAC协议，设备可能要么竞争访问介质，要么提前预留它。例如，以太网采用基于竞争的技术，而令牌环采用基于预留的策略。
   
   • 基于竞争的访问： 设备在检测到竞争后，可能会尝试在中介空闲时传输。但是，如果多个设备同时检测到一个空闲信道，则可能会发生冲突，在这种情况下，将使用冲突检测和解决机制。CSMA/CD（用于传统以太网）中的设备会侦测冲突，并退避任意一段时间后尝试重新传输。
   • 基于预留的访问： 在基于预留的访问中，设备访问介质。例如，在令牌环网络中，设备会传递令牌，表示其传输数据的授权。为了在传输过程中防止冲突，只有持有令牌的设备才能发送数据。
   • 应对
     当设备想要发送数据时，它会在数据帧中包含源和目的MAC地址。这些地址支持网络段上的发送者和接收者识别。
3. 帧传输
   当设备连接到介质时，它会发送一个数据帧，其中包含实际数据、控制和寻址信息。帧通过网络介质以电信号（如Wi-Fi中的无线电波或以太网中的电脉冲）传输。
4. 错误检测
   以太网中的帧检查序列（FCS）是MAC层用于检测传输错误的错误检查机制的一个示例。如果发现错误，则帧可能会被丢弃，或者可能会请求再次传输。
5. 认可
   在某些MAC协议下，接收方必须确认成功接收帧。此确认表明数据已成功接收，并可能导致发送方采取进一步行动。
6. 流量控制
   流量控制机制有时会控制数据传输速率，以防止拥塞并确保有效的数据传输。
7. 广播和组播
   MAC层允许将帧作为广播发送到网络段上的所有设备，或作为组播发送到特定设备组。
8. 地址解析
   在以太网网络中，MAC层使用地址解析协议（ARP）将较高层（如IP地址）的地址转换为MAC地址。

重要的是要记住，MAC层的具体功能可能因网络技术和标准而异。已经开发了许多MAC协议来满足各种网络环境的独特需求和挑战。

介质访问控制的局限性

计算机网络中的介质访问控制存在一些局限性。

• 仅限于共享介质： 许多MAC协议仅限于共享网络介质。当需要专用点对点连接（如点对点链路或专用电路）时，MAC协议可能不是最有效的选择。
• 开销： MAC协议会引入控制数据、寻址和冲突检测机制。这种开销可能会降低网络的实际数据吞吐量。
• 延迟： 如果适用，访问介质和冲突解决可能导致网络通信具有可变且有时不可预测的延迟。
• 可扩展性限制： 由于竞争过程效率低下，某些MAC协议可能无法很好地扩展到具有大量设备争用访问权的海量网络。
• 低利用率导致效率低下： 在利用率较低的网络中，MAC协议可能会引入不合理的延迟和竞争开销，从而降低整体效率。
• 易受拥塞影响： 网络拥塞会加剧竞争和冲突，并降低基于竞争的MAC协议的网络性能。
• 安全问题： MAC协议默认可能不具备强大的安全功能。可能需要使用额外的安全措施，如身份验证和加密，来保护较高层的数据传输。
• 有限的服务质量（QoS）支持： 尽管某些MAC协议支持基本QoS机制，但它们可能无法对网络优先级和流量管理进行精细控制。
• 安全问题： MAC协议默认可能不具备强大的安全功能。未经授权的设备连接到网络可能会带来潜在的安全风险。通常需要较高层来使用额外的安全措施，如身份验证和加密。

为了最大限度地发挥优势并最小化缺点，根据网络的独特需求（包括其大小、拓扑和流量特征）选择合适的MAC协议至关重要。不同的MAC协议适用于不同的场景，并且根据具体情况，它们可能有效，也可能无效。