介质访问控制（MAC）详解
介质访问控制（Medium Access Control, MAC）是数据链路层的核心子层，负责解决多个设备共享同一通信介质时的冲突问题。它的核心目标是：在广播或多路访问网络中，确保数据有序、高效、公平地传输。
1. MAC层的作用
MAC层主要解决以下问题：
- 冲突避免：多个设备同时发送数据时，如何避免信号碰撞（如以太网的CSMA/CD）。
- 信道分配：如何公平、高效地分配信道资源（如Wi-Fi的CSMA/CA）。
- 寻址：通过MAC地址（如
00:1A:2B:3C:4D:5E）唯一标识设备。 - 帧封装：将上层数据封装成帧（如以太网帧、Wi-Fi帧）。
2. 常见的MAC协议
MAC协议主要分为两大类：
(1) 竞争式（Contention-Based）
设备竞争信道，可能发生冲突，适用于动态负载环境。
CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）
- 用于有线以太网（Ethernet）。
- 工作原理：
- 载波监听（Listen）：发送前先检测信道是否空闲。
- 发送数据（Transmit）：如果空闲，立即发送；否则等待。
- 冲突检测（Detect）：如果检测到冲突（信号叠加），立即停止发送。
- 退避重传（Backoff）：随机等待一段时间后重试（如指数退避算法）。
- 缺点：不适用于无线网络（冲突检测困难）。
CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）
- 用于Wi-Fi（IEEE 802.11）。
- 与CSMA/CD的区别：
- 冲突避免（CA）：通过
RTS/CTS机制预约信道，减少冲突。 - 虚拟载波监听：使用
NAV（Network Allocation Vector）告知其他设备信道占用时间。
- 冲突避免（CA）：通过
- 工作流程：
- 发送
RTS（Request to Send）请求信道。 - 接收方回复
CTS（Clear to Send）确认。 - 发送数据，接收方回复
ACK确认。
- 发送
(2) 分配式（Scheduled）
预先分配信道资源，避免冲突，适用于高负载、实时性要求高的场景。
- TDMA（时分多址）
- 将时间划分为固定时隙，每个设备在指定时隙发送数据。
- 应用：2G/3G移动通信、卫星通信。
- FDMA（频分多址）
- 将频带划分为多个子信道，每个设备占用固定频段。
- 应用：广播、早期蜂窝网络。
- CDMA（码分多址）
- 所有设备同时发送，但使用不同编码区分数据。
- 应用：3G/4G移动通信。
3. MAC地址（物理地址）
- 格式：
48位十六进制（如00:1A:2B:3C:4D:5E）。 - 作用：唯一标识网络设备（网卡、手机、路由器等）。
- 分类：
- 单播地址（Unicast）：目标设备唯一。
- 多播地址（Multicast）：一组设备接收（如
01:00:5E:xx:xx:xx）。 - 广播地址（Broadcast）：
FF:FF:FF:FF:FF:FF，所有设备接收。
4. MAC帧格式（以以太网为例）
| 字段 | 大小（字节） | 说明 |
|---|---|---|
| 前导码（Preamble） | 7 | 同步时钟（10101010...） |
| SFD（Start Frame Delimiter） | 1 | 帧开始标志（10101011） |
| 目标MAC地址 | 6 | 接收方地址 |
| 源MAC地址 | 6 | 发送方地址 |
| 类型/长度（EtherType） | 2 | 上层协议（如0x0800=IPv4） |
| 数据（Payload） | 46-1500 | 传输的数据（IP包等） |
| FCS（帧校验序列） | 4 | CRC-32校验，检测传输错误 |
5. MAC层的典型应用
| 技术 | MAC协议 | 特点 |
|---|---|---|
| 以太网（Ethernet） | CSMA/CD | 有线网络，冲突检测 |
| Wi-Fi（802.11） | CSMA/CA | 无线网络，冲突避免（RTS/CTS） |
6. 总结
- MAC层核心问题：多设备共享信道时的冲突管理。
- 竞争式协议（CSMA/CD、CSMA/CA）适用于动态环境（如以太网、Wi-Fi）。
- 分配式协议（TDMA、FDMA、CDMA）适用于高负载、实时通信（如蜂窝网络）。
- MAC地址唯一标识设备，MAC帧封装数据供物理层传输。
介质访问控制（MAC）详解：CSMA/CD 与 CSMA/CA
介质访问控制（MAC）的核心任务是解决多个设备共享同一通信介质时的冲突问题。其中，CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）和 CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）是最典型的两种协议，分别用于 有线以太网 和 无线Wi-Fi。以下是它们的详细对比与解析。
1. CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）
适用场景
- 有线以太网（Ethernet，IEEE 802.3），如早期的10BASE5、10BASE2，以及半双工模式的现代以太网。
核心思想
通过 “先监听，再发送；冲突则退避” 的方式减少冲突。
工作流程
载波监听（Carrier Sense）
- 发送数据前，设备检测信道是否空闲（是否有信号传输）。
- 如果信道忙，则等待；如果空闲，进入下一步。
发送数据（Transmit）
- 设备开始发送数据帧。
- 边发送边检测冲突（Collision Detection）。
冲突检测（Collision Detection）
- 如果两个设备同时发送数据，信号会叠加（冲突）。
- 设备通过检测电压变化或信号畸变发现冲突。
- 冲突发生后：
- 立即停止发送。
- 发送一个 “冲突强化信号”（Jamming Signal），确保所有设备感知冲突。
退避重传（Backoff & Retry）
- 采用 二进制指数退避算法（BEB）：
- 冲突次数越多，退避时间越长（避免连续冲突）。
- 退避时间 = 随机数 × 时隙时间（Slot Time）。
- 重试发送，直到成功或超过最大重试次数（通常16次）。
- 采用 二进制指数退避算法（BEB）：
关键特点
- 仅适用于有线网络：冲突检测依赖电压变化，无线环境难以实现。
- 半双工模式：同一时间只能发送或接收，不能同时进行。
- 效率问题：高负载时冲突频繁，吞吐量下降。
示例（以太网冲突处理）
设备A和B同时检测到信道空闲 → 同时发送数据 → 信号冲突 →
检测到冲突 → 停止发送 → 发送Jamming信号 →
随机退避后重传。
2. CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）
适用场景
- 无线网络（Wi-Fi，IEEE 802.11），因无线信号无法可靠检测冲突。
核心思想
通过 “预约信道 + 随机退避” 避免冲突。
工作流程
载波监听（Carrier Sense）
- 物理层监听：检测无线信号强度（如RSSI）。
- 虚拟层监听：检查 NAV（Network Allocation Vector）（其他设备宣告的信道占用时间）。
随机退避（Random Backoff）
- 如果信道空闲，设备仍需等待一个随机退避时间（减少冲突概率）。
- 退避时间 = 随机数 × 时隙时间（Slot Time）。
可选RTS/CTS握手（预约信道）
- RTS（Request to Send）：发送方请求信道使用权。
- CTS（Clear to Send）：接收方确认信道可用。
- 其他设备收到CTS后，会更新NAV，避免在此期间发送数据。
发送数据 & 确认（ACK）
- 发送数据帧。
- 接收方必须回复 ACK，否则发送方认为传输失败并重试。
关键特点
- 冲突避免（CA）：通过RTS/CTS和NAV减少冲突。
- ACK机制：确保数据可靠传输。
- 适用于无线环境：不依赖冲突检测，解决“隐蔽终端问题”。
示例（Wi-Fi数据传输）
设备A想发送数据 → 监听信道（物理+虚拟）→
如果空闲，等待退避时间 → 发送RTS →
接收方B回复CTS → 其他设备（如C）收到CTS后静默 →
A发送数据 → B回复ACK。
3. CSMA/CD vs CSMA/CA 对比
| 特性 | CSMA/CD | CSMA/CA |
|---|---|---|
| 适用网络 | 有线以太网（半双工） | 无线Wi-Fi（IEEE 802.11） |
| 冲突处理 | 检测冲突后重传 | 通过RTS/CTS和退避避免冲突 |
| 是否需要ACK | 否（依赖冲突检测） | 是（确保数据到达） |
| 典型场景 | 早期共享式Hub网络 | 现代Wi-Fi、Ad-hoc网络 |
| 效率 | 高负载时冲突频繁 | 高负载时退避增加延迟 |
5. 总结
- CSMA/CD：用于有线网络，检测冲突，效率高但依赖物理层特性。
- CSMA/CA：用于无线网络，避免冲突，通过RTS/CTS和ACK提高可靠性。
- 核心区别：
- CSMA/CD “先发送，冲突再处理”。
- CSMA/CA “先预约，避免冲突”。
两种协议均体现了 “先监听，再发送” 的基本原则，但根据有线/无线的物理差异采用了不同的优化策略。