第四章第四章 介质访问子层介质访问子层 信道分配问题信道分配问题 多路访问协议多路访问协议 IEEE802标准和局域网标准和局域网 局域网互连和网桥局域网互连和网桥 高速局域网高速局域网计算机计算机电缆电缆两种广播式网络两种广播式网络(a)(b)计算机计算机10Mb/s4Mb/s或或16Mb/s1Mb=1 000 000bit广播式网络广播式网络 局域网大多采用广播传输技术（局域网大多采用广播传输技术（共享信道共享信道）广播信道广播信道（broadcast channel）或）或多路访问信道多路访问信道（multiaccess channel）或）或随机访问信道随机访问信道（random access channel）中，所有站点共享一个传输信道，任）中，所有站点共享一个传输信道，任何时候只允许一个站点使用信道（向信道上发送数何时候只允许一个站点使用信道（向信道上发送数据）若有两个或多个站点同时发送数据，则信号在据）若有两个或多个站点同时发送数据，则信号在信道上就会发生信道上就会发生碰撞碰撞或或冲突冲突（collision），导致数据发），导致数据发送的失败送的失败介质访问控制（介质访问控制（MAC）解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来控制解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来控制各个站点如何使用信道，即介质（信道）访问（使用）各个站点如何使用信道，即介质（信道）访问（使用）控制控制 MAC（Medium Access Control）。
由于网络中使用的传输介质及拓扑结构的不同，使得由于网络中使用的传输介质及拓扑结构的不同，使得介质访问控制的策略也不相同，因此在局域网的数据介质访问控制的策略也不相同，因此在局域网的数据链路层底部特别设置一个介质访问控制子层来专门负链路层底部特别设置一个介质访问控制子层来专门负责信道分配的问题责信道分配的问题4.1 信道分配问题信道分配问题 信道分配策略可分为两大类：信道分配策略可分为两大类：静态分配静态分配：如传统的：如传统的FDM和和TDM，将频带或时间片固定地，将频带或时间片固定地分配给各个站点适用于站点数量少且固定的场所，控制简分配给各个站点适用于站点数量少且固定的场所，控制简单动态分配动态分配：异步时分多路复用分为两种：异步时分多路复用分为两种：随机访问随机访问（争用争用，contention）：只要有数据，就可直接）：只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突适用于负载轻发送，发生冲突后再采取措施解决冲突适用于负载轻的网络，负载重时效率低的网络，负载重时效率低控制访问控制访问：发送站点必须先获得发送的权利，再发送数：发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。
在负载重的网络中可获得很高的信据，不会发生冲突在负载重的网络中可获得很高的信道利用率主要有道利用率主要有轮转轮转（round-robin）和）和预约预约（reservation）两种方式两种方式静态分配静态分配静态分配无法适应用户数的动态变化静态分配无法适应用户数的动态变化突发性通信造成信道的闲置，使利用率降低突发性通信造成信道的闲置，使利用率降低平均时延：平均时延：设信道容量为设信道容量为C 比特比特/秒，数据到达率为秒，数据到达率为帧帧/秒，平均每帧长度服秒，平均每帧长度服从指数概率密度函数分布从指数概率密度函数分布1/1/比特比特/帧，则平均时延为：帧，则平均时延为：1 T=C-若将单个信道分为若将单个信道分为N N个独立分布的个独立分布的FDMFDM子信道，则平均时延为：子信道，则平均时延为：1 NTFDM=NT (C/N)-(/N)C 是单个信道时延的是单个信道时延的N N倍TDMTDM也有类似问题也有类似问题动态分配模型动态分配模型一些假设：一些假设：站模型站模型：由：由N个独立的站组成，每站在个独立的站组成，每站在t t时间内生成新帧的时间内生成新帧的概率为概率为t t，为为一常量。
一常量单通道假设单通道假设：所有通信都通过单个信道进行所有通信都通过单个信道进行冲突假设冲突假设：如果两帧同时发送，产生冲突，所有的站都能：如果两帧同时发送，产生冲突，所有的站都能检测到冲突除冲突外没有其他错误检测到冲突除冲突外没有其他错误连续时间连续时间：帧能在任何时候开始发送帧能在任何时候开始发送时隙时隙：时间被分为离散的区间（时隙），帧总是在时隙开：时间被分为离散的区间（时隙），帧总是在时隙开始的瞬间发送始的瞬间发送载波侦听载波侦听：所有的站都能检测到信道是否正在使用所有的站都能检测到信道是否正在使用非载波侦听非载波侦听：各站在使用信道前不检测信道是否空闲各站在使用信道前不检测信道是否空闲4.2 多路访问协议多路访问协议 争用协议一：争用协议一：ALOHA协议协议 20世纪世纪70年代，美国夏威夷大学的年代，美国夏威夷大学的ALOHA网通过网通过无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络有两个版本：有两个版本：纯纯ALOHA协议协议（Pure ALOHA）：时间是连续）：时间是连续的，不需要时间同步。
的，不需要时间同步时隙时隙ALOHA协议协议（Slotted ALOHA）：时间是）：时间是离散的，需要时间同步离散的，需要时间同步纯纯ALOHA协议协议每个站点只要有数据就可发送；通过监听信道来发现是否发生每个站点只要有数据就可发送；通过监听信道来发现是否发生冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送研究发现，各个帧的长度相同，就可获得最大的吞吐量（单位研究发现，各个帧的长度相同，就可获得最大的吞吐量（单位时间内能够成功发送的数据帧的平均数量）时间内能够成功发送的数据帧的平均数量）纯纯ALOHA系统中的易损时间区系统中的易损时间区在下图中可以看出，在时间区在下图中可以看出，在时间区t0 t0+2t内，只要有除阴影帧外的内，只要有除阴影帧外的其它数据帧开始发送，都会产生冲突，这个时间区（即其它数据帧开始发送，都会产生冲突，这个时间区（即2t，两，两个帧时）称为易损时间区（个帧时）称为易损时间区（vulnerable period）纯纯ALOHA信道的分析信道的分析一个争用系统一方面不断生成新的数据帧发送，另一方面由于冲一个争用系统一方面不断生成新的数据帧发送，另一方面由于冲突造成老的数据帧的重发。
突造成老的数据帧的重发若在一个帧时若在一个帧时Tframe（frame time，一个数据帧占有的时间长度），一个数据帧占有的时间长度）内平均有内平均有T个新帧生成，显然，必须满足个新帧生成，显然，必须满足0TS在各种负荷下，设传送成功的概率为在各种负荷下，设传送成功的概率为P0，则存在，则存在 S=GP0 的关的关系，这里系，这里 S 即为吞吐量，即为吞吐量，G 为网络负载为网络负载在任一帧时内生成在任一帧时内生成 k 帧的概率服从泊松分布（帧的概率服从泊松分布（Poisson distributed）：）：Gk e-GPr K =K!纯纯ALOHA信道的效率信道的效率生成生成 0 帧的概率帧的概率=G0e-G/0!=e-G由于两个帧时内产生的帧数平均为由于两个帧时内产生的帧数平均为2G，则在易损时间区内只有一个数，则在易损时间区内只有一个数据帧（无任何其它帧产生）的概率为：据帧（无任何其它帧产生）的概率为：P0=e-2G代入代入S=G P0 可得：可得：S=G e-2G当当G=0.5时，可获得最大的吞吐量时，可获得最大的吞吐量Smax=1/2e 18.4%时隙时隙ALOHA协议协议1972年提出了可将纯年提出了可将纯ALOHA的利用率提高一倍的方法，即的利用率提高一倍的方法，即时隙时隙ALOHA系统。
系统将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的一个帧一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的开始才能发送开始才能发送这种时间的同步是通过设置一个可定时发送时钟信号的特这种时间的同步是通过设置一个可定时发送时钟信号的特殊站点来实现的殊站点来实现的时隙时隙ALOHA的易损时间区是纯的易损时间区是纯ALOHA的一半（即的一半（即t，一个，一个帧时），因此可得：帧时），因此可得：S=G e-G当当G=1时，可获得最大的吞吐量时，可获得最大的吞吐量Smax=1/e 36.8%争用协议二：争用协议二：CSMA协议协议载波侦听多路访问载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access）协议）协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后才可发送数据即才可发送数据即“讲前先听讲前先听”可大大减少冲突，获得远大于可大大减少冲突，获得远大于1/e的利用率，广泛应用于的利用率，广泛应用于LAN中。
中常见的四种常见的四种CSMA协议：协议：1-坚持式坚持式CSMA（1-persistent CSMA）非坚持式非坚持式CSMA（non-persistent）p-坚持式坚持式CSMA（p-persistent CSMA）带有冲突检测的带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection）1-坚持式坚持式CSMA 当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就就坚持坚持监听，一旦发现信道空闲，就监听，一旦发现信道空闲，就立即发送立即发送数据数据（发送数据的概率为（发送数据的概率为1）若发生冲突，就）若发生冲突，就等待一随等待一随机时间机时间，再重新开始监听信道再重新开始监听信道两种发生冲突的可能：两种发生冲突的可能：信号传输的延迟造成的冲突信号传输的延迟造成的冲突多个站点在监听到信道空闲时，同时发送多个站点在监听到信道空闲时，同时发送此协议的性能高于此协议的性能高于ALOHA协议非坚持式非坚持式CSMA 当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就随机等待一段时间后再开始监听信道（就随机等待一段时间后再开始监听信道（非坚持非坚持）；）；一旦发现信道空闲，就立即发送数据。
一旦发现信道空闲，就立即发送数据延迟增大延迟增大p-坚持式坚持式CSMA 用于时隙信道用于时隙信道当一个站点要发送数据时，首先监听当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙则等到下个时间片再开始监听信道；信道，若信道忙则等到下个时间片再开始监听信道；若信道空闲便以概率若信道空闲便以概率p发送数据，而以概率发送数据，而以概率q=1-p推迟推迟到下个时间片再重复上述过程，直到数据被发送到下个时间片再重复上述过程，直到数据被发送概率概率p的目的就是试图降低的目的就是试图降低1-坚持式协议中多个站点同坚持式协议中多个站点同时发送而造成冲突的概率时发送而造成冲突的概率采用坚持监听是试图克服非坚持式协议中造成的时间采用坚持监听是试图克服非坚持式协议中造成的时间延迟p的选择直接关系到协议的性能的选择直接关系到协议的性能各种随机访问协议的信道利用率与负载的各种随机访问协议的信道利用率与负载的关系图关系图CSMA/CDCS协议的协议的“讲前先听讲前先听”对对ALOHA系统进行了有效的改进，但在系统进行了有效的改进，但在发送过程中若发生冲突，仍要将剩余的无效数据发送完，既浪费发送过程中若发生冲突，仍要将剩余的无效数据发送完，既浪费了时间又浪费了带宽。
了时间又浪费了带宽CD协议的协议的“边讲边听边讲边听”可对可对CSMA作进一步改进发送过程中，作进一步改进发送过程中，仍然监听信道，通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将之与发仍然监听信道，通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将之与发送的信号作比较，就可判断是否发生冲突送的信号作比较，就可判断是否发生冲突一旦发生冲突，立即一旦发生冲突，立即取消发送，等待一随机时间后再重新尝试发送取消发送，等待一随机时间后再重新尝试发送CSMA/CD有三种状态：竞争、传输和空闲周期有三种状态：竞争、传输和空闲周期CSMA/CD协议中的竞争时间片协议中的竞争时间片竞争时间片（竞争时间片（contention slot）的长度为信道最大传输延迟）的长度为信道最大传输延迟（propagation delay）的）的2倍（即倍（即2，图中为，图中为2Tprop）表示一个站点发一个站点发送数据后，最多需经送数据后，最多需经2的时间才能确认是否的时间才能确认是否“抓住抓住”（seized）了电缆例如，对于例如，对于1公里长公里长的同轴电缆，的同轴电缆，约约为为5s，则其，则其竞争时竞争时间片为间片为2，即，即10s竞争时间片的理解竞争时间片的理解竞争时间片也叫冲突检测时间。
竞争时间片也叫冲突检测时间使用特殊的编码用于冲突检测使用特殊的编码用于冲突检测帧的最小长度？帧的最小长度？较大的较大的（长的信道）和短帧对冲突（长的信道）和短帧对冲突检测检测的影响无冲突（无冲突（collision-free）协议）协议 顾名思义无冲突协议就是不会产生冲突的协议顾名思义无冲突协议就是不会产生冲突的协议两种无冲突协议：两种无冲突协议：位图（位图（bit-map）协议也叫比特映像协议）协议也叫比特映像协议 二进制倒计数（二进制倒计数（binary countdown）协议也叫二）协议也叫二进制地址相加协议进制地址相加协议位图协议位图协议假设有假设有N个站点（编号为个站点（编号为0 N-1），下图中），下图中N=8将信道时间划分成一系列交替的将信道时间划分成一系列交替的预约周期预约周期（位图）和（位图）和数据传输周数据传输周期期：一个预约周期由一个预约周期由N个个1比特的竞争时隙组成，每个时隙对应一比特的竞争时隙组成，每个时隙对应一个站点任何一个站点有数据发送时，必须在它的竞争时隙个站点任何一个站点有数据发送时，必须在它的竞争时隙期间发送期间发送“1”进行预约进行预约预约周期结束后，预约过的站点按编号顺序进行发送，永不预约周期结束后，预约过的站点按编号顺序进行发送，永不冲突。
最后一站点发完数据后，开始新一轮的预约周期最后一站点发完数据后，开始新一轮的预约周期位图协议的性能位图协议的性能低负荷时，数据发送少，基本重复预约周期低负荷时，数据发送少，基本重复预约周期对于低编号的站点，平均需等待对于低编号的站点，平均需等待N/2时隙（本次预约周时隙（本次预约周期）外加期）外加N时隙（下一轮预约周期），共时隙（下一轮预约周期），共1.5N时隙后才时隙后才可发送对于高编号的站点，平均只需等待对于高编号的站点，平均只需等待N/2时隙（本次预约时隙（本次预约周期）就可发送周期）就可发送因此，所有站点平均等待时间为因此，所有站点平均等待时间为N个时隙则低负荷下个时隙则低负荷下的效率为的效率为d/(N+d)，其中，其中d为一个数据帧的比特量为一个数据帧的比特量高负荷时，基本上高负荷时，基本上N比特竞争时隙按比例平均分配给比特竞争时隙按比例平均分配给N帧数帧数据，即每帧需要一比特的额外开销，则效率为据，即每帧需要一比特的额外开销，则效率为d/(d+1)位图协议的改进位图协议的改进小时隙轮换优先权协议：对位图协议稍加改进，一个站点在预约小时隙轮换优先权协议：对位图协议稍加改进，一个站点在预约后可立即发送，发送后紧接着又进入预约周期，由后继站点进行后可立即发送，发送后紧接着又进入预约周期，由后继站点进行预约发送。
预约发送改善了位图协议在低负荷下的效率，每个站点的平均等待时间都改善了位图协议在低负荷下的效率，每个站点的平均等待时间都为为N/2个时隙0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 1 1 1 3 1 7 1 1 1 5二进制倒计数协议二进制倒计数协议每个站点的地址用等长的二进制数表示每个要发送数据的站每个站点的地址用等长的二进制数表示每个要发送数据的站点先广播发送它们的二进制地址（按高位到低位的顺序）这点先广播发送它们的二进制地址（按高位到低位的顺序）这些地址在信道上被按位相加（逻辑或）各站点在发送些地址在信道上被按位相加（逻辑或）各站点在发送地址时监听信道，当地址时监听信道，当发现自己地址中的某发现自己地址中的某个个“0”在信道上变为在信道上变为“1”时，即退出竞争时，即退出竞争最后参与竞争的地址最后参与竞争的地址最高的站点获得发送最高的站点获得发送权发送结束后，重权发送结束后，重新进入下一轮竞争新进入下一轮竞争二进制倒计数协议的效率及改进二进制倒计数协议的效率及改进 对共有对共有N个站点的系统中，地址长度为个站点的系统中，地址长度为ceil(log2N)，每，每个站点为获得信道所需的额外开销也就是个站点为获得信道所需的额外开销也就是ceil(log2N)，则其协议效率应为则其协议效率应为d/(d+ceil(log2N)。
将帧的第一个字段改为地址字段，则协议效率可达将帧的第一个字段改为地址字段，则协议效率可达100%显然，各站点具有不同的优先级，地址越高，优先级显然，各站点具有不同的优先级，地址越高，优先级也越高为了公平，采用一种为了公平，采用一种虚拟站编号并轮换优先级虚拟站编号并轮换优先级的改进的改进方案，编号可变，发送完数据的站点将其地址编号降方案，编号可变，发送完数据的站点将其地址编号降到最低到最低0，其它编号低于该站点的站点编号都加，其它编号低于该站点的站点编号都加1有限争用（有限争用（limited-contention）协议）协议 争用协议在轻负荷时延迟特性好，但重负荷时争用协议在轻负荷时延迟特性好，但重负荷时信道效率低；而无冲突协议在轻负荷时延迟特信道效率低；而无冲突协议在轻负荷时延迟特性差，但重负荷时信道效率高性差，但重负荷时信道效率高将争用协议和无冲突协议结合起来，在轻负荷将争用协议和无冲突协议结合起来，在轻负荷时使用争用策略，而在重负荷时使用无冲突策时使用争用策略，而在重负荷时使用无冲突策略，即有限争用协议略，即有限争用协议对称（对称（symmetric）式争用的分析）式争用的分析在对称的争用协议中，每个站点都以相同的概率在对称的争用协议中，每个站点都以相同的概率p竟争使用信道，竟争使用信道，假设共有假设共有k个站点参与信道竟争，则在一竞争时隙内一个站点获个站点参与信道竟争，则在一竞争时隙内一个站点获取信道的成功概率为取信道的成功概率为kp(1-p)k-1，通过对，通过对p的微分可得最优值的微分可得最优值p=1/k，即即Pr最优最优p的成功率的成功率=(k-1)/kk-1当当k增大时，竞争成功概率增大时，竞争成功概率Pr急剧下降，当急剧下降，当k=5时接近其极限时接近其极限1/e。
非对称（非对称（asymmetric）争用方式争用方式 只要减少参与竞争的站点数，就可增加每一竞只要减少参与竞争的站点数，就可增加每一竞争时隙内站点获取信道的概率争时隙内站点获取信道的概率有限争用协议的指导思想：根据网络的负荷情有限争用协议的指导思想：根据网络的负荷情况，对所有的站点进行动态分组（负荷轻时，况，对所有的站点进行动态分组（负荷轻时，每组中的站点数多一些；负荷重时，站点数就每组中的站点数多一些；负荷重时，站点数就少一点），每个竞争时隙内只允许某个组中的少一点），每个竞争时隙内只允许某个组中的站点进行竞争站点进行竞争自适应步进树协议自适应步进树协议 自适应步进树（自适应步进树（adaptive tree walk）协议是有）协议是有限争用协议的一个典型例子限争用协议的一个典型例子把所有站点看作是一棵二叉树的树叶，树中的把所有站点看作是一棵二叉树的树叶，树中的其它节点作为不同的组别自顶开始采用深度其它节点作为不同的组别自顶开始采用深度优先搜索方式，将竞争时隙顺序地分配给不同优先搜索方式，将竞争时隙顺序地分配给不同的组别若发生冲突，则对其左子树和右子树的组别若发生冲突，则对其左子树和右子树继续搜索，直到没有站点发送或某个站点竞争继续搜索，直到没有站点发送或某个站点竞争获得成功。
获得成功自适应步进树协议示例自适应步进树协议示例站点站点C、D和和G有数据发送：有数据发送：时隙时隙0：组：组1中碰撞，移到组中碰撞，移到组2时隙时隙1：组：组2中碰撞，移到组中碰撞，移到组4时隙时隙2：组：组4中无站点发送，移中无站点发送，移到组到组5时隙时隙3：组：组5中碰撞，移到中碰撞，移到C时隙时隙4：C竞争成功竞争成功，移到，移到D时隙时隙5：D竞争成功竞争成功，移到组，移到组3时隙时隙6：组：组3中无冲突，中无冲突，G竞争竞争成功成功自适应步进树协议的改进自适应步进树协议的改进负荷越重，初次搜索的层次就应负荷越重，初次搜索的层次就应该越低假设通过实时监视网络该越低假设通过实时监视网络流量可较准确地估算出有流量可较准确地估算出有q个站个站点准备发送数据，则可推算出应点准备发送数据，则可推算出应从第从第log2q层开始搜索层开始搜索其它的优化考虑站点其它的优化考虑站点G和和H要要发送数据：发送数据：常规需常规需7个时隙：个时隙：1、2、3、6、7、G、H采用采用log2q层开始搜索需层开始搜索需6个时个时隙：隙：2、3、6、7、G、H更优化方法只需更优化方法只需4个时隙：个时隙：2、6、G、H。
波分多路访问协议波分多路访问协议光纤网中一种无源星形连接光纤网中一种无源星形连接波分多路访问协议波分多路访问协议每个站点都有每个站点都有2个发送端和个发送端和2个接收端：个接收端：一个波长固定不变的接收端，用来侦听本站点的控制信道一个波长固定不变的接收端，用来侦听本站点的控制信道一个波长可调的发送端，用于向其他站点的控制信道发送帧一个波长可调的发送端，用于向其他站点的控制信道发送帧一个波长固定不变的发送端，用于输出数据一个波长固定不变的发送端，用于输出数据一个波长可调的接收端，用来选择要侦听的数据发送端一个波长可调的接收端，用来选择要侦听的数据发送端波分多路访问协议波分多路访问协议每个站点分配每个站点分配2个信道：个信道：控制信道控制信道（窄），（窄），输出数据帧信道输出数据帧信道（宽）（宽）无线局域网（无线局域网（Wireless LAN）协议）协议WLAN中通过有线介质将一些基站（中通过有线介质将一些基站（base station）连接起来，每个基站）连接起来，每个基站通过微波或红外信号与移动的计算机进行通信，一个基站同时只能与一通过微波或红外信号与移动的计算机进行通信，一个基站同时只能与一台计算机通信。
台计算机通信WLAN最基本使用最基本使用CSMA协议，但由于各个站点发出的信号范围有限协议，但由于各个站点发出的信号范围有限（不像有线网络中一个站点发出的信号可到达所有的站点），因此会造（不像有线网络中一个站点发出的信号可到达所有的站点），因此会造成：成：隐藏站点问题（隐藏站点问题（hidden station problem）：图）：图(a)中，中，A向向B发送时，发送时，由于由于C听不到误以为可发送数据，造成听不到误以为可发送数据，造成B接收失败接收失败暴露站点问题（暴露站点问题（exposed station problem）：图）：图(b)中，中，B向向A发送时，发送时，C听到信道忙误认为它不能向听到信道忙误认为它不能向D发送数据，实际上并不影响发送数据，实际上并不影响A和和D两两站的接收站的接收Multiple Access with Collision Avoidance MACA（带冲突避免的多路访问协议）是（带冲突避免的多路访问协议）是WLAN采用采用的介质访问控制协议，其相应的国际标准为的介质访问控制协议，其相应的国际标准为 IEEE 802.11发送方先激发（发送方先激发（RTS）接收方发送一个短帧（）接收方发送一个短帧（CTS），），使接收方周围的站点不会在即将到来的数据帧期间发使接收方周围的站点不会在即将到来的数据帧期间发送数据而导致冲突（避免冲突）。
送数据而导致冲突（避免冲突）当多个站点同时向一个站点激发时仍会发生冲突，在当多个站点同时向一个站点激发时仍会发生冲突，在预定时间内没有收到预定时间内没有收到CTS的发送方采用二进制指数退的发送方采用二进制指数退避算法，在等待一随机时间后再次重试避算法，在等待一随机时间后再次重试MACAA首先向首先向B发送一包含后继数据帧长度的发送一包含后继数据帧长度的RTS短帧（短帧（30字节）B回复一回复一个也包含数据帧长度（从个也包含数据帧长度（从RTS中得到）的中得到）的CTS短帧A一旦收到一旦收到CTS，就，就开始发送数据开始发送数据侦听到侦听到RTS的其它站点均向的其它站点均向A关闭，并保持足够长的沉默时间使关闭，并保持足够长的沉默时间使A可无冲可无冲突地收到突地收到CTS侦听到CTS的其它站点均向的其它站点均向B关闭，并在后继数据到来期关闭，并在后继数据到来期间（从间（从CTS中可知）保持沉默中可知）保持沉默C位于位于A范围内，范围内，B范围外：听不到范围外：听不到CTS，可随意地在，可随意地在A发送数据帧发送数据帧时发送自己的帧时发送自己的帧D和和E都位于都位于B范围内：听到范围内：听到CTS后，关闭所有的发送，直到后，关闭所有的发送，直到A到到B的的帧被认为发送完毕。
帧被认为发送完毕4.3 IEEE 802标准与局域网标准与局域网 IEEE于于1980年年2月成立了一个局域网标准化委月成立了一个局域网标准化委员会，叫作员会，叫作802委员会，专门从事局域网标准委员会，专门从事局域网标准的制定，其制定的一系列标准称作的制定，其制定的一系列标准称作IEEE 802标标准IEEE 802标准被标准被ANSI接收为美国国家标准，接收为美国国家标准，于于1984年年3月被月被ISO采纳作为局域网的国际标准，采纳作为局域网的国际标准，称为称为ISO 8802标准OSI参考模型和参考模型和802工程模型的关系工程模型的关系从从OSI参考模型的角度来看，参考模型的角度来看，IEEE 802标准主要涉及物理标准主要涉及物理层和数据链路层及网络层的一部分，其中数据链路层被分层和数据链路层及网络层的一部分，其中数据链路层被分为介质访问控制（为介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（）子层和逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）子层物理层和介质访问控制子层：局域网可采用多种传输介物理层和介质访问控制子层：局域网可采用多种传输介质和拓扑结构，相应需要多种不同的介质访问控制方式。
质和拓扑结构，相应需要多种不同的介质访问控制方式逻辑链路控制子层：完成通常意义下的数据链路层的功逻辑链路控制子层：完成通常意义下的数据链路层的功能，使网络的上层可完全独立于各种不同的物理底层能，使网络的上层可完全独立于各种不同的物理底层网际（网际（network）层：由于局域网基本使用广播信道，）层：由于局域网基本使用广播信道，各节点之间无需路有选择但当涉及多个局域网互连时，各节点之间无需路有选择但当涉及多个局域网互连时，就必须设置一网际层来实现路由选择的问题，相当于网就必须设置一网际层来实现路由选择的问题，相当于网络层的一个子层络层的一个子层Network LayerData Link LayerPhysical LayerNetworkLLCMACPhysicalOSI参考模型参考模型802工程模型工程模型IEEE 802标准系列标准系列IEEE 802.1A：概述及网络体系结构：概述及网络体系结构IEEE 802.1B：寻址、网络管理和网际互联：寻址、网络管理和网际互联IEEE 802.2：逻辑链路控制协议：逻辑链路控制协议IEEE 802.3：CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范（以太网）介质访问控制方法和物理层技术规范（以太网）IEEE 802.4：令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范：令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范IEEE 802.5：令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范：令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范IEEE 802.6：DQDB介质访问控制方法和物理层技术规范（介质访问控制方法和物理层技术规范（MAN）IEEE 802.7：宽带：宽带LAN（时分剑桥环网）（时分剑桥环网）IEEE 802.8：光纤局域网：光纤局域网（FDDI）IEEE 802.9：综合话音数据局域网：综合话音数据局域网（ISDN）IEEE 802.10：可互操作的局域网的安全机制（：可互操作的局域网的安全机制（Virtual LAN）IEEE 802.11：CSMA/CA（WLAN）IEEE 802.12：优先级请求访问局域网（：优先级请求访问局域网（100VoiceGrade-AnyLAN）IEEE 802.14：有线电视网上的数据传输：有线电视网上的数据传输IEEE 802.15：WPAN（Wireless Personal Area Networks）IEEE 802.16：Broadband wireless（Wireless MAN）IEEE 802.17：坚固型分组环（：坚固型分组环（RPR，Resilient Packet Ring）IEEE 802.18：Radio Regulatory TAG（Technical Advisory Group）IEEE 802.19：Coexistence Technical Advisory GroupIEEE 802标准系列图示标准系列图示802.3 MAC802.3 物物理层理层802.4 MAC802.4 物物理层理层802.5 MAC802.5 物物理层理层802.6 MAC802.6 物物理层理层802.2 LLC802.1A 概述及体系结构概述及体系结构802.1B 寻址、管理寻址、管理802.1B 网际互联网际互联物理层物理层链路层链路层网际层网际层从以太网到从以太网到IEEE 802.31976年，年，Xerox公司建成世界上第一个公司建成世界上第一个CSMA/CD局域网局域网（2.94Mbps），在一公里长的粗同轴电缆上连接了），在一公里长的粗同轴电缆上连接了100多个多个个人工作站，此系统被称作以太网（个人工作站，此系统被称作以太网（Ethernet）。
以太网的成功促使以太网的成功促使Xerox、DEC和和Intel联合开发该产品，并联合开发该产品，并制定了一个制定了一个10Mbps的以太网标准的以太网标准IEEE 802.3标准正是建标准正是建立在此标准之上立在此标准之上IEEE 802.3和以太网的区别：和以太网的区别：IEEE 802.3描述了运行在各种介质上的从描述了运行在各种介质上的从1Mbps10Mbps的整个的整个1-坚持式坚持式CSMA/CD系统的家族系统的家族两者帧的头部字段定义也有所不同两者帧的头部字段定义也有所不同IEEE 802.3标准的协议标准的协议 IEEE 802.3标准采用标准采用1-坚持式坚持式CSMA/CD协议：协议：当站点有数据发送时，先监听信道，若信道忙就坚当站点有数据发送时，先监听信道，若信道忙就坚持监听直到信道空闲，一旦信道空闲就立即发送数持监听直到信道空闲，一旦信道空闲就立即发送数据在发送数据时仍继续监听信道，若发生冲突就终止在发送数据时仍继续监听信道，若发生冲突就终止数据发送（实际上会再发送数据发送（实际上会再发送4到到6个字节的干扰串个字节的干扰串（jam），以便加强冲突，使所有站点都能尽早发），以便加强冲突，使所有站点都能尽早发现冲突，退出数据发送，这叫作冲突强化措施现冲突，退出数据发送，这叫作冲突强化措施（collision consensus enforcement），等待一随），等待一随机时间后，再重新尝试发送。
机时间后，再重新尝试发送IEEE 802.3的四种介质规范的四种介质规范按历史的发展顺序依次为：按历史的发展顺序依次为：10Base5（粗缆以太网）（粗缆以太网）10Base2（细缆以太网）（细缆以太网）10Base-T（双绞线以太网）（双绞线以太网）10Base-F（光纤以太网）（光纤以太网）含义：含义：“10”：速率为：速率为10 Mbps“Base”：基带信号传输：基带信号传输“5”：单段的最大长度为：单段的最大长度为5个个100米米“2”：单段的最大长度为：单段的最大长度为2个个100米，实际为米，实际为600英尺，约英尺，约182.88米米“T”：Twisted pair，使用双绞线介质，使用双绞线介质“F”：Fiber optics使用光纤介质使用光纤介质10Base5和和10Base2所有站点都连接共享一条同轴电缆总线所有站点都连接共享一条同轴电缆总线10Base5使用粗缆收发器连接介质，通过收发器电缆（使用粗缆收发器连接介质，通过收发器电缆（AUI电缆）电缆）将粗缆收发器和网卡相连收发器电缆采用将粗缆收发器和网卡相连收发器电缆采用STP（发送数据一（发送数据一对，接收数据一对，碰撞信号传输一对，对，接收数据一对，碰撞信号传输一对，+15电源和地一对，外电源和地一对，外加一根屏蔽的保护地），最大长度不能超过加一根屏蔽的保护地），最大长度不能超过50米。
米10Base2使用使用T型头及型头及BNC连接器来连接介质和网卡其收发器连接器来连接介质和网卡其收发器不再单独在外，直接集成在网卡上不再单独在外，直接集成在网卡上925m50.53020010505细同轴电缆10Base22.5km52.5100500105010粗同轴电缆10Base5最长距最长距离离最大最大段数段数节点间距节点间距最小值最小值(m)每段最大每段最大节点数节点数单段最大单段最大长度长度(m)速率速率(Mbps)阻抗阻抗()直径直径(mm)介质介质组网方式组网方式各种组网技术的连接各种组网技术的连接10Base-T和和10Base-F10Base-T：所有站点都通过独立的双绞线连接到一个中央集线器（所有站点都通过独立的双绞线连接到一个中央集线器（HUB）的各个接口上集线器内部电路将所有的接口都连接在一起，的各个接口上集线器内部电路将所有的接口都连接在一起，构成共享信道构成共享信道双绞线的连接使用标准的双绞线的连接使用标准的RJ45连接器，最大长度不超过连接器，最大长度不超过100米双绞线中只使用其中的两对，一对用于数据发送（双绞线中只使用其中的两对，一对用于数据发送（1和和2脚分脚分别为别为TxD+和和TxD-），另一对用于数据接收（），另一对用于数据接收（3和和6脚分别为脚分别为RxD+和和RxD-）。
HUB可以用各种线缆进行级联，以便实现更长距离的连接可以用各种线缆进行级联，以便实现更长距离的连接10Base-T为星型拓扑结构，符合结构化设计，是以太网中最为星型拓扑结构，符合结构化设计，是以太网中最常用的组网技术常用的组网技术10Base-F使用光纤作为传输介质，具有极好的抗干扰能力，距离使用光纤作为传输介质，具有极好的抗干扰能力，距离可达可达2公里，适用于室外楼宇之间的连接公里，适用于室外楼宇之间的连接曼彻斯特编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester encoding）和差分曼彻斯特编码）和差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding）都为自同步归零码曼彻斯特编码）都为自同步归零码曼彻斯特编码属绝对相位编码，而差分曼彻斯特编码属相对相位编码属绝对相位编码，而差分曼彻斯特编码属相对相位编码所有的所有的802.3系统都采用曼彻斯特编码，实现比较简单其信号的高电平系统都采用曼彻斯特编码，实现比较简单其信号的高电平为为+0.85V，低电平为，低电平为-0.85V由于在每个由于在每个1/2位周期处都会发生跳变，不仅可提供用于同步的时钟信号位周期处都会发生跳变，不仅可提供用于同步的时钟信号（但编码效率降低），也为信道侦听提供了可能。
但编码效率降低），也为信道侦听提供了可能802.3MAC帧的结构帧的结构前导码前导码：7个字节（个字节（10101010），用于收发双方的时钟同步用于收发双方的时钟同步帧起始定界符帧起始定界符：1个字节（个字节（10101011），标志帧的开始标志帧的开始目的地址和源地址目的地址和源地址：可为：可为2或或6个字节，但个字节，但10Mbps的基带系统只的基带系统只用用6字节地址目的地址可分为：字节地址目的地址可分为：单地址单地址：最高比特位为：最高比特位为“0”，用于单播（，用于单播（unicast）组地址组地址：最高比特位为：最高比特位为“1”，用于组播（，用于组播（multicast）广播地址广播地址：全：全“1”，用于广播（，用于广播（broadcast）通过次高位的不同来区分全局地址和局部地址：通过次高位的不同来区分全局地址和局部地址：局部地址局部地址：次高位为：次高位为“1”，由网络管理员指定，只用于本网，由网络管理员指定，只用于本网中全局地址全局地址：次高位为：次高位为“0”，由，由IEEE统一分配，保证在世界上统一分配，保证在世界上的唯一性共有的唯一性共有248-27 1013（70万亿个）。
万亿个）长度字段长度字段：2个字节（个字节（01500），用于指明数据域的字节数用于指明数据域的字节数数据域：数据域：01500个字节，用于存放被传输的数据（个字节，用于存放被传输的数据（LLC PDU）填充域填充域：046个字节，个字节，802.3规定有效帧从目的地址到校验规定有效帧从目的地址到校验和字段的最短长度为和字段的最短长度为64字节（固定部分为字节（固定部分为18字节）字节），当数，当数据域长度小于据域长度小于46个字节时，就使用本字段的填充来满足最个字节时，就使用本字段的填充来满足最短帧的要求短帧的要求校验和校验和：4个字节，使用个字节，使用32位位CRC校验，校验，G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x5+x4+x2+x+1802.3 MAC最短帧的限制最短帧的限制对最短帧的限制主要有两个原因：对最短帧的限制主要有两个原因：区分出有效帧和碎片帧（由于冲突而中断发送的残缺帧，长度短）区分出有效帧和碎片帧（由于冲突而中断发送的残缺帧，长度短）更为重要的原因是短帧可能会造成冲突检测失败更为重要的原因是短帧可能会造成冲突检测失败竞争时间片竞争时间片2=2*(总的总的DTE延迟延迟+总的总的Repeater延迟延迟+总的总的MAU延迟延迟+传传输延迟输延迟)，决定了半双工，决定了半双工CSMA/CD系统（共享信道）中的最大冲突域系统（共享信道）中的最大冲突域（collision domain）直径。
直径802.3基带系统在基带系统在2.5公里长（包含公里长（包含4个中继器）的信道上的个中继器）的信道上的2为为51.2s对于对于10Mbps的速率来说，的速率来说，帧长帧长=51.2s 10Mbps=512 bit=64 Byte随着网络速度的提高，相应地必须增大最短帧的长度或缩小电缆随着网络速度的提高，相应地必须增大最短帧的长度或缩小电缆的最大长度：的最大长度：对于对于100Mbps：512位时间（位时间（bit-time）的）的2为为5.12s，则网络，则网络跨度（跨度（span）约为）约为250米（基于双绞线，包含米（基于双绞线，包含2个个II类中继器）类中继器）对于对于1000Mbps：512位时间的位时间的2为为0.512s，则网络跨度为，则网络跨度为25米（米（640字节，字节，250米）实际的千兆以太网通过一种载波扩展的机制延长一个帧信号实际的千兆以太网通过一种载波扩展的机制延长一个帧信号在半双工系统上的活动时间（在帧后使用扩展位让帧信号最在半双工系统上的活动时间（在帧后使用扩展位让帧信号最少在系统上停留少在系统上停留512个字节，即个字节，即4096位时间），因此其竞争时位时间），因此其竞争时间片为间片为4.096s，相应的网络直径达到，相应的网络直径达到200米（使用一个中继米（使用一个中继器）。
但大大地降低了信道的效率但大大地降低了信道的效率二进制指数退避算法二进制指数退避算法冲突发生后随机等待时间的产生遵循二进制指数退避算法冲突发生后随机等待时间的产生遵循二进制指数退避算法（binary exponentiation backoff algorithm），它可以将等），它可以将等待的时间动态地与试图发送的站点数相匹配，具体为：待的时间动态地与试图发送的站点数相匹配，具体为：以竞争时隙（以竞争时隙（2）作为基本的等待时间单位，在）作为基本的等待时间单位，在i次冲突次冲突后，等待的时隙数为后，等待的时隙数为02i-1中的随机之一中的随机之一达到达到10次冲突后，随机等待的最大时隙数就被固定在次冲突后，随机等待的最大时隙数就被固定在1023（210-1）16次冲突后，宣布发送失败，进一步的恢复留待高层进次冲突后，宣布发送失败，进一步的恢复留待高层进行回答以太网（回答以太网（acknowledging ethernet）以太网采用正向应答方式收到正确帧就返回一个肯以太网采用正向应答方式收到正确帧就返回一个肯定确认；收到错误帧，不作确认定确认；收到错误帧，不作确认各种类型的帧（包括数据帧、确认帧等）都要参加发各种类型的帧（包括数据帧、确认帧等）都要参加发送竞争，这种网络称为原型网。
送竞争，这种网络称为原型网确认帧（短帧）发生冲突会大大降低网络效率确认帧（短帧）发生冲突会大大降低网络效率为了使确认帧能快速正确地发送，在每次数据帧发送为了使确认帧能快速正确地发送，在每次数据帧发送成功后，将第一个竞争时隙（基本等待时间，成功后，将第一个竞争时隙（基本等待时间，BWT，Basic Wait Time）留给目的站点，用作确认帧无冲突）留给目的站点，用作确认帧无冲突传输，这种方式叫作回答以太网传输，这种方式叫作回答以太网802.3 MAC子层的功能子层的功能802.3 MAC子层除了要完成子层除了要完成介质访问管理介质访问管理（包括介质分配和冲突（包括介质分配和冲突解决）的功能外，另外还要实现对数据的解决）的功能外，另外还要实现对数据的封装与解封封装与解封，包括组帧、，包括组帧、寻址和错误检测寻址和错误检测发送数据封装发送数据封装接收数据解封接收数据解封发送介质发送介质访问管理访问管理发送数据编码发送数据编码接收数据解码接收数据解码接收介质接收介质 访问管理访问管理LLC子层子层MAC子层子层物理层物理层交换式（交换式（switched）以太网）以太网网络交换机（网络交换机（switch）源自于多端口网桥（）源自于多端口网桥（bridge），采用存储），采用存储-转发方转发方式在各端口之间进行数据帧（式在各端口之间进行数据帧（802.3 MAC帧）的交换，遵循帧）的交换，遵循IEEE 802.1D规范。
规范交换机的每个端口都为一个独立的冲突域不仅可将不同运行速度的网交换机的每个端口都为一个独立的冲突域不仅可将不同运行速度的网段连接起来实现增大网络距离的目的，而且由于可同时提供多条数据传段连接起来实现增大网络距离的目的，而且由于可同时提供多条数据传输路径（非共享），从而使网络的整体吞吐量大为提高输路径（非共享），从而使网络的整体吞吐量大为提高交换机内维护着一张交换机内维护着一张地址表地址表，将各端口同与之相连的节点（，将各端口同与之相连的节点（MAC）地）地址关联起来它是数据帧转发的依据址关联起来它是数据帧转发的依据端口端口1端口端口2端口端口4端口端口3节点节点A节点节点B节点节点C节点节点DSwitch4D3C2B1A端口端口地址地址地址查询表地址查询表交换式以太网的三种转发技术交换式以太网的三种转发技术存储转发式：完全接收存储了一个帧后，再进行转发存储转发式：完全接收存储了一个帧后，再进行转发切入式：只接收到帧头中的目的地址后，就可据此进行转发大大降低切入式：只接收到帧头中的目的地址后，就可据此进行转发大大降低了延时，但可能会转发坏帧了延时，但可能会转发坏帧改进的切入式：接收完帧的头改进的切入式：接收完帧的头64个字节（基本可检测出是否坏帧）后再个字节（基本可检测出是否坏帧）后再进行转发。
在交换延迟和错误校验之间取得较好折衷进行转发在交换延迟和错误校验之间取得较好折衷存储转发式存储转发式 的转发点的转发点改进型切入式改进型切入式 的转发点的转发点切入式切入式 的转发点的转发点IEEE 802.5令牌环（令牌环（token ring）网）网 令牌环网令牌环网1969年出现于贝尔实验室，年出现于贝尔实验室，1985年年10月月IBM公司推出了公司推出了IBM令牌环网，后来形成令牌环网，后来形成IEEE 802.5令牌令牌环网标准环网标准环并不是真正的广播介质，而是由一系列点到点的连环并不是真正的广播介质，而是由一系列点到点的连接构成的一个圆环可以灵活使用双绞线、同轴电缆、接构成的一个圆环可以灵活使用双绞线、同轴电缆、光纤等多种传输介质光纤等多种传输介质IEEE 802.5令牌环网使用令牌环网使用STP，速率为，速率为1Mbps或或4Mbps，采用差分曼彻斯特编码，其高、低电平分别为采用差分曼彻斯特编码，其高、低电平分别为+3.0V+4.5V和和-4.5V-3.0V不要求使用星型环结构，不要求使用星型环结构，但大多数但大多数802.5局域网都采用星型环结构局域网都采用星型环结构。
令牌环工作原理令牌环工作原理站点通过环接口连到网上，数据以帧的形式在环上单方向流动站点通过环接口连到网上，数据以帧的形式在环上单方向流动环上存在一个称为令牌的特殊标记，令牌也象数据一样在环上单向传环上存在一个称为令牌的特殊标记，令牌也象数据一样在环上单向传递，只有获得令牌的站点才有权利发送数据不会发送冲突递，只有获得令牌的站点才有权利发送数据不会发送冲突各站点边收边发，所有站点都会收到数据，数据返回到发送站被取消各站点边收边发，所有站点都会收到数据，数据返回到发送站被取消环的比特长度环的比特长度环的长度至少要能容纳整个令牌在其上周游，因此环的长度有最环的长度至少要能容纳整个令牌在其上周游，因此环的长度有最小值限制小值限制设环的数据传输速率为设环的数据传输速率为R Mbps，则每，则每1/R s发送发送1比特由于电比特由于电缆上信号的典型传播速率为缆上信号的典型传播速率为200 m/s，则环上一个比特的物理长，则环上一个比特的物理长度为度为200/R m例如对于一个例如对于一个速率为速率为1 Mbps的环网，则每比特的环网，则每比特物理长度就为物理长度就为200 m考虑每个环接口都有考虑每个环接口都有1个比特的延迟，若在一个周长为个比特的延迟，若在一个周长为1000 m的环上有的环上有10个站点，则整个环可容纳个站点，则整个环可容纳1000/200+10=15比特。
比特用环上能同时容纳的比特数来表示环的长度称为用环上能同时容纳的比特数来表示环的长度称为环的比特长度环的比特长度。