Слой управления доступом к среде в стандартах IEEE 802

Введение

Слой обслуживания в сетевых стандартах IEEE 802

В стандартах IEEE 802 LAN/MAN, управление доступом к среде (MAC), также называемое контролем доступа к среде, является слоем, который управляет аппаратным обеспечением, ответственным за взаимодействие с проводной (электрической или оптической) или беспроводной средой передачи. Подслой MAC и подслой управления логической связью (LLC) вместе составляют канальный уровень. LLC обеспечивает управление потоком и мультиплексирование для логической связи (т. е. EtherType, 802.1Q VLAN-тег и т. п.), в то время как MAC обеспечивает управление потоком и мультиплексирование для среды передачи. Эти два подслоя вместе соответствуют второму уровню модели OSI. В целях совместимости LLC является необязательным для реализаций IEEE 802.3 (в этом случае фреймы являются "сырыми"), но обязательным для реализаций других стандартов физического уровня IEEE 802. В иерархии модели OSI и стандартов IEEE 802 подслой MAC предоставляет абстракцию управления физическим слоем, благодаря которой сложности управления физической связью не видны LLC и верхним уровням сетевого стека. Таким образом, любой подслой LLC (и более высокие уровни) может использоваться с любым MAC. В свою очередь, блок управления доступом к среде формально связан с PHY через интерфейс, независимый от среды передачи. Хотя блок MAC сегодня обычно интегрирован с PHY в одном корпусе устройства, исторически любой MAC можно было использовать с любым PHY, независимо от среды передачи. При отправке данных другому устройству в сети подслой MAC инкапсулирует кадры более высокого уровня в кадры, подходящие для среды передачи (т. е. MAC добавляет синхронизирующее слово-преамбулу, а также заполнение, если необходимо), добавляет контрольную последовательность кадров для выявления ошибок передачи, а затем передает данные на физический уровень, как только это позволяет соответствующий метод доступа к каналу. Для топологий с областью коллизий (шины, кольца, сетки, точка-многоточка) необходимо контролировать время отправки данных и время ожидания, чтобы избежать коллизий. Кроме того, MAC также отвечает за компенсацию коллизий путем инициирования повторной передачи при обнаружении сигнала помех. При получении данных с физического уровня блок MAC обеспечивает целостность данных, проверяя контрольную последовательность кадров отправителя и удаляя преамбулу и заполнение отправителя перед передачей данных на более высокие уровни.

In IEEE 802 LAN/MAN standards, the medium access control (MAC), also called media access control, is the layer that controls the hardware responsible for interaction with the wired (electrical or optical) or wireless transmission medium. The MAC sublayer and the logical link control (LLC) sublayer together make up the data link layer. The LLC provides flow control and multiplexing for the logical link (i. e. EtherType, 802.1Q VLAN tag etc), while the MAC provides flow control and multiplexing for the transmission medium. These two sublayers together correspond to layer 2 of the OSI model. For compatibility reasons, LLC is optional for implementations of IEEE 802.3 (the frames are then "raw"), but compulsory for implementations of other IEEE 802 physical layer standards. Within the hierarchy of the OSI model and IEEE 802 standards, the MAC sublayer provides a control abstraction of the physical layer such that the complexities of physical link control are invisible to the LLC and upper layers of the network stack. Thus any LLC sublayer (and higher layers) may be used with any MAC. In turn, the medium access control block is formally connected to the PHY via a media independent interface. Although the MAC block is today typically integrated with the PHY within the same device package, historically any MAC could be used with any PHY, independent of the transmission medium. When sending data to another device on the network, the MAC sublayer encapsulates higher level frames into frames appropriate for the transmission medium (i. e. the MAC adds a syncword preamble and also padding if necessary), adds a frame check sequence to identify transmission errors, and then forwards the data to the physical layer as soon as the appropriate channel access method permits it. For topologies with a collision domain (bus, ring, mesh, point to multipoint topologies), controlling when data is sent and when to wait is necessary to avoid collisions. Additionally, the MAC is also responsible for compensating for collisions by initiating retransmission if a jam signal is detected. When receiving data from the physical layer, the MAC block ensures data integrity by verifying the sender's frame check sequences, and strips off the sender's preamble and padding before passing the data up to the higher layers.

Механизм обращения

Адреса локальной сети, используемые в сетях IEEE 802 и сетях FDDI, называются MAC-адресами; они основаны на схеме адресации, которая применялась в ранних реализациях Ethernet. MAC-адрес задуман как уникальный серийный номер. MAC-адреса обычно присваиваются аппаратному обеспечению сетевого интерфейса на этапе производства. Наиболее значимая часть адреса идентифицирует производителя, который присваивает остальную часть адреса, обеспечивая тем самым потенциально уникальный адрес. Это позволяет доставлять кадры по сетевому каналу, соединяющему хосты с помощью комбинации ретрансляторов, концентраторов, мостов и коммутаторов, но не маршрутизаторами сетевого уровня. Таким образом, например, когда IP-пакет достигает целевой (под)сети, IP-адрес назначения (концепция 3-го или сетевого уровня) преобразуется с помощью протокола разрешения адресов (ARP) для IPv4 или протокола обнаружения соседей (NDP) для IPv6 в MAC-адрес (концепция 2-го уровня) хоста назначения. Примерами физических сетей являются сети Ethernet и Wi-Fi, обе из которых являются сетями IEEE 802 и используют 48-битные MAC-адреса IEEE 802. Слой MAC не требуется при полнодуплексной связи типа «точка-точка», но поля адресов включаются в некоторые протоколы «точка-точка» для обеспечения совместимости.

Механизм контроля доступа к каналу

Механизмы управления доступом к каналу, предоставляемые MAC-уровнем, также известны как метод множественного доступа. Это позволяет нескольким станциям, подключенным к одной и той же физической среде, совместно использовать ее. Примерами общих физических сред являются шинные сети, кольцевые сети, сети с концентраторами, беспроводные сети и полудуплексные соединения типа «точка-точка». Метод множественного доступа может обнаруживать или предотвращать коллизии пакетов данных, если используется метод доступа к каналу на основе конкуренции в пакетном режиме, или резервировать ресурсы для установления логического канала, если используется метод доступа к каналу на основе коммутации каналов или разделения каналов. Механизм управления доступом к каналу опирается на схему мультиплексирования физического уровня. Наиболее распространенным методом множественного доступа является CSMA/CD, используемый в сетях Ethernet. Этот механизм используется только в пределах домена коллизий сети, например, в шинной сети Ethernet или в звездообразной топологии на основе концентратора. Сеть Ethernet может быть разделена на несколько доменов коллизий, соединенных мостами и коммутаторами. Метод множественного доступа не требуется в коммутируемой сети с полной дуплексной связью, такой как современные коммутируемые сети Ethernet, но часто доступен в оборудовании для обеспечения совместимости.

Механизм контроля доступа к каналу для одновременной передачи

Использование направленных антенн и миллиметровой связи в беспроводной персональной сети повышает вероятность одновременного планирования неинтерферирующих передач в локализованной области, что приводит к значительному увеличению пропускной способности сети. Однако оптимальное планирование одновременных передач является NP-трудной задачей.

Сотовые сети

Сотовые сети, такие как GSM, UMTS или LTE, также используют MAC-слой. Протокол MAC в сотовых сетях разработан для максимизации использования дорогостоящего лицензируемого спектра. Воздушный интерфейс сотовой сети находится на 1-м и 2-м уровнях модели OSI; на 2-м уровне он разделен на несколько протокольных уровней. В UMTS и LTE эти протоколы включают протокол конвергенции данных (PDCP), протокол управления радиосвязью (RLC) и протокол MAC. Базовая станция осуществляет полный контроль над воздушным интерфейсом и планирует доступ по нисходящей и восходящей линиям связи для всех устройств. Спецификация протокола MAC содержится в 3GPP TS 25.321 для UMTS, TS 36.321 для LTE и TS 38.321 для 5G.