Mittlere Zugangskontrolle - Medium access control

In IEEE 802 LAN / MAN Standards , die Medium Access Control ( MAC , auch als Media Access Control ) Unterschicht ist die Schicht , die steuert die Hardware , die für die Interaktion mit dem Kabel, optische oder drahtlose Übertragungsmedium . Die MAC - Unterschicht und der Logical Link Control (LLC) Subschicht zusammen das bilden Datenverbindungsschicht . Innerhalb der Sicherungsschicht bietet die LLC Flusskontrolle und Multiplexing für die logische Verbindung (dh EtherType , 802.1Q VLAN-Tag usw.), während die MAC Flusskontrolle und Multiplexing für das Übertragungsmedium bereitstellt.

Diese beiden Unterschichten entsprechen zusammen der Schicht 2 des OSI-Modells . Aus Kompatibilitätsgründen ist LLC für Implementierungen von IEEE 802.3 optional (die Frames sind dann "roh"), aber für Implementierungen anderer IEEE 802-Physical-Layer-Standards obligatorisch. Innerhalb der Hierarchie des OSI-Modells und der IEEE 802-Standards stellt die MAC-Unterschicht eine Steuerungsabstraktion der physikalischen Schicht bereit , so dass die Komplexität der Steuerung der physikalischen Verbindung für die LLC und die oberen Schichten des Netzwerkstapels unsichtbar ist. Somit kann jede LLC-Unterschicht (und höhere Schichten) mit jedem MAC verwendet werden. Der Medienzugriffskontrollblock wiederum ist formal über eine medienunabhängige Schnittstelle mit der PHY verbunden . Obwohl der MAC-Block heute typischerweise mit dem PHY innerhalb desselben Gerätepakets integriert ist , konnte historisch jeder MAC mit jedem PHY verwendet werden, unabhängig vom Übertragungsmedium.

Beim Senden von Daten an ein anderes Gerät im Netzwerk kapselt die MAC-Subschicht übergeordnete Frames in für das Übertragungsmedium geeignete Frames (dh der MAC fügt eine Syncword- Präambel und ggf. auch Padding hinzu), fügt eine Frame-Check-Sequenz hinzu , um Übertragungsfehler zu identifizieren, und leitet die Daten dann an die physikalische Schicht weiter, sobald das entsprechende Kanalzugriffsverfahren dies zulässt. Bei Topologien mit Kollisionsdomäne (Bus-, Ring-, Mesh-, Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologien) ist die Kontrolle des Datenversands und der Wartezeit erforderlich, um Kollisionen zu vermeiden . Außerdem ist der MAC auch dafür verantwortlich, Kollisionen zu kompensieren, indem er eine Neuübertragung initiiert, wenn ein Stausignal erkannt wird. Beim Empfangen von Daten von der physikalischen Schicht stellt der MAC-Block die Datenintegrität sicher, indem er die Frame-Check-Sequenzen des Senders überprüft und die Präambel und das Auffüllen des Senders entfernt, bevor die Daten an die höheren Schichten weitergegeben werden.

In der MAC-Unterschicht ausgeführte Funktionen

Gemäß IEEE Std 802-2001 Abschnitt 6.2.3 „MAC-Unterschicht“ sind die Hauptfunktionen der MAC-Schicht:

Rahmenabgrenzung und -erkennung
Adressierung von Zielstationen (sowohl als Einzelstationen als auch als Stationsgruppen)
Übermittlung von Adressierungsinformationen der Quellstation
Transparente Datenübertragung von LLC-PDUs oder gleichwertigen Informationen in der Ethernet-Subschicht
Schutz vor Fehlern, in der Regel durch Generieren und Prüfen von Frame-Check-Sequenzen
Kontrolle des Zugriffs auf das physikalische Übertragungsmedium

Im Fall von Ethernet sind die von einem MAC geforderten Funktionen:

normale Frames empfangen/senden
Halbduplex-Neuübertragungs- und Backoff-Funktionen
FCS anhängen/überprüfen ( Frame Check Sequence )
Durchsetzung von Interframe-Lücken
verwerfen Sie fehlerhafte Frames
prepend(tx)/remove(rx) Präambel, SFD ( Start Frame Delimiter ) und Padding
Halbduplex-Kompatibilität: Append(tx)/remove(rx) MAC-Adresse

Adressierungsmechanismus

Die in IEEE 802- Netzwerken und FDDI- Netzwerken verwendeten lokalen Netzwerkadressen werden als Media Access Control-Adressen bezeichnet ; sie basieren auf dem Adressierungsschema, das in frühen Ethernet- Implementierungen verwendet wurde. Eine MAC-Adresse ist als eindeutige Seriennummer gedacht. MAC-Adressen werden der Netzwerkschnittstellenhardware typischerweise zum Zeitpunkt der Herstellung zugewiesen. Der bedeutendste Teil der Adresse identifiziert den Hersteller, der den Rest der Adresse zuweist und somit eine potenziell eindeutige Adresse liefert. Dies macht es möglich , Frames auf einem Netzwerk - Link , dass Verbindungen Hosts durch eine Kombination von geliefert werden Repeater , Hub , Brücken und Schaltern , aber nicht von Netzwerk - Layer - Router . So wird beispielsweise, wenn ein IP- Paket sein Ziel-(Sub-)Netzwerk erreicht, die Ziel-IP-Adresse (ein Layer-3- oder Vermittlungsschicht-Konzept) mit dem Address Resolution Protocol für IPv4 oder durch das Neighbor Discovery Protocol (IPv6) in die MAC-Adresse (ein Layer-2-Konzept) des Zielhosts.

Beispiele für physikalische Netzwerke sind Ethernet- Netzwerke und Wi-Fi- Netzwerke, die beide IEEE 802-Netzwerke sind und IEEE 802-48-Bit-MAC-Adressen verwenden.

Eine MAC-Schicht ist bei der Vollduplex- Punkt-zu-Punkt- Kommunikation nicht erforderlich , aber aus Kompatibilitätsgründen sind in einigen Punkt-zu-Punkt-Protokollen Adressfelder enthalten.

Kanalzugriffskontrollmechanismus

Die von der MAC-Schicht bereitgestellten Kanalzugriffskontrollmechanismen werden auch als Mehrfachzugriffsverfahren bezeichnet . Dadurch ist es möglich, dass sich mehrere Stationen, die mit demselben physikalischen Medium verbunden sind , dieses teilen. Beispiele für gemeinsam genutzte physikalische Medien sind Busnetze , Ringnetze , Hubnetze, drahtlose Netze und Halbduplex- Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die Vielfachzugriffsverfahren kann erkennen oder zu vermeiden , Datenpaketkollisionen , wenn ein Paketmodus Contenbasierten Kanalzugriffsverfahren verwendet wird, oder Ressourcen reservieren einen logischen Kanal , wenn ein zu etablieren leitungsvermitteltes oder Kanalisierungsbasierten Kanalzugriffsverfahren verwendet wird. Der Kanalzugriffssteuermechanismus beruht auf einem Multiplexschema der physikalischen Schicht .

Das am weitesten verbreitete Mehrfachzugriffsverfahren ist das konkurrenzbasierte CSMA/CD, das in Ethernet-Netzwerken verwendet wird. Dieser Mechanismus wird nur innerhalb einer Netzwerkkollisionsdomäne verwendet, beispielsweise eines Ethernet-Busnetzwerks oder eines Hub-basierten Sterntopologienetzwerks. Ein Ethernet-Netzwerk kann in mehrere Kollisionsdomänen unterteilt sein, die durch Bridges und Switches miteinander verbunden sind.

Ein Mehrfachzugriffsverfahren ist in einem geswitchten Vollduplex- Netzwerk, wie den heutigen geswitchten Ethernet-Netzwerken, nicht erforderlich , ist jedoch aus Kompatibilitätsgründen häufig in den Geräten verfügbar.

Kanalzugriffskontrollmechanismus für gleichzeitige Übertragung

Die Verwendung von Richtantennen und Millimeterwellenkommunikation in einem drahtlosen Personal Area Network erhöht die Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Planung von nicht störenden Übertragungen in einem lokalisierten Bereich, was zu einer immensen Erhöhung des Netzwerkdurchsatzes führt. Die optimale Planung der gleichzeitigen Übertragung ist jedoch ein NP-schweres Problem .

Mobilfunknetze

Auch Mobilfunknetze wie GSM- , UMTS- oder LTE- Netze verwenden eine MAC-Schicht. Das MAC-Protokoll in Mobilfunknetzen wurde entwickelt, um die Nutzung des teuren lizenzierten Spektrums zu maximieren. Die Luftschnittstelle eines Mobilfunknetzes befindet sich auf den Schichten 1 und 2 des OSI-Modells; auf Schicht 2 ist es in mehrere Protokollschichten unterteilt. Bei UMTS und LTE sind diese Protokolle das Packet Data Convergence Protocol (PDCP), das Radio Link Control (RLC)-Protokoll und das MAC-Protokoll. Die Basisstation hat die absolute Kontrolle über die Luftschnittstelle und plant den Downlink-Zugriff sowie den Uplink-Zugriff aller Geräte. Das MAC-Protokoll wird von 3GPP in TS 25.321 für UMTS, TS 36.321 für LTE und TS 38.321 für 5G New Radio (NR) spezifiziert .

Siehe auch

Verweise

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