计算机网络——数据链路层-介质访问控制

一、介质访问控制方法

 在局域网中, 介质访问控制(medium access control)简称MAC，也就是信道访问控制方法，可以
简单的把它理解为如何控制网络节点何时发送数据、如何传输数据以及怎样在介质上接收数据，
是解决当局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题
介质访问控制分为以下3类:
1) 信道划分介质访问控制
2) 随机访问介质访问控制（争用型介质访问控制）
3) 轮询访问介质访问控制

1、信道划分介质访问控制
当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，人们就通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用，也是实现信道划分介质访问控制的途径。
（1）频分多路复用
（2）时分多路复用
（3）波分多路复用
（4）码分多路复用
 

 

2、频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

• FDM是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术。
• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而
不是数据的发送速率）。
• 优点：充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高；由于技术比较成熟，实现也较容易
 

3、时分复用（TDM）

• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在
每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
• 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
• TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
• 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

 

4、波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
波分复用就是光的频分复用。 

 5、码分复用CDM

• 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

正交关系的重要特性：

• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
 

二、随机访问介质访问控制

当几台计算机都使用一条信道发送数据时，就需要去共享信道，随机接入的意思是所有用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率，这样就会产生冲突(或者称为碰撞)，从而导致所有冲突用户发送数据失败。
（1）ALOHA协议
（2）CSMA 协议
（3）CSMA/CD
（4）CSMA/CA

1、ALOHA协议：

ALOHA协议，其基本思想比较简单:当网络中的任何一个结点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。如果在一段时间内没有收到确认，该结点就认为传输过程中发生了冲突。发生冲突的结点需要等待一段随 机时间后再发送数据，直至发送成功为止。但是其发送成功率不高，最大值只有18.4%

时隙 ALOHA 协议
时隙 ALOHA 协议把所有各站在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙（slot），规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性提高了信道的利用率。（约36%）

 

2、CSMA协议

载波侦听多路访问(CSMA)协议是在ALOHA协议的基础上改进而来的访问控制协议。在CSMA中，每个结点发送数据之前都使用载波侦听技术来判定通信信道是否空闲。常用的CSMA有以下3种策略。
1) 1-坚持CSMA: 当发送结点监听到信道空闲时, 立即发送数据，如果信道忙，将继续监听。这种方法减小了信道空闲时间，但是增大了冲突的概率，因此一般适合于网络负载小的网络。
2) 非坚持CSMA:当发送结点一旦监听到信道空闲时，立即发送数据，否则延迟一段随机的时间再重新监听。 这种方法减小了冲突概率，但是增大了信道空闲时间。
3) p-坚持CSMA: 属于分时信道，当发送结点监听到信道空闲时，以概率p发送数据，以概率(1-p)不发送数据，延迟一段时间并重新监听。 

2、CSMA/CD

适用于总线型网络或半双工网络环境。
• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大。
• 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
• 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
• 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
• 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
 

CSMA/CD的工作过程分为：

• 先听后发
• 边听边发
• 冲突停发
• 随机重发
• 发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的冲突，需要在发送完帧之前就能收到已发送出去
的数据
 

•当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。
• A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。
• B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。
• 碰撞的结果是两个帧都变得无用。
 

3、争用期

• 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
• 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。
• 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
• 帧的传输时延≥2×总线传播时延
• 最小帧长=总线传播时延×数据传输速率×2

争用期长度 

• 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。
• 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。
• 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
• 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

4、CSMA/CA
• CSMA/CA的全称是Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance。即载
波侦听多路访问／冲突避免。
• 发送数据前，先检测到信道状态，等到信道空闲后，再等待一段时间后，再次检测信道是否空闲，如果还是空闲，那么立刻发送数据，否则，随机等待一定时间，等时间到期后，再次发送检测。
• CSMA/CA 使用于无线网络。
• 它采用了带确认的发送机制（ACK）。
• CSMA/CD与CSMA/CA主要区别：
（1）传输介质不同
（2）检测方式不同
（3）CSMA/CA本节点处有/无冲突，并不一定以为在接受节点处就有/无冲突