3.5信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制

传输数据的时候使用的两种链路

点对点式链路

两个相邻的节点通过一个链路相连，没有第三章

应用：PPP协议，冲用于广域网

广播式链路

所有主机共享传输介质

应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网

典型的拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线型）

介质访问控制

定义：采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生相互干扰的情况

分类

静态划分信道——信道划分介质访问控制

定义：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开来，将时域和频域资源合理地分配给网络上的设备

多路复用技术：将多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得计算机或者终端设备共享信道资源，提高信道的利用率

多路分用技术：将一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是将广播式信道转换为点对点式的信道

在网络负载重的情况下，共享信道利用率高，且公平

在网络负载轻的情况下，共享信道利用率低

频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信的过程中自始至终都占据着这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间内占用不同的带宽（频率带宽）资源，类似于操作系统中的并行技术

优点：

1. 充分利用传输介质带宽，系统效率较高
2. 由于技术比较成熟，实现也比较容易

时分多路复用TDM

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帧中占据着固定序号的是时隙，所有用户轮流占据信道，类似于操作系统中的并发技术

TDM帧：在物理层传输比特流所划分的帧，标志着一个周期

TDM的改进——统计时分复用技术STDM

每一个STDM帧中的时隙小于连接在集中器上的用户数。各个用户有了数据的时候就随时发送到集中器的输入缓存中font，然后集中器按照顺序依次扫描输入缓存，将缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了以后就发出。

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙

波分多路复用WDM

定义：类似于频分多路复用，波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来

码分多路复用CDM

CDMA是通过不同的码型在相同的频段内区分出不同的信号的

在CDMA中，每一个比特时间在划分为m个段的间隔，称为码片，通常m=64或者m=128

如何避免冲突：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交

如何合并：各路数据在信道中被线性相加

如何分离：合并的数据和源站规格化内积

码片序列规格化内积举例：

S向量={-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1}

T向量={-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1}

将S向量和T向量的各个分量带入公式可以得到两个码片序列是正交的

$S\cdot T=\frac{1}{m}{\sum }_{i=1}^m{S}_i{T}_i=0$

任何一个码片向量和该码片向量自己的内积都是1

任何一个码片向量和该码片反码向量自己的内积都是-1

动态划分信道

动态媒体接入控制/多点接入

特点：信道并非在用户通信的时候固定分配给用户的

轮询访问介质访问控制

特点：既不产生冲突，又要占据全部带宽

令牌传递协议

逻辑上是环形的网络，物理上是星型的结构

TCU：传递数据帧的时候的一个转发的接口

令牌：是一个特殊格式的MAC控制帧，不包含任何信息，可以控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道

令牌环网无碰撞

传递信息的过程：

1. 在没有主机要传递信息的时候，令牌在各个主机之间来回传递
2. 当主机要发送信息的时候，等待令牌传递到当前主机，修改令牌的标志位，使得令牌从空闲的状态变成忙碌的状态，然后再在令牌的控制帧后面加上数据，构成数据帧
3. 发送数据帧
4. 轮转的发送数据，当数据再次回到发送方的时候，先检查数据帧是否出错，如果数据帧出错，重新发送数据；如果没有问题，回收数据帧，不再对该令牌进行转发，修改标志位，然后再次传递令牌

每个结点都可以在一定的时间限制内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制的持有令牌

问题：

1. 令牌的开销
2. 等待开销
3. 单点故障：如果其中一个计算机故障，整个路可能就断了

应用与令牌环网（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑）

令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中

轮询协议

主结点会轮流邀请从属结点发送数据

问题：

1. 存在轮询开销
2. 等待延迟
3. 单点故障：主结点故障后，从属结点无法发送信息

随机访问介质访问控制

特点：所有的用户可以随机发送信息，发送的时候占据全部带宽

在网络负载重的情况下，会产生冲突开销

在网络负载轻的情况下，共享信道效率高，单个结点可以利用信道的全部带宽

ALOHA协议

1. 纯ALHOA协议

思想：不监听信道，不按照时间槽发送，随机重发——想发就发

检测冲突：

如果发生冲突，接收方就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到确认信息就判定发生冲突

解决冲突：

超时后等待一随机时间后重新发送

2. 时隙ALOHA协议

思想：将时间分为若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始的时候同步接入网络信道，如果发生冲突，则必须等待下一个时间片开始的时刻再发送——控制了想发就发的随意性

注意

1. 纯ALOHA协议要比时隙ALOHA的吞吐量更低，效率更低
2. 纯ALOHA协议是想发就发，而时隙ALOHA协议只有在时间片段开始的时候才发送

CSMA协议（载波监听多路访问协议）

特点：先听再说

CS：载波监听/侦听，每一个站点在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

检测的方式：当几个占同时在总线上发送数据的时候，总线上的信号电压摆动值将会增大，当一个站检测到信号电压摆动值超过一定的门限值的时候，就会认为总线上至少有两个站在同时发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突

MA：多点接入，表示计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

**协议思想：**发送帧之前，监听信道

监听结果：

1. 信道空闲：发送完整数据帧
2. 信道忙：推迟发送

发送帧的策略

1. 坚持CSMA

   指的是对于监听信道忙之后的坚持

   思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道；如果信道空闲的话就直接传输，不必等待，如果信道忙的话，一但等到信道空闲的话就立即传输，如果有冲突，则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程

   优点：只要媒体空闲，站点就立马发送，避免了媒体利用率的损失

   缺点：如果有两个或者两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免

2. 非坚持CSMA

   对于监听信道忙之后就不再监听

   思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道；如果信道空闲的话就直接传输，不必等待，如果信道忙的话，则等待一个随机时间后再进行监听

   优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性

   缺点：可能会存在大家都存在延迟等待的过程中，使得媒体任可能处于空闲状态，媒体的使用率降低

3. p-坚持CSMA

   指的是对于监听信道的空闲处理

   **思想：**如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道；如果空闲的话则以p概率直接进行传输，不必等待；概率1-p等待到下一个时间槽再传输，如果信道忙的话，则等待一个随机时间后再进行监听

   优点：即能够像非坚持算法那样减少冲突，又能像坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案

   缺点：发生冲突之后还是要坚持将数据帧发生完，造成了浪费

CSMA/CD协议——碰撞检测

CS：载波监听/侦听，每一个站点在发送数据之前以及在发送数据的时候要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

检测的方式：当几个占同时在总线上发送数据的时候，总线上的信号电压摆动值将会增大，当一个站检测到信号电压摆动值超过一定的门限值的时候，就会认为总线上至少有两个站在同时发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突

如何发现信道是空闲的还是有主机正在传输数据？

在站点的位置会检测有没有信号进来，如果有信号进入自己的站点，就说明有计算机在发送数据，此时就不能发送数据；如果暂时没有信号进入当前站点，认为当前信道是空闲的，可以发送数据

MA：多点接入，表示计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，总线型网络

CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，判断自己在发送数据的时候其他站点是否也在发送数据

特点：先听再说，边听边说：先监听信道，当监听到信道空闲的时候就发送数据，在发送数据的同时，也在检测着信道是否空闲，如果发生碰撞，它就停止发送数据，减少了数据的浪费

为什么先听后发还是会产生冲突？

是因为电磁波在总线上是以有限的速率传播的

传播时延对载波监听的影响：

所以说，如果经过$2\tau$时间还没有检测到碰撞，我们就可以肯定这次发送一定没有发生碰撞

如何确定碰撞后的重传时间？

截断二进制指数规避算法

1. 确定一个基本退避（推迟）时间争用期$2\tau$
2. 定义参数k，它等于重传次数，但是k不超过10，即k=min[10,重传次数]
3. 从离散的整数集合[0,1,$2^k-1$]中随机取出一个数r，重传所需要的退避时间就是r倍的基本退避时间，即$2r\tau$
4. 当重传达到16次仍不能够成功时，说明网络太过拥挤，此时认为帧永远无法正确发出，抛弃此帧，并向高层报告错误

如果连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站点参与争用信道。此时，使用此算法可以使得重传所需要的推迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因而减少发生碰撞的概率，有助于整个系统的稳定

最小帧长问题

避免在检测到碰撞之前，数据已经发送完毕的问题

$\frac{帧长}{数据传输速率}\ge 2\ast 传播时延$

以太网规定的最短帧长为64B，凡是长度小于64B的都是由于冲突而异常终止的无效帧

应用与有线网络，半双工网络

CSMA/CA协议——碰撞避免

应用于无线网络

在无线网络中使用CA的原因，在无线局域网的空间很大，使用CD无法做到全面检测；其次就是因为隐蔽站的问题

隐蔽站：当A和C都检测不到信号，认为信道空闲的时候，同时向终端B发送数据帧，就会导致冲突

工作原理

1. 在发送数据之前，先检测信道是否空闲
2. 空闲的话则发出RTS，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待
3. 接收端接收到RTS后会响应CTS
4. 发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道；发送方告知其他站点自己要传多久的数据）
5. 接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确的话则响应ACK
6. 发送方收到ACK以后就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一致重传至规定重发次数为止（采用二进制指数退避法来确定随机的推迟时间）