王道计算机网络--3.5介质访问层

任务：为使用介质的每个节点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。
决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，介质访问控制（MAC）子层（物理地址）

常见的介质访问控制方法有：信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制、轮询访问介质访问控制

1.信道划分介质访问控制：把使用介质的每个设备与来自同一信道的其他设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备

信道划分的实质就是通过分时、分频、分码等方法把原来一条广播信道，逻辑上分为几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，即广播信道->点对点信道（多路复用技术）

⑴频分多路复用（FDM）：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符合信号的多路复用技术。

每个子信道分配的带宽可不相同，但他们的总和必须不超过信道的总带宽，实际应用中，为防止子信道间的干扰，相邻信道之间需加入保护频带。

优点：充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高，由于技术成熟，实现也容易

⑵时分多路复用（TDM）：将一条物理信道按时间分成若干个时间偏，轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用。

统计时分多路复用（STMD，异步时分多路复用）是TDM的一种改进，采用STDM帧，动态分配间隙，当终端有数据要传送时才分配到时间片，因而提高效率。

线路传输速率为8000b/s，4个用户平均速率都为2000b/s，采用TDM方式，每个用户最高速率200b/s，而用STDM方式，最高速率可达8000b/s

⑶波分多路复用（WDM）：光的频分复用：用波长分解复用器将各路波长分解出来。光带宽很高。。。

⑷码分多路复用（CDM）：靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。与FDM和TDM不同，它即共享信道的频率，又共享时间。

码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式。原理是将一比特时间分为m个更短的时间草，称为芯片（码片），通常没比特有64/128个芯片。每个站点被指定1个唯一的m位的代码或芯片序列。当发送1时站点就发送芯片序列，发送0时发送序列的反码，要求各个站点的芯片序列是相互正交的。

简单理解：A、B站发往C站的两个信号，用向量来表示，向量要求相互正交，向量的分量即为Chip芯片。（S、T===》X=S+T===》规格化内积:X*S=1、0、-1；X*T=…）

码分多路复用技术：频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性强、语音质量好等优点，还可减少投资和降低运行成本，主要用于无线通信系统、特别是移动通信系统

2.随机访问介质访问控制：所有用户更具自己的意愿随机发送信息，占用信道全部速率，在总线网中，当有两个或更多用户同时发送信息时，会产生帧的冲突（碰撞，干扰），这导致所有冲突用户的发送均以失败告终，为解决此问题，每个用户按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过，这些规则就是随机MAC协议。

常用的协议有：ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议和CSMA/CA协议等。核心思想都是胜利者通过争用活得信道，从而获取信息的发送权（因此称为争用型协议）。

⑴ALOHA协议：夏威夷早起研制的随机介入系统称为ALOHA。ALOHA协议分为纯ALOHA和间隙ALOHA两种

①纯ALOHA协议：网络中过任何一个站点需要发送数据时，可不进行任何检测，若一段时间内未收到确认，则认为发生了冲突，站点等待一段时间后重发

假设网络负载（T0时间内所有站点发送的帧数）为G，则纯ALOHA网络的吞吐量（平均帧数）为S=G*e^(-2G);吞吐量很低（G=0.5时，S=0.184）

②时隙ALOHA协议：把各站再时间上都通不起来，把时间划分为一段段等长的间隙，只能再间隙开始时传送，避免用户发送数据的随意性，减少冲突的可能性

S=G*e^（-G），G=1时，S=e^-1=0.368，可见 时隙ALOHA比纯ALOHA的吞吐量大了1倍

⑵CSMA协议：发送前侦听一下公用的信道，发现空闲后再发送，载波侦听多路访问（CSMA）是在ALOHA协议的基础上提出的改进协议，区别是多一个载波侦听装置

根据侦听方式和侦听到信道忙后的处理方式不同，有三种不同的CSMA协议

①1-坚持CSMA：侦听到忙后，继续坚持侦听信道，空闲，立即发送帧，发送帧的概率为1。传播时延对其性能影响较大。就算不考虑传播时延，也可能产生冲突

②非坚持CSMA：侦听信道，空闲立即发送数据，忙则放弃侦听，等待一个随机的时间再重复。

虽减少多个节点等待信道空闲同时发送数据导致冲突的概率，但这使网络中的平均延迟增加了。

③p-坚持CSMA：用于时分信道，侦听信道，忙则等待下一个时隙再侦听，若空闲，以p的概率发送数据，1-p的概率推迟到下一个时隙，侦听重复，若出现忙，则等待一个随机时间后重新开始侦听 是前两种的折中方案。

⑶CSMA/CD协议：载波侦听多路访问/碰撞检测，是CSMA协议的改进方案，适用于总线型网络或半双工网络环境。（先听后发，边听边发）

载波侦听就是发送前先侦听，即每一个站再发送数据前先要检测下总线上是否有其他站点再发送数据。

碰撞检测就是边发送边侦听，即适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据的同时，其他站点是否也在发送数据

①适配器从他的父结点获得一个网络层数据报，准备一个以太网帧，并把该帧放到适配器缓冲区

②如果适配器侦听到信道空闲，它开始传输该帧，如果适配器听到信道忙，他将等待直至侦听到没有信号能量，然后开始传输该帧

③传输过程中，适配器检测来自其他适配器的信号能量的出现。若未检测到，则完成传输。否则，适配器停止传输它的帧，取而代之传输一个48bit的拥塞信号

④在中止（即传播拥塞信号）后，适配器采用截断二进制指数退避算法等待一段随机时间后返回②

总线的传播时延对CSMA/CD影响很大，CSMA/CD的以太网不可能进行全双工通信，而只能进行半双工通信（原因......）

最小帧长=总线传播延迟*数据传输率*2（为确保发送数据的同时能检测到可能存在的冲突，需要再发完帧之前就收到自己发送出去的数据）

争用期（以太网端到端的往返时间），进过争用期后表示已抢占信道，不会发生冲突了（以太网规定取51.2us为争用期的长度，对于10Mb/s的以太网，512bit）

二进制指数退避算法：

①确定进本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延（即争用期）

②定义参数k，k=重传次数，但不超过10，k=min(k,10)

③从离散的整数集[0,1,2...,2^k-1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间就是r*争用期

④当重传16此仍不成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧，并向高层报告出错

使用二进制指数退避算法可使重传需要延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，有利于整个系统的稳定

⑷CSMA/CA协议

CSMA/CD协议已成功应用于使用有线连接的局域网，但再无线局域网的环境下，却不能简单的搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分。主要两个原因

①接收信号强度往往远小于发送信号的强度，且再无线介质上信号强度动态变化范围很广，依次若要实现碰撞检测，硬件上花费就会过大

②在无线通信中，并非所有的站点都能听见对方，即隐蔽站的问题

③要检查是否存在冲突，需要无线连接设备一边传送数据，一边接收数据，这对于无线设备而言比较难以实现；

为此802.11标准定义了广泛应用于无线局域网的CSMA/CA协议，把碰撞检测改为了碰撞避免CA。（并不是完全避免碰撞，而是尽量减少碰撞发生的概率）

其采用二进制指数退避算法，当信道从忙变成空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个时间间隔，还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便重新试图接入信道，这样减少了碰撞的概率。当前仅当检测到信道空闲，并且这个数据帧是第一个要发的数据帧时，才不使用退避算法。

CSMA/CA还使用预约信道、ACK帧、RTS/CTS帧等三种机制来实现碰撞避免。

①预约信道：发送方再发送数据的同时向其他站点通知自己传输数据需要的时间长度，以便让其他站点在这段时间内不发送数据，从而避免碰撞

②ACK帧：站点正确接收帧后(除广播帧、组播帧)，都需要回一个ACK帧，发送方再规定时间内未收到ACK帧，则认为发送失败，进行重发，直到上限

③RTS/CTS帧：可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网中的隐蔽站问题。

前两者是必须的，但后两者增加了网络流向，所以IEEE802.11无线网络在网络利用率上与类似的以太网相比，性能总是差一点

⑶⑷区别：①CSMA/CD检测冲突，无法避免；CSMA/CA无法检测冲突，尽量避免

②传播介质不同，CSMA/CD用于总线式以太网，而CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等

③检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化检测；而CSMA/CA采用能量检测、载波检测、能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式

④CSMA/CA在本结点处有(无)冲突，并不一定意味着接受节点处有(无)冲突

3.轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

用户不能随机发送信息，而是通过一个集中控制的监控站，以循环的方式轮询每个结点，再决定信道的分配，当某个结点使用信道时，其他结点都不能使用信道。

令牌传递协议：典型的轮询访问介质访问控制协议，主要使用再令牌环局域网中。

一个令牌再各结点间以某个固定次序交换，令牌是由一组特殊的比特组合而成的帧，当环上的某个站希望传送帧时，必须等待令牌，一旦收到令牌，即可启动发送帧，帧中包括目的站点地址，以标志哪个站应接收此帧，帧在环上传送时，每个站点对其转发，知道该帧回到始发站，由始发站撤销该帧（目的站维持一个发送帧的副本。并通过在帧的尾部设置“响应比特”来指示已收到此副本），始发站释放令牌。不需要发送数据时，令牌再环形网中游荡（逻辑上必须为环）

非常适合负载很高（多个结点同一时刻发送数据概率很大）的广播信道。

题目：

1.从表面上看，FDM比TDM能更好地利用信道的传输能力，但现在计算机网络更多的是使用TDM而不是FDM，其原因是（） TDM可用于数字传输，而FDM不能

2.10000个航空订票站再竞争使用单个间隙ALOHA通道，各站平均每小时做18此请求，一个时隙是125us，稳总的通信负载约为多少？ 1/160

3.一组N个站点共享一个56kb/s的纯ALOHA信道，每个站点平均每100s输出一个1000bit的帧，即使前一个帧没有发送完也依旧进行，问N可取最大值的多少？ 1030