计算机网络学习笔记-3.2介质访问控制

介质访问控制

介质访问控制（MAC，Medium Access Control），质访问控制的目的是确保多个设备能够高效、可靠地访问和使用共享通信介质，从而避免或减少冲突。主要分为静态划分信道和动态分配信道两种方式。

静态划分信道

静态划分信道方式主要通过对信道进行预先的固定分割来实现介质的共享，适用于稳定的传输环境。在这种方式下，信道被分成若干不重叠的部分，每个部分分配给一个用户使用。主要有以下几种方法：

• 频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）：将整个信道的频谱划分为若干个频带，每个用户占用一个特定频带，可以同时传输数据。FDM的典型应用是传统的广播和电视信号。
  

• 时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）：将时间划分为不同时隙，每个用户占用一个时隙，轮流发送数据。TDM常见于数字电话通信系统。

• 统计时分多路复用STDM：而是根据用户的实际数据传输需求动态分配时隙资源，从而提高了信道的利用率。

• 波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）：将光纤信道划分为不同的波长，每个波长用于一个独立的信号传输，是光纤通信中广泛应用的技术。

• 码分多路复用（CDM，Code Division Multiplexing）：不同用户使用不同的编码进行通信，通过特定的编码来区分和恢复每个用户的数据流。CDM广泛应用于移动通信（如CDMA系统）。

动态分配信道

动态分配信道是在信道访问竞争的情况下分配资源，适用于传输需求不确定的情况。根据具体的访问方式，动态分配信道又分为轮询访问和随机访问两类。

轮询访问介质访问控制

在轮询访问中，系统会按照预定顺序或使用令牌传递的方式，依次将传输机会分配给每个设备。

• 令牌传递协议：通过一个“令牌”（Token）在网络中的节点之间轮流传递，持有令牌的节点可以访问信道，完成通信任务后将令牌传递给下一个节点。这种方式避免了竞争冲突，但适用于节点数量少且网络拓扑结构固定的场景，如令牌环网络。每个节点令牌时间有限制。

随机访问介质访问控制

随机访问方式是指设备可以在任何时候尝试访问信道，若发生冲突则重传。

ALOHA协议简介

ALOHA（Additive Links On-line Hawaii Area）是一种用于无线通信中的随机接入协议。ALOHA协议的核心思想是允许多个设备共享同一无线信道，而不需要严格的时隙分配。设备在有数据发送需求时，可以随时尝试发送数据，若发生冲突，设备会等待一段时间后重新尝试发送。

ALOHA协议的工作原理

ALOHA协议的工作过程可以分为以下几个步骤：

1. 数据发送：设备在任意时刻如果有数据需要发送，便开始发送数据。
2. 碰撞检测：如果两个设备同时发送数据，它们的信号会发生碰撞，导致数据丢失。
3. 冲突后重发：发送者在检测到冲突后，会等待一个随机时间段再重新发送数据，以降低下一次碰撞的概率。

• CSMA协议（Carrier Sense Multiple Access，多点接入载波侦听）：在传输前侦听信道是否空闲。CSMA协议包含多种变体：

  • CSMA/CD（Collision Detection，碰撞检测）协议：设备在发送数据前侦听信道，若检测到信道空闲则发送数据，若发生碰撞则停止发送并重新传输。CSMA/CD用于以太网的介质访问控制。一旦设备检测到碰撞，它不会立刻再次发送数据。设备会在一个随机的时间段后再尝试重新发送数据，这个过程称为退避（Backoff）。随机等待时间是为了减少下一次发送时发生碰撞的概率。退避时间通常是根据某种退避算法来计算的。例如，指数退避（Exponential Backoff）算法会在每次碰撞后使等待时间呈指数增长。

  • CSMA/CA（Collision Avoidance，碰撞避免）协议：在发送数据前侦听信道，如果信道空闲则发送，若发现信道忙则推迟发送以避免碰撞。CSMA/CA常用于无线局域网（如Wi-Fi）的介质访问控制。CSMA/CA协议的目标是避免碰撞，而不是在碰撞发生后进行检测和处理。

    1. 载波监听（Carrier Sense）
       在发送数据之前，设备会监听信道是否空闲。
       如果信道空闲，设备可以开始发送数据。如果信道正在使用，设备会等待信道空闲。

    2. 随机退避（Backoff）
       如果信道忙碌，设备会等待一个随机的时间间隔再尝试发送。这个随机退避时间通常是通过选择一个数字（比如在某个区间内随机选择）来决定的。
       等待时间的单位通常是时间槽（Time Slot），这是一种同步机制，确保设备在同一时刻尝试发送数据的概率尽量低。

    3. 请求发送（Request to Send, RTS）/清除发送（Clear to Send, CTS）
       为了避免多个设备同时发送数据而发生碰撞，CSMA/CA协议引入了RTS/CTS机制：
       RTS：当设备准备发送数据时，它首先发送一个请求发送（RTS）信号给接收端，询问是否可以发送数据。
       CTS：如果接收端空闲，它会返回一个清除发送（CTS）信号，允许发送方开始数据传输。
       这种机制的作用是通过在信道上先发送RTS/CTS信号来确保没有其他设备发送数据，从而减少碰撞的机会。

    4. 数据发送（Data Transmission）
       一旦接收到CTS信号，设备开始发送数据。
       在数据发送过程中，设备不会检查是否发生了碰撞，因为无线信号中碰撞检测比较困难。相反，它会假定通过RTS/CTS机制避免了冲突。

    5. 确认应答（Acknowledgment, ACK）
       发送方在数据发送完毕后会等待接收方的确认应答（ACK）信号。
       如果发送方没有收到ACK，表示数据丢失，设备会重新发送数据。重传的时间也通常是随机选择的，以避免多次重传导致更多冲突。