介质访问控制

• 介质访问控制

介质访问控制（Medium Access Control）简称 MAC ，多个节点共享同一个“总线型”广播信道时，可能发生“信号冲突”

为了解决信号冲突问题，才有了介质访问控制的概念

介质范围控制有三种类型：信道划分、随机访问、轮询访问

信道划分

时分复用（TDM）

时分复用（Time Division Multiplexing）简称 TDM —— 将时间分为等长的“ TDM 帧”，每个“ TDM 帧”又分为等长的 $m$ 个“时隙”，将 $m$ 个时隙分配个 $m$ 对用户（节点）使用

• 缺点

  • 每个节点最多只能分配到信道总带宽的 $\frac{1}{m}$

  • 如果某个节点暂时不发送数据，会导致被分配的“时隙”闲置，信道利用率低

统计时分复用（STDM）

统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing）简称 STDM —— 又称异步时分复用，在 TDM 的基础上，动态按需分配时序

• 优点

  • 如果需要时，一个节点可以在一段时间内获得所有的信道带宽资源

  • 如果某节点暂时不发送数据，可不分配“时隙”，信道利用率高

频分复用（FDM）

频分复用（Frequency Division Multiplexing）简称 FDM —— 是将信道的总频带划分为多个子频带，每个频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信

• 优点

  • 各节点可同时发送信号；充分利用了信道带宽（Hz）

• 缺点

  • FDM 技术只能用于模拟信号的传输

波分复用（WDM）

波分复用（Wave Division Multiplexing）简称 WDM —— 即光的频分复用，光信号的频带范围很大，很适合采用波分复用技术，将一根光纤在逻辑上拆分为多个子信道

码分复用（CDM）

假设有 A 、 B 、 C 三个基站

下面给三个基站分配其各自的码片序列

基站	码片序列	二进制 1 表示	二进制 0 表示
A	$\vec{a} = (1, 1, 1, 1)$	$\vec{a}$	$-\vec{a}$
B	$\vec{b} = (1, -1, 1, -1)$	$\vec{b}$	$-\vec{b}$
C	$\vec{c} = (1, 1, -1, -1)$	$\vec{c}$	$-\vec{c}$

此时 C 站收到三个信号 $(1, 1, 1, 1), (-1, -1, -1, -1), (1, 1, 1, 1)$

由于每个站内都有保存各自的码片序列且码片序列的分量都是正交的（内积为 0 ），因此可以很容易的分辨出信号的来源

假设 C 站同时收到两个信号 $\vec{a} = (1, 1, 1, 1), -\vec{b} (-1, 1, -1, 1)$ ，它收到的信号应该是两者的叠加值即 $\vec{a} + (-\vec{b}) = (0, 2, 0, 2)$

为了分离出各自的信息需要先使用各个基站的码片对传输结果进行规格化内积

首先计算基站 A

$$\begin{aligned} \text{基站 C 收到的信号与基站 A 码片序列的内积} &= \frac{1}{m} \cdot \vec{a} \cdot (\vec{a} + (-\vec{b})) \\ &= \frac{1}{m} \cdot \vec{a} \cdot \vec{a} \\ &= \frac{1}{4} \cdot 4 \\ &= 1 \end{aligned}$$

根据规格化内积 1 即比特 1 、内积 -1 即比特 0

同样的可以得到基站 B 传来的信号进行规格化内积为 -1 即比特 0

随机访问

ALOHA 协议

发送方的发送数据准备好就马上发送数据、如果同时有两个数据发生冲突会导致两个数据都无法被正确接收，然后随机等待一段时间后再触发重传，在不断地试错下完成各个数据的发送

时隙 ALOHA 协议

和 ALOHA 协议相同但是它将时间划分为一个个“时隙”，节点可以在一个“时隙”内的任意时间确认发送数据，并且在下一个“时隙”发送数据，并且一个时隙内一定能发送完一个帧，如果发生冲突，节点会随机等待一段时间后再发送数据，在不断地试错下完成各个数据的发送

时隙 ALOHA 避免了用户发送数据的随意性，降低了冲突概率，提高了信道的利用率

CSMA 协议

CSMA （Carrier Sense Multiple Access）协议，即载波监听多路访问协议

其在 ALOHA 协议的基础上进行改进：在发送数据前，先监听信道是否空闲，只有信道空闲时，才会尝试发送

各个节点会先安装载波监听装置监听信道

1-坚持 CSMA 协议

坚持代表在信道不空闲时是否坚持对信道进行监听

坚持监听的 CSMA 协议

1-坚持 CSMA 协议流程图

• 优点

信道利用率高，信道一旦空闲，就可以被下一个节点使用

• 缺点

当多个节点同时准备好发送数据时，一旦信道空闲，会有多个节点同时发送数据，会造成发生冲突的概率大大增加

非坚持 CSMA 协议

为了解决 1-坚持 CSMA 协议的监听冲突问题，才有了非坚持 CSMA 协议

非坚持 CSMA 协议流程图

• 优点

当多个节点都准备好数据时，如果信道不空闲，则各节点会随机推迟一段时间再尝试监听，从而使各节点“错开”发送数据。降低冲突概率

• 缺点

信道刚恢复空闲时，可能不会被立即利用，导致信道利用率低

p-坚持 CSMA 协议

结合1-坚持和非坚持的优点改进而成的p-坚持协议

这里的 $p$ 指的是在信道空闲时，有多大的概率发送数据

p-坚持 CSMA 协议流程图

• 优点

属于 1-坚持 CSMA 、非坚持 CSMA 的折中方案，降低冲突概率的同时提升信道利用率

😱 👍

CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议，即载波监听多路访问协议 / 冲突检测

常用于早期有线以太网（总线型）

CSMA/CD 协议发送方流程图

这里的等待时间由截断二进制指数退避算法计算得出

可以见得由于冲突次数越大，当前的网络环境可能就越拥堵，因此需要等待的时间的可能取值范围就越大，以尽量避免过于拥堵的网络环境

CSMA/CD 协议接收方流程图

😱

CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议，即载波监听多路访问协议 / 冲突避免

该协议适用于 IEEE 802.11 无线局域网 （WIFI）

无线信号的使用场景下， CSMA/CD 协议很难实现不同设备间的信号随着距离增加而减弱，对于监听而言是不利的，硬件上很难实现；

同时存在隐藏节点的问题，设备之间不一定检测到彼此的信号

因此采用传统的 CSMA/CD 协议无法适应无线局域网的需求

IFS （Inter Frame Space），帧间间隔

DIFS （Distributed Inter Frame Space），分布式协调 IFS ，最长的帧间间隔，发送前等待一段时间以确保没有从远处传播并且此时自身无法监听到的数据占用信道，一般取值大于 SIFS + 传播时延

SIFS （Short Inter Frame Space），短 IFS ，最短的帧间间隔，预留 SIFS 用于处理收到的帧（如进行差错控制等）

DIFS > PIFS > SIFS

CSMA/CA 传输示例图

假设一种情况

• DIFS = 4 ms

• 传播时延 2 ms

• SIFS 1 ms （该时间片大小由 IEEE 802.11 标准规定，这里假设为 1 ms）

在信道繁忙时会进行随机退避，在退避过程中也将坚持监听，并且会累计空闲时长，当空闲时长达到随机退避时间时，才会进行帧的发送

由于无线传播过程中容易受到干扰，所以在接收到数据后一定要对帧做差错控制，这里的 SIFS 也是为此而生

CSMA/CA 传输示例图（含预约功能）

同样的情况，启用信道预约功能的传输过程如上图所示

这里引入两个新的帧类型：

• RTS 控制帧（Request To Send）请求发送：包含源地址、目的地址和这次通信所需要的持续时间

• CTS 控制帧（Clear To Send）允许发送：包含源地址、目的地址和这次通信所需要的持续时间

1. 完成等待时发送 RTS 向 AP 请求信道

2. AP 进行处理后，同意预约，向全体子节点发送 CTS

3. 发送方收到 CTS 后开始发送数据，其他节点收到后，停止接下来的发送工作

4. AP 完成接收后将发送 ACK 给所有子节点，代表已完成数据收发

5. 所有子节点解除停止发送状态，回到正常工作

注意

一些需要注意的点

• 如果发送方超时未收到 CTS ，说明预约失败，则“随机退避”后再次发送 RTS

• “先预约，再发送”这种模式可以启用、也可以不启用，在 IEEE 802.11 标准中，是否启用这个功能取决于该数据帧的长短（长度达到某个阈值后才会启用）

轮询访问

令牌传递协议

IBM 公司于 1984 年开发出一种局域网技术：令牌环网技术

该技术核心特点是：环形拓扑结构，各节点“轮询访问”信道，不会发生信道冲突

实现该技术的核心就是：令牌传递协议

在一个局域网内，只有一台设备持有令牌，只有持有令牌的设备才能使用信道进行通信

每次发送数据都会从发送方开始依次轮询接下来信道上的每个节点，各个节点会对数据和接收方mac地址进行校验，接收后会对帧内部分数据进行修改然后继续轮询，直到回到最初的发送方

补充内容

一些补充内容

符号意义

本章内容标 😱 代表难点 👍 代表重点

截断二进制指数退避算法

$\text{随机等待一段时间} = r \text{倍争用期，其中} r \text{是随机数}$

• 如果 $k \le 10$，在 $[0, (2^k - 1)]$ 区间随机取一个整数 $r$

• 如果 $k > 10$，在 $[0, (2^{10} - 1)]$ 区间随机取一个整数 $r$

争用期

$\text{争用期} = 2 \times \text{最大单向传播时延（考虑距离最远的两个节点）}$

如果在争用期内没有检测到冲突，则本次帧发送就不再可能发送冲突

AP

AP （Access Point），即接入点，平时的提供WIFI信号源，WIFI的那几根天线的接收端，所有的移动站点都需要固定站点 AP 来进行通信

家用路由器 = 路由器 + 交换机 + AP