介质访问控制：信道划分、随机访问、轮询访问。
3.5 介质访问控制
数据链路层使用的信道主要有两种类型：
- 点对点信道：使用一对一的点对点通信方式（如PPP协议）。
- 广播信道：使用一对多的广播通信方式，需要介质访问控制协议来协调数据发送。
介质访问控制：协调多个网络设备在共享通信介质上的数据传输，防止数据帧发生碰撞和干扰。点对点链路不需要，广播链路必须使用。
3.5.1 信道划分（静态划分）
信道划分技术将广播信道在逻辑上转变为多个点对点信道，通过合理分配时域、频域、空域等资源，实现多个设备共享信道。
| 复用方式 | 划分依据 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 频分多路复用(FDM) | 频率 | 将带宽划分为互不重叠的频段，各信号在频域上分离 | 模拟信号传输 |
| 时分多路复用(TDM) | 时间 | 将时间划分为周期性的时间帧，各信号在时隙中轮流占用信道 | 数字信号传输 |
| 波分多路复用(WDM) | 波长 | 频分复用在光域的扩展，不同波长的光信号复用在一根光纤中 | 光纤通信 |
| 码分多路复用(CDM) | 码序列 | 为每个用户分配正交码序列，信号在相同时间和频率上同时传输 | 3G/4G移动通信 |
TDM的两种形式
- 同步时分复用：每个用户固定分配时隙，无论有无数据都占用，存在时隙浪费。
- **统计时分复用(STDM)**：动态分配时隙，在帧头添加标识信息，提高信道利用率。
CDMA工作原理
- 每个比特时间划分为m个码片（m=64或128），各站点的码片序列相互正交。
- 发送1时发送码片序列，发送0时发送码片序列的反码。
- 多站点同时发送时，信号在信道中线性相加。
- 接收端用本地码片序列与接收信号进行规格化内积：
- 结果为1 → 发送1
- 结果为-1 → 发送0
- 结果为0 → 未发送
例题（2014年37题）
站点A、B、C的码片序列分别为(1,1,1,1)、(1,-1,1,-1)、(1,1,-1,-1)。C收到的序列是(2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2)，求C收到A发送的数据。
- 将序列每4位一组：[(2,0,2,0), (0,-2,0,-2), (0,2,0,2)]
- 分别与A的码片序列(1,1,1,1)内积：
第1组：2+0+2+0=4 → 4/4=1
第2组：0+(-2)+0+(-2)=-4 → -4/4=-1 → 0
第3组：0+2+0+2=4 → 4/4=1 - 结果：1,0,1 → B. 101
3.5.2 随机访问（动态划分）
随机访问协议（争用型协议）中，用户随机发送信息，占用信道全部速率。当多个用户同时发送时产生冲突，需要按规则重传。
3.5.2.1 ALOHA协议
| 协议 | 原理 | 吞吐量 | 最大利用率 |
|---|---|---|---|
| 纯ALOHA | 想发就发，碰撞后随机重传 | $S = Ge^{-2G}$ | 18.4% (G=0.5) |
| 时隙ALOHA | 只能在时隙开始发送 | $S = Ge^{-G}$ | 36.8% (G=1) |
- $G$：网络负载（$T_0$时间内所有站点发送的帧数）
- $S$：吞吐量（$T_0$时间内成功发送的平均帧数）
3.5.2.2 CSMA协议
载波监听多路访问：发送前先监听信道。
| 协议 | 信道空闲 | 信道忙 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 1-坚持CSMA | 立即发送 | 持续监听 | 利用率高，碰撞概率高 |
| 非坚持CSMA | 立即发送 | 等待随机时间后重听 | 碰撞减少，延迟增加 |
| p-坚持CSMA | 以概率p发送 | 持续监听 | 平衡碰撞与利用率，实现复杂 |
3.5.2.3 CSMA/CD协议
载波监听多路访问/碰撞检测，适用于总线形或半双工网络（全双工不需要）。
工作流程：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
- 从网络层获得分组，封装成帧放入缓存。
- 检测信道：空闲则发送；忙则持续监听（1-坚持）。
- 发送过程中持续检测：未碰撞则发送完毕；碰撞则立即停止，发送拥塞信号（32/48比特）。
- 执行截断二进制指数退避算法，等待随机时间后返回步骤2。
争用期（冲突窗口）：
- 定义：端到端往返时间 $2\tau$（$\tau$为单程传播时延）
- 经过争用期未检测到碰撞，才确定本次发送不会发生碰撞。
最小帧长：
- 发送时间 ≥ 争用期，才能保证碰撞检测有效
- 最小帧长 = $2\tau \times$ 数据传输速率
- 以太网：争用期51.2μs，10Mb/s时最小帧长512bit=64B
例题（2009年37题）
1Gbps网络，信号传播速度200000km/s，最小数据帧长减少800比特，求最远站点距离变化。
- 最小帧长 $L_{min} = 2 \times \frac{D}{v} \times R$，其中 $v$为传播速度，$R$为数据率
- 帧长与距离成正比：$\Delta L = 2 \times \frac{\Delta D}{v} \times R$
- $800 = 2 \times \frac{\Delta D}{2\times10^8} \times 10^9$ → $\Delta D = 80$m
- 帧长减少 → 距离减少80m → D. 减少80m
截断二进制指数退避算法：
- 基本退避时间 = 争用期 $2\tau$
- 重传次数 $k = \min{重传次数, 10}$
- 随机数 $r \in [0, 2^k-1]$，退避时间 $= 2r\tau$
- 重传16次仍失败则丢弃帧，报告高层
信道利用率：
$$S_{max} = \frac{T_0}{T_0 + \tau} = \frac{1}{1 + a},\quad a = \frac{\tau}{T_0}$$
- $a \to 0$ 时利用率高（$T_0$远大于$\tau$）
- $a$越大，争用期占比越大，利用率越低
3.5.2.4 CSMA/CA协议
载波监听多路访问/碰撞避免，用于无线局域网（802.11标准）。
无线局域网不能使用CSMA/CD的原因：
- 接收信号远小于发送信号，碰撞检测硬件要求高。
- 存在隐蔽站问题，不是所有站点都能听见对方。
**帧间间隔(IFS)**：
| 类型 | 长度 | 用途 |
|---|---|---|
| SIFS | 最短(28μs) | ACK、CTS、RTS帧 |
| PIFS | 中等 | PCF操作中使用 |
| DIFS | 最长(128μs) | 异步帧竞争访问 |
| EIFS/AIFS | 用于错误恢复或带 QoS 的访问 | 通常更长 |
CSMA/CA工作原理：
- 站点有数据发送时，检测信道空闲则等待DIFS后发送整个数据帧。
- 信道忙则执行退避算法：选取随机回退值，信道空闲时倒计时，减到0时发送。
- 发送后等待确认：收到ACK则成功；否则重传。
处理隐蔽站问题（RTS/CTS机制）：
- 源站广播RTS（请求发送）帧，包含源地址、目的地址和通信持续时间。
- AP收到后广播CTS（允许发送）帧，包含通信持续时间。
- 其他站点听到CTS后，在预约期内不发送数据。
- 源站收到CTS后发送数据帧，接收方收到后回复ACK。
RTS/CTS的作用：①给源站发送许可；②指示其他站点在预约期内不要发送。
例题（2018年35题）
IEEE 802.11无线局域网MAC协议CSMA/CA进行信道预约的方法是：D. 交换RTS与CTS帧
CSMA/CD与CSMA/CA对比：
| 对比项 | CSMA/CD | CSMA/CA |
|---|---|---|
| 碰撞处理 | 检测冲突 | 避免冲突 |
| 边发边检 | 可以 | 不能 |
| 适用介质 | 有线总线形以太网 | 无线局域网 |
| 检测方式 | 电缆电压变化 | 能量检测、载波检测 |
| 基本思想 | 发送前侦听，碰撞即停 | 广播告知，预约信道 |
3.5.3 轮询访问
通过集中控制的监控站以循环方式轮询各结点，决定信道分配。典型协议：令牌传递协议。
令牌传递协议（令牌环网）：
- 网络空闲时，令牌帧在环路循环传递。
- 持有令牌的设备若有数据，则修改令牌为数据帧发送。
- 数据帧沿环路传输，目的站复制数据，源站回收并检查。
- 源站生成新令牌传递给下一站点。
特点：
- 适合负载很高的广播信道（不会发生冲突）
- 逻辑上是环，物理拓扑不一定是星型
- 缺点：令牌开销、等待延迟、单点故障
习题
在以太网帧中，数据字段的最小长度为多少字节？
A. 46（最小帧长64B，首部18B，数据最小46B）在CSMA/CD协议中，一旦检测到碰撞，发送节点会（A. 立即停止发送数据, 并等待一段随机时间后重新尝试发送）
传播时延20μs，速率10Mbps，最小帧长 = $2\times20\times10^{-6}\times10\times10^6 = 400$bit → B. 400bit
关于CSMA/CD协议的特点，错误的是（B. 可以完全避免碰撞的发生）
CSMA/CA协议中，RTS帧和CTS帧的作用是（B. 避免隐蔽站问题）
CSMA/CA与CSMA/CD的主要区别是（B. CSMA/CA采用碰撞避免机制，CSMA/CD采用碰撞检测机制）
在802.11标准中，ACK帧的发送需等待的帧间间隔是（A. SIFS）
在令牌传递协议中，令牌的作用是（C. 控制节点对共享介质的访问权）
谢希仁2-16（CDMA）
码片序列与接收序列内积：
A: (-1+1-3+1-1-3+1+1)与A的码片内积 = 1+1+3+1+1+3+1+1=12 → 12/8=1.5 → 发送1
B: 内积= -1-1-3-1-1-3+1-1 = -10 → -10/8=-1.25 → 发送0
C: 内积= -1-1+3+1-1-3-1-1 = -4 → -4/8=-0.5 → 发送0
D: 内积= -1-1-3-1-1-3-1-1 = -12 → -12/8=-1.5 → 发送0
结果：A发送1，B发送0，C发送0，D发送0谢希仁3-20
1km，1Gbit/s，v=200000km/s，τ=1/200000=5μs，争用期=2τ=10μs
最短帧长 = 10μs × 1Gbit/s = 10000bit谢希仁3-22
r=100，基本退避时间=2τ（以太网τ=25.6μs），等待时间=100×2τ=100×51.2μs=5.12ms
100Mbit/s以太网，基本退避时间=2τ=51.2μs（与速率无关），等待时间仍为5.12ms谢希仁3-24
最短帧长64B，加8B前导码，总长72B=576bit，发送时间=576/10M=57.6μs
传播时延=225bit时间=22.5μs，争用期=45μs
A发送57.6μs > 45μs，A在检测到碰撞前不能发送完毕。若A发送完毕前未检测到碰撞，则肯定未发生碰撞。谢希仁3-26
第1次重传失败：k=1，r∈{0,1}，两站选相同r的概率=1/2
第2次重传失败：k=2，r∈{0,1,2,3}，选相同概率=1/4
第3次重传失败：k=3，r∈{0,…,7}，选相同概率=1/8
成功前平均重传次数=$\sum_{i=1}^\infty i \times (1-\frac{1}{2^i}) \times \prod_{j=1}^{i-1}\frac{1}{2^j}$理想状态下时间顺序：
DIFS + RTS + SIFS + CTS + SIFS + DATA + SIFS + ACK
笔记结束