共享信道前世今生

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前言：作为网络工程系的学生，最近在学习局域网与城域网和TCP/IP协议栈这两门课程，以前也学习过计算机通信网，感觉局域网中的共享信道访问是个值得探讨的问题，借此机会在这里写写自己的看法。第一次写CSDN博客，诚惶诚恐，如有谬误，请各位大大指出

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什么是共享信道。

        信道（Channel）指的是信号传递的通道，一般来说，信道两边为通信的双方。而共享信道（Sharing Channel ）则顾名思义，是由多个通信用户共同使用一个信道。打个比方来说，如果把火车比喻为信号，火车站比喻为通信方，那么一般信道就是火车站A通向火车站B的私有通道，不能有其他站点的火车窜入，而共享信道则是多个火车站共同使用一个火车铁路。

        共享信道形式多样，有线形式的为常见的双绞线，同轴电缆，光纤等，无线形式的为常见的WiFi等等。

       

实现访问控制的手段

        就像上面的比喻一样，多个火车共用一个铁路，势必会出现谁先用，谁后用的问题，如果全部站点的火车一起开出，就会出现车祸的惨剧。共享信道也是一样的道理，如果共用这个信道的站点同时发出信息，势必会在共享信道上发生冲突（collision），这样下去就会谁也不能有效利用这个信道，这当然不是我们通信希望看到的。于是，我们就出现了各种防止出现冲突或者减少冲突的方法，这些方法中的思想多是基于复用思想的，且听我一一道来。

信道频分复用。

        复用这个思想其实很简单，在日常生活中也很容易看到相同的事例。比如整栋楼只有一个电脑，用户很多，电脑很少，如果想要发送信息怎么办呢？我们就把使用这个电脑的时间分为等长的一段段时间片，每个时间片由一个用户使用电脑，到了时间之后就算没有发送完全信息，那也得换下一个用户使用。这种方式就是典型的时分复用（Time  Division Multiplexing ） 避免冲突方式。

         在这里首先先介绍的是频分复用（ FDM，Frequency Division Multiplexing），我们在通信原理中知道，信号在一个信道中传递，必须得把基带信号调制到频带上，并且占用一定的频带宽度（带宽），也就是说，每个信号是会占据一定宽度的频带的，而一个信道可以使用的频带通常是大于 一路信号的，因此我们可以把一个信道的可用频带划分为多个频段，然后将多路信号同时在这个信道上传输，这样每路信号就不会发生冲突，而且可以在接收端完好地接受下来。这个过程如下图所示：

        这个方法通信质量好，因为把一个共享信道在逻辑上划分为了多个信道，分别给不同的用户使用，但是存在一个很严重的问题，就是一个不同频段之间的站点之间要通信，之间的协调方式复杂麻烦，而且一个信道的可用频带总是有限的，禁不住多次划分。

信道时分复用。

         时分复用在上面的例子中已经粗略介绍过了，而信道的时分复用也差不多，就是把使用这个信道的权限分为多个时间片（slot），在每个时间片未到时间的时候，仅允许一个用户使用信道。这个方法不存在频分复用中的不同站点调制频率不同，解调麻烦的问题，但是也存在其他一些问题，比如说共享这个信道的用户可能很多，那么同步这个系统时钟的工作将变得很复杂。可能有人要问了，为什么要同步这个系统的时钟呢？那是因为要做到分时间片，并且每个用户按照这个时间片去 无冲突使用信道，那么每个用户主机的时间必须是一致的，不然划分时间片将变得毫无意义。

        而且划分时间片的方式还有个问题，就是在多个用户使用不频繁，也就是轻载的情况下，效率不高，容易想象到，信道在这个时间片划分给A使用，但是此时A却没有数据需要发送，这就白白浪费了信道。

共享信道访问控制协议简介

        在1和2中介绍到的两种方式都是属于无冲突方式访问共享信道的一种，什么叫做无冲突呢？就是在这个规划下，绝对不会发生一个站点的信号和另一个站点的信号发生冲突的意思，与此相对应的有竞争式协议（如ALOHA，CSMA等等）。

        首先要明确这种共享信道访问控制协议基本上都是基于时分复用的，每个时刻在信道上都只能有一路信号，但是他并不是传统上的划分时间片，而是利用协议去控制。共享信道访问控制协议可以分为无冲突协议和竞争式协议两种，无冲突正如上面所说的，不会发生一个站点和另一个站点发生冲突的情况，而竞争式协议则是发送的多方竞争式地利用信道，有可能发生冲突，我们要做的是减小冲突的几率并提高信道使用的效率（最大吞吐量）。

共享信道访问控制协议

         实现共享信道访问控制协议，也是属于OSI/RM网络模型中的数据链路层中的MAC（Media Access Control）子层需要关心的事情，在这里我们把共享信道访问控制协议称为 MAC协议 。根据访问形式划分，根据访问的控制形式，可以分为 集中式控制 和 分布式控制 两种。集中式控制就是在整个冲突域（共用一个共享信道，可能发生冲突的区域）采用一个服务器作为集中式控制机，分时地给每个主机以访问权限，集中式控制有个很大的问题就是如果这个主机挂掉了，那么整个冲突域的其他主机将无法通信，这样的网络可靠性就太低了。而分布式控制的出现解决了这个问题，因为在这个方案下，信道访问权限是由整个冲突域内的所有主机竞争或者协商下来的，就算是挂掉了一个也不会影响其他主机的正常使用。

典型的分布式MAC机制有：轮转，预约，争用三种，接下来分别简单介绍下，重点说明下争用模式，因为目前最常使用的CSMA协议就是基于此的。

轮转访问机制

        轮转其实就是前面已经介绍过了的时分复用访问模式，属于 无冲突协议 ，典型的实现协议有轮询和令牌环等，这个协议的缺点也是和前面所说的，在轻载的时候信道的使用效率低下，往往会造成信道的浪费。如下图便是令牌环形网的一般形式，使用权限也就是令牌在站点之间传递。

预约访问机制

       这个机制不是很了解，典型的协议有IEEE 802.16 ，适用于长延时信道，具体地信息待以后再补充了。

争用访问机制

      争用访问机制是我们要讨论的重点，它是现在常用的CSMA/CD协议的基础，特点在于轻载的时候访问时延短，重载时冲突严重。我们将在下一篇文章里具体讨论这个机制。

未完待续，下一章<理解共享信道访问协议系列2>争用访问协议