【计算机网络】数据链路层 : 信道划分 介质访问控制 ( 数据链路 | 介质访问控制分类 | 频分多路复用 FDM | 时分多路复用 TDM | 波分复用 WDM | 码分多路复用 CDM 计算 )★

一、 传输数据的两种链路

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传输数据的两种链路 :

① 点对点链路 : 两个 相邻 节点 , 通过 单一 链路 连接 , 第三方 无法收到任何信息 ;

• 应用场景 : PPP 协议 , 广域网 ;

② 广播式链路 : 链路上所有主机 共享 通信介质 ;

• 应用场景 : 局域网 ;
• 拓扑结构 : 总线型 , 星型 ;

链路层 解决 在 广播式链路中 , 两台主机之间的通信不会相互干扰 , 解决上述问题的机制就是 介质访问控制 ;

二、 介质访问控制

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介质访问控制 : 使 广播网络 中 , 两个节点之间的通信不会发生干扰的措施 ; 可以划分为以下两种类型 :

• 静态划分信道
• 动态划分信道

静态划分信道 : 信道划分 介质访问控制 ;

① 频分多路复用 FDM ( Frequency )

② 时分多路复用 TDM ( Time )

③ 波分多路复用 WDM ( Wave )

④ 码分多路复用 CDM ( Code )

动态分配信道 :

① 轮询访问 介质访问控制 : 令牌环传递协议 ;

② 随机访问 介质访问控制 :

• ALOHA 协议
• CSMA 协议
• CSMA / CD 协议
• CSMA / CA 协议

三、 信道划分 介质访问控制

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信道划分 介质访问控制 : 将 使用通信介质 的 每个设备 与 其它设备的通信隔离开 , 将 时域资源 和 频域资源 合理地 分配给网络上的设备 ;

多路复用技术 : 将 多个 信号 组合在一个 信道上进行传输 , 多个计算机共享信道资源 , 提高信道利用率 ;

将 广播信道 , 从哪个逻辑上划分成 若干条 两个节点之间通信的 互不干扰的 信道 ;

本质是 将 广播信道 转换为 点对点信道 ;

四、 频分多路复用 FDM

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频分多路复用 FDM :

① 一直持有频带 : 用户 分配到 频带 后 , 通信过程中 一直占用该 频带 ;

② 频率带宽资源 ( Hz ) : 频分复用 所有用户 , 同样式样 占用 不同的 频率带宽 资源 , 频率带宽是 赫兹 单位 ;

频分多路复用 FDM 优点 :

① 效率高 : 充分利用 介质 带宽 , 传输 效率 较高 ;

② 实现简单 : 该技术比较成熟 , 实现简单 ;

五、 时分多路复用 TDM

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时分多路复用 TDM :

① 划分等长帧 : 将 时间 划分为 若干 等长 的 时分复用帧 ( TDM 帧 ) ;

② TDM 帧 : 是在 物理层 传送的 比特流 所划分的帧 , 标志一个周期 ;

③ 固定时隙 : 每个 时分复用 用户 , 在每个 TDM 帧 中 , 占用 固定序号的时隙 ;

④ 轮流使用 : 所有用户 轮流 占用信道 ;

整个信道的速率是 8000 比特 / 秒 , 如果将信道划分为 $4$ 个 TDM 帧 , 那么每个用户的速率最高是 2000 比特 / 秒 ;

六、 统计时分复用 STDM

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统计时分复用 STDM :

① 划分不等长帧 : 将 时间 划分为 若干 不等长 的 统计时分复用帧 ( STDM 帧 ) ;

② STDM 帧 个数 : 每个 STDM 帧 时隙个数 小于 集中器上的用户数 ;

③ 输入缓存 : 用户需要 发送数据 时 , 将数据发送到 集中器的输入缓存 中 ;

④ 输入缓存 -> STDM 帧 : 集中器 按照 顺序 扫描 输入缓存 , 将 输入缓存 中的数据 , 输入到 STDM 帧中 ;

⑤ 发送时机 : STDM 帧 放满数据 , 就发送 ;

⑥ STDM 帧 分配时隙 机制 : STDM 帧 分配时隙 不是固定的 , 而是动态按序分配时隙 ;

七、 波分复用 WDM

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波分复用 WDM :

① 本质 : 光的 频分多路复用 ;

② 不同波长光 : 在光纤中 , 传输 多种 不同 波长的 光信号 , 波长不同 , 各路光信号互不干扰 ;

③ 分离信号 : 使用 波长分解复用器 将 各路播放分解出来 ;

八、 码分多路复用 CDM

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码分多址 ( CDMA ) 是 码分多路复用 CDM 的一种重要形式 ;

$1$ 个 比特 分为 多个 码片 ( 芯片 ) , 每个站点被指定一个唯一的 $m$ 位 芯片序列 ;

发送 $1$ 时 , 站点发送 芯片序列 , 发送 $0$ 时 , 站点发送 芯片序列 反码 ;

$A,B$ 两个主机 , 发送数据到 $C$ 主机 ;

主机 $A$ 发送 $0$ 数据 , 主机 $B$ 发送 $1$ 数据 , 其发送的每个 比特 , 都对应一个 $m$ 位的 芯片序列 , 一般情况下 芯片序列的长度是 $64$ 或 $128$ 位 , 这里为了方便演示 , 设置芯片序列 长度为 $8$ 位 ;

数据不冲突 前提 ( 芯片序列正交 ) : 多个站点 , 同时发出数据时 , 各个站点 , 芯片序列 必须满足 相互正交 的前提 ; 只要芯片正交 , 就不会出现冲突 ;

芯片序列正交 计算 : 芯片序列 对应位 相乘 , 然后相加 , 除以总位数 ;

数据合并 : 将信道中的 芯片序列 按位 线性相加 , 合并后的芯片序列位数相同 ;

数据分离 : 合并的数据 和 源站芯片序列 规格化内积 ;

规格化内积计算 : 合并后的数据 与 源站芯片序列 , 按位相乘 , 再相加 , 最后除以 芯片序列位数 , 如果得到 $+1$ 说明是数据 $1$ , 如果得到 $-1$ 说明是数据 $0$ ;

芯片序列 与 芯片序列 反码 :

$A$ 主机中的 $1$ 数据 , 对应 芯片序列 $(+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)$ ;
$A$ 主机中的 $0$ 数据 , 对应 芯片序列 $(-1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,+1)$ , $0$ 数据的芯片序列是 $1$ 数据芯片序列的反码 ;

$B$ 主机中的 $1$ 数据 , 对应 芯片序列 $(-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,+1)$ ;
$B$ 主机中的 $0$ 数据 , 对应 芯片序列 $(+1,-1,+1,-1,+1,-1,-1,-1)$ , $0$ 数据的芯片序列是 $1$ 数据芯片序列的反码 ;

芯片序列正交 验证 计算 : 如果 $A,B$ 两台主机之间的芯片序列可以正交 , 那么其发送数据就不会冲突 ;

主机 $A$ 的 $1$ 数据 芯片序列 $(+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)$ , 与
主机 $B$ 中 $1$ 数据 芯片序列 $(-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,+1)$ 正交 ;

正交计算 : 每个对应位 按位相乘 , 然后相加 , 除以位数 ; 如果为 $0$ , 说明两个芯片序列正交 ;

$\begin{array}{l}\\ \\ \frac{(+1\times -1)+(-1\times +1)+(-1\times -1)+(+1\times +1)+(+1\times -1)+(+1\times +1)+(+1\times +1)+(-1\times +1)}{8}\\ \\ =\frac{-1+(-1)+1+1+(-1)+1+1+(-1)}{8}\\ \\ =0\end{array}$

数据合并 : 将 芯片数据 线性相加即可 ;

$A$ 主机发送 $0$ 数据 , $B$ 主机发送 $1$ 数据 , 那么对应的合并的数据是 :

$A$ 主机 $0$ 数据对应芯片序列 $(-1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,+1)$
$B$ 主机 $1$ 数据对应芯片序列 $(-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,+1)$

$\begin{array}{l}\\ \\ (-1-1,+1+1,+1-1,-1+1,-1-1,-1+1,-1+1,+1+1)\\ \\ =(-2,+2,0,0,-2,0,0,+2)\end{array}$

数据分离 :

$C$ 设备收到 $(-2,+2,0,0,-2,0,0,+2)$ 芯片序列 , 将该序列与 $A$ 主机 芯片序列 进行 规格化内积 ;

规格化内积 : 对应位相乘 , 求总和 , 然后除以 芯片序列 总的位数 $8$ ;

规格化内积 计算过程 : 对应位相乘 , 然后将 $8$ 个相乘结果相加 , 最后除以 $8$ ;

主机 $A$ 芯片序列是 $(+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)$ ;

$\begin{array}{l}\\ \\ 规格化内积=(-2,+2,0,0,-2,0,0,+2)\bullet (+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)\\ \\ =\frac{(-2\times +1)+(+2\times -1)+(0\times -1)+(0\times +1)+(-2\times +1)+(0\times +1)+(0\times +1)+(+2\times -1)}{8}\\ \\ =\frac{-2-2+0+0-2+0+0+-2}{8}\\ \\ =-1\end{array}$

计算结果是 $-1$ , 说明 主机 $A$ 发送的数据是 $0$ ;