信道共享技术

计算机网络可以分为两类：

• 使用点对点连接的网络（全双工信道）--------广域网
任何时刻想发数据就可以发，不用争信道的使用权
• 使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络--------局域网
要解决的关键问题是如何解决对信道争用

☆解决信道争用的协议称为介质访问控制协议MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一部分

信道的分配

• 信道的静态分配：时分复用；频分复用；波分复用；码分复用
• 信道的动态分配：局域网都采用动态分配策略，即根据当前对信道请求的情况动态协调各用户对信道的使用权

信道的动态分配分类

冲突协议

▼ALOHA冲突协议（分为纯ALOHA协议和时间片ALOHA协议）
目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统
• 纯ALOHA协议
基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道，然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发
• 时间片ALOHA协议
基本思想：把信道时间分成离散的时间片，片长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时间片开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同

ALOHA协议的发送过程

ALOHA协议.png

▼CSMA协议（载波监听多路访问协议）
载波监听：站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波（载波：物理层在传送数据的时候要把0、1数据调制成相应的电频、信号状态，然后再送到媒介中去，经过物理层预先规定的调制方式生成的信号就是载波），若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突

❉多路访问：多个用户共用一条信道

三个变种：
• 1-坚持型CSMA（1-persistent）
基本原理：若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程

优点：减少了信道空闲时间
缺点：增加了发生冲突的概率（比如A正在发送数据，占用了信道时间t，在t这段时间里如果有两个或两个以上的栈点要发生数据就都要等待，等A发送完其他栈点会同时发，这时容易产生冲突）
广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差

• 非坚持型CSMA（nonpersistent）
基本原理：若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程

优点：减少了冲突的概率
缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大

• P-坚持型CSMA（p-persistent）-------- 适用于分槽信道
分槽信道：把信道时间划分成若干离散点，即时间片

基本原理：若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q = 1 - p 延迟至下一个时槽发送、若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他栈点所占用；若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送

▼CSMA/CD
• 冲突
当多个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）
当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了冲突
• 冲突检测
当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来说，这时很大的浪费、如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD（有线以太网中使用的），而无线以太网使用的是CSMA/CA

• CSMA/CD工作过程
站点使用CSMA协议进行数据发送；在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突（因为只有发送数据的节点才做冲突检测，而发这个干扰信号是为了使没有参与数据传输的节点也清楚信道出现了冲突），而且每一个检测到干扰的节点都会发送干扰信号；在发出干扰信号后，等待一段随机时间（称为退避），再重复上述过程

无冲突协议

▼例：基本位图协议
工作原理：共享信道上有N个站，竞争周期分为N个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特1；N个时槽之后，因为是广播出去的，因此每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送（最上面一排的01234567代表站点，这里每个站的发送时延是不一样的，0是最快可以发送的，而7就需要等待0~6都发送完了才能发送）

基本位图协议.png

▼BRAP ---- 具有轮换优先权的广播识别协议
按序轮转分配各站的发送权；预约时间片的个数和工作站数相等

BRAP.png

▼令牌协议
网络中流传这一个被称为“令牌Token”的帧（是一个特殊的01串），一个节点要发送数据必须首先截获令牌，由于网络中只有一个令牌，从而不会产生冲突。
令牌这个帧有可能丢失，丢失了以后任何一个站想要发送数据都发送不了，系统就崩溃了。因此这时需要有一个监督管理站，作用是控制管理令牌，防止令牌丢失。最大流转时间（即每个站点都有数据要发送时所需要的最大时间）超时以后还没收到令牌，就认为是令牌丢失，这时就会再创建一个令牌，保证网络当中有令牌

令牌协议.png