【计算机网络】【湖科大MOOC】数据链路层 媒体介入控制 频分复用、时分复用、码分复用 载波监听多址接入/碰撞检测CSMA/CD 碰撞避免CSMA/CA

数据链路层

  1~3. 封装成帧、差错检测、可靠传输 ：【计算机网络】【湖科大MOOC】数据链路层 差错检测 可靠传输 停等协议-回退N步-选择重传

  4. 点对点协议 ：【计算机网络】【湖科大MOOC】数据链路层 PPP点对点协议

5. 媒体介入控制

• 基本概念

  媒体介入控制 MAC (Medium Access Control)：如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用（共享信道）。

  （下图所示，两个主机同时发送帧，帧的信号会产生碰撞）

  

  MAC可分为两类：静态划分信道和动态接入控制。

  静态划分信道：预先固定分配好信道，如 频分多址、时分多址、码分多址。不灵活，通常在无线网络的物理层中使用。

  动态接入控制介绍如下：
  
  目前，使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网，但无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

5.1 静态划分信道

复用 Multiplexing：通过一条物理线路同时传输多路用户的信号，不会发生冲突/碰撞。

常见的复用技术有频分复用、时分复用、波分复用和码分复用。

频分复用 FDM：将传输线路的 频带资源 划分成多个子频带–子信道。复用器 将每一路信号 调制 到不同频率的载波上，而 分用器 通过滤波将各路信号分开，恢复成多路信号。

时分复用 TDM：将传输线路的带宽资源按 时隙 轮流分配给不同用户。

波分复用 WDM：本质上是光的频分复用。

码分复用 CDM：不同用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

  该技术主要用于多址接入，常称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)，同理可得FDMA、TDMA。

复用 VS 多址：复用是将单一媒体的频带资源划分成很多子信道，它们之间相互独立、互不干扰；而多址(多点接入)是动态分配信道给用户，当信道永久性分配给用户时，多址不需要。多址可看成是复用的应用。

码分多址 CDMA：每一个比特时间再划分为m个短间隔 — 码片 chip。

  直接序列扩频 DSSS（规格化 0变成-1）
  
  内积表达式：
  
  举例：
  

5.2 动态接入控制 - 随机接入

5.2.1 载波监听多址接入/碰撞检测 CSMA/CD协议

  总线局域网 使用的媒体介入控制协议，是早期共享信道以太网使用的协议。

• 基本概念介绍

  多址接入 MA (Multiple Access)：多个主机（称为站）连接在一条总线上，竞争使用总线。
  
  载波监听 CS (Carrier Sense)：站在发送帧之前，先检测总线上是否有其他站点在发送帧 — “先听后说”。
  
  碰撞检测 CD (Collision Detection)：每个正在发送帧的站边发送边检测碰撞 — “边说边听”。
  
  96比特时间：帧间最小间隔。

  

  强化碰撞：发送帧的站点检测到碰撞后，立即停止发送帧，且还要发送32bit/48bit的人为干扰信号，以便所有站点都能检测出碰撞。

• 争用期 / 碰撞窗口

  主机最多经过 2t 的时长就可确定发送是否遭受碰撞，指端到端往返传播时延。以太网中的主机越多，t越大，发生碰撞的概率就越大，因此总线不能太长。
  

• 最小帧长

  最小帧长确保了主机可在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程中是否遭遇了碰撞。以太网规定最小帧长为64字节=512bit（512比特时间即为争用期），太小则为 无效帧。

• 最大帧长

  帧太长会导致其他主机一直拿不到总线的使用权，也可能导致目标主机的缓冲区溢出。

• 截断二进制指数退避算法

  

  推迟的平均时间随重传次数而增大（也称为 动态退避 ），从而减小发生碰撞的概率。
  当重传达16次仍不成功时，表示同时打算发送帧的主机太多，则丢弃该帧，并向高层报告。

• 信道利用率

  

• 帧发送流程
  

  帧接收流程
  

5.2.1 载波监听多址接入/碰撞避免 CSMA/CA

  无线局域网 使用的媒体介入控制协议(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 。

• 基本概念

  在无线网中不能使用碰撞检测，因为接收的信号强度往往小于发送的，这对硬件要求高，而且存在 隐蔽站问题。

  

  停止-等待协议：由于无线信道的通信质量低，站点每发送完一个数据帧后，要等收到对方的确认帧后才能继续发送下一帧。

  帧间间隔 IFS：所有站点必须在检测到信道空闲一段指定时间后才能发送帧。IFS的长短取决于要发送的帧的优先级，因此分为了短 SIFS和 DIFS。

• 工作原理
  

• 退避算法
  
  

  退避算法示例：
  

• 信道预约：为减少碰撞的概率，允许发送数据的站点对信道进行预约。

  请求发送 RTS (Request To Send)：源站在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧；
  
  允许发送 CTS (Clear To Send)：目的站正确收到源站发来的RTS帧；
  
  其他各站在收到 CTS帧 后就推迟接入到无线局域网中；因为RTS帧和CTS帧很短，所以碰撞概率很小。

  

• 虚拟载波监听：RTS帧、CTS帧和数据帧都携带了信道被占用的持续时间的信息，因此能减少隐蔽站带来的碰撞问题。
  

  课程视频链接 (B站) ：https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb?p=1