3-4数据链路层-介质访问控制

一.信道划分介质访问控制

不发生冲突（碰撞）
信道划分介质访问控制将使用介质的每个设备与来自同一通信信道上的其他设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。

网络负载重：共享信道效率高，且公平
网络负载轻：共享信道效率低

（一）频分多路复用 FDM

Frequency-division multiplexing

将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽(频率带宽)资源，适合传输模拟信号。（类似并行，共享时间）

1.优点：充分利用传输介质的带宽，系统效率高
2.不足：需要在相邻信道之间加入保护频带防止子信道相互干扰

假设A站要向C站运输黄豆，B站要向C站运输绿豆，A与C、B与C之间有一条公共的道路，可以类比为广播信道。

在频分复用方式下，公共道路被划分为两个车道，分别提供给A到C的车和B到C的车行走，两类车可以同时行走，但只分到了公共车道的一半，因此频分复用共享时间而不共享空间。

（二）（统计）时分多路复用 (S)TDM

(Statistical) Time-Division Multiplexing

时分多路复用TDM是将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用，是一种静态时分复用技术，预先分配时间片（时隙），也称为同步时分多路复用，适合传输数字信号。相比于FDM，TDM抗干扰能力强，可以逐级再生整型，避免干扰的积累，数字信号比较容易实现自动转换。

将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。（类似并发，共享空间）

假设A站要向C站运输黄豆，B站要向C站运输绿豆，A与C、B与C之间有一条公共的道路，可以类比为广播信道。

在时分复用方式下，先让A到C的车走一趟，再让B到C的车走一趟，两类车交替地占用公共车道。公共车道没有划分，因此两车共享了空间，但不共享时间。

统计时分多路复用STDM

由于计算机的数据的突发性，对于子信道的利用率不高。因此提出了统计时分多路复用（又称异步时分多路复用）

通过集中器将四个低速用户连接起来，将他们的数据集中起来，再通过高速线路发送。每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。

STDM帧不固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，当终端有数据要传送时，才会分配到时间片，因此可用提高线路的利用率。

例如，线路传输速率为8000b/s（位速率），4个用户的平均速率都为2000b/s。当采用TDM方式时，每个用户的最高速率为2000b/s（单个信号），而在STDM方式下，每个用户的最高速率可达8000b/s（单个信号）

[例]
TDM所用传输介质的性质是（）
A.介质的带宽大于结合信号的位速率
B.介质的带宽小于单个信号的带宽
C.介质的位速率小于最小信号的带宽
D.介质的位速率大于单个信号的位速率

解析：带宽和位速率不能比较，排除AC。带宽是理想速率，位速率是实际速率，一般不做区分。BD表述相反，时分复用TDM共享带宽，参与带宽共享的每个时分复用的用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。在这种情况下，介质的位速率/带宽大于单个信号的位速率/带宽。
答案：D

（三）波分多路复用 WDM

Wavelength Division Multiplexing

波分多路复用就是光的频分多路复用。在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

假设A站要向C站运输黄豆，B站要向C站运输绿豆，A与C、B与C之间有一条公共的道路，可以类比为广播信道。

在波分复用方式下，与频分复用相同。公共道路被划分为两个车道，分别提供给A到C的车和B到C的车行走，两类车可以同时行走，但只分到了公共车道的一半，共享时间而不共享空间。

（四）码分多路复用 CDM

Code Division Multiplexing

采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。既共享信道的频率，又共享时间。

假设A站要向C站运输黄豆，B站要向C站运输绿豆，A与C、B与C之间有一条公共的道路，可以类比为广播信道。

在码分复用情况下，黄豆与绿豆放在同一辆车上运送，到达C后，由C站负责把车上的黄豆和绿豆分开。因此，黄豆和绿豆的运送，在码分复用的情况下，既共享了空间，也共享了时间。

码分多址 CDMA

Code Division Multiple Access

（1）每比特时间被分成m个更短的时间槽，称为码片，m通常为64或128
（2）发送1时，站点发送码片序列，发送0时，站点发送码片序列的反码
（3）两个或多个站点发送数据时，各路数据在信道中线性相加。各个站点的码片序列相互正交，从而从信道中分离出各路信号。

[例]
假如站点A的码片序列被指派为00011011，则A站发送00011011就表示发送比特1，发送11100100（A的反码）就表示发送比特0

同样，若假如站点B的码片序列被指派为00101110，则B站发送00101110就表示发送比特1，发送11010001（B的反码）就表示发送比特0

将码片中的0写为-1，将1写为+1，因此A站的码片序列是 -1-1-1+1+1-1+1+1，B站的码片序列是-1-1+1-1+1+1+1-1

两个不同站的码片序列正交，即向量S和T的规格化内积为0
S●T≡ $\frac{1}{m}$$\sum _{i=1}^m{S}_i{T}_i$

令向量S表示A站的码片向量，当A站向C站发送数据1时，S为(-1-1-1+1+1-1+1+1)

令向量T表示B站的码片向量，当B站向C站发送数据0时。T为-T(+1+1-1+1-1-1-1+1)

显然S和T正交，且S和-T正交 （若S·T = 0，则S·(-T) = 0）

两个向量到了公共信道上就进行叠加，也就是线性相加，得到S+(-T)=(-1-1-1+1+1-1+1+1)+(+1+1-1+1-1-1-1+1)=S-T=(-1-1-1+1+1-1+1+1)-(-1-1+1-1+1+1+1-1)=(0 0 -2 2 0 -2 0 2)
此过程可以看做两发送数据的相加，也可看成S和T相减

到达C站后，进行数据分离，如果要得到来自A站的数据，C站就必须知道A站的码片序列，让S与S-T进行规格化内积。根据叠加原理，其他站点的信号都在内积的结果中被过滤掉了，内积的相关项都是0，而只剩下A站发送的信号。得到S●(S-T)=(-1-1-1+1+1-1+1+1)●(0 0 -2 2 0 -2 0 2)=8/8=1，所以A站发出的数据是1。

同理，如果要得到来自B站的数据，那么T·(S-T)=(-1-1+1-1+1+1+1-1)●(0 0 -2 2 0 -2 0 2)=(-8)/8=-1，因此从B站发送过来的信号向量是一个反码向量，代表0。

[练习1]
一条广播信道上接有3个站点A、B、C，介质访问控制采用信道划分方法，信道的划分采用码分复用技术，A、B要向C发送数据，设A的码序列为+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1。站B可以选用的码片序列为（）。
A. -1,-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1
B. -1,+1,-1,-1,-1,+1,+1,+1
C. -1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1
D. -1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,+1

解：A与B规格化内积为0
( -1,-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1)·( +1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)=2/8
( -1,+1,-1,-1,-1,+1,+1,+1)·( +1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)=-2/8
( -1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1)·( +1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)=-2/8
( -1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,+1)·( +1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1)=(-1-1+1+1-1+1+1-1)/8=0
答案：D

[练习2]
站点A、B、C通过CDMA共享链路，A、B、C的码片序列分别是(1,1,1,1)、(1,-1,1,-1)和(1,1,-1,-1)。若C从链路上收到的序列是(2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2)，则C收到A发送的数据是（）
A. 000
B. 101
C. 110
D. 111

解：
“S与S-T进行规格化内积”：(1,1,1,1)·(2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2)
后面看成每四个一组
得到(2+0+2+0)/4 [0+(-2)+0+(-2)]/4 (0+2+0+2)/4
即1 -1 1
即101
答案：B

二.随机访问介质访问控制

所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率（带宽）。在总线形网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突（碰撞），为了解决随机接入发生的碰撞，每个用户需要按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过。

网络负载重：产生冲突开销
网络负载轻：共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽

FDM/WDM共享时间，TDM共享空间，CDM共享空间和时间。而随机访问控制机制可以既不共享时间也不共享空间，实质上是一种将广播信道转化为点到点信道的行为。

（一）ALOHA协议

1.纯ALOHA协议

不检测直接发。当网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。

超时若未收到确认或收到否定帧，则在随机时间内，以概率p重发（或以1-p的概率在下一个时间以概率p重发，如此反复），直到收到确认帧。因此数据碰撞的概率较大，所以网络的吞吐量很低，信道利用率18.4%

2.时隙ALOHA协议

控制想法就发的随意性，吞吐量和效率有所提升

所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，只能在每个时隙开始时才能发送

在一定程度上避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率，但每个用户都是想发就发，碰撞概率还是很大缺陷

（二）CSMA协议

先听再发。发送前先监听，等到空闲后发送。只用于总线型拓扑结构（逻辑上），介质的最大利用率取决于帧的长度。

	1-坚持CSMA	非坚持CSMA	p-坚持CSMA
侦听到信道空闲	立即发送	立即发送	以概率p发送，以概率1-p推迟到下一个时隙
侦听到信道忙	持续侦听	放弃侦听，等一个随机时间再侦听	持续监听
遇到冲突/未收到确认帧	等一个随机时间再侦听		等到下一个时间槽开始再监听
优点	只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。	采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性	降低了冲突概率、减少了时间延迟
缺点	假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免	可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低

（三）CSMA/CD协议

先听再发，边听边发，冲突停发，随机重发。发送数据时先广播告知其他结点，让其他结点在某段时间内不要发送数据，以免出现碰撞。适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。适用于总线型共享介质的以太网（逻辑上）或半双工网络环境

1.传播时延对载波监听的影响

[例]
某局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制，主机甲和主机乙之间的距离是2km，信号传播速率是200000km/s。若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突，则从开始发送数据的时刻起，到两台主机均检测到冲突为止，最短需要经过多长时间？最长需要经过多长时间（假设主机甲和主机乙在发送数据的过程中，其他主机不发送数据）？

解：
（1）当甲和乙同时向对方发送数据时，信号在信道中发生冲突后，冲突信号继续向两个方向传播。这种情况下两台主机均检测到冲突的时间最短
T_(A)=2km/200000km/s=0.01ms=单程传播时延τ

（2）设甲先发送数据，当数据即将到达乙时，乙也开始发送数据，此时乙将立刻检测到冲突，而甲要检测到冲突还需等待冲突信号从乙传播到甲。两台主机均检测到冲突的时间最长
T_(B)=2km/200000km/s×2=0.02ms=双程传播时延2τ

其中τ叫做端到端传播时延，双程传播时延2τ叫做争用期/冲突窗口/碰撞窗口，超过争用期2τ还未监测到碰撞，才能确定这次发送不会发送碰撞。争用期2τ指信号在最远两个端点之间往返传输的时间。

2.最小帧长

最小帧长=总线传播时延τ×数据传输速率×2=2τ×数据传输速率

[例1]
长度为10km，数据传输速率为10Mb/s的CSMA/CD以太网，信号传播速率为200m/μs。那么该网络的最小帧长为（）。
A. 20bit
B. 200bit
C. 100bit
D. 1000bit

解析：最小帧长=总线传播时延τ×数据传输速率×2=$\frac{10km}{200m/\mu s}$×10Mb/s×2=$\frac{10\times 10^{3}m}{200\times 10^{6}m/s}$×10×10⁶b/s×2=1000bit
答案：D

[例2]
以太网中，当数据传输速率提高时，帧的发送时间会相应地缩短，这样可能会影响到冲突的检测。为了能有效地检测冲突，可以使用的解决方案有（）
A.减少电缆介质的长度或减少最短帧长
B.减少电缆介质的长度或增加最短帧长
C.增加电缆介质的长度或减少最短帧长
D.增加电缆介质的长度或增加最短帧长

解析：为了确保发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的冲突，需要在发送完帧之前就能收到自己发送出去的数据，即帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延，所以CSMA/CD总线网中的所有数据帧都必须要大于一个最小帧长。任何站点收到帧长小于最小帧长的帧就把它当做无效帧立即丢弃。 为使数据传输速率提高的同时不影响冲突检测，要使得最小帧长依然=2τ×数据传输速率。
减少电缆介质的长度使得τ减小，在最短帧长度不变时，速率会提高；增加最短帧长，在τ不变时，速率会提高
答案：B

3.二进制指数退避算法

（1）确定基本退避(推迟）时间为争用期2τ
（2）定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=min[重传次数，10]。当重传次数不超过10时，k等于重传次数；当重传次数大于10时，k就不再增大而一直等于10
（3）从离散的整数集合[0，1，2^k-1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间，即2rτ
（4）当重传达16次仍不能成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错。

[例]
（1）第一次重传，k=1，2^k-1=1，r的可选范围[0,1]，2rτ=0或2τ，因此可选的重传推迟时间是0或2τ
（2）第二次重传，k=2，2^k-1=3，r的可选范围[0,1,2,3]，2rτ=0或2τ或4τ或6τ，因此可选的重传推迟时间是0或2τ或4τ或6τ
（3）第11次重传，k=min[重传次数，10]=10，r的可选范围0~2¹⁰-1=1023

使用截断二进制指数退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数k的增大而增大(这也称动态退避），因而能降低发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。即重传次数k值越大，帧重传时再次发生冲突的概率越低。冲突次数越多，发送成功的概率越小。

（四）CSMA/CA协议

应用于无线局域网

先听再发，边听边发，碰撞停发，发前等待。所有的站完成发送后，必须再等待一段很短的时间(继续监听）才能发送下一帧

在无线局域网环境下
（1）接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会过大。
（2）在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在“隐蔽站”问题。
因此提出了CSMA/CA

1.帧间间隔(IFS)

帧际间隔越小，优先级越高
为了尽量避免碰撞，802.11规定，所有的站完成发送后，必须再等待一段很短的时间(继续监听）才能发送下一帧。这段时间称为帧间间隔(IFS)。帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的类型。802.11使用了3种IFS：
（1）SIFS（短IFS）：最短的IFS，用来分隔属于一次对话的各帧，使用SIFS的帧类型有ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧等
（2）PIFS（点协调IFS）：中等长度的IFS，在PCF操作中使用
（3）DIFS(分布式协调IFS)：最长的IFS，用于异步帧竞争访问的时延

2.处理隐蔽站问题：RTS和CTS

站A和B都在AP的覆盖范围内，但A和B相距较远，彼此都听不见对方。当A和B检测到信道空闲时，都向AP发送数据，导致碰撞的发生，这就是隐蔽站问题。

为了避免该问题，802.11允许发送站对信道进行预约。
（1）源站要发送数据帧之前先广播一个很短的请求发送RTS(Request To Send）控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信(含相应的确认帧）所持续的时间，该帧能被其范围内包括AP在内的所有站点听到。
（2）若信道空闲，则AP广播一个允许发送CTS(Clear To Send）控制帧，它包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧复制)，该帧也能被其范围内包括A和B在内的所有站点听到。
（3）B和其他站听到CTS后，在CTS帧中指明的时间内将抑制发送。
（4）接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧。
（5）发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）。

CTS帧有两个目的：
①给源站明确的发送许可
②指示其他站点在预约期内不要发送

[例]
在某个IEEE802.11无线局域网中，主机H与AP之间发送或接收CSMA/CA帧的过程如下图所示。在H或AP发送帧前等待的帧间间隔时间（IFS）中，最长的是（）。
A.IFS1
B.IFS2
C.IFS3
D.IFS4

解析：若载波监听到信道空闲，需等待DIFS后发送RTS预约信道，IFS1对应DIFS，时间最长。网络中的控制帧以及对所接收数据的确认帧都采用SIFS作为发送之前的等待时延，IFS2、IFS3、IFS4对应SIFS时间最短。
答案：A

3.实现碰撞避免机制

碰撞避免并不是指完全避免，而是尽量减低碰撞发生的概率
（1）预约信道：发送方在发送数据的同时向其他站点通知自己传输数据需要的时间长度，让其他站点在这段时间内不发送数据，避免碰撞
（2）ACK帧：所有站点在正确接收到发给自己的数据帧（除广播帧和组播帧）后，都需要向发送方发回一个ACK帧。
①若接收失败，则不采取任何行动
②在规定的时间内如果未收到ACK帧，那么认为发送失败，此时进行该数据帧的重发，直到收到ACK帧或达到规定重发次数为止
（3）RTS/CTS帧：可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网中的隐蔽站问题

4.CSMA/CD和CSMA/CA异同
（1）相同：先听再发，边听边发，冲突停发
（2）不同
①CSMA/CD用于总线式以太网有线，而CSMA/CA用于无线局域网无线
②传输介质不同。CSMA/CD用于总线型以太网，CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等
③载波检测方式不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式
④.CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传（CD上线16）。

三.轮询访问介质访问控制

不发生冲突（碰撞），发送时占全部带宽，适用于负载很高的广播信道。

对比：
多路复用技术：不冲突，共享带宽
随机访问介质访问控制（MAC）协议：冲突，独占带宽

（一）轮询协议

主结点轮流询问从属结点是否发送数据。通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。
适合：负载很高的广播信道（多个结点在同一时刻发送数据的概率很大的信道）
问题：轮询开销、等待延迟、单点故障（主结点故障）

（二）令牌传递协议

令牌在固定次序中转圈，拿到令牌就可以发送数据（令牌有持有期限，超时停发）
物理上：星型拓扑
逻辑上：环型拓扑
适合：负载较重、通信量较大的网络
问题：令牌开销、等待延迟、单点故障（主机故障）

要发送数据的主机A拿到令牌后，修改令牌标志位（标记为忙），在令牌控制帧后面加上数据，构成数据帧。发出数据帧，在固定次序中转圈，接收方C收到后复制一份数据，发给主机A，主机A收到后检查是否出错，如果无误则回收，不再转发该帧，将令牌标志位改为空闲