计算机网络（十六）——多路访问协议

理想的多路访问协议应具有以下两种特性：

• 只有一个结点活跃时，该活跃节点具有R的吞吐量。
• 当有M个结点活跃时，每个活跃节点吞吐量接近R/M。

1. 信道划分协议

有三种常用的信道划分技术：

• 时分多路复用（TDMA）：结点在时间上共享广播信道。
• 频分多路复用（FDMA）：结点将信道划分为多个较小带宽的信道。
• 码分多址（CDMA）：结点对发送数据编码，根据编码接收特定数据。

（1）时分多路复用（TDMA）

• 定义：TDM将时间划分为多个帧(frame)，并将帧划分为N个等长时隙(slot)，在循环的TDM帧中结点在指定的时隙内传输分组比特。
  

• 优点：
  ①公平：N个结点等带宽的共享信道。
  ②避免了碰撞：不会有多个结点同时向信道传输数据。

• 缺点
  ①节点每个帧时间内只能使用$R/N$的带宽。
  ②节点必须等待它的传输轮次
  即使节点是唯一有分组传输的节点。

（2）频分多路复用（FDMA）

• 定义：FDM在单个较大带宽信道中划分了N个较小带宽的信道。
  

• 优点
  ①公平：每个节点都使用R/N的带宽。
  ②避免碰撞

• 缺点
  ①节点只能使用$R/N$的带宽，即使只有一个节点需要传输分组。

（3）码分多路复用（CDMA）

• 定义：CDMA为每个节点分配唯一的编码，节点在传输数据前对数据进行编码，接收方根据编码选择接收。
• 优点：
  ①不同节点能够同时传输。

2. 随机接入协议

相比于第一类信道划分协议，随机接入协议具有以下特点：

• 结点利用信道全部带宽发送分组。
• 没有事先的结点间协调。
• 两个或多个结点同时传输数据时，会出现冲突。

2.1 时隙ALOHA协议

（1）假定

• 所有帧大小相同，将帧划分为等长的时隙。
• 结点只有在时隙开始时刻发送帧。
• 结点间时钟同步。
• 所有节点在该时隙结束之前检测碰撞事件。

（2）运行

• 当结点有新的数据帧发送，则在下一个时隙开始时传输。
  ①如果无冲突，发送成功。结点等待下一个时隙发送新的帧。
  ②如果冲突，则以概率p在下一个时隙重传该帧，直至帧无碰撞地传输出去。
  

（3）优缺点
优点

• 结点以信道全部带宽发送数据帧。
  理解：当只有一个活跃结点时，相比于信道划分协议，结点只能使用R/N的信道带宽，它的传输效率更高。

• 高度分散化：只需同步时隙。

• 简单。

缺点

• 在有多个活跃结点时，部分时隙将会有冲突，造成时隙浪费。
• 存在空闲时隙。
• 保持时钟同步。
• 效率：最高效率为37%，效率较低。

（4）效率
定义：长期运行时，成功发送帧的时隙所占的比例。

• 对于一个节点，在一个时隙成功发送数据的概率：$P(1-P{)}^{N-1};$
• 对于任意结点成功过发送帧的概率为$NP(1-P{)}^{N-1}$。当N趋近无穷时，最大效率为$1/e=0.37;$
• 最好情况，信道被成功利用率仅占37%。

2.2 ALOHA协议

（1）区别
相比于时隙ALOHA协议，ALOHA有如下区别：

• 不进行时隙划分，也不需要时钟同步。

• 当有新的帧生成时，会立即发送数据帧。从而导致冲突的可能性增大。
  ①如果发生冲突，结点立即以概率p重传该帧（碰撞帧传输完以后）。

• 效率：比时隙ALOHA协议还要差。
  $NP(1-P{)}^{N-1}(1-P{)}^{N-1}$，当N趋近于无穷时，最大效率为$1/2e=0.18$。

• ALOHA协议是最早提出的MAC协议。
  

2.3 载波侦听多路访问（CSMA）

ALOHA与时隙ALOHA是一种自私的协议。当信道中有结点正在发送数据时，结点也会向信道发送数据，从而造成冲突。为了避免这一种情况，CSMA在向信道传播帧前监听信道。

（1）定义

• 载波侦听：结点在发送帧之前，监听信道判断是否有其他结点发送数据。
  ①信道空闲，发送完整帧。
  ②信道忙，推迟发送。避免了损人不利己的现象。

• 信道传播时延：当端到端信道传播时延较大时，冲突仍然可能发生。
  理解：因为信号传播延迟，导致无法保证监听信号的准确性。

• 传播完整帧：每次结点都需要发送完整帧，由此会引起信道资源的浪费。
  

为了减少信道浪费，我们希望检测到冲突后，立即停止帧的发送。因此提出了CSMA/CD协议。

2.4 具有碰撞检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）

（1）定义

• 碰撞检测：传输结点在传输时，一边发送数据帧，一边检测信道冲突。（边发边听，不发不听）
  ①如果检测到冲突则终止传输，并等待一个随机时间量重传数据帧。
  

• 等待随机时间量：当碰撞结点较少时，时间间隔较短。当碰撞节点多时，时间间隔较长。

• 冲突检测：
  ①对于有线局域网易于实现，测量信号强度比较发射信号与接收信号。
  ②无线局域网难以实现，因为无线信号衰减过快，接收信号强度淹没在本地发射信号强度下。

算法：二进制指数后退

二进制指数后退算法用于以太网和电缆网络中，碰撞检测到冲突后到再次重发需要等待的时间间隔的计算。

思想

• 在帧经历了n次碰撞后，结点等概率的从$[0,1,2,\cdots ,2^n-1]$中选择一个K值。其中选择集合的长度随碰撞次数呈指数级增长。
  ①对于以太网，一个结点等待的实际时间为$512\times K;$
  

（3）CSMA/CD效率
假设$d_{m}ax$表示最大的端到端信道传播距离：

• 当最大信道传播延时$t_{prop}$尽可能小，最长帧传播延时$t_{trans}$尽可能大时，效率趋近于1.
  理解：随着帧传播延时的增加，他能有更长的时间进行碰撞检测。

3. 轮流协议

上文提到过理想的多路访问协议具有两种特性，在ALOHA和CSMA都具备第一种特性而不具备第二种，轮流协议因此被引入。
常见的轮流协议有两种：

• 轮询协议：指定一个主节点，主节点一循环的方式轮询每个结点。
  ①主节点会告诉轮询结点能够传输帧的最大数量。
  ②消除了碰撞和空时隙。
  ③引入了轮询时延，同时如果主节点有故障，则整个信道变得不可操作。

• 令牌传递协议：当结点收到令牌时，如果有帧要发送则持有令牌。否则立即转发令牌。
  ①没有主节点，通过令牌以固定次序在结点之间交换实现轮流访问。
  ②令牌传递是分散的，具有很高的效率。
  ③一个节点故障可能引发整个信道崩溃。