【计算机网络】第三章——媒体接入控制（静态划分信道及CSMA/CD协议）

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收录于专栏【计算机网络】

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一、媒体接入控制的基本概念

下图是一根同轴电缆，有多台主机连接到这跟同轴电缆上，它们共享这根传输媒体，形成了一个总线型的局域网。各主机竞争使用总线，随机地在信道上发送数据。如果有两个或者更多的站点在同一时刻发送数据，那么信号在共享媒体上就要产生碰撞，即发送了冲突，使得站点的发送都失败。

例如主机C和主机D同时使用总线发送数据，这就必然会产生所发送信号的碰撞。

共享信道要着重考虑的一个问题就是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，即媒体接入控制MAC(Medium Access Control)。

媒体接入控制分为两类

静态划分信道：预先固定分配好信道,这类方法非常不灵活,对于突发性数据传输信道利用率会很低。通常在无线网络的物理层中使用，而不是在数据链路层中使用。
集中控制：在集中控制的多点轮询协议中，有一个主站以循环方式轮询每个站点有无数据进行发送，只有被轮询到的站点才能够发送数据。最大缺点就是单点故障问题（主站出故障后，整个网络的访问控制都会收到影响）
在分散控制的令牌协议中，各站点是平等的,并连接成一个环形网络。令牌(一个特殊的控制帧)沿环逐站传递,接收到令牌的站点才有权发送数据,并在发送完数据后将令牌传递给下一个站点。

这里需要说明的是，采用令牌协议的典型网络 有IEEE 802.5 令牌环网、IEEE 802.4 令牌总线网、光纤分布式数据接口FDDI，这些网络由于市场竞争已经淘汰掉了。

下面我们来介绍媒体介入控制中的静态划分信道。

二、静态划分信道

频分复用

如下图所示，将传输线路的频带资源划分成多个子频带从而形成多个子信道，各个子信道之间需要留出隔离频带（以免造成子信道之间的干扰）。当多路信号输入一个多路复用器时，这个复用器将每一个信号调制到不同频率的载波上；接收端由相应的分用器通过载波将各路信号分开，将合成的复用信号恢复成原始的多路信号。所以，频分用户的所有用户同时占用不同频带资源并行通信。

时分复用（TDM）

现在将时间划分成一个一个的时隙，时分复用技术将传输线路的带宽资源，按时隙轮流分配个不同的用户，每对用户只在所分配的时隙里面使用线路传输数据。

时分复用技术将时间划分成了一段段等长的时分复用帧，每一个时分复用的用户在每一个时分复用帧中占用固定序号的时隙（所以每一个用户占用的时隙是周期性出现的，即周期就是时分复用长度）。故时分复用的所用用户在不同的时间占用同样的频带宽度

波分复用

波分复用就是光的频分复用。下图是一个8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波，所以在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8 * 2.5 Gbit/s = 20G bit/s。由于光信号传输一段距离后回衰减。因此衰减了的光信号必须进行放大才能够继续传输。比如掺铒光纤放大器，两个光纤放大器之间的光缆线路长达120km。

而光复用器、光分用器（也称分拨器）之间可以放入4个掺铒光纤放大器，使得光复用器和光分用器之间的无光电转换的距离可达600km。

码分复用（CDM ）

在信道永久性地分配给用户的应用中，多址是不需要的。例如对于无线电转播和电视广播是这样的。

与频分复用和时分复用不同，码分复用的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

码片序列的的挑选原则如下：

码分多址的应用举例

A、B、C、D是码分多址系统中的4个站点：

练习

三、动态接入控制

动态接入控制是媒体接入控制的另外一种方式，下面具体来看。

多个主机连接到一根总线上，各个主机随机发送帧，因此当两个或者多个主机同时发送帧时，帧的信号就会产生碰撞（或冲突）；或者当某个主机正在使用总线发送帧的过程中，另外一个主机也要发送帧，这时同样会产生碰撞。那么如何协调总线上各个主机上的工作，尽量避免帧产生碰撞呢？

如何避免帧碰撞问题

早期的共享式以太网采用载波监听多址接入/碰撞检测，即 CSMA/CD协议来解决该问题。

96比特时间是指发送96比特所耗费的时间（称为帧间最小间隔），作用是使接收方可以检测出一个帧的结束，同时使得所有其它站点都能有机会平等竞争信道并发送帧。

假设现在主机C要发送给帧，此时主机C要先进行载波监听，检测到总线空闲96比特时间后就可以发送帧了；倘若主机C使用总线发送帧的过程中，主机B也想要发送帧，现在主机B进行载波监听，发现总线比较忙，于是主机B持续检测总线，一旦主机B发现总线空闲96比特时间，就立即发送帧；与此同时主机B要边发送帧边要进行碰撞检测，如果没检测到碰撞，主机B就会接着发送帧的剩余部分；一旦主机B检测到碰撞，主机B除了立即停止发送帧外，还要再继续发送32bit或者48bit的人为干扰信号。