《计算机网络》深入学：随机访问

在计算机网络的数据链路层中，如何协调多个站点共享同一个通信信道是一个核心问题。这就好比在一个喧闹的会议室里，如果每个人都想发言，必须有一套规则来决定谁先说、谁后说，否则就会乱成一锅粥。这种规则被称为介质访问控制（Medium Access Control, MAC）。

介质访问控制主要分为静态划分（如频分、时分复用）和动态划分。动态划分中，最重要的一类便是随机访问（Random Access）。在随机访问协议中，站点争用信道，胜利者获得发送权。本文将按照历史发展脉络，深入讲解从 ALOHA 到 CSMA/CA 的演变过程、基本原理及实际应用。

4.1 随机访问的起源：ALOHA 协议

4.1.1 历史背景

20 世纪 70 年代初，夏威夷大学的 Norman Abramson 教授面临一个难题：夏威夷群岛地形复杂，岛屿之间铺设电缆成本极高。为了实现各岛屿主机与中心计算机的无线通信，他们开发了世界上最早的无线分组交换网------ALOHA 网络。这一开创性的工作奠定了后来以太网（Ethernet）的基础。

4.1.2 纯 ALOHA 协议（Pure ALOHA）

纯 ALOHA 的思想非常简单粗暴："想发就发"。

• 基本原理 ：任何一个站点只要有数据帧要发送，就立即发送。如果两个或更多的站点同时发送，信号就会在信道上叠加，导致数据错乱，这被称为冲突（Collision）。发送方通过监听信道或等待确认信号（ACK）来判断是否发生冲突。如果发生冲突，发送方会随机等待一段时间后重传。

• 性能分析 ：由于完全没有规则限制，冲突概率极高。

  假设帧的传输时间为 T0T_0T0 ，吞吐量为 SSS （归一化吞吐量），网络负载为 GGG 。数学推导表明，纯 ALOHA 协议的最大利用率仅为：
  Smax=12e≈0.184 S_{max} = \frac{1}{2e} \approx 0.184 Smax=2e1≈0.184

  这意味着，信道只有约 18.4% 的时间在有效传输数据，其余时间大都在处理冲突。

4.1.3 时隙 ALOHA 协议（Slotted ALOHA）

为了提高效率，研究人员对协议进行了改进，引入了"时间片"的概念。

• 基本原理 ：将时间划分为等长的时隙（Slot），规定只能在每个时隙的开始时刻发送帧。这样，冲突只可能发生在完全重叠的情况下，消除了部分重叠的可能性。
• 性能提升 ：这一改进将最大利用率提升了一倍：
  Smax=1e≈0.368 S_{max} = \frac{1}{e} \approx 0.368 Smax=e1≈0.368
  虽然效率提升到了 36.8%，但在高负载下仍然不够理想。然而，ALOHA 协议的"冲突检测与重传"思想为后续协议指明了方向。

4.2 礼貌的侦听者：CSMA 协议

ALOHA 的主要问题在于太"鲁莽"，不观察信道状态就发送。为了解决这个问题，载波监听多点接入（Carrier Sense Multiple Access, CSMA） 协议应运而生。其核心思想是："先听后说"。

4.2.1 基本原理

在发送数据前，站点先监听信道（Carrier Sense）。如果信道忙，则暂时不发；如果信道空闲，则根据策略决定是否发送。根据监听后的策略不同，CSMA 分为三种类型：

1. 1-坚持 CSMA (1-persistent CSMA)：

   • 如果信道空闲，立即发送（概率为 1）。
   • 如果信道忙，持续监听，直到信道空闲立即发送。
   • 缺点：如果有两个站点同时在等待信道变为空闲，一旦空闲它们会同时发送，必然导致冲突。

2. 非坚持 CSMA (Non-persistent CSMA)：

   • 如果信道空闲，立即发送。
   • 如果信道忙，不再持续监听，而是随机等待一段时间后再来监听。
   • 缺点：减少了冲突，但增加了数据传输的延迟，信道利用率可能降低。

3. p-坚持 CSMA (p-persistent CSMA)：

   • 适用于时隙信道。如果信道空闲，以概率 ppp 发送，以概率 1−p1-p1−p 推迟到下一个时隙。
   • 这是一个折中方案，试图在减少冲突和降低延迟之间寻找平衡。

尽管 CSMA 引入了监听机制，但由于传播时延（Propagation Delay） 的存在，当一个站点刚开始发送数据时，信号尚未到达远端，远端站点可能误认为信道空闲而发送数据，从而导致冲突。

4.3 边发边听：CSMA/CD 协议

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）是 CSMA 的改进版，意为**"载波监听多点接入/碰撞检测"**。它是早期总线型以太网（IEEE 802.3）的核心协议。

4.3.1 协议流程

可以将 CSMA/CD 的工作过程概括为四句话：先听后发，边发边听，冲突停止，延迟重发。

1. 载波监听：准备发送前，先检测信道是否空闲。
2. 碰撞检测：在发送过程中，继续监听信道。如果检测到信号电压摆动值超过阈值，说明发生了冲突。
3. 停止发送 ：一旦发现冲突，立即停止发送当前帧，并发送一个人为干扰信号（Jamming Signal），强化冲突，确保护所有站点都知道发生了冲突。
4. 二进制指数退避算法 ：冲突后，站点需要等待一段时间再尝试发送。等待的时间 TTT 是随机的：
   T=r×τ T = r \times \tau T=r×τ
   其中 τ\tauτ 是争用期， rrr 是从离散整数集合 [0,1,...,2k−1][0, 1, \dots, 2^k - 1][0,1,...,2k−1] 中随机取出的数。重传次数 kkk 越多，等待时间的范围就越大，从而动态适应网络负载。

4.3.2 最短帧长限制

这是 CSMA/CD 最关键的考点之一。

为了确保发送方在数据发送完毕之前就能检测到是否发生了冲突，数据帧的传输时延必须大于两倍的传播时延（往返时间 2τ2\tau2τ）。
LminC≥2τ \frac{L_{min}}{C} \ge 2\tau CLmin≥2τ

其中 LminL_{min}Lmin 是最小帧长， CCC 是数据传输率。

• 实际应用 ：在 10Mbps 的传统以太网中，规定最小帧长为 64 字节（512 bit）。如果接收到的帧小于 64 字节，会被直接认定为冲突碎片而丢弃。

4.3.3 现状与发展

虽然 CSMA/CD 是计算机网络的经典理论，但在现代网络中，随着交换机（Switch） 和全双工技术的普及，冲突域被隔离，有线网络中实际上已经不再需要 CSMA/CD 协议来处理冲突了。但它依然是理解网络原理的基石。

4.4 避免冲突：CSMA/CA 协议

当网络从有线走向无线（Wi-Fi, IEEE 802.11）时，CSMA/CD 变得不再适用。于是，CSMA/CA（Collision Avoidance，碰撞避免）应运而生。

4.4.1 为什么无线网络不用 CSMA/CD？

1. 检测困难：无线信号在传输过程中衰减非常快。发送方的发射信号强度远大于接收到的信号强度，导致设备在发送时很难"听"到微弱的远程冲突信号（"灯下黑"）。
2. 隐蔽站问题（Hidden Terminal Problem）：

4.4.2 CSMA/CA 的工作原理

既然无法有效"检测"冲突，那就尽量"避免"冲突。

1. 帧间间隔（IFS）：为了避免所有站点一等到信道空闲就同时发送，协议规定在发送前必须等待一段空闲时间（DIFS）。
2. 预约机制（RTS/CTS） ：
   • 发送方先发一个短控制帧 RTS（请求发送），包含源地址、目的地址和预计占用时间。
   • 接收方收到后，广播一个 CTS（允许发送）。
   • 作用：CTS 会被发送方收到，也会被"隐蔽站"收到。隐蔽站收到 CTS 后，知道信道将被占用，会自动"闭嘴"一段时间（设置网络分配向量 NAV）。
3. 链路层确认（ACK）：无线环境干扰大，丢包率高。因此接收方收到数据后，必须回复一个 ACK 帧。如果在规定时间内未收到 ACK，发送方通过重传机制进行重发。

4.4.3 实际应用

CSMA/CA 是现代 Wi-Fi（802.11 系列标准）的核心机制。虽然它牺牲了一定的传输效率（因为有 RTS/CTS 和 ACK 的开销），但有效保证了在不可靠的无线介质中的通信质量。

4.5 本章小结

本章介绍的四种协议展示了网络技术解决"共享资源争用"问题的演进逻辑：

协议	核心思想	关键机制	适用场景
ALOHA	想发就发	随机重传	早期无线网，卫星通信
CSMA	先听后发	载波监听	理论基础
CSMA/CD	边发边听，冲突停发	碰撞检测，最短帧长限制	早期有线以太网（总线型）
CSMA/CA	碰撞避免	RTS/CTS预约，ACK确认	无线局域网（Wi-Fi）

对于初学者而言，理解 CSMA/CD 的最短帧长 计算和 CSMA/CA 的RTS/CTS 握手是掌握本章内容的重点。随着网络技术的发展，虽然部分老旧协议已不再在物理设备中广泛运行，但其背后的算法思想（如指数退避、载波监听）依然在分布式系统设计中闪烁着智慧的光芒。