计算机网络-链路层-介质访问控制

介质访问控制（MAC）

介质访问控制 MAC 是数据链路层的子层，主要负责对多个设备共享同一传输介质的访问进行控制与管理，避免数据发送冲突，同时通过 MAC 地址实现设备的物理寻址，确保数据能够准确发送到目标设备，是局域网中设备间通信的基础控制机制。在总线型广播信道中，多节点共享信道会产生信号冲突，因此需要通过介质访问控制（MAC）协议来协调各节点对传输介质的访问，减少或避免冲突。

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一、信道划分介质访问控制

将信道按时间、频率、码片等方式划分为多个子信道，各节点在各自子信道内传输，从物理层面避免冲突。

1. 时分复用（TDM）

• 核心思想 ：将时间划分为等长的TDM 帧 ，每个 TDM 帧再划分为m个等长时隙 ，将m个时隙固定分配给m对用户。

• 工作流程：假设有ABC三个节点于一条总线型信道中，三者会按照固定的周期在信道上传输数据

• 优点：节点可按固定周期获得发送机会，实现简单，无冲突。

• 缺点：

  • 每个节点最多只能分配到信道总带宽的 1/m，带宽利用率受限。
  • 若某节点暂不发送数据，其对应的时隙会闲置，导致信道利用率低。

2. 统计时分复用（STDM）

• 别名：异步时分复用
• 核心思想 ：在 TDM 基础上，动态按需分配时隙 ，只有待发送数据的节点才会被分配时隙。同步时分复用固定为每个用户分配时间片，无论用户是否有数据发送，时间片都会被占用，信道利用率低。统计时分复用不预先固定分配时隙，而是根据用户实际数据需求动态分配时间片，只有当用户有数据要发送时才分配资源，空闲时隙可分配给其他用户使用，大幅提高了信道带宽利用率。同时它通过在数据中携带地址信息来区分不同用户数据，解决了动态分配后的识别问题，适合数据业务突发、不均匀的传输场景，整体效率远高于传统时分复用。
• 优点：
  • 节点有数据时可在一段时间内占用全部信道带宽。
  • 无数据发送的节点不分配时隙，显著提升信道利用率。
• 应用：常用于分组交换网络（如 ATM）。

3. 频分复用（FDM）

• 核心思想 ：频分复用（FDM）按照频率 对信道进行划分，将总带宽分成多个互不重叠的子频带 ，每个用户占用不同频段同时传输信号，各路信号在时域上重叠、频域上分开。它主要适用于模拟信号的传输，是模拟通信中实现多用户共享信道的常用方式。

• 工作流程：

• 优点 ：各节点可同时发送数据，充分利用信道带宽。

• 缺点 ：仅适用于模拟信号传输，对数字信号需先进行调制。

• 应用：广播电台、有线电视、早期 ADSL。

4. 波分复用（WDM）

• 本质 ：光信号的频分复用，原理与 FDM 一致。
• 核心思想：利用光信号极宽的频带特性，将一根光纤在逻辑上拆分为多个子信道，实现多路光信号同时传输。
• 应用：现代光纤通信（如骨干网、数据中心互联）。

5. 码分复用（CDM）*

• 核心思想：允许信号相互干扰、叠加，接收方通过特殊编码将来自各节点的信号分离出来。

• 关键技术：

  码片序列（Chip Sequence）

  • 为每个节点分配唯一的m维码片序列（分量通常取1或-1）。
  • 各节点的码片序列必须相互正交（内积为 0）。
  • 约定：+码片序列表示二进制1，-码片序列表示二进制0

  比如有A、B、C三个节点，假设他们的码片序列分别为：a=(1,1,1,1)、b=(1,-1,1,-1)、c=(1,1,-1,-1)

  若A要给C节点发送数据为101:

  

• 信号叠加与分离：

  1. 发送：多个节点同时发送，信号在信道中线性叠加。
  2. 接收 ：接收方将收到的叠加信号与目标节点的码片序列做规格化内积，即可提取出该节点发送的比特。

  当A和B节点同时要给C发送数据时：

  

  格式化内积:

  

• 优点：抗干扰能力强、保密性好、各节点可同时发送。

• 应用：3G/4G 移动通信（CDMA2000、WCDMA）。

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二、随机访问介质访问控制

各节点可随机发送数据，若发生冲突则执行重传机制，属于 "先发送，后解决冲突" 的模式。

1. ALOHA 协议

（1）纯 ALOHA

• 核心思想 ：有话就说 ，节点准备好数据帧后立即发送，不监听信道状态。

• 工作流程：

  

• 缺点：冲突概率极高，信道利用率低（最大约 18.4%）。

（2）时隙 ALOHA

• 核心思想 ：将时间划分为固定长度的时隙 ，节点只能在时隙开始时刻发送数据帧。

• 工作流程：

  

• 优点 ：避免了发送的随意性，降低冲突概率，信道利用率提升至约 36.8%。

• 约束：时隙大小固定为传输一帧最长数据所需的时间。

2. CSMA 协议（载波监听多路访问）

• 全称：Carrier Sense Multiple Access
• 核心思想 ：在 ALOHA 基础上改进，发送前先监听信道，只有信道空闲时才尝试发送（"有礼貌，等别人说完"）。

（1）1 - 坚持 CSMA

• 监听策略 ：信道忙时坚持监听 ，一旦空闲立即发送。

• 工作流程：

  

• 优点：信道利用率高，一旦空闲就被下一个节点使用。

• 缺点 ：多个节点同时监听到空闲并发送，冲突概率大。

（2）非坚持 CSMA

• 监听策略 ：信道忙时放弃监听，随机等待一段时间后再尝试；信道空闲时立即发送。

• 工作流程：

  

• 优点 ：使各节点错开发送时机，降低冲突概率。

• 缺点 ：信道刚恢复空闲时可能未被立即利用，信道利用率低于 1 - 坚持 CSMA。

（3）P - 坚持 CSMA

• 监听策略 ：信道忙时坚持监听；信道空闲时，以概率P立即发送，以概率1-P推迟到下一时隙再尝试。
• 工作流程：

• 优点 ：平衡了 1 - 坚持和非坚持的优缺点，可通过调整P值控制冲突概率和信道利用率。
• 复杂度：实现较复杂，需精确控制时隙和概率。

3. CSMA/CD 协议（载波监听多路访问 / 冲突检测）

• 应用场景：早期有线以太网（总线型拓扑）

• 核心流程 ：先听后发 → 边听边发 → 冲突停发 → 随机重发

• 工作流程：

• 关键概念：

  • 截断二进制指数退避算法：
    1. 第k次冲突时，在[0, 2^min(k,10)-1]区间取随机整数r。
    2. 等待时间 = r × 争用期，冲突次数越多，等待时间越长。
  • 争用期 ：2 × 最大单向传播时延，确保最远两个节点能检测到冲突。
  • 最短帧长 ：2 × 最大单向传播时延 × 信道带宽，防止发送完才发现冲突。以太网规定最短帧长为 64B。
  • 无 ACK 机制：发送过程中未检测到冲突即认为成功。

4. CSMA/CA 协议（载波监听多路访问 / 冲突避免）

• 应用场景：IEEE 802.11 无线局域网（WiFi）

• 核心思想 ：发送过程中无法检测冲突 ，因此通过机制避免冲突发生。

• 不采用 CSMA/CD 的原因：

  1. 硬件限制：无线信号接收强度远小于发送强度，难以实现 "边听边发" 的冲突检测。
  2. 隐藏站问题：并非所有节点都能互相听见，发送节点外无冲突不代表接收节点无冲突。

  

  如图，上述无线局域网内，由于信号的范围有限，A节点无法感知B、C节点发送的数据，因此B、C节点对于A节点来说就是隐蔽站

（1）基本工作流程（不考虑隐藏站）

• 发送方：先听后发，监听避让
  1. 监听信道，若空闲，间隔DIFS（分布式帧间间隔）后发送。
  2. 若信道忙，执行随机退避（二进制指数退避算法），退避计时器倒计时至 0 后发送。
• 接收方：停止等待协议
  1. 收到正确帧后，间隔SIFS（短帧间间隔）返回 ACK。
  2. 发送方超时未收到 ACK，则执行随机退避后重传。

核心概念明确

• DIFS（分布式帧间间隔）：是 802.11 无线局域网中，普通数据帧发送前需等待的最短空闲间隔（优先级最低），用于让不同节点有统一的 "等待基准"，避免因微小的监听延迟导致冲突，典型值约 50μs。
• SIFS（短帧间间隔）：是最短的帧间间隔（优先级最高），用于高优先级操作（如发送 ACK、分片重传），典型值约 10μs，确保这类关键帧能优先发送，避免冲突。
• 随机退避倒计时规则 ：退避计时器仅在信道持续空闲时才会递减；若倒计时过程中信道变为忙，则立即暂停倒计时，待信道再次空闲后，才恢复倒计时。

（2）解决隐藏站问题：RTS/CTS 信道预约机制

• 流程：
  1. 发送方：广播 RTS（请求发送）控制帧，预约信道。
  2. AP（接入点）：广播 CTS（允许发送）控制帧，确认预约。
  3. 其他节点：收到 CTS 后自动静默一段时间，避免干扰。
  4. 发送方：收到 CTS 后开始发送数据。
  5. AP：收到数据后进行 CRC 校验，间隔 SIFS 返回 ACK。

• 可选性：RTS/CTS 机制可根据帧大小选择是否启用，小帧可直接发送以减少开销。

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三、轮询访问介质访问控制

通过令牌传递实现节点轮流访问信道，从逻辑层面避免冲突。

令牌传递协议

• 起源：IBM 公司于 1984 年开发的令牌环网技术。
• 拓扑结构 ：环形拓扑，各节点按顺序连接成环。

• 核心原理：
  • 令牌帧：特殊的控制帧，指明当前获得令牌的节点。只有持有令牌的节点才能发送数据。
  • 数据帧：包含源地址、目的地址、数据等信息，在环中单向传递。
• 工作流程：
  1. 持有令牌的节点若有数据发送，将令牌帧转换为数据帧并发送。
  2. 数据帧沿环传递，目的节点复制数据并标记为 "已接收"。
  3. 数据帧回到源节点后，源节点检查状态：若正常则释放令牌，传递给下一个节点；若异常则重发。
  4. 持有令牌的节点若无数据发送，直接将令牌传递给下一个节点。
• 核心特点：
  • 令牌与数据帧单向传递。
  • 获得令牌的节点每次只能发一帧，发完即传递令牌。
  • 可通过 MAU（介质访问单元） 实现集中控制。
• 优点：无冲突、传输延迟确定、适合实时性要求高的场景。
• 缺点：实现复杂、令牌维护成本高、单点故障影响大。

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四、协议对比总结

协议类型	核心机制	冲突处理	典型应用
TDM/STDM	时隙划分 / 动态分配	无冲突	电话网、分组交换网
FDM/WDM	频带 / 波长划分	无冲突	广播、光纤通信
CDM	码片序列正交分离	无冲突	3G/4G 移动通信
ALOHA	随机发送	超时重传	卫星通信
CSMA/CD	先听后发 + 冲突检测	冲突检测 + 退避重传	早期以太网
CSMA/CA	先听后发 + 冲突避免	预约信道 + 退避重传	WiFi 无线局域网
令牌传递	令牌轮询	无冲突	令牌环网、工业控制网