3.5 計算機網絡之介質訪問控制（靜態劃分信道、FDM、TDM、STDM、WDM、CDM）、（動態劃分信道、ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA）、令牌傳遞協議

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1.思維導圖

2.傳輸數據的兩種鏈路

2.什麼是介質訪問控制？它有幾種方法？

• 介質訪問控制(medium access control)簡稱MAC。 是解決共用信道的使用產生競爭時，如何分配信道的使用權問題。
• 常見的介質訪問控制有下圖所示幾種方法：
  

3.靜態劃分信道–信道劃分介質訪問控制

• 簡單瞭解一下相關概念
  
• 信道劃分的實質就是通過分時、分頻、分碼等方法把原來的一條廣播信道，邏輯上分爲幾條用於兩個結點之間通信的互不干擾的子信道，實際上就是把廣播信道轉變爲點對點信道。
• 信道劃分介質訪問控制有一下4種方法：
  

（1）頻分多路複用 FDM

• 頻分多路複用（Frequency-division multiplexing，FDM），是指載波帶寬被劃分爲多種不同頻帶的子信道，每個子信道可以並行傳送一路信號的一種多路複用技術。
  

（2）時分多路複用 TDM

• 時分多路複用（Time-Division Multiplexing，TDM）一種數字或者模擬（較罕見）的多路複用技術。使用這種技術，兩個以上的信號或數據流可以同時在一條通信線路上傳輸，其表現爲同一通信信道的子信道。但在物理上來看，信號還是輪流佔用物理信道的。
  
• 如果說TDM中，A\B\C\D四個用戶，有三個用戶沒傳輸數據，則造成了信道利用率不高，於是引入了另一種方法來解決這種問題，提高信道利用率。
• 這種方法交是統計時分複用STDM
• 統計時分複用（Statistical Time Division Multiplexing）是一種根據用戶實際需要動態分配線路資源的時分複用方法。只有當用戶有數據要傳輸時纔給他分配線路資源，當用戶暫停發送數據時，不給他分配線路資源，線路的傳輸能力可以被其他用戶使用。採用統計時分複用時，每個用戶的數據傳輸速率可以高於平均速率，最高可達到線路總的傳輸能力。
  
• 這裏我們假設線路傳輸速率爲8000b/s
• 採用TDM，則4個用戶的平均速率爲2000b/s
• 採用STDM，則每個用戶的最高速率可達8000b/s。

（3）波分多路複用 WDM

• 波分複用技術（wavelength-division multiplexing, WDM）
  

（4）碼分多路複用 CDM

• 碼分多路複用是採用不同的編碼來區分各路原始信號的一-種複用方式。與FDM和TDM不同,它既共享信道的頻率，又共享時間。下面舉一個 直觀的例子來理解碼分複用，如下圖所示。

• 假設 A 站要向 C 站運輸黃豆， B 站要向 C 站運輸綠豆， A 與 C 、 B 與 C 之間有一條公共的道路，可以類比爲廣播信道。
• 在頻分複用方式下，公共道路被劃分爲兩個車道，分別提供給 A 到 C 的車和 B 到 C 的車行走，兩類車可以同時行走，但只分到了公共車道的一半，因此頻分複用（波分複用也一樣）共享時間而不共享空間。
• 在時分複用方式下，先讓 A 到 C 的車走一趟，再讓 B 到 C 的車走一趟，兩類車交替地佔用公共車道。公共車道沒有劃分，因此兩車共享了空間，但不共享時間。
• 碼分複用與另外兩種信道劃分方式大爲不同，在碼分複用情況下，黃豆與綠豆放在同一輛車上運送，到達 C 後，由 C 站負責把車上的黃豆和綠豆分開。
• 因此，黃豆和綠豆的運送，在碼分複用的情況下，既共享了空間，也共享了時間。

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• 碼分多址（ code oivision Multiple Access , CDMA ）是碼分複用的一種方式，其原理是每比特時間被分成 m 個更短的時間槽，稱爲碼片（ ChiP ) ，通常情況下每比特有 64 或 128 個碼片。每個站點被指定一個唯一的 m 位代碼或碼片序列。
• 發送 1時，站點發送mbit碼片序列；發送0 時，站點發送mbit碼片序列的反碼。
• 當兩個或多個站點同時發送時，各路數據在信道中線性相加。
• 爲從信道中分離出各路信號，要求各個站點的碼片序列相互正交。
  
• 簡單理解就是， A 站向 C 站發出的信號用一個向量來表示， B 站向 C 站發出的信號用另一個向量來表示，兩個向量要求相互正交。向量中的分量，就是所謂的碼片。
• 舉個例子計算加深理解：
• 假如站點 A 的碼片序列被指定爲 000 110 11 ，則 A 站發送 000 110 11 就表示發送比特 1 ，發送111 001 00 就表示發送比特 0 。
• 按慣例將碼片序列中的 0 寫爲-l ，將 1 寫爲＋ l , A 站的碼片序列就是-l - l -l + l + l -l + l + l。
• 令向量 S 表示 A 站的碼片向量，令 T 表示 B 站的碼片向量。
• 兩個不同站的碼片序列正交，且向量 S 和 T 的規格化內積爲(S*T)/8= 0 ,所以令向量 T 爲- l - l + l -1 + l + l + l - 1。
• S和T具有以下運算性質：
  
  
• 當 A 站向 C 站發送數據 l 時，就發送了向量 -l ,-l ,-l ,+l,+l,-l,+l,+l。
• 當 B 站向 C 站發送數據 0 時，就發送 T 向量+l, +l, -1 ,+1, -l ,-l ,-l ,+1
• 兩個向量到了公共信道上就進行疊加，實際上就是線性相加，得到 S + T = ( 0 0 -2 2 0 -2 0 2 )
• 到達 C 站後，進行數據分離。如果要得到來自 A 站的數據，那麼就讓 S 與 S + T 進行規格化內積，得到 S·( S +T ) = l 所以 A 站發出的數據是 1 。
• 同理，如果要得到來自 B 站的數據，那麼 T . ( S + T ) ＝- 1 因此從 B 站發送過來的信號向量是一個反碼向量，代表 0 。

什麼是規格化內積：就是內積結果再除以向量的維數，如向量s（1，2，3）點乘向量t（7，8，9）的規格化內積爲（1*7+2*8+3*9）/ 3 = 50 / 3

• 再舉兩個個例子：
  
  
• 圖片引用：https://blog.csdn.net/qq_34902437/article/details/91353221

4.動態分配信道

• 特點：信道並非在用戶通信時固定分配給用戶

（1）隨機訪問介質訪問控制

• 在隨機訪問協議中，不採用集中控制方式解決發送信息的次序問題，所有用戶能根據自己的意願隨機地發送信息，佔用信道全部速率。
• 在總線形網絡中，當有兩個或多個用戶同時發送信息時，就會產生幀的衝突（碰撞，即前面所說的相互干擾），導致所有衝突用戶的發送均以失敗告終。
• 爲了解決隨機接入發生的碰撞，每個用戶需要按照一定的規則反覆地重傳它的幀，直到該幀無碰撞地通過。這些規則就是隨機訪問介質訪問控制協議，常用的協議有ALOHA 協議、 CSMA 協議、 CSM 刀 CD 協議和 CSM 刀 CA 協議等，它們的核心思想都是：勝利者通過爭用獲得信道，從而獲得信息的發送權。因此，隨機訪問介質訪問控制協議又稱爭用型協議。
• 如果介質訪問控制採用信道劃分機制，那麼結點之間的通信要麼共享空間，要麼共享時間，要麼兩者都共享：而如果採用隨機訪問控制機制，那麼各結點之間的通信就可既不共享時間，也不共享空間。所以隨機介質訪問控制實質上是一種將·廣播信道轉化爲點到點信道·的行爲。

1️⃣ ALOHA協議

• ALOHA協議是由美國夏威夷大學開發的一種網絡協議。處於OSI模型中的數據鏈路層。它屬於隨機存取協議（Random Access Protocol）中的一種。它分爲純ALOHA協議和分段ALOHA協議（或時隙ALOHA協議）。

① 純ALOHA協議

② 時隙ALOHA協議

• 對比純ALOHA和時隙ALOHA
  

2️⃣ CSMA協議

• 全稱Carrier Sense Multiple Access (CSMA)，是一種允許多個設備在同一信道發送信號的協議，其中的設備監聽其它設備是否忙碌，只有在線路空閒時才發送。
  

① 1-堅持 CSMA

② 非堅持CSMA

③ p-堅持CSMA

三種CSMA對比總結

3️⃣ CSMA/CD協議

• 簡介：
  

① 傳播時延對載波監聽的影響

② 截斷二進制指數規避算法確定碰撞後的重傳時機

• 一道例題感受一下
  

③ 最小幀長問題

4️⃣ CSMA/CA協議

① 爲什麼使用CSMA/CA協議？

• 雖然CSMA/CD協議已成功地應用於有線連接的局域網，但無線局域網不能簡單地搬用CSMA/CD協議。其主要原因是：
• 第一，CSMA/CD協議要求一個站點在發送本站數據的同時還必須不間斷地檢測信道，以便發現是否有其他的站也在發送數據，這樣才能實現“衝突檢測”的功能。但在無線局域網的設備中要實現這種功能花費過大。
• 第二，更重要的是，即使能夠實現衝突檢測的功能，且在發送數據報時檢測到信道是空閒的，但是，由於無線電波能夠向所有的方向傳播，且其傳播距離受限，在接收端仍然有可能發生衝突，從而產生隱藏站問題和暴露站問題。
• 此外，無線信道還由於傳輸條件特殊，造成信號強度的動態範圍非常大。這就使發送站無法使用衝突檢測的方法來確定是否發生了碰撞。
• 因此，無線局域網不能使用CSMA/CD協議，而是以此爲基礎，制定出更適合無線網絡共享信道的載波監聽多路訪問/衝突避免CSMA/CA協議。CSMA/CA協議利用ACK信號來避免衝突的發生，也就是說，只有當客戶端收到網絡上返回的ACK信號後，才確認送出的數據已經正確到達目的 。

② CSMA/CA工作原理

CSMA/CA與CSMA/CD比較

（2）輪詢訪問介質訪問控制

• 輪訓訪問控制的產生
  
• 輪詢訪問控制的特點：在輪詢訪問中，用戶不能隨機地發送信息，而要通過一個集中控制的監控站，以循環方式輪詢每個結點，再決定信道的分配。當某結點使用信道時，其他結點都不能使用信道。
• 這裏我們只討論兩類：輪詢協議與令牌傳遞協議

1️⃣ 輪詢協議

• 輪詢協議要求節點中有一個被指定爲主節點，其餘節點是從屬節點。

• 主節點以循環的方式輪詢每一個從屬節點，“邀請”從屬節點發送數據（實際上是向從屬節點發送一個報文，告訴從屬節點可以發送幀以及可以傳輸幀的最大數量），只有被主節點“邀請”的從節點可以發送數據，沒有被“邀請”的節點不能發送，只能等待被輪詢。
  

• 從主節點向從節點發送的報文信息可以看出，如果一個節點要發送的數據很多，它不會一直髮送到結束，它發送到最大數據幀就是結束，主節點開始輪詢下一個節點，等再次輪詢到它時才能繼續發送。即如果從節點要發送的數據很多時，它不是一次性發送結束的。

2️⃣ 令牌傳遞協議

• 令牌傳遞又稱“標記傳送”，局部網數據送取的一種控制方法，多用於環形網。
• 令牌由專用的信息塊組成，典型的令牌由連續的8位“1”組成。當網絡所有節點都空閒時，令牌就從一個節點傳送到下一個節點。當某一節點要求發送信息時，它必須獲得令牌並在發送之前把它從網絡上取走。一旦傳送完數據，就把令牌轉送給下一個節點，每個節點都具備有發送/接收令牌的裝置。使用這種傳送方法決不會發生碰撞，這是因爲在某一瞬間只有一個節點有可能傳送數據。最大的問題是令牌在傳送過程中丟失或受到破壞，從而使節點找不到令牌從而無法傳送信息。
• TCU：環接口乾線耦合器。它的主要作用是傳遞經過的所有幀，爲接入站發送和接收數據提供接口。它的狀態有兩種：收聽狀態和發送狀態。
• 沒有人使用令牌時，令牌則在環路中循環。
  
  
  
  參考：
• https://www.bilibili.com/video/av70228743?p=30
• 百度百科