介質(zhì)訪問控制

介質(zhì)訪問控制是數(shù)據(jù)鏈路層的子層，通過采取一定的措施，使共享信道的節(jié)點(diǎn)之間通信不會(huì)發(fā)生相互干擾。常用的介質(zhì)訪問控制方法有：信道劃分介質(zhì)訪問控制、隨機(jī)訪問介質(zhì)訪問控制和輪詢?cè)L問介質(zhì)訪問控制。

一、信道劃分介質(zhì)訪問控制

信道劃分介質(zhì)訪問控制通過多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)傳輸介質(zhì)的帶寬超過傳輸單個(gè)信號(hào)所需的帶寬時(shí)，通過在一條介質(zhì)上同時(shí)攜帶多個(gè)傳輸信號(hào)的方式提高傳輸系統(tǒng)利用率。信道劃分方式可以分為：頻分多路復(fù)用（FDM）、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）、波分多路復(fù)用（WDM）和碼分多路復(fù)用（CDM）。

1. 頻分多路復(fù)用

將多路基帶信號(hào)調(diào)制到不同頻帶載波上，再進(jìn)行疊加形成一個(gè)復(fù)合信號(hào)的多路復(fù)用技術(shù)。每個(gè)子信道分配的帶寬可以不相同，但是總和不能超過信道總帶寬。優(yōu)點(diǎn)是充分利用了傳輸介質(zhì)的帶寬，系統(tǒng)效率高；技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)容易。

2. 時(shí)分多路復(fù)用

將一條物理信道按照時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，輪流分配給多個(gè)信號(hào)使用。在某一特定時(shí)刻，信道上只傳送某一對(duì)設(shè)備之間的信號(hào)，但對(duì)于某一時(shí)間段而言，傳送著按照時(shí)間分割的多路復(fù)用信號(hào)。但由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性，用戶對(duì)已經(jīng)分配的子信道利用率一般不高。統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（STDM, 又稱異步時(shí)分多路復(fù)用）是TDM的一種改進(jìn)，按需動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙，當(dāng)終端數(shù)據(jù)要傳送時(shí)，才會(huì)分配到時(shí)間片，可以提高線路利用率。

3. 波分多路復(fù)用

波分多路復(fù)用就是指光的頻分多路復(fù)用，在光纖中傳輸多種不同波長(zhǎng)（頻率）的光信號(hào)，光信號(hào)之間互不干擾。最后利用波長(zhǎng)分解復(fù)用器將各路波長(zhǎng)分解出來。光波處于頻譜的高頻段，有很高的帶寬，因此可以實(shí)現(xiàn)和多路的波分復(fù)用。

4. 碼分多路復(fù)用

碼分多路復(fù)用技術(shù)利用不同的編碼來區(qū)分各路原始信號(hào)的一種復(fù)用方式。既可以共享時(shí)間，又可以共享空間。

碼分多址是碼分復(fù)用中采用的一種技術(shù)，其原理為將每比特時(shí)間分成m個(gè)更短的時(shí)間槽，稱為芯片（clip），通常情況下每比特有64或128個(gè)芯片。每個(gè)站點(diǎn)被指定唯一的m為芯片序列。當(dāng)站點(diǎn)要發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)1時(shí)，就發(fā)送分配的原芯片序列。當(dāng)要發(fā)送二進(jìn)制0時(shí)，便發(fā)送芯片序列的反碼。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)，各路數(shù)據(jù)在信道中被線性相加。為了從原信道中分離出各路信號(hào)，各個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的芯片序列應(yīng)是相互正交的。

通俗的講，A站向C站發(fā)送的數(shù)據(jù)用一個(gè)向量來表示，B站向C站發(fā)送的數(shù)據(jù)用另一個(gè)向量來表示，兩個(gè)向量要求相互正交。碼分多路復(fù)用技術(shù)具有頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)、語音質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。還可以減少投資和降低運(yùn)營成本，主要用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動(dòng)通信系統(tǒng)。

二、隨機(jī)訪問介質(zhì)訪問控制

在隨機(jī)訪問協(xié)議中，所有用戶可以根據(jù)自己意愿隨機(jī)發(fā)送信息，占用信道全部速率。為了解決隨機(jī)接入產(chǎn)生的碰撞，每個(gè)用戶需按照一定的規(guī)則反復(fù)重傳他們的幀，直道該幀無碰撞的通過。常用協(xié)議有：ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議。他們的核心思想為：勝利者通過爭(zhēng)用獲得信道，從而獲得信息的發(fā)送權(quán)。因此也稱爭(zhēng)用型協(xié)議。

1. ALOHA協(xié)議

（1）純ALOHA協(xié)議：
基本思想是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)站點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以不進(jìn)行檢測(cè)就發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在一段時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)，該站點(diǎn)就認(rèn)為傳輸過程發(fā)生了沖突。發(fā)送站點(diǎn)隨機(jī)等待一段時(shí)間后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送成功。

（2）時(shí)隙ALOHA協(xié)議：
時(shí)隙ALOHA協(xié)議把所有站點(diǎn)在時(shí)間上同步起來，并將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)隙（Slot），規(guī)定只能在每個(gè)時(shí)隙的開始才能發(fā)送幀。從而避免用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的隨意性，減少了數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突的可能性，提高了信道的利用率。時(shí)隙ALOHA的信道利用率是純ALOHA的一倍。

2. CSMA協(xié)議

ALOHA協(xié)議中，每個(gè)站點(diǎn)隨心所欲的發(fā)送數(shù)據(jù)，即使其他站點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)也照發(fā)不誤，因此數(shù)據(jù)碰撞的概率大。載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMA在每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，都先偵聽一下信道，發(fā)現(xiàn)信道空閑后再發(fā)送數(shù)據(jù)，可以大大減少?zèng)_突可能性，從而提高信道利用率。根據(jù)監(jiān)聽方式和監(jiān)聽到信道忙后的處理方式不同，有三種不同的CSMA協(xié)議：1-堅(jiān)持CSMA、非堅(jiān)持CSMA和p-堅(jiān)持CSMA。

信道狀態(tài)1-堅(jiān)持非堅(jiān)持p-堅(jiān)持

空閑	立即發(fā)送數(shù)據(jù)	立即發(fā)送數(shù)據(jù)	以概率$p$發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率$1?p$推遲到下一個(gè)時(shí)隙
忙	繼續(xù)堅(jiān)持監(jiān)聽信道	放棄監(jiān)聽，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后再監(jiān)聽	放棄監(jiān)聽，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后再監(jiān)聽

3. CSMA/CD協(xié)議

載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測(cè)協(xié)議是CSMA的改進(jìn)方案，適用于總線型或半雙工網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。“載波監(jiān)聽”就是發(fā)送前先監(jiān)聽，等待信道變?yōu)榭臻e再發(fā)送。“碰撞檢測(cè)”就是邊發(fā)送邊偵聽，即適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的電壓變化，以便判斷自己在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其他站點(diǎn)是否也在發(fā)送數(shù)據(jù)。CSMA/CD的工作流程可以簡(jiǎn)單概括為：“先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停發(fā)，隨機(jī)重發(fā)”。

為了確保發(fā)送站在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)能檢測(cè)到可能存在的沖突，需要在發(fā)送完幀之前就能收到自己發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，即幀的傳輸時(shí)延至少兩倍于信號(hào)在總線中的傳播時(shí)延，所以CSMA/CD總線網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)幀必須要大于一個(gè)最小幀長(zhǎng)。任何站點(diǎn)收到幀長(zhǎng)小于最小幀長(zhǎng)的幀就將其丟棄。最小幀長(zhǎng)計(jì)算公式為：

最小幀長(zhǎng) = 總線傳播時(shí)延 * 數(shù)據(jù)傳輸速率 * 2

除了沖突檢測(cè)，CSMA/CD還能從沖突中恢復(fù)。一旦發(fā)生了沖突，參與沖突的兩個(gè)站點(diǎn)緊接著再次發(fā)送數(shù)據(jù)是沒有意義的，如果這樣做將無休止的引發(fā)沖突。CSMA/CD采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法來解決碰撞問題。步驟如下：
（1）確定基本退避時(shí)間，一般取兩倍的總線端到端傳播時(shí)延2$\tau$（即爭(zhēng)用期）。
（2）定義參數(shù)$k$，他等于重傳次數(shù)，但是$k$不超過10，即$k=min[重傳次數(shù),10]$。
（3）從離散的整數(shù)集合$[0,1,...,2^k?1]$中隨機(jī)取出一個(gè)數(shù)$r$，重傳所需的基本退避時(shí)間就是$r$倍的基本退避時(shí)間，即$2r\tau$。
（4）當(dāng)重傳達(dá)到16次不能成功時(shí)，說明網(wǎng)絡(luò)太擁擠，認(rèn)為此幀永遠(yuǎn)無法正確發(fā)出，拋棄此幀并向高層匯報(bào)錯(cuò)誤。

使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法可使重傳推遲的平均時(shí)間隨重傳次數(shù)的增大而增大（動(dòng)態(tài)退避），因而減小發(fā)生碰撞的概率，有利于整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。

4. CSMA/CA協(xié)議

載波監(jiān)聽多路訪問，碰撞避免協(xié)議使用預(yù)約信道、ACK幀、RST/CTS幀三種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)碰撞避免。
（1）預(yù)約信道。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)向其他站點(diǎn)通知自己傳輸數(shù)據(jù)需要的時(shí)間長(zhǎng)度，以便讓其他站點(diǎn)在這段時(shí)間不發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免碰撞。
（2）ACK幀。所有站點(diǎn)在正確接收到發(fā)給自己的數(shù)據(jù)幀后（除廣播和組播），都需要向發(fā)送方發(fā)回一個(gè)ACK幀，如果接收失敗則不采取行動(dòng)。發(fā)送方在發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，若在指定時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK幀，則認(rèn)為發(fā)送失敗，將進(jìn)行該數(shù)據(jù)幀的重發(fā)，直道接收到ACK幀或者達(dá)到規(guī)定的重發(fā)次數(shù)為止。
（3）RTS/CTS幀。是可選的碰撞避免機(jī)制，主要用于解決無線網(wǎng)絡(luò)中的“隱蔽站”問題。

CSMA/CD和CSMA/CA的主要區(qū)別如下：
（1）CSMA/CD可以檢測(cè)沖突，但是無法避免。CSMA/CA發(fā)送包的同時(shí)不能檢測(cè)信道上有無沖突，本節(jié)點(diǎn)處沒有沖突不意味著在接收結(jié)點(diǎn)沒有沖突，只能盡量避免。
（2）傳輸介質(zhì)不同。CSMA/CD用于總線式以太網(wǎng)，而CSMA/CA用于無線局域網(wǎng)802.11a/b/g/n等。
（3）檢測(cè)方式不同。CSMA/CD通過電纜中電壓變化來檢測(cè)；而CSMA/CA采用能量檢測(cè)、載波檢測(cè)和能量載波混合三種檢測(cè)信道空閑的方式。

總結(jié)：CSMA/CA協(xié)議是在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先廣播告訴其他結(jié)點(diǎn)，讓其它節(jié)點(diǎn)在某時(shí)間段內(nèi)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免發(fā)生碰撞。CSMA/CD協(xié)議的基本思想是發(fā)送前先偵聽，邊發(fā)送邊偵聽，一旦出現(xiàn)碰撞馬上停止發(fā)送。

三、輪詢?cè)L問介質(zhì)訪問控制：令牌傳遞協(xié)議

整理自王道論壇

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数据链路层介质访问控制——信道划分、随机访问和轮询访问的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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