（三）介质访问控制

1. 信道划分

1.1. 信道复用

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频分复用（FDM）：所用用户在同一时间占据信道的不同频带；
时分复用（TDM）
- 将时间分为等长的一些时分复用帧（称为 TDM 帧），TDM 帧又称等时信号；
- 每个用户占据一个 TDM 帧中固定的一部分，且相同用户占据的部分在 TDM 中位置不变；
- 所有用户使用相同的频带；
- 可能造成线路资源的浪费（方法：统计时分复用）；
波分复用（WDM）（了解）：对光的波长的复用；
码分复用（CDM）：又称码分多址（CDMA），各用户采用经过挑选的特殊码型，彼此之间无干扰；
- 在这种形式下，每一个 bit 又划分为 $m$ 个 bit 来表示，更小的 bit 被称为码片；
- 每个基站被指派发送一个唯一特定的 $m$ bit 码片序列，发送 1 时发送原码片序列，发送 0 时发送其反码；
  - 例如：基站 S 被指派一个 8 bit 码片序列 0001 1011，则其发送 1 时会发送 0001 1011，发送 0 时发送 1110 0100；
  - 实际的码片序列为归零编码，用 +1 表示 1，-1 表示 0；
- 要求：各个基站分配的码片序列互不相同，且相互正交；
  - 正交：码片序列构成的向量之间归一化内积为 0（归一化内积 = 内积 / 向量元素个数）；
  - 性质：与自身的归一化内积为 1，与自身反码的归一化内积为 -1；
- 实用系统中，常采取伪随机码序列；
- 设 $S = S_{1} + S_{2} + \dots + S_{n}$ ，为同一时刻收到来自 n 个基站的码片序列线性叠加，则：
  - 判断基站 $i$ 发送的 bit 方法：计算 $n = (S \cdot S_{i}) / m$ ，即叠加后序列和基站 $i$ 码片序列的归一化内积；
    - 若 $n = 1$ 说明 $i$ 基站发送了 1；
    - 若 $n = - 1$ 则发送了 0；
    - 若 $n = 0$ 则没有发送内容；

2. 随机访问介质控制

2.1. ALOHA 协议（了解）

用户有帧即可发送，采用冲突监听和随机重发机制，为竞争系统（contention system）
用户共享同一信道（总线），若多个用户同时发送导致帧冲突被破坏，则随机重发；
效率不高；

2.2. 多路载波监听（CSMA）

站点要发送数据前，先监听总线，若总线空闲，则发送；否则等待一段时间后再检查；

2.3. 以太网广播

广播方式：在数据帧首部写入目标地址。总线上每一台设备都能收到发送的数据，地址匹配的设备会接收，其他设备直接丢弃；
以太网（局域网）的简化服务：
- 采用无连接的工作方式，通信双方无需事先建立连接；
- 发送数据帧不编号，不要求接收方发回确认；
- 接收方收到错误帧时直接丢弃，高层要求重传某帧时，以太网当作新的帧来发送；
- 是非可靠的连接服务；
- 原因：局域网通信质量通常较好，数据差错概率低；

2.4. 多路载波监听 + 碰撞检测（CSMA/CD）

CD：碰撞检测，计算机发送数据时，实时监测信道上电压大小；
- 原因：信息在信道上传输需要时间，在当前时间点 $t$ 测得信道空闲并不代表信道上没有信息在传输；
- 多个基站同时发送数据时，总线信道上电压波动值将会增大；
- 当基站检测到信道电压波动值超过某一阈值，则认为信道上至少有 2 个基站在同时发送，即发生碰撞（冲突）；
发送方检测到碰撞时，立即停止发送，等待一段时间后再继续；
碰撞的结果是发生碰撞的所有帧失效；
传播时延对载波监测的影响
- 设 $τ$ 为信息从 A 传输到 B 所需延时，A 在 $t = 0$ 开始发送信息，B 在 $t = τ - δ$ 开始发送信息；
- 则：B 在 $t = τ$ 监测到冲突，从而停止继续发送，A 在 $t = 2 τ - δ$ 检测到冲突；
- 问题：若 A 在 $t = 0$ 时刻发送数据，B 在其后任一时刻开始发送，则 A 和 B 都已经检测到冲突的时间点范围是？
  - 最小值：A 和 B 同时在 $t = 0$ 时发送，则都在 $t = τ$ 时检测到冲突；
  - 最大值：B 在趋近于 $t = τ$ 时发送，则 $t = 2 τ$ 时 A 和 B 都监测到冲突（ $δ \to 0$ ）；
  - 争用期：若 A 发送数据后 $2 τ$ 时间内都没有检测到冲突，则发送成功。称 $2 τ$ 为争用期；
特点
- 不能进行全双工通信，只能半双工交替通信；
- 每个基站发送数据后的一小段时间内，可能发生碰撞；
- 实际平均通信速率远小于理论最高数据率；
- 设以太网取 51.2us 为争用期长度，速率为 10Mbps；
  - 在争用期内可发送 512bit，即 64 字节，即若前 64 字节未发生冲突，则此次发送不会有冲突；
  - 考试常用：100Mbps，5.12us，512bit，64B
最短有效帧长（以太网）
- 以太网规定 64 字节为最短有效的帧长度；
- 长度小于 64 字节的帧都有可能是因为冲突而中断发送的帧；
一般网络协议计算方法：设距离 $L$ ，带宽 $C$ ，传播速率 $D$ ；
- 争用期： $2 τ = 2 \times L / D$ ；
- 最短有效帧长： $2 \times C \times L / D$ ；
- 传播速率 $D$ 一般取 $2 \times 10^{6}$ km/s；
二进制指数退避算法
- 退避算法：计算发生碰撞的基站在再次发送数据前需要等待的时间；
- 等待时间： $t = r \times t_{0}$ ；
  - 基本退避时间 $t_{0}$ ：一般取争用期 $t_{0} = 2 τ$ ；
  - 重传指数 $k$ ： $k = min (实际重传次数, 10)$ ；
  - 等待倍数 $r$ ：从集合 ${0, 1, \dots, 2^{k} - 1}$ 中随机取出一个数记为 $r$ ；
- 重传 16 次仍未成功，则丢弃该帧并向上层报告；
总结：CSMA/CD 协议的要点
- （1）准备发送：监测信道是否空闲；
- 0，则等待并继续检测，直到信道空闲，并保证 96 bit 时间内信道都是空闲；
  - 96bit 时间为帧间最小时间间隔；
- （3）碰撞检测：发送数据期间，实时监测信道：
  - 若争用期内未检测到碰撞，则发送成功，回到（1）；
  - 若争用期内检测到碰撞，则发送失败，此时立即停止发送并按规定追加一个人为干扰信号。按退避算法计算等待时间，进行重传。

2.5. CSMA/CA 协议

主要用于无线局域网。无线局域网不能使用 CSMA/CD 协议的原因：
- 无线局域网通信中，接收到的信号强度较弱，实现碰撞检测成本较大；
- 隐蔽站问题（Hidden Station Problem）
  - 每个基站的检测范围有限大，不能覆盖全链路。
  - 若某一时刻，A 和 C 都监测到信道空闲，向 B 发送数据，则会发生碰撞；
- 暴露站问题（Exposed Station Problem）
  - 由于 B 的作用范围覆盖不到 D，因此 B 向 A 发送数据时，C 和 D 可以同时进行通信；
  - 但由于 CSMA/CD 协议，导致 B 向 A 发送数据时，C 监测信道忙，不能向 D 发送数据，降低了通信效率；
CSMA/CA 协议：在 CSMA 协议基础上，增加碰撞避免功能；
实例分析：官方标准 802.11 协议，使用 CSMA/CA + 停止等待协议；
- 802.11 协议的 MAC 层
  - DCF 子层：使用 CSMA 协议的分布式接入算法，各基站通过争用来获取发送权；
  - PCF 子层：集中控制式接入算法，将发送权轮流交予各个基站；
- CSMA/CA 协议
  - 引入帧间间隔 IFS 机制：高优先级的帧 IFS 较短，低优先级的较长；
  - 通过区分 IFS，让高优先级的帧抢占信道，低优先级帧保持等待，减少碰撞机会；
  - 原理：
    - 要发送数据的基站先监测信道；
    - 检测到空闲时，根据要发送数据帧的类型，等待一个 SIFS 或 DIFS 时间再发送；
    - 接收基站收到数据帧后，等待一个 SIFS 时间，发回 ACK 确认帧；
    - 发送基站在规定时间内没收到 ACK 帧，则进行重传，直到收到 ACK 或超过重传次数限制；
    - 信道由忙变为空闲时，任一基站要发送数据帧，则不仅需要等待一个 DIFS，还需执行退避算法，等待一个退避时间，才能接入信道；
      - 目的：减少碰撞概率；
      - 改进的二进制指数退避算法：第 $i$ 次退避时，从 ${0, 1, \dots, 2^{i + 2} - 1}$ 中随机选择一个倍数 $r$ ；
      - 退避计时器
        基站在退避状态时，每经过一个基本退避时间 $t_{0}$ 监测一次信道；
        若信道为忙，则冻结退避倒计时；
        若信道空闲，则经过一个 DIFS，恢复退避倒计时，若此时倒计时为 0，发送数据帧；
- 信道预约机制
  - NAV：网络分配向量，表示当前数据还需多长时间传输完成；
  - A 经过 DIFS 时间，发送 RTS 进行信道预约；
  - B 收到 RTS 后，经过 SIFS 时间，发回 CTS 帧；
  - A 收到 CTS 帧后，经过 SIFS 时间，开始传输数据帧；
  - NOTE：整个传输过程中只有最开始需要等待 DIFS 时间，其他都是等待 SIFS 短时间；
- 用户可以自行选择：（1）不使用预约机制；（2）仅当数据帧长度超过一定值时使用预约机制；（3）总是使用预约机制；
- 802.11 协议局域网的 MAC 帧类型（了解）：控制帧，数据帧，管理帧；
  - 控制帧 RTS，CTS，ACK
  - 数据帧：三大部分
    - MAC 首部：30 字节；
    - 帧首部：较为复杂的部分，帧的复杂度集中在帧首部；
    - 帧主体：存放数据的部分，不超过 2312 字节（通常不用），802.11 的帧长度通常都小于 1500 字节；
    - 帧尾部：检验序列 FCS，4 字节；
  - 数据帧的地址字段：共 4 个（只讨论前 3 个）
    - AP（Access Point）：为终端提供无线接入服务的无线接入点，例如手机热点；
    - 注意去往 AP 和来自 AP 标记为不同时，地址 1 到地址 3 的含义也不同；
    - 实例分析
      - A 向 B 发送数据帧，数据链路为： $A \to A P 1 \to B$ ，A 为源，B 为目的；
      - 数据报在路由器 R（接口 2）和终端 C 之间传输