梳理信道划分、随机访问和轮询访问等介质访问控制方法，并比较其工作机制与适用条件。

# 介质访问控制

介质访问控制（MAC, Media Access Control）解决共享信道上的发送权问题：多个结点都想发送数据时，谁先发、如何避免冲突、冲突后如何处理。

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mindmap
  root((介质访问控制))
    信道划分
      FDM
      TDM
      WDM
      CDM
    随机访问
      ALOHA
      CSMA
      CSMA/CD
      CSMA/CA
    轮询访问
      轮询协议
      令牌传递

# 信道划分介质访问控制

信道划分的思想是：把一条共享信道划分成多个互不干扰的子信道，让多个用户同时使用。

# FDM 频分多路复用

FDM（Frequency Division Multiplexing）把总频带划分成多个不重叠的频段，每个用户占用一个频段。

特点：

• 多路信号同时传输。
• 每路信号使用不同频率。
• 适合模拟通信和广播系统。

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频率轴: | 用户1 | 用户2 | 用户3 | 用户4 |
时间轴: 四个用户同时传输

# TDM 时分多路复用

TDM（Time Division Multiplexing）把时间划分成周期性时隙，每个用户轮流使用信道。

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时间轴: | A | B | C | D | A | B | C | D |

特点：

• 同一时刻只有一个用户发送。
• 用户按固定时隙轮流使用。
• 适合数字通信。

# WDM 波分多路复用

WDM（Wavelength Division Multiplexing）本质上是光纤中的 FDM。不同光信号使用不同波长，相当于不同 “颜色” 的光在同一根光纤中同时传输。

特点：

• 用于光纤通信。
• 能显著提升光纤容量。
• 每个波长承载一路信号。

# CDM 码分多路复用

CDM（Code Division Multiplexing）使用不同码片序列区分用户。所有用户可以同时使用同一频带和同一时间发送。

核心要求：不同站点的码片序列相互正交。

发送规则：

• 发送比特 1：发送自己的码片序列。
• 发送比特 0：发送码片序列的反码。

接收方通过与目标站点码片序列做内积，恢复该站点发送的比特。

# 随机访问介质访问控制

随机访问允许站点在需要发送时竞争信道。冲突发生后，通过检测、退避或避免机制处理。

# ALOHA 协议

ALOHA 是早期随机访问协议。它不监听信道，发送后依靠 ACK 判断是否成功。

# 纯 ALOHA

纯 ALOHA 中，站点可以在任意时刻发送帧。

过程：

1. 站点有数据就发送。
2. 若收到 ACK，说明成功。
3. 若超时未收到 ACK，认为发生冲突或丢失。
4. 等待随机时间后重发。

特点：

• 实现最简单。
• 冲突概率高。
• 信道利用率低。

纯 ALOHA 的最大吞吐量约为：

$$S_{\max} = \frac{1}{2e} \approx 18.4\%$$

# 时隙 ALOHA

时隙 ALOHA 把时间划分为等长时隙，站点只能在时隙开始发送。

特点：

• 需要全网时间同步。
• 冲突窗口比纯 ALOHA 小。
• 最大吞吐量约为纯 ALOHA 的两倍。

最大吞吐量：

$$S_{\max} = \frac{1}{e} \approx 36.8\%$$

# CSMA 协议

CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）的思想是：发送前先监听信道。

基本流程：

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flowchart TD
    A[有帧要发送] --> B[监听信道]
    B --> C{信道空闲?}
    C -- 是 --> D[发送]
    C -- 否 --> E[等待]
    E --> B

CSMA 只能减少冲突，不能完全避免冲突。原因是传播时延存在：某站点听到信道空闲时，远处站点的信号可能还没传播过来。

# 三种 CSMA

# CSMA/CD

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）即载波监听多路访问 / 碰撞检测，典型用于传统共享式有线以太网。

# 核心思想

1. 发送前监听信道。
2. 信道空闲则发送。
3. 发送过程中继续监听。
4. 若检测到冲突，立即停止发送。
5. 发送阻塞信号。
6. 按二进制指数退避算法等待后重传。

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flowchart TD
    A[准备发送] --> B[监听信道]
    B --> C{信道空闲?}
    C -- 否 --> B
    C -- 是 --> D[开始发送并继续监听]
    D --> E{检测到冲突?}
    E -- 否 --> F[发送完成]
    E -- 是 --> G[停止发送并发送阻塞信号]
    G --> H[二进制指数退避]
    H --> B

# 为什么有最小帧长

CSMA/CD 要求发送方在发送完帧之前能够检测到最远端可能产生的冲突。

设：

• 单程传播时延为 $\tau$。
• 争用期为 $2\tau$。
• 数据发送速率为 $R$。

最小帧长应满足：

$$L_{\min} \ge 2\tau R$$

以太网规定最小帧长为 64B，即 512 bit。

# 二进制指数退避

发生第 $k$ 次冲突后，站点从：

$$\{0,1,\dots,2^k-1\}$$

中随机选一个数 $r$，等待 $r$ 个争用期后重传。

实际以太网中，$k$ 通常有上限，例如取到 10 后不再扩大范围；冲突次数过多则放弃发送并报告错误。

# CSMA/CA

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）即载波监听多路访问 / 碰撞避免，典型用于 IEEE 802.11 无线局域网。

无线网络难以使用 CSMA/CD：

• 无线设备发送时很难同时检测接收信号。
• 隐蔽站问题会导致发送方听不到潜在冲突者。
• 信号强度随距离衰减，碰撞检测不可靠。

# 基本流程

1. 发送前监听信道。
2. 若信道空闲，等待 DIFS。
3. 随机退避。
4. 退避计数到 0 后发送。
5. 接收方正确收到后返回 ACK。
6. 若未收到 ACK，认为失败并重传。

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sequenceDiagram
    participant A as 发送站
    participant C as 信道
    participant B as 接收站
    A->>C: 监听信道
    Note over A: 空闲等待 DIFS + 随机退避
    A->>B: DATA
    B-->>A: ACK

# RTS/CTS

为缓解隐蔽站问题，802.11 可使用 RTS/CTS：

1. 发送方先发送 RTS，请求发送。
2. 接收方返回 CTS，允许发送。
3. 其他站点听到 RTS 或 CTS 后设置 NAV，暂时不发送。
4. 发送方发送数据帧。
5. 接收方返回 ACK。

RTS/CTS 会增加开销，但可减少长数据帧冲突带来的浪费。

# 轮询访问与令牌传递

轮询访问通过某种集中或轮转机制分配发送权，避免随机竞争。

# 轮询协议

主结点依次询问各从结点是否有数据要发送。

优点：

• 不会冲突。
• 控制简单。

缺点：

• 主结点故障会影响全网。
• 轮询开销较大。

# 令牌传递协议

网络中传递一个特殊控制帧，称为令牌。只有持有令牌的站点可以发送数据。

优点：

• 无冲突。
• 访问公平。
• 可预测最大等待时间。

缺点：

• 令牌丢失或损坏需要恢复机制。
• 低负载时也要传递令牌，有额外开销。

# 本节考点

1. MAC 解决共享信道中谁可以发送的问题。
2. FDM 分频率，TDM 分时间，WDM 分波长，CDM 分码片。
3. 纯 ALOHA 任意时刻发送，时隙 ALOHA 只能在时隙开始发送。
4. CSMA 发送前监听，但不能完全避免冲突。
5. CSMA/CD 用于传统有线以太网，核心是边发边听、冲突检测、退避重传。
6. 最小帧长满足 $L_{\min} \ge 2\tau R$，以太网最小帧长为 64B。
7. CSMA/CA 用于无线局域网，核心是冲突避免和 ACK 确认。
8. 轮询和令牌传递不会产生随机冲突，但有控制开销。