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计算机网络•自顶向下方法：多址接入协议

article 2025/1/8 1:47:08

多址接入协议

链路的两种类型

点到点链路：

仅连接了一个发送方和一个接收方的链路
一条全双工链路可以看成是由两条单工链路组成

广播链路：

连接了许多节点的单一共享链路，任何一个节点发送的数据可被链路上的其它节点接收到

多址接入（Multiple Access）

冲突（collision）

在广播链路上，若两个或多个节点同时发送，发送的信号会发生干扰，导致接收失败

多址接入协议

规定节点共享信道（谁可以发送）的方法
多址接入协议也称媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）协议

理想的多址接入协议

在速率为R bps的广播信道上

当只有一个节点发送时，它应能以速率R发送（信道利用率高）
当有M个节点发送时，每个节点应能以 R/M的平均速率发送（公平性好、信道利用率高）
协议是无中心的（分散式）:
- 不需要一个特殊的节点来协调发送（健壮性好）
- 不需要时钟或时隙同步（不需要额外的机制）
简单（实现和运行开销小）

MAC协议的分类

信道划分

将信道划分为若干子信道，每个节点固定分配一个子信道，不会发生冲突
关注公平性，轻负载时信道利用率不高

随机接入（竞争）

不划分信道，每个节点自行决定何时发送，出现冲突后设法解决
轻负载时信道利用率高，重负载时冲突严重

轮流使用信道

不划分信道，有数据的节点轮流发送，不会出现冲突
信道利用率高，公平性好，但需引入额外机制

信道划分的MAC协议

TDMA: 时分多址

将信道的使用时间划分成帧，每个节点在帧中被分配一个固定长度的时间片，每个时间片可以发送一个分组
节点只能在分配给自己的时间片内发送
若节点不发送，其时间片轮空

FDMA: 频分多址

将信道频谱划分为若干子频带
每个节点被分配一个固定的子频带
若节点不发送，其子频带空闲

在这里插入图片描述

CDMA: 码分多址

将每个比特时间进一步划分为m个微时隙（称chip）
每个节点被分配一个惟一的m比特码序列（称chip code）
发送方编码：发送“1”=发送chip code；发送“0”=发送chip code的反码
信号叠加：多个节点发送的信号在信道中线性相加
接收方解码：用发送方的chip code与信道中收到的混合信号计算内积，恢复出原数据
前提条件：任意两个chip code必须是相互正交的

CDMA允许所有节点同时使用整个信道！

随机接入的MAC协议

随机接入的基本思想：

当节点有数据要发送时，以信道速率R发送，发送前不需要协调
随机接入MAC协议规定如何检测冲突，以及如何从冲突中恢复

随机接入MAC协议的例子：

发送前不监听信道：ALOHA家族
发送前监听信道：CSMA家族

时分（Slotted） ALOHA

假设:

所有帧长度相同
时间被划分为等长的时隙，每个时隙传一帧
节点只能在时隙开始时发送
节点是时钟同步的（知道时隙何时开始）
所有节点可在时隙结束前检测到是否有冲突发生

操作:

节点从上层收到数据后，在下一个时隙发送
若时隙结束前未检测到冲突，节点可在下一个时隙发送新的帧
若检测到冲突，节点在随后的每一个时隙中以概率P重传，直至发送成功

优点

单个活跃节点可以信道速率连续发送
分散式：节点自行决定什么时候发送
简单

缺点

发生冲突的时隙被浪费了
由于概率重传，有些时隙被闲置
需要时钟同步

时分Aloha的效率

效率：当网络中存在大量活跃节点时，长期运行过程中成功时隙所占的比例

假设: 有N个活跃节点，每个节点在每个时隙开始时以概率P发送

给定节点在一个时隙中发送成功的概率 = $p(1-p)^{N-1}$

给定时隙中有节点发送成功的概率 = $Np(1-p)^{N-1}$

最大效率:

找到令 $Np(1-p)^{N-1}$ 最大的概率 $p^*$

代入 $Np^*(1-p^*)^{N-1}$ ，并令N趋向于无穷，得到：

最大效率 = 1/e = 0.37

纯ALOHA

基本思想：

不需时钟同步，任何节点有数据发送就可以立即发送
节点通过监听信道判断本次传输是否成功
若不成功，立即以概率P重传，以概率（1-P）等待一个帧时后再决定。（帧时：发送一帧的时间，假设帧长度相同）

发生冲突的情形：

在时刻 $t_0$ 发送的帧与在 $t_0-1,t_0+1)$ 时段内发送的其它帧冲突

在这里插入图片描述

纯Aloha的效率

P(给定节点发送成功) = P(节点发送) .

P(无其它节点在 $t_0-1,t_0]$ 内发送) .

P(无其它节点在 $t_0, t_0+1)$ 内发送)

= $p(1-p)^{N-1}(1-p)^{N-1}$

= $p(1-p)^{2(N-1)}$

求导得到：最大效率 = 1/(2e) = 0.18

载波侦听多址接入（CSMA）

发送前监听信道（carrier sensing）：

信道空闲：发送整个帧
信道忙：推迟发送

冲突仍可能发生:

由于存在传输延迟，节点可能没有监听到其它节点正在发送
即使忽略传输延迟，当两个（或多个）节点同时发现信道由忙变为空闲、并都决定立即发送时，仍会发生冲突

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测）

为了提高CSMA协议的效率，CSMA/CD在其基础上增加了冲突检测机制。该协议主要用于有线网络（如以太网）中，设备在发送数据的同时也监听信道，能够实时检测是否发生碰撞。具体步骤如下：

监听信道：设备发送数据前，首先监听信道。如果信道空闲，设备开始发送数据；如果信道繁忙，则等待。
数据发送：当信道空闲时，设备开始发送数据。在发送过程中，设备继续监听信道，以便检测是否发生碰撞。
碰撞检测：
- 如果在发送数据时发生碰撞（即两个设备同时发送数据），设备立即停止发送，并通过冲突检测机制发现碰撞。
- 停止发送：设备会立即停止数据发送。
：退避机制：设备会等待一个随机的退避时间后，再重新尝试发送数据。退避时间是随机生成的，以避免重复的碰撞。

退避算法：

退避时间通常使用二进制指数退避算法，即在每次碰撞后，设备随机选择一个退避时间，且退避时间的范围随着碰撞次数的增加而增大。通过随机选择，避免多个设备总是同时重试，导致持续碰撞。负载越重（冲突次数越多），等待时间的选择范围越大，再次发生冲突的可能性越小

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多路访问/冲突避免）

CSMA/CA是专门为无线网络（如Wi-Fi）设计的协议。与CSMA/CD不同，由于无线信道的特点，设备在发送过程中无法直接检测碰撞，因此CSMA/CA采用了冲突避免策略来降低碰撞发生的概率。

具体步骤如下：

监听信道：设备在发送数据前首先监听信道，检查信道是否空闲。
等待随机时间：
- 如果信道空闲，设备不立即发送数据，而是等待一个随机的时间段。这一时间段通常称为退避时间。
- 退避时间是为了避免多个设备几乎同时开始发送数据，导致碰撞。每个设备会等待一个随机的时间段，减少多设备同时发送的概率。
数据发送：
- 如果信道在退避时间结束时仍然空闲，设备就开始发送数据。
ACK（确认）机制：
- 在无线网络中，设备通常在数据发送完成后等待接收方的确认（ACK）。如果在一定时间内没有收到确认，设备会认为数据发送失败，并重新尝试发送数据。

CSMA/CA的特点：

冲突避免：通过随机退避时间来避免多个设备同时发送，从而降低碰撞的发生概率。
确认机制：设备发送数据后需要等待接收方的确认，增加了可靠性。

轮流MAC协议

轮询

在轮询协议中，通信系统或网络中的一个设备（通常称为主设备或轮询器）负责主动轮询每个节点，询问它是否有数据需要发送。该协议通过避免多个节点同时发送数据来减少冲突。

主设备轮询：主设备（通常是接入点或中央控制器）依次轮询每个从设备。
从设备回应：
- 当从设备收到轮询信号时，如果它有数据要发送，它会响应并开始发送数据。
- 如果没有数据要发送，从设备就会跳过这次轮询，不发送任何信号，主设备继续轮询下一个从设备。
数据传输：主设备通过轮询控制数据传输的顺序，确保每个设备在自己的时刻占用信道，从而避免了碰撞。

在这里插入图片描述

缺点：

依赖主设备：该协议依赖于主设备的存在，主设备故障会导致整个系统无法工作
主设备负担重：主设备需要管理所有设备的轮询请求，可能导致主设备的负担较重
延迟：如果设备数量多，轮询一次需要的时间就很长，可能导致较大的延迟，尤其是在高负载情况下

令牌传递

令牌传递协议是一种通过在网络中传递一个特殊的“令牌”来控制信道访问的协议。令牌是一个特殊的数据包或控制信号，网络中的设备必须获取令牌才能发送数据。令牌在设备之间轮流传递，保证了每个设备在某一时刻具有发送数据的权限。

令牌初始化：网络中的设备形成一个环形结构，最初有一个设备持有令牌。
令牌传递:
- 设备只有在收到令牌后，才能开始发送数据。如果设备没有数据要发送，它会将令牌传递给下一个设备。
- 令牌在网络中按顺序传递，确保每个设备都有机会发送数据。
数据传输：持有令牌的设备可以开始发送数据。发送完成后，它将令牌传递给下一个设备。
循环进行：令牌不断在设备之间传递，直到所有设备完成数据传输。

缺点：