介质访问控制

2022.08.13

信道划分介质访问控制

属于静态划分信道的方法

频分复用FDM

时分复用TDM / 同步时分复用

• TDM所用传输介质的性质是(D)

  A.介质的带宽大于结合信号的位速率

  B.介质的带宽小于单个信号的带宽

  C.介质的位速率小于最小信号的带宽

  D.介质的位速率大于单个信号的位速率

• 从表面上看,FDM比TDM能更好地利用信道的传输能力,但现在计算机网络更多地使用TDM而非FDM,其原因是(B)

  A.FDM实际能力更差

  B.TDM可用于数字传输而FDM不行

  C.FM技术不成熟

  D.TDM能更充分地利用带宽

• TDM的每个用户在TDM帧中的位置不变

统计时分复用STDM / 异步时分复用

• STDM帧的时隙数小于集中器连接的用户数
• STDM的每个用户在TDM帧中的位置可以变

波分复用WDM

1. 光复用器=合波器；掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)；光分用器=分波器
2. 密集波分复用DWDM

码分复用CDM

1. 通俗理解CDMA

2. 沃尔什向量

   

3. 一个比特被分为m bit的码片(Chip)，m通常为64或128

4. 每一个站被指派自己的码片序列(取m=8)，比如：

   	编码	码片序列
   A的1	11110000	1，1，1，1，-1，-1，-1，-1
   A的0	00001111	-1，-1，-1，-1，1，1，1，1
   B的1	11111111	1，1，1，1，1，1，1，1
   B的0	00000000	-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1

   CSMA要求，不同编码必须正交

   发送端，A发送0，B发送1

   $$\begin{array}{c}[-1,-1,-1,-1,+1,+1,+1,+1]\\ +[+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1]\\ =[0,0,0,0,2,2,2,2]\end{array}$$

   A接受端

   $$\frac{[0,0,0,0,2,2,2,2]\cdot [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1]}{8}=-1$$

   B接受端

   $$\frac{[0,0,0,0,2,2,2,2]\cdot [1,1,1,1,1,1,1,1]}{8}=1$$

5. 扩频(Spread Specturm)

   1. 原因：一个码片有m位，原来发送比特速率为b bit/s，现在就需要扩充到mb bit/s，对应的频率域也需要扩充。
   2. 直接序列扩频（DSSS）
   3. 调频扩频（FHSS）

随机访问介质访问控制

属于动态划分信道的方法

ALOHA协议：不听就说

1. 纯ALOHA协议

   1. 发送：想发就发
   2. 冲突：等随机一段时间再发
   3. 网络吞吐量：S是T时间内成功发送帧数，G是网络负载量
   $$\begin{array}{c}S=G\cdot e^{-2G}\\ S_{max}=S(0.5)=0.184\end{array}$$

2. 时隙ALOHA协议

   1. 发送：时隙开始时发
   2. 冲突：下个时隙概率p重传，否则以此类推
   3. 网络吞吐量：S是T时间内成功发送帧数，G是网络负载量
   $$\begin{array}{c}S=G\cdot e^{-G}\\ S_{max}=S(0.5)=0.368\end{array}$$

• 小坑例题：10000个航空订票站在竞争使用单个时隙 ALOHA通道,各站平均每小时做18次请求,每个时隙是125μs。总通信负载约为多少?

  $$G=\frac{10000\cdot 18\cdot 125\mu s}{3600s}=0.00625\text{次}/s$$

• 例题：一组N个站点共享一个56kb/s的纯 ALOHA信道,每个站点平均每100s输出一个1000bit的帧,即使前一个帧未发送完也依旧进行。问N可取的最大值是多少?

  $$\begin{array}{rl}\text{纯}ALOHA\text{信}\text{道}\text{利}\text{用}\text{率}& =0.184\\ \text{信}\text{道}\text{带}\text{宽}B& =0.184\cdot 56kHz=10.304kHz\\ \text{单}\text{个}\text{站}\text{需}\text{要}\text{的}\text{带}\text{宽}& =\frac{1000bit}{100s}=10Hz\\ N_{max}& =\lfloor \frac{10304}{10}\rfloor =1030\end{array}$$

CSMA协议：先听再说

“听”：监测电压摆动值

1. 1-坚持CSMA

   1. 信道空闲：立刻传输
   2. 信道忙：忙则等待，一直监听信道，空闲立刻传输
   3. 发生冲突(一段时间内未收到肯定回复)：等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程。
   4. 优点:只要媒体空闲,站点就马上发送,避免了媒体利用率的损失。
   5. 缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。

2. 非坚持CSMA

   1. 信道空闲：立刻传输
   2. 信道忙：忙则等待，等待随机时间后，再监测到空闲再传输
   3. 优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
   4. 缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中,使得媒体仍可能处于空闲状态,媒体使用率降低。
   5. 细节例题：在CSMA的非坚持协议中,当媒体忙时,则(C)直到媒体空闲。 A.延迟一个固定的时间单位再侦听 B.继续侦听 C.延迟一个随机的时间单位再侦听 D.放弃侦听

3. p-坚持CSMA

   1. 信道空闲：概率p传输本时间槽传输，概率1-p下一个时间槽传输

      1. 信道忙：忙则等待，等待随机时间后，再监测到空闲再传输
      2. 优点：既能像非坚持算法那样减少冲突,又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。
      3. 缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完,造成了浪费。

CSMA/CD协议：边听边说

1. 概述

   1. 适用网络：总线型或半双工
   2. 先听再说，边说边听，冲突不说，随机重说

2. 步骤

   1. 适配器从网络层获得一个分组,封装成以太网帧,放入适配器的缓存,准备发送。
   2. 如果适配器侦听到信道空闲,那么它开始发送该帧。如果适配器侦听到信道忙,那么它持续侦听直至信道上没有信号能量,然后开始发送该帧。
   3. 在发送过程中,适配器持续检测信道。若一直未检测到碰撞,则顺利地把这个帧发送完毕。若检测到碰撞,则中止数据的发送,并发送一个拥塞信号,以让所有用户都知道
   4. 在中止发送后,适配器就执行指数退避算法,等待一段随机时间后返回到步骤2。

3. 争用期/冲突窗口/碰撞窗口：2τ (端到端传播时延的二倍)

4. 帧长：

   个人理解：争用期可能发送的最多内容是最小帧长。如果争用期时检测到碰撞，发送就会停止，接收端收到内容小于最小帧长说明没发完，直接丢弃；如果争用期时未检测到碰撞，会成功发送，帧长会大于最小帧长。

   $$\text{最}\text{小}\text{帧}\text{长}=\text{总}\text{线}\text{传}\text{播}\text{时}\text{延}\cdot \text{数}\text{据}\text{传}\text{输}\text{速}\text{率}\cdot 2$$

   以太网帧长	总数(Byte)	数据部分(Byte)
   最短帧长	64	48
   最大帧长	1518	1500

5. 二进制指数规避算法/动态退避：

   1. 确定基本退避时间,一般取两倍的总线端到端传播时延2τ(即争用期)。
   2. 定义参数重传次数k,它等于重传次数,但k不超过1,即k=min[重传次数,10]。当重传次数不超过10时,k等于重传次数;当重传次数大于10时,k就不再增大而一直等于10。
   3. 从离散的整数集合[0,1,..,2-1]中随机取出一个数r,重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间,即2rτ。
   4. 当重传达16次仍不能成功时,说明网络太拥挤,认为此帧永远无法正确发出,抛弃此帧并向高层报告出错！

6. 例题

   • 【2016统考真题】如下图所示,在Hub再生比特流的过程中会产生1.535s延时( Switch和Hub均为100Base-T设备),信号传播速率为200m/s,不考虑以太网帧的前导码,则H3和H4之间理论上可以相距的最远距离是(）

     

     A.200m

     B.205m

     C.359m

     D.512m

     $$\begin{array}{c}100BaseT\to 100Mbps\\ \text{以}\text{太}\text{网}\to 64B\end{array}$$
     $$\begin{array}{rl}RTT=\text{传}\text{播}\text{时}\text{延}+\text{信}\text{号}\text{再}\text{生}\text{时}\text{延}& =\frac{\text{最}\text{短}\text{帧}\text{长}}{\text{发}\text{送}\text{速}\text{率}}\\ RTT=\frac{2x}{200m/s}+2\cdot 1.535\mu s& =\frac{64B}{100MBps}\\ \frac{x}{200m/s}=0.64\cdot 8b\mu s-1.535\mu s& =1.025\mu s\\ x& =205m\end{array}$$

   • 【2010统考真题】某局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制,数据传输速率为10Mb/s,主机甲和主机乙之间的距离是2km,信号传播速率是200000km/s。请回答下列问题,要求说明理由或写出计算过程

     1)若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突,则从开始发送数据的时刻起,到两台主机均检测到冲突为止,最短需要经过多长时间?最长需要经过多长时间(假设主机甲和主机乙在发送数据的过程中,其他主机不发送数据)?

     $$\begin{array}{r}{t}_{max}=RTT=\frac{2\cdot 2km}{200000km/s}=0.02ms\\ t_{min}=RTT/2=\frac{2km}{200000km/s}=0.01ms\end{array}$$

     2)若网络不存在任何冲突与差错,主机甲总是以标准的最长以太网数据帧(1518字节向主机乙发送数据,主机乙每成功收到一个数据帧后立即向主机甲发送一个64字节的确认帧,主机甲收到确认帧后方可发送一个数据帧。此时主机甲的有效数据传输速率是多少(不考虑以太网的前导码)?【坑：以太网数据帧长1500】

     $$\begin{array}{rl}【t_{\text{数}\text{据}}& =\frac{1518\cdot 8}{10Mb/s}=1.2144ms】\text{错}\text{了}！\\ t_{\text{数}\text{据}}& =\frac{1500\cdot 8}{10Mb/s}=1.2ms\\ t_{\text{总}}& =\frac{1518\cdot 8+64\cdot 8}{10Mb/s}+RTT=1.2856ms\\ c& =\frac{1.2}{1.2856}\cdot 10Mb/s=9.33Mb/s\end{array}$$

CSMA/CA协议

1. 概述

   1. 适用网络：无线连接局域网（有线连接局域网——CSMA/CD）
   2. 不用CSMA/CD原因：1. 碰撞检测硬件花费大（接收信号强度低，信号强度变化范围大）2. “隐蔽站”问题：当终端A和C都检测不到信号,认为信道空闲时,同时向终端B发送数据帧,就会导致冲突。

2. 802.11规定帧间间隔IFS

   1. SIFS(短IFS):最短的IFS,用来分隔属于一次对话的各帧,使用SIFS的帧类型有ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧,以及所有回答AP探询的帧等。
   2. PIFS(点协调IFS):中等长度的IFS,在PCF操作中使用。
   3. DIFS(分布式协调IFS):最长的IFS,用于异步帧竞争访问的时延。

   

   IFS详解

   帧间间隔(IFS)是在媒体访问控制(MAC)子层中运行的帧传输之间的等待时间段，在该子层中，使用了具有CSMA/CA协议。IFS是最后一个帧的传输完成到下一帧的开始传输之间的时间段，除了可变的退避时间段。

   1. 缩小的帧间空间(RISF)

      减少的帧间间隔是高优先级帧中使用的持续时间很短的帧间间隔，用于发送突发帧。RISF是在802.11e QoS修订版中引入的，RISF的持续时间仅为2μs。

      当站点需要发送多个帧时，在各个帧之间引入RISF。它确保没有其他站点找到机会占用帧突发内的信道。

   2. 短帧间间隔(SISF)

      短帧间间隔(SIFS)是无线设备在接收帧和响应帧之间所需的时间间隔。它用于分布式协调功能(DCF)方案中，这是用于防止冲突的强制性技术。

      SIFS的持续时间等于射频(RF)，物理层收敛过程(PLCP)和MAC(介质访问控制)层的处理延迟的总和。

      在IEEE 802.11网络中，SIFS是在确认帧和清除发送(CTS)帧传输之前和之后保持的帧间间隔。SISF的持续时间通常为10μs。

   3. PCF帧间空间(PISF)

      点协调功能(PCF)是一种可选技术，用于防止集中控制的WLAN中发生冲突。PCF与强制性分布式协调功能(DCF)一起使用。

      集中协调通信的接入点(AP)等待PIFS持续时间来掌握信道。由于PIFS小于DIFS持续时间，因此AP始终具有优先于其他站访问信道的权限。PISF是SISF和时隙时间之和。

   4. DCF帧间空间(DISF)

      分布式协调功能(DCF)是一项强制性技术，用于防止基于IEEE 802.11的WLAN标准(Wi-Fi)中发生冲突。它是一种媒体访问控制(MAC)子层技术，用于使用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA / CA)的区域。

      使用DCF技术，站点需要先感知无线信道的状态，然后才能发出发送帧的请求。工作站在发送其请求帧之前应等待的时间间隔称为DCF帧间间隔(DIFS)。DISF计算为SISF与时隙时间的两倍。

   5. 任意帧间空间(AISF)

      在任意帧间间隔中，根据访问类别(即要传输的数据类型)对站点进行优先级排序。在该方案中，在该站可以发送其帧之前，缩短或扩展了无线站的等待时间(等于AISF)。较高优先级的电台被分配较短的AISF。这意味着较高优先级的站必须等待较短的时间间隔才能发送其帧。这对于延迟至关重要的传输(例如视频流或语音流)特别重要。

      AISF的计算公式为：AISF编号*时隙+ SISF。

   6. 扩展帧间空间(EISF)

      扩展帧间间隔是在损坏帧的情况下除了强制DISF之外还使用的额外等待时间。

   原文链接：https://www.gdyunjie.com/news/news1371.html

3. CSMA/CA算法（RTS与CTS可选）

   1. RTS（request to send - 请求发送），发送数据前,先检测信道是否空闲。RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息;信道忙则等待。
   2. 接收端收到RTS后,将响应CTS( clear to send)。
   3. 发送端收到CTS后,开始发送数据帧(同时预约信道:发送方告知其他站点自己要传多久数据)
   4. 接收端收到数据帧后,将用CRC来检验数据是否正确,正确则响应ACK帧。
   5. 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧发送,若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)
   6. 处理隐蔽站问题：RTS与CTS

4. CA的CD区别

   	CSMA/CD	CSMA/CA
   传输介质	总线式	无线局域网
   检测方式	总线电压摆动值	能量检测ED、载波检测CS、能连载波混合检测
   效果	可以检测但无法避免	只能尽量避免
   发送数据时	检测冲突	不检测冲突

5. 例题

   • 小坑例题：【2020统考真题】在某个IEEE802.11无线局域网中,主机H与AP之间发送或接收CSMA/CA帧的过程如下图所示。在H或AP发送帧前等待的帧间间隔时间(IFS)中,最长的是( )

     

     答案：IFS1。IFS1是DISF，剩下都是SIFS。

   • 【2018全国联考】IEEE802.11无线局域网的MAC协议CSMA/CA进行信道预约的方法是( D )

     A.发送确认帧

     B.采用二进制指数退避

     C.使用多个MAC地址

     D.交换RTS与CTS帧

轮询访问介质访问控制

轮询访问令牌传递协议

（属于动态划分信道的）

1. 传数据步骤：

   1. 网络空闲时,环路中只有令牌帧在循环传递。
   2. 令牌传递到有数据要发送的站点时,该站点就修改令牌中的一个标志位,并在令牌中附加自己需要传输的数据,将令牌变成一个数据帧,然后将这个数据帧发送出去
   3. 数据帧(令牌)沿着环路传输,接收到的站点一边转发数据,一边查看帧的目的地址。如果目的地址和自己的地址相同,那么接收站就复制数据帧以便进一步处理。
   4. 数据帧沿着环路传输,直到到达该帧的源站点,源站点收到自己发出去的帧后便不再转发。同时,通过检验返回的帧来查看数据传输过程中是否出错,若有错则重传。
   5. 源站点传送完数据后,重新产生一个令牌,并传递给下一站点,以交出信道控制权。

2. 适用类型：负载很高的广播信道

3. 物理拓扑：不一定是环 逻辑拓扑：环

4. 例题：在令牌环网中,当所有站点都有数据帧要发送时,一个站点在最坏情况下等待获得令牌和发送数据帧的时间等于( B )

   A.所有站点传送令牌的时间总和

   B.所有站点传送令牌和发送帧的时间总和

   C.所有站点传送令牌的时间总和的一半

   D.所有站点传送令牌和发送帧的时间总和的一半