# 3.5 介质访问控制

## 一、介质访问控制概述

### 1.1 什么是介质访问控制

**介质访问控制（MAC）**：
- 控制多个节点如何共享广播信道
- 解决信道争用问题
- 避免冲突或处理冲突

### 1.2 介质访问控制的分类

**静态划分信道**：
- 频分多路复用（FDM）
- 时分多路复用（TDM）
- 波分多路复用（WDM）
- 码分多路复用（CDM）

**动态分配信道**：
- 随机访问：ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA
- 轮询访问：令牌传递

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## 二、ALOHA协议

### 2.1 纯ALOHA

**思想**：
- 想发就发
- 发生冲突后随机重传

**工作流程**：
1. 有数据就发送
2. 如果收到确认，发送成功
3. 如果超时未收到确认，发生冲突
4. 等待随机时间后重传

**性能**：
- 信道利用率最高约18.4%

### 2.2 时隙ALOHA

**思想**：
- 将时间划分为等长的时隙
- 只能在时隙开始时发送

**工作流程**：
1. 等待下一个时隙开始
2. 在时隙开始时发送
3. 如果冲突，等待随机个时隙后重传

**性能**：
- 信道利用率最高约36.8%
- 比纯ALOHA提高一倍

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## 三、CSMA协议

### 3.1 CSMA（载波侦听多路访问）

**思想**：
- 发送前先侦听信道
- 如果信道忙，等待
- 如果信道空闲，发送

**三种类型**：

#### 1-坚持CSMA

**规则**：
- 侦听信道，如果空闲，立即发送
- 如果忙，持续侦听，一旦空闲立即发送
- 如果冲突，等待随机时间后重试

**特点**：
- 信道利用率高
- 冲突概率高（多个节点同时等待）

#### 非坚持CSMA

**规则**：
- 侦听信道，如果空闲，立即发送
- 如果忙，等待随机时间后再侦听
- 如果冲突，等待随机时间后重试

**特点**：
- 冲突概率低
- 信道利用率低（等待期间信道可能空闲）

#### p-坚持CSMA

**规则**：
- 侦听信道，如果忙，持续侦听
- 如果空闲，以概率p发送，以概率(1-p)推迟到下一个时隙
- 如果冲突，等待随机时间后重试

**特点**：
- 平衡1-坚持和非坚持

### 3.2 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）

**思想**：
- 发送前先侦听
- 发送中检测冲突
- 如果冲突，立即停止发送

**工作流程**：
1. 侦听信道，如果空闲，发送
2. 发送过程中持续检测冲突
3. 如果检测到冲突，立即停止发送
4. 发送干扰信号（Jamming Signal）
5. 等待随机时间（二进制指数退避）后重试

**冲突检测**：
- 有线网络：检测电压变化
- 冲突时电压幅度增大

**二进制指数退避算法**：
- 第i次冲突后，从[0, 1, ..., 2ⁱ-1]中随机选择k
- 等待k个争用期后重试
- 最多重试16次

**争用期（冲突窗口）**：
- 2τ（τ为单程传播时延）
- 以太网：51.2μs（10Mbps）
- 512位时

**最小帧长**：
- 为了保证冲突检测
- 帧长 ≥ 2τ × 传输速率
- 以太网：64字节

**性能**：
- 信道利用率高
- 用于有线以太网

### 3.3 CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）

**思想**：
- 无线信道无法检测冲突
- 采用冲突避免机制

**工作流程**：
1. 侦听信道，如果空闲，等待DIFS后发送
2. 如果忙，持续侦听，直到空闲
3. 空闲后等待DIFS，再等待随机退避时间
4. 退避计时器为0时发送
5. 如果收到ACK，发送成功
6. 如果未收到ACK，重传

**机制**：

**DIFS（分布式协调帧间间隔）**：
- 高优先级帧间间隔
- 发送数据帧前等待

**SIFS（短帧间间隔）**：
- 最短帧间间隔
- 用于ACK、CTS等控制帧

**随机退避**：
- 二进制指数退避
- 减少冲突概率

**虚拟载波侦听（NAV）**：
- 使用RTS/CTS预约信道
- RTS：请求发送
- CTS：允许发送
- 其他节点根据NAV值推迟发送

**性能**：
- 用于无线局域网（WiFi）

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## 四、轮询访问介质访问控制

### 4.1 令牌传递协议

**思想**：
- 节点只有持有令牌才能发送
- 令牌在节点间循环传递

**工作流程**：
1. 令牌在节点间传递
2. 节点收到令牌，如果有数据，发送数据
3. 发送完数据（或没有数据），传递令牌给下一个节点
4. 下一个节点重复步骤2-3

**特点**：
- 无冲突
- 公平
- 令牌丢失需要处理
- 令牌传递开销

**应用**：
- 令牌环网（Token Ring）
- FDDI

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## 五、各种介质访问控制比较

| 协议 | 类型 | 特点 | 应用 |
|-----|------|------|------|
| ALOHA | 随机访问 | 简单，效率低 | 早期卫星通信 |
| CSMA | 随机访问 | 侦听后发送 | 有线网络 |
| CSMA/CD | 随机访问 | 检测冲突，用于有线 | 以太网 |
| CSMA/CA | 随机访问 | 避免冲突，用于无线 | WiFi |
| 令牌传递 | 轮询访问 | 无冲突，公平 | 令牌环网、FDDI |

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## 六、考研重点

1. **介质访问控制的概念和分类**
2. **ALOHA协议**：
   - 纯ALOHA：工作原理、信道利用率
   - 时隙ALOHA：工作原理、信道利用率
3. **CSMA协议**：
   - 1-坚持、非坚持、p-坚持的特点
4. **CSMA/CD**：
   - 工作原理
   - 冲突检测
   - 二进制指数退避算法
   - 争用期、最小帧长
5. **CSMA/CA**：
   - 工作原理
   - 冲突避免机制
   - DIFS、SIFS、随机退避
   - RTS/CTS
6. **令牌传递协议**：工作原理、特点
7. **各种协议的比较**

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*下一节：3.6 局域网*