介质访问控制

介质访问控制概述

当多个站点共享同一条广播信道时（如传统以太网的总线拓扑、无线局域网），就会出现”谁可以使用信道”的问题。介质访问控制（Medium Access Control, MAC）就是解决这个问题的机制。

介质访问控制

介质访问控制是数据链路层的一个子层，负责在共享信道的多个站点之间协调信道的使用权，避免或解决冲突，使多个站点能够高效、公平地共享信道资源。

介质访问控制协议分为三大类：

信道划分协议：将信道资源划分为固定的小块分配给各站点（FDM、TDM、WDM、CDM）
随机访问协议：站点随机访问信道，可能发生冲突，通过冲突检测或避免来解决（ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA）
轮询访问协议：通过中心控制或令牌传递来协调访问（令牌环、轮询）

信道划分协议

频分多路复用（FDM）

将信道的总带宽划分为若干个互不重叠的子频段，每个站点固定占用一个子频段进行通信。各站点可以同时传输，互不干扰。

优点：无冲突，各站点可同时通信
缺点：信道利用率低（站点不发送时其频段也空闲），不灵活（新站点需要分配新频段）
应用：广播电台、有线电视、ADSL

时分多路复用（TDM）

将时间划分为固定长度的帧，每个帧再划分为若干个时隙，每个站点固定占用一个时隙。各站点按时间顺序轮流使用信道的全部带宽。

优点：无冲突，各站点公平
缺点：站点不发送时其时隙也浪费，不灵活
应用：E1/T1 数字载波、ISDN

波分多路复用（WDM）

在光纤通信中，使用不同波长（颜色）的光载波承载不同的信号，通过棱镜或衍射光栅进行合波和分波。本质上是光域的频分复用。

应用：光纤通信主干网，单根光纤可同时传输几十甚至上百个波长

码分多路复用（CDM）

每个站点使用一个唯一的码片序列（Chip Sequence），各站点可以同时使用相同的频率发送数据。发送方将数据比特与码片序列进行异或运算，接收方通过码片序列的正交性恢复出原始数据。

优点：各站点可同时通信，抗干扰能力强
缺点：需要码片同步，实现复杂
应用：3G 移动通信（CDMA）

随机访问协议

ALOHA 协议

ALOHA 是最早的随机访问协议，由夏威夷大学 Norman Abramson 于 1970 年提出。

纯 ALOHA（Pure ALOHA）

站点有数据就立即发送，不监听信道
如果发生冲突（两个或多个站点同时发送），所有冲突帧都损坏
发送方在一段时间内未收到确认，则等待一段随机时间后重传
信道利用率（吞吐量）： $S = G \cdot e^{-2G}$ ，最大值约为 18.4%（当 $G=0.5$ 时）

其中 $G$ 是单位时间内所有站点发送的总帧数（包括新帧和重传帧）。

时隙 ALOHA（Slotted ALOHA）

将时间划分为固定长度的时隙，站点只能在时隙的开始时刻发送
冲突只可能发生在同一个时隙内，冲突窗口缩小了一半
信道利用率： $S = G \cdot e^{-G}$ ，最大值约为 36.8%（当 $G=1$ 时）

时隙 ALOHA 的吞吐量是纯 ALOHA 的两倍。

CSMA 协议

CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）的核心思想是：发送前先监听信道，如果信道空闲才发送。

根据信道忙时的处理策略和发送后的冲突处理方式，CSMA 分为：

1-坚持 CSMA

信道空闲：立即发送
信道忙：继续监听，一旦空闲立即发送（坚持发送）
冲突概率高（多个站点同时等待，信道一空闲就同时发送）

非坚持 CSMA

信道空闲：立即发送
信道忙：等待一段随机时间后再监听（不坚持）
冲突概率低，但信道利用率可能较低（等待期间信道可能空闲）

p-坚持 CSMA

信道空闲：以概率 $p$ 发送，以概率 $1-p$ 延迟到下一个时隙
信道忙：继续监听
平衡了冲突概率和信道利用率

CSMA/CD 协议

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）是传统以太网使用的介质访问控制协议。

工作原理

CSMA/CD 的工作过程可以概括为”先听后发，边发边听，冲突停发，随机重发”：

载波监听：发送前先监听信道，如果信道忙则等待
发送数据：信道空闲时开始发送
冲突检测：发送过程中继续监听信道，检测是否发生冲突
冲突处理：如果检测到冲突，立即停止发送，并发送一个阻塞信号（Jamming Signal），通知所有站点发生了冲突
随机重传：等待一段随机时间后，重新尝试发送

争用期与最小帧长

冲突检测的关键问题是：发送方需要多长时间才能检测到冲突？

设信号在信道上的单程传播时延为 $\tau$ 。最坏情况下，发送方在发送后经过 $2\tau$ （往返传播时延）才能检测到冲突。这个 $2\tau$ 称为争用期（Contention Period）或冲突窗口。

为了确保发送方在帧发送完毕之前能够检测到冲突，帧的传输时延必须大于等于争用期 $2\tau$ 。否则，如果帧太短，发送方在检测到冲突之前就已经发送完毕，会错误地认为发送成功。

因此，最小帧长必须满足：

$L_{\min} = R \times 2\tau$

其中 $R$ 是数据率， $2\tau$ 是争用期。

对于传统以太网（10 Mbps，最大电缆长度 2500 m，信号传播速度约 $2 \times 10^8$ m/s）：

$\tau = \frac{2500}{2 \times 10^8} = 12.5 \mu s$
争用期 $2\tau = 25.6 \mu s$
最小帧长 $L_{\min} = 10 \times 10^6 \times 25.6 \times 10^{-6} = 256$ bit = 64 字节

这就是以太网最小帧长为 64 字节的由来。

二进制指数退避算法

发生冲突后，发送方需要等待一段随机时间再重传。CSMA/CD 使用二进制指数退避算法（Binary Exponential Backoff）：

确定基本退避时间 $T_0 = 2\tau$ （争用期）
第 $k$ 次冲突后，从整数集合 $\{0, 1, 2, \ldots, 2^k - 1\}$ 中随机选取一个数 $r$ ，等待时间为 $r \times T_0$
$k = \min(\text{重传次数}, 10)$ ，即最多到 $2^{10}-1 = 1023$ 个争用期
重传 16 次仍失败，则放弃并报告错误

这个算法的特点是：冲突次数越多，等待时间的范围越大（退避），从而减少再次冲突的概率。这是一种自适应的退避策略。

现代以太网（全双工交换式以太网）不再使用 CSMA/CD，因为交换机的每个端口都是独立的冲突域，全双工模式下发送和接收使用不同的线路，不会发生冲突。CSMA/CD 只在半双工模式下使用。

CSMA/CA 协议

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多路访问/冲突避免）是无线局域网（IEEE 802.11/WiFi）使用的介质访问控制协议。

为什么无线网络不能用 CSMA/CD？

隐藏终端问题（Hidden Terminal Problem）：A 和 C 都在 B 的通信范围内，但 A 和 C 互相听不到。A 向 B 发送时，C 监听信道以为空闲，也向 B 发送，导致冲突。A 和 C 都无法检测到这个冲突。
信号强度差异大：无线信号衰减快，发送方的信号强度远大于接收方的，发送方无法在发送的同时监听冲突（“远-近”问题）。
无线信道误码率高：冲突检测的成本高，不如尽量避免冲突。

因此，无线网络使用 CSMA/CA——在发送前尽量避免冲突，而不是发送后检测冲突。

工作原理

CSMA/CA 的核心机制包括：

载波监听：发送前监听信道，如果信道忙则等待
IFS（InterFrame Space，帧间间隔）：
- DIFS（DCF IFS）：最长，用于数据帧和管理帧。信道空闲后需等待 DIFS 才能发送
- SIFS（Short IFS）：最短，用于 ACK、CTS 等响应帧。接收方收到数据后等待 SIFS 就回复 ACK，确保响应帧优先级高
随机退避：如果信道在 DIFS 后仍忙，或多个站点同时等待，站点选择一个随机退避时间（时隙数），在退避时间内信道保持空闲才发送。退避计时器递减，信道忙时暂停
RTS/CTS 机制（可选）：
- 发送方先发送一个短的 **RTS（Request To Send，请求发送）**帧，包含数据帧的长度信息
- 接收方回复 **CTS（Clear To Send，清除发送）**帧，也包含长度信息
- 所有听到 RTS 或 CTS 的站点都知道即将有数据传输，在指定时间内（NAV，网络分配向量）不发送
- RTS/CTS 有效解决了隐藏终端问题

CSMA/CA 通过”先听后发 + 等待IFS + 随机退避 + RTS/CTS”的组合机制，在发送前尽量避免冲突。虽然不能完全消除冲突，但大大降低了冲突概率，适合无线环境。

轮询访问协议

令牌环协议（Token Ring）

一个特殊的帧（令牌，Token）在环形拓扑中循环传递
只有持有令牌的站点才能发送数据
发送方发送数据后，数据帧在环中传递，接收方复制数据并设置响应位，数据帧最终回到发送方被清除
发送方释放令牌，传递给下一个站点
优点：无冲突，公平，确定性好（可计算最大等待时间）
缺点：令牌丢失或损坏会导致网络瘫痪，需要复杂的令牌管理；环形拓扑可靠性差
应用：IEEE 802.5 令牌环（已基本淘汰）

轮询协议（Polling）

一个主站（Primary）轮流询问各个从站（Secondary）是否有数据要发送
从站只能在被询问时才能发送
优点：无冲突，控制简单
缺点：轮询开销大，延迟高（从站必须等待被轮询），主站故障导致全网瘫痪
应用：IBM 大型机的 3270 终端网络、蓝牙（主从模式）

典型例题

例题1：以太网最小帧长计算

一个 100 Mbps 的以太网，最大电缆长度为 200 m，信号在电缆中的传播速度为 $2 \times 10^8$ m/s。求该网络的争用期和最小帧长。

参考答案(4 个标签)

CSMA/CD争用期最小帧长以太网

单程传播时延： $\tau = \frac{200}{2 \times 10^8} = 1 \mu s$
争用期： $2\tau = 2 \mu s$
最小帧长： $L_{\min} = R \times 2\tau = 100 \times 10^6 \times 2 \times 10^{-6} = 200$ bit = 25 字节

但实际以太网标准规定最小帧长为 64 字节（基于 10 Mbps 以太网 2500 m 电缆的参数），100 Mbps 以太网保持了相同的最小帧长，但最大电缆长度缩短到了 100 m（争用期仍为 $2 \times \frac{100}{2 \times 10^8} = 1 \mu s$ ， $64 \times 8 / (100 \times 10^6) = 5.12 \mu s > 1 \mu s$ ，满足要求）。

答案：争用期为 $2 \mu s$ ，理论最小帧长为 25 字节（实际标准为 64 字节）。

例题2：CSMA/CD 冲突检测时间

在一个 CSMA/CD 网络中，A 和 B 两个站点相距 1 km，信号传播速度为 $2 \times 10^8$ m/s。A 在时刻 $t=0$ 开始发送一帧，B 在时刻 $t=2 \mu s$ 也开始发送一帧。请问： (1) A 在什么时刻检测到冲突？ (2) B 在什么时刻检测到冲突？

参考答案(4 个标签)

CSMA/CD冲突检测传播时延争用期

单程传播时延： $\tau = \frac{1000}{2 \times 10^8} = 5 \mu s$
A 在 $t=0$ 开始发送，B 在 $t=2 \mu s$ 开始发送。
A 的信号到达 B 的时间： $t = 0 + 5 = 5 \mu s$ 。但 B 在 $t=2 \mu s$ 就已经开始发送了，所以 B 在 $t=5 \mu s$ 检测到冲突（A 的信号到达 B，与 B 自己的信号叠加）。
B 的信号到达 A 的时间： $t = 2 + 5 = 7 \mu s$ 。A 在 $t=7 \mu s$ 检测到冲突（B 的信号到达 A，与 A 自己的信号叠加）。

答案：(1) A 在 $t=7 \mu s$ 检测到冲突；(2) B 在 $t=5 \mu s$ 检测到冲突。

注意：A 检测到冲突的时间（ $7 \mu s$ ）小于争用期 $2\tau = 10 \mu s$ ，符合 CSMA/CD 的设计要求。

例题3：ALOHA 吞吐量

在一个纯 ALOHA 网络中，单位时间内所有站点发送的总帧数（包括新帧和重传帧）为 $G=1$ 。求该网络的吞吐量。如果改用时隙 ALOHA，吞吐量是多少？

参考答案(4 个标签)

ALOHA吞吐量纯ALOHA时隙ALOHA

纯 ALOHA 吞吐量公式： $S = G \cdot e^{-2G}$ 当 $G=1$ 时： $S = 1 \cdot e^{-2} = e^{-2} \approx 0.135 = 13.5\%$
时隙 ALOHA 吞吐量公式： $S = G \cdot e^{-G}$ 当 $G=1$ 时： $S = 1 \cdot e^{-1} = e^{-1} \approx 0.368 = 36.8\%$

注意：纯 ALOHA 的最大吞吐量为 $1/(2e) \approx 18.4\%$ （当 $G=0.5$ 时），时隙 ALOHA 的最大吞吐量为 $1/e \approx 36.8\%$ （当 $G=1$ 时）。当 $G=1$ 时，纯 ALOHA 不在最优工作点。

答案：纯 ALOHA 吞吐量约为 13.5%；时隙 ALOHA 吞吐量约为 36.8%。

练习题

练习1

CSMA/CD 和 CSMA/CA 的主要区别是什么？为什么无线网络使用 CSMA/CA 而不是 CSMA/CD？

参考答案(5 个标签)

CSMA/CDCSMA/CA冲突检测冲突避免隐藏终端

主要区别：

冲突处理方式：
- CSMA/CD：发送过程中检测冲突，检测到冲突后停止发送并重传
- CSMA/CA：发送前通过各种机制尽量避免冲突，不检测冲突
适用环境：
- CSMA/CD：有线网络（传统以太网），信号强度稳定，可同时发送和监听
- CSMA/CA：无线网络（WiFi），信号衰减大，存在隐藏终端问题
关键机制：
- CSMA/CD：边发边听、阻塞信号、二进制指数退避
- CSMA/CA：IFS等待、随机退避、RTS/CTS、NAV

无线网络不能用 CSMA/CD 的原因：

隐藏终端问题：两个站点互相听不到，但都能听到接收方，可能同时发送导致冲突，且都无法检测到
信号强度差异：无线信号衰减快，发送方的信号远强于接收方的，无法在发送的同时监听冲突（远-近问题）
无线信道误码率高：冲突检测成本高，不如尽量避免冲突

练习2

简述二进制指数退避算法的工作过程，并说明为什么要使用指数退避而不是固定时间退避。

参考答案(4 个标签)

二进制指数退避CSMA/CD重传退避算法

工作过程：

发生冲突后，确定基本退避时间 $T_0 = 2\tau$ （争用期）
第 $k$ 次冲突后，从 $\{0, 1, \ldots, 2^k-1\}$ 中随机选一个数 $r$ ，等待 $r \times T_0$
$k = \min(\text{重传次数}, 10)$ ，重传16次失败则放弃

为什么用指数退避：

自适应网络负载：冲突次数多说明网络负载重，需要更大的等待范围来减少再次冲突的概率；冲突少说明负载轻，可以快速重传
避免持续冲突：如果使用固定时间退避，多个冲突站点可能选择相同的等待时间，导致再次冲突。指数退避随着冲突次数增加而扩大随机范围，大大降低了再次冲突的概率
公平性：多次冲突的站点等待时间更长，让新站点有更多机会发送，避免”饥饿”

术语对照表

中文术语	英文术语	缩写	说明
介质访问控制	Medium Access Control	MAC	共享信道的访问协调
载波监听多路访问	Carrier Sense Multiple Access	CSMA	发送前监听信道
冲突检测	Collision Detection	CD	发送中检测冲突
冲突避免	Collision Avoidance	CA	发送前避免冲突
争用期	Contention Period	-	往返传播时延2τ
二进制指数退避	Binary Exponential Backoff	BEB	冲突后随机等待算法
请求发送	Request To Send	RTS	CSMA/CA控制帧
清除发送	Clear To Send	CTS	CSMA/CA控制帧
网络分配向量	Network Allocation Vector	NAV	预约信道时间
帧间间隔	InterFrame Space	IFS	帧之间的等待时间
隐藏终端	Hidden Terminal	-	互相听不到的站点
频分多路复用	Frequency Division Multiplexing	FDM	按频率划分信道
时分多路复用	Time Division Multiplexing	TDM	按时隙划分信道
码分多路复用	Code Division Multiplexing	CDM	按码片划分信道
令牌环	Token Ring	-	令牌传递的环形网络
阻塞信号	Jamming Signal	-	冲突后通知所有站点

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