哈工大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議詳解之：多路訪問控制（MAC）協(xié)議

在上一小節(jié)介紹完數(shù)據(jù)鏈路層功能和所提供的服務(wù)后，接下來(lái)我們介紹一個(gè)在數(shù)據(jù)鏈路層非常重要的一個(gè)協(xié)議：多路訪問控制MAC協(xié)議。

多路訪問控制主要是為了解決一類鏈路的使用問題。作為網(wǎng)路中的鏈路，大致可以分為以下兩類：

• 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路

  顧名思義，鏈路只連接兩個(gè)相鄰端點(diǎn)，沒有第三個(gè)結(jié)點(diǎn)與該鏈路相連。在這種情況下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信就變得比較簡(jiǎn)單，比如撥號(hào)接入的PPP，或者以太網(wǎng)交換機(jī)與主機(jī)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路。

• 廣播鏈路（共享介質(zhì)）

  • 早期的總線以太網(wǎng)
  • HFC的上行鏈路
  • 802.11無(wú)線局域網(wǎng)

顯然，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，如果使用廣播鏈路（共享介質(zhì)）來(lái)進(jìn)行通信時(shí)，就必須有一個(gè)機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)通信各方的通信數(shù)據(jù)，同時(shí)需要保證在傳輸時(shí)數(shù)據(jù)互不干擾。這個(gè)協(xié)議就是多路訪問控制（MAC）協(xié)議。

多路訪問控制協(xié)議所要解決的，就是采用單一共享廣播信道進(jìn)行通信的場(chǎng)景。在這種場(chǎng)景中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)同時(shí)利用共享信息傳輸數(shù)據(jù)時(shí)勢(shì)必就會(huì)相互干擾。

這種干擾，在MAC協(xié)議里被稱為沖突（collision）。 這種沖突，會(huì)導(dǎo)致接收端的結(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致接收失敗！

In a word，在使用廣播共享鏈路傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須要使用特殊的協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)多方通信。而本節(jié)介紹的多路訪問控制協(xié)議（multiple access control protocol）就是為了解決上述問題而提出的。

作為MAC協(xié)議在被設(shè)計(jì)時(shí)，有一些基本的考慮：

• 期望采用分布式算法決定結(jié)點(diǎn)如何共享信道，即決策結(jié)點(diǎn)何時(shí)可以傳輸數(shù)據(jù)。盡可能不需要一個(gè)集中的結(jié)點(diǎn)來(lái)協(xié)調(diào)通信各方的通信過程。
• 在協(xié)調(diào)各方通信時(shí)，協(xié)議必須基于信道本身，通信信道共享協(xié)調(diào)信息。即無(wú)需帶外信道用于協(xié)調(diào)。

理想MAC協(xié)議

給定：速率為R bps的廣播信道。

假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)的是一個(gè)非常理想的MAC協(xié)議的話，這個(gè)協(xié)議可能期望具有以下功能：

• 當(dāng)某一時(shí)刻信道只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它可以以速率R發(fā)送（使用廣播信道的全部帶寬）。
• 當(dāng)有M個(gè)結(jié)點(diǎn)期望發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均發(fā)送數(shù)據(jù)的平均速率為R/M。
• 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)完全分散控制各方通信。
  • 無(wú)需特定節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)。
  • 無(wú)需時(shí)鐘、時(shí)隙同步。
• 簡(jiǎn)單。協(xié)議越簡(jiǎn)單越好

當(dāng)然，這是理想狀況下MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)概括，實(shí)際場(chǎng)景下是無(wú)法滿足上述條件的。但是，在這種理想條件下有助于我們理解MAC協(xié)議期望解決的主要問題，或者實(shí)現(xiàn)的主要功能是哪些，對(duì)我們后續(xù)理解MAC協(xié)議具有一定指導(dǎo)意義。

MAC協(xié)議分類

從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)，典型的可以用于廣播鏈路共享的協(xié)議分類，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段包括以下三大類：

• 信道劃分（channel partitioning）MAC協(xié)議。

  • 使用多路復(fù)用技術(shù)。把信道資源劃分成不同的資源片，分配給不同的結(jié)點(diǎn)使用，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信過程中只占用其自己分配到的信道資源。這樣，由于資源已經(jīng)被事前劃分了，就不會(huì)出現(xiàn)沖突問題。
  • 根據(jù)多路復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步劃分，如TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等技術(shù)來(lái)支持多個(gè)用戶共享信道資源。
  • 這一類方案采用的是針對(duì)信道資源進(jìn)行劃分，從而使得通信各方只占用其分配到的資源片，來(lái)實(shí)現(xiàn)信道共享。

• 隨機(jī)訪問（random access）MAC協(xié)議

  • 這一類協(xié)議在局域網(wǎng)中非常多見。
  • 信道不劃分，允許沖突。任意結(jié)點(diǎn)需要通信時(shí)，都會(huì)使用該信道的全部帶寬資源。因?yàn)槭请S機(jī)訪問，即任意時(shí)間都可以有用戶傳輸數(shù)據(jù)的需求，所以是允許沖突的。
  • 由于沖突會(huì)導(dǎo)致接收失敗， 所以該類協(xié)議需要提供沖突“恢復(fù)”機(jī)制。即當(dāng)發(fā)生沖突接收失敗時(shí)，需要有機(jī)制能重新發(fā)送沖突數(shù)據(jù)，最終保證接收端接收數(shù)據(jù)的完整性。

• 輪轉(zhuǎn)（taking turns）MAC協(xié)議

  • 綜合前面兩類協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)
  • 通過采用某種機(jī)制，使得結(jié)點(diǎn)能夠輪流使用信道，保證在使用信道時(shí)不發(fā)生沖突。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，能夠使用信道的全部帶寬。

信道劃分MAC協(xié)議

信道劃分協(xié)議采用的解決方案是將信道資源按照某種技術(shù)手段進(jìn)行劃分，并分配給通信各方。各方在通信時(shí)，只使用分配的資源片，從而解決相互沖突的問題。

TDMA

下面以TDMA作為例子進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

TDMA：time division multiple access

TDMA時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)實(shí)際上是將時(shí)間劃分成一個(gè)個(gè)時(shí)隙，將每個(gè)時(shí)隙分配給不同的結(jié)點(diǎn)，從而使不同的結(jié)點(diǎn)只有在它所分配到的時(shí)隙時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，而不能占用其他結(jié)點(diǎn)的時(shí)隙。

分配給所有結(jié)點(diǎn)的時(shí)隙循環(huán)一個(gè)周期就構(gòu)成一個(gè)復(fù)用幀。如下圖所示，一個(gè)復(fù)用幀內(nèi)包含了所有結(jié)點(diǎn)在自己時(shí)隙里發(fā)送的數(shù)據(jù)。

在使用TDMA的信道劃分協(xié)議中，分配給某個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙，如果它在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)不發(fā)送數(shù)據(jù)的話，這個(gè)資源也要為它保留（如上圖空閑位置所示）。

FDMA

同樣的，FDMA：frequency division multiple access 碼分多路復(fù)用技術(shù)是針對(duì)頻率來(lái)劃分信道資源。

將信道頻譜劃分成若干頻帶（frequency bands），每個(gè)頻帶分配給不同用戶去使用，每個(gè)用戶將自己需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到對(duì)應(yīng)的頻帶上去，從而只在自己的頻帶上進(jìn)行傳輸。

頻分多路復(fù)用如下所示，可以看到，有的頻帶分配給用戶后，可能在某一段時(shí)間內(nèi)該用戶不發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)這段頻帶資源仍然需要保留。

作為信道劃分的MAC協(xié)議來(lái)說，如果當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特別重的時(shí)候（假設(shè)所有結(jié)點(diǎn)都發(fā)數(shù)據(jù)），此時(shí)將信道資源分配給各用戶后，所有被劃分的資源都被利用，此時(shí)的信道利用率是最高的。

但是，從上面TDMA和FDMA的介紹也可以看到，如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較低時(shí)，信道資源劃分給各用戶后，某一時(shí)間可能只有一個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)信道資源利用率會(huì)非常低，因?yàn)樗荒苁褂梅峙浣o自己的資源片，其余資源都必須空閑保留。

當(dāng)然這種協(xié)議的好處也在于信道劃分后，各用戶的數(shù)據(jù)傳輸不沖突。

隨機(jī)訪問MAC協(xié)議

作為隨機(jī)訪問MAC協(xié)議，它的最大特點(diǎn)就是

• 當(dāng)結(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送時(shí)，利用信道全部帶寬來(lái)發(fā)送。
• 動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，沒有事先的結(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)。任何一個(gè)時(shí)刻下任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

在隨機(jī)訪問MAC協(xié)議下，多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)“沖突”問題。因此，隨機(jī)訪問MAC協(xié)議需要定義：

1. 如何檢測(cè)沖突。即需要有沖突檢測(cè)機(jī)制。

   比如有的隨機(jī)訪問MAC協(xié)議是把數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去后，等待對(duì)方的確認(rèn)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到了對(duì)方的確認(rèn)，則認(rèn)為沒有沖突，否則認(rèn)為有沖突。

2. 當(dāng)發(fā)生沖突后，如何從沖突中恢復(fù)（e.g. 通過延遲重傳）

   由于發(fā)生沖突意味著數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的失敗，因此當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，一定要有一個(gè)機(jī)制來(lái)消解沖突帶來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的影響。

典型的隨機(jī)訪問MAC協(xié)議包括：

• 時(shí)隙（sloted） ALOHA
• ALOHA
• CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

時(shí)隙（sloted） ALOHA

首先來(lái)看一下時(shí)隙（sloted） ALOHA協(xié)議。

時(shí)隙（sloted） ALOHA協(xié)議有這樣幾個(gè)假設(shè)：

• 網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀大小是相同的。

• 時(shí)間被劃分為等長(zhǎng)的時(shí)隙。（每個(gè)時(shí)隙可以傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀）

  每個(gè)時(shí)隙通常是這樣劃分的：一個(gè)時(shí)隙剛好能允許任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)隙的開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當(dāng)時(shí)隙結(jié)束時(shí)數(shù)據(jù)幀剛好被發(fā)送出去。

• 結(jié)點(diǎn)只能在時(shí)隙開始時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)幀。并在時(shí)隙結(jié)束時(shí)發(fā)完完成。

• 結(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步。

  既然每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能在時(shí)隙開始時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，顯然節(jié)點(diǎn)之間一定是時(shí)鐘同步的。

• 如果2個(gè)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀，結(jié)點(diǎn)即檢測(cè)到?jīng)_突。

作為時(shí)隙ALOHA協(xié)議，它的運(yùn)行理論來(lái)說相對(duì)比較簡(jiǎn)單，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行會(huì)遵行以下準(zhǔn)則：

• 當(dāng)結(jié)點(diǎn)有新的數(shù)據(jù)幀待發(fā)送時(shí)，會(huì)在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)發(fā)送。
• 如果發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)無(wú)沖突：該結(jié)點(diǎn)可以在下一個(gè)時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀
• 如果發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)有沖突：該結(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙以概率p重傳該幀，直至發(fā)送成功。

下面我們通過一個(gè)示例來(lái)看一下時(shí)隙ALOHA協(xié)議運(yùn)行過程：

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中三個(gè)結(jié)點(diǎn)，都共享同一個(gè)廣播鏈路來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。作為時(shí)隙ALOHA協(xié)議，像我們上面介紹的，任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)只能在時(shí)隙的開始時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

在上述示例圖中用C來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)沖突，E來(lái)標(biāo)識(shí)空閑，S來(lái)標(biāo)識(shí)發(fā)送成功。

在第一個(gè)時(shí)隙下，三個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，一定是會(huì)導(dǎo)致沖突的。所以在之后的時(shí)隙下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一定的概率去重發(fā)該失敗幀。在第三個(gè)時(shí)隙下，結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2同時(shí)重傳數(shù)據(jù)幀，又導(dǎo)致失敗，需要繼續(xù)重發(fā)。最終，結(jié)點(diǎn)2在第四個(gè)時(shí)隙時(shí)，只有它發(fā)送數(shù)據(jù)幀，無(wú)沖突產(chǎn)生，所以發(fā)送成功。以此類推，最終，結(jié)點(diǎn)1在第8個(gè)時(shí)隙時(shí)重傳數(shù)據(jù)幀成功，而結(jié)點(diǎn)3在第9個(gè)時(shí)隙時(shí)重傳數(shù)據(jù)幀成功。

通過上面的示例過程，總結(jié)一下時(shí)隙ALOHA協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

• 單個(gè)結(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)，可以連續(xù)以信道全部帶寬速率傳輸數(shù)據(jù)。
• 高度分散化：各結(jié)點(diǎn)只需同步時(shí)鐘（時(shí)隙）。
• 協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)

• 容易造成沖突，進(jìn)而導(dǎo)致失敗數(shù)據(jù)幀的重傳，造成時(shí)隙浪費(fèi)。
• 空閑時(shí)隙。
• 實(shí)際上結(jié)點(diǎn)也許能以遠(yuǎn)小于分組傳輸時(shí)間檢測(cè)到?jīng)_突。但時(shí)隙ALOHA機(jī)制并沒有這樣的機(jī)制。
• 時(shí)鐘同步。必須要求網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘需要同步，不然無(wú)法確定一個(gè)時(shí)隙的開始和結(jié)束。

進(jìn)一步的，我們分析一下時(shí)隙ALOHA協(xié)議在處理數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)的效率情況。首先給出效率指標(biāo)的計(jì)算方式：

效率：長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，成功發(fā)送幀的時(shí)隙所占比例。

比如對(duì)于時(shí)隙ALOHA協(xié)議來(lái)說，它的效率實(shí)際上就是計(jì)算在長(zhǎng)期的一段時(shí)間內(nèi)，成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)隙占這段時(shí)間所有時(shí)隙的比例。

有了上面的定義，我們來(lái)分析具體的場(chǎng)景：

假設(shè)：N個(gè)結(jié)點(diǎn)有很多幀等待傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙均已概率p發(fā)送數(shù)據(jù)。

此時(shí)對(duì)于一個(gè)給定節(jié)點(diǎn)來(lái)說，在一個(gè)時(shí)隙將幀發(fā)送成功的概率 = p(1-p)^N-1。上述公式的含義就是，在某一時(shí)刻只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而其他結(jié)點(diǎn)都不發(fā)數(shù)據(jù)幀（1-p）概率，進(jìn)而得到的聯(lián)合概率。

擴(kuò)展到任意個(gè)結(jié)點(diǎn)，即N個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送成功的概率為：
?

對(duì)上式，求當(dāng)N趨于無(wú)窮時(shí)的極限，可得：
?

即時(shí)隙ALOHA協(xié)議當(dāng)結(jié)點(diǎn)無(wú)窮大時(shí)的最大效率=0.37，即最好情況下信道被成功利用的時(shí)間僅占37%。

顯然，時(shí)隙ALOHA協(xié)議的效率不是很讓人滿意，當(dāng)很多人都在使用時(shí)，最好情況下信道利用率僅有37%，剩下63%的情況會(huì)出現(xiàn)沖突造成浪費(fèi)。

ALOHA

接下來(lái)再看一下ALOHA協(xié)議，也稱純ALOHA協(xié)議。 它跟時(shí)隙ALOHA協(xié)議最大的區(qū)別在于它不進(jìn)行時(shí)隙的劃分。

特點(diǎn)：

• 更加簡(jiǎn)單，無(wú)需同步

• 當(dāng)有新的幀生成時(shí)：立即發(fā)送

• 沖突可能性增大

  在t₀時(shí)刻發(fā)送幀，會(huì)與在[t₀-1, t₀+1]期間其他結(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀沖突。

如上圖所示，作為純ALOHA協(xié)議來(lái)說，它的易損時(shí)間區(qū)是兩個(gè)時(shí)隙，因?yàn)樗赡芨昂髢蓚€(gè)時(shí)隙的發(fā)送都會(huì)產(chǎn)生沖突。對(duì)比來(lái)看，時(shí)隙ALOHA協(xié)議的易損時(shí)間區(qū)是一個(gè)時(shí)隙，因?yàn)樗?guī)定只能在時(shí)隙的開始時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以沖突只會(huì)發(fā)送在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)。

因此，直觀來(lái)看，純ALOHA協(xié)議的效率一定比時(shí)隙ALOHA的效率還要低。

計(jì)算過程如下所示：

P（給定結(jié)點(diǎn)成功發(fā)送幀） = P（該結(jié)點(diǎn)發(fā)送）

? ????????????=P（無(wú)其他結(jié)點(diǎn)在[t₀-1, t₀]期間發(fā)送幀）

? ????????????=P（無(wú)其他結(jié)點(diǎn)在[t₀, t₀+1]期間發(fā)送幀）

? ???????????? = p*1-p)^N-1 * (1-p)^N-1

? ???????????? = p*(1-p)^2(N-1)

? ???????????? … 選取最優(yōu)的p，并令n -> ∞
?????????????= 1/（2e）
????????????? = 0.18

結(jié)論：純ALOHA協(xié)議的效率比時(shí)隙ALOHA協(xié)議更差。

需要說明一點(diǎn)的是，雖然純ALOHA協(xié)議的效率比較差，但在歷史上它存在的重要意義在于：它幾乎是最早提出的MAC協(xié)議。

CSMA協(xié)議

通過上面對(duì)ALOHA協(xié)議的介紹可以發(fā)現(xiàn)，上述兩種ALOHA協(xié)議的效率都比較，采用的都是比較簡(jiǎn)單的方法，只要希望發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)進(jìn)行發(fā)送操作，而不管當(dāng)前信道下是否已經(jīng)有數(shù)據(jù)幀在傳輸。這種方式，不僅會(huì)導(dǎo)致其他結(jié)點(diǎn)消息的發(fā)送失敗，實(shí)際上它自己的數(shù)據(jù)發(fā)送也不會(huì)成功，因此是一種比較“自私”的協(xié)議。

怎么樣來(lái)改進(jìn)上述協(xié)議的，本節(jié)介紹的CSMA協(xié)議就是在這方面做了很大改進(jìn)。

CSMA：carrier sense multiple access載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議。

CSMA協(xié)議最大的改進(jìn)地方在于每一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，一定會(huì)先監(jiān)聽信道，實(shí)際上是通過監(jiān)聽信道中的載波信號(hào)來(lái)判斷信道中是否有其他結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。 也就是說，如果發(fā)現(xiàn)信道中有數(shù)據(jù)正在發(fā)送的話，就不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。

如果發(fā)現(xiàn)信道中沒有載波，也就是信道是空閑的，此時(shí)才會(huì)把完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

如果發(fā)現(xiàn)信道忙，也就是有載波，則會(huì)推遲發(fā)送數(shù)據(jù)幀，避免出現(xiàn)沖突。

根據(jù)信道忙時(shí)，推遲發(fā)送的策略不同，又可以將CSMA協(xié)議分為不同類型：

• 1-堅(jiān)持CSMA
  • 當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道忙，不能立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，會(huì)以概率p=1一直監(jiān)聽這個(gè)信道。一旦信道空閑時(shí)，就立馬發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
• 非堅(jiān)持CSMA
  • 當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道忙之后，不堅(jiān)持持續(xù)監(jiān)聽信道，而是隨機(jī)等待一段時(shí)間后，再去探測(cè)信道是否空閑。
• P-堅(jiān)持CSMA
  • 當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道忙之后，以概率P堅(jiān)持監(jiān)聽信道，以概率1-p隨機(jī)等待一段時(shí)候后，再監(jiān)聽信道。

仍然需要注意的是，在CSMA協(xié)議中，沖突仍然是無(wú)法避免的。比如對(duì)于1-堅(jiān)持CSMA來(lái)說，如果有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)聽信道，一旦信道空閑之后，同時(shí)往信道中發(fā)送數(shù)據(jù)幀，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致沖突。

另外，信號(hào)傳播延遲的存在也會(huì)導(dǎo)致沖突。 比如如下示意圖：

假設(shè)A、B、C、D是網(wǎng)絡(luò)中物理空間有一定距離的幾個(gè)結(jié)點(diǎn)，這幾個(gè)結(jié)點(diǎn)都通過一段共享鏈路來(lái)進(jìn)行通信。

假設(shè)t₀時(shí)刻，B節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)它會(huì)監(jiān)聽信道，發(fā)現(xiàn)信道空閑，就會(huì)開始發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀。

由于數(shù)據(jù)在信道中的傳輸是需要時(shí)間的，同時(shí)結(jié)點(diǎn)D因?yàn)楦Y(jié)點(diǎn)B在物理鏈路上有一段距離，導(dǎo)致其在t₁時(shí)刻需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，還無(wú)法檢測(cè)到剛剛結(jié)點(diǎn)B發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。此時(shí)，在t₁時(shí)刻，它監(jiān)聽信道發(fā)現(xiàn)信道也空閑，就會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從而導(dǎo)致兩個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)在信道中疊加。

從上圖進(jìn)一步的觀察到，在整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸完成之前，在某一時(shí)刻t_n時(shí)，這種疊加信號(hào)實(shí)際上已經(jīng)會(huì)被結(jié)點(diǎn)B或結(jié)點(diǎn)D感知到了，其實(shí)后續(xù)幀的發(fā)送就已經(jīng)沒有意義了。但作為普通的CSMA協(xié)議來(lái)說，只要某個(gè)結(jié)點(diǎn)確定要發(fā)送數(shù)據(jù)幀，則一定會(huì)將完整的幀全部發(fā)完。

因此，對(duì)于一般的CSMA協(xié)議來(lái)說，這種繼續(xù)發(fā)送沖突幀的情況，會(huì)造成信道資源的浪費(fèi)。

上述問題的解決思想實(shí)際上也非常簡(jiǎn)單，即如果結(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)能夠檢測(cè)到信道是否產(chǎn)生沖突，如果發(fā)送了沖突，能夠及時(shí)終止后面數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，就能夠解決上述信道資源浪費(fèi)的問題。

按照這樣的思想設(shè)計(jì)的協(xié)議，就是CSMA/CD協(xié)議。

CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD：CSMA with Collision Detection，即帶有沖突檢測(cè)的CSMA協(xié)議。

這里需要注意一點(diǎn)的是，這里添加的CD沖突檢測(cè)功能，并不是說只有CSMA/CD協(xié)議才有沖突檢測(cè)功能。實(shí)際上，只要是隨機(jī)訪問MAC協(xié)議，都會(huì)有一種沖突檢測(cè)機(jī)制，只不過這種沖突檢測(cè)機(jī)制可能會(huì)不同。比如有的CSMA協(xié)議只能靠對(duì)方的確認(rèn)才能知道是否發(fā)送了沖突。

這里CSMA/CD協(xié)議中的CD，強(qiáng)調(diào)的是該協(xié)議能夠邊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)邊檢測(cè)沖突，或者說可以在非常短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到?jīng)_突。

特點(diǎn)：

• 短時(shí)間內(nèi)可以檢測(cè)到?jīng)_突

• 沖突后傳輸中止，減少信道資源浪費(fèi)。

  比如一個(gè)結(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)很長(zhǎng)的完整數(shù)據(jù)幀，如果剛發(fā)送若干個(gè)比特，就檢測(cè)出沖突，從而終止后續(xù)比特發(fā)送，相當(dāng)于節(jié)省了一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀的信號(hào)延遲傳輸造成的信道資源浪費(fèi)，對(duì)整個(gè)信道資源利用率的提升非常有幫助。

比如在下圖中，當(dāng)結(jié)點(diǎn)檢測(cè)到?jīng)_突后，即終止后續(xù)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。

沖突檢測(cè)：

• 有限局域網(wǎng)易于實(shí)現(xiàn)：測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，比較發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)。

  比如以太網(wǎng)在廣播鏈路介質(zhì)共享的實(shí)現(xiàn)方案中，使用的MAC協(xié)議就是CSMA/CD協(xié)議。

• 無(wú)線局域網(wǎng)很難實(shí)現(xiàn)：接收信號(hào)強(qiáng)度淹沒在本地發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度下。

  因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)在空中的傳播過程中，衰減比較快，距離越遠(yuǎn)，衰減后的信號(hào)頻率越小。因此，作為無(wú)線信號(hào)的發(fā)射，需要借助天線使用較大功率發(fā)送出去。這樣在本地，既要發(fā)送自己的信號(hào)，同時(shí)還要依賴信號(hào)強(qiáng)度判斷有沒有其他結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)就比較困難。因?yàn)槠渌Y(jié)點(diǎn)的信道經(jīng)過無(wú)線傳播到達(dá)本地時(shí)，可能已經(jīng)衰減的比較小了，即已經(jīng)被本地信號(hào)的頻率淹沒了。

作為CSMA/CD協(xié)議，它的邊發(fā)送數(shù)據(jù)幀邊檢測(cè)沖突這樣一個(gè)特性，對(duì)整個(gè)協(xié)議來(lái)說是非常重要的。因?yàn)樽鳛檫@個(gè)特性，決定了使用CSMA/CD協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的很多特征。把這樣的特性概括為一句比較簡(jiǎn)單的話，就是：“邊發(fā)邊聽，不發(fā)不聽“。

下面我們以一個(gè)示例來(lái)展示上述過程：

假設(shè)作為廣播鏈路的網(wǎng)絡(luò)使用的CSMA/CD協(xié)議，該網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)距離最遠(yuǎn)的結(jié)點(diǎn)對(duì)是AB，相距的距離為d_max。同時(shí)，廣播鏈路帶寬為R bps，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)淖钚￠L(zhǎng)度為：L_min（bits），信號(hào)傳播速度為V（m/s）。

有了上述的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之后，考慮以下極端場(chǎng)景：

在某一時(shí)刻結(jié)點(diǎn)A需要發(fā)送數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候檢測(cè)到信道是空閑的，就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)結(jié)點(diǎn)A發(fā)送的第一個(gè)bit即將到達(dá)結(jié)點(diǎn)B，但還沒有到達(dá)結(jié)點(diǎn)B，這樣一個(gè)極限狀態(tài)。

此時(shí)，假設(shè)結(jié)點(diǎn)B也正好要發(fā)送數(shù)據(jù)，由于還沒有信號(hào)到達(dá)結(jié)點(diǎn)B，所以結(jié)點(diǎn)B檢測(cè)信道會(huì)發(fā)現(xiàn)信道是空閑的，從而立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。而當(dāng)結(jié)點(diǎn)B剛發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，就跟到達(dá)的結(jié)點(diǎn)A發(fā)送的信號(hào)疊加在一起，沖突就發(fā)生了。

當(dāng)然，由于信號(hào)量疊加之后，結(jié)點(diǎn)B可以立即監(jiān)聽到?jīng)_突的發(fā)生，從而停止發(fā)送后續(xù)比特?cái)?shù)據(jù)。但是，結(jié)點(diǎn)A要需要等待結(jié)點(diǎn)B發(fā)送的信號(hào)傳輸?shù)浇Y(jié)點(diǎn)A時(shí)，才能檢測(cè)到信號(hào)量的疊加，從而感知到?jīng)_突。

顯然，在這樣一個(gè)極端場(chǎng)景下，結(jié)點(diǎn)A從發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到檢測(cè)到?jīng)_突發(fā)生，需要2個(gè)傳輸延遲的時(shí)間。

也就是說，按照CSMA/CD協(xié)議，如果要讓結(jié)點(diǎn)A能夠滿足邊發(fā)邊聽的特性，就意味著結(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的傳輸延遲一定要滿足這個(gè)條件：
?

該條件表示的含義是，結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的傳輸延遲，一定要大于等于整個(gè)鏈路最大傳播延遲的兩倍。不然的話，在檢測(cè)到?jīng)_突之前，可能結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀已經(jīng)發(fā)完了。而結(jié)束發(fā)送之后，就不會(huì)再檢測(cè)沖突了（但實(shí)際是發(fā)送了沖突的）。發(fā)生了沖突卻沒檢測(cè)出來(lái)，會(huì)導(dǎo)致協(xié)議的可靠性大打折扣。所以需要滿足上述條件。

有了上述條件之后，把L_min帶入上述條件得到：
?

作為結(jié)點(diǎn)A到B，在上述示例里，僅考慮了信號(hào)傳播速度，事實(shí)上在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，可能中間存在一些例如中繼器等物理層設(shè)備，也會(huì)造成一定的延遲。此時(shí)，可以將上述改造成：
?

RTT_max表示距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)耐禃r(shí)間。

上述結(jié)論對(duì)CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說是非常重要的，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬和信號(hào)傳播速度是確定的，顯然，L_min和d_max成正比關(guān)系。因此，要想網(wǎng)路能夠按照CSMA/CD協(xié)議檢測(cè)到更遠(yuǎn)距離的沖突，可靠性更高的話，這個(gè)最小數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度就要增加，反之就要縮小。

同時(shí)，按照上述的結(jié)論，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最小數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度確定了，這個(gè)時(shí)候網(wǎng)絡(luò)的帶寬，比如從十兆到百兆，百兆到千兆，那么一個(gè)CSMA/CD沖突可檢測(cè)范圍也會(huì)變小（R增大，d變?。?。

最后再來(lái)介紹一下CSMA/CD協(xié)議的效率

T_prop = LAN中2個(gè)結(jié)點(diǎn)間的最大傳播延遲

t_trans = 最長(zhǎng)幀傳輸延遲
$$效率=\frac{1}{1+5t_{prop}/t_{trans}}$$

這個(gè)效率可以簡(jiǎn)單理解為，當(dāng)t_prop趨近于0或者t_trans趨近于∞時(shí)，效率趨近于1。

從效率可以看出，CSMA/CD協(xié)議要遠(yuǎn)優(yōu)于ALOHA協(xié)議，并且簡(jiǎn)單，分散。

輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議

回顧一下之前小節(jié)中介紹的信道劃分MAC協(xié)議的特點(diǎn)：

• 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重時(shí)，共享信道效率高，且公平
• 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，共享信道效率低。

隨機(jī)訪問MAC協(xié)議特點(diǎn)：

• 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，共享信道效率高，單個(gè)結(jié)點(diǎn)可以利用信道的全部帶寬。
• 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重時(shí)，產(chǎn)生沖突開銷。

因此輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議綜合了上述兩類MAC協(xié)議各自的優(yōu)點(diǎn)。首先希望保證在共享介質(zhì)的傳輸中不會(huì)產(chǎn)生沖突問題，其次每個(gè)結(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，能夠利用信道的全部帶寬。

典型的輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議包括：

輪詢（polling）

在網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)主結(jié)點(diǎn)，由主結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)輪流“邀請(qǐng)”從屬結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。換句話說，每個(gè)從結(jié)點(diǎn)只有在被“邀請(qǐng)”時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，其他時(shí)候不能發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種場(chǎng)景下，每個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候都可以利用鏈路的全部帶寬。

典型應(yīng)用：

• “?。╠umb）”從屬設(shè)備

  比如現(xiàn)在的傳感器網(wǎng)絡(luò)，假如傳感器是一個(gè)非智能的傳感器，那么主結(jié)點(diǎn)（比如基站）就可以利用這種輪詢的方式去到不同的傳感器上發(fā)送指令，告知其可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

比如在上面的網(wǎng)絡(luò)中，信道是共享的，共享使用的方式是有一個(gè)主結(jié)點(diǎn)向從結(jié)點(diǎn)發(fā)送輪詢的指令，被輪詢的主機(jī)只有在收到指令之后才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，以此類推。

輪詢方式存在的問題：

• 輪詢開銷。

  任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要收到輪詢的指令后才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。而這個(gè)輪詢指令的發(fā)送實(shí)際上也是要占用信道帶寬的。

• 等待延遲

  需要等待輪詢指令的到來(lái)。

• 單點(diǎn)故障

  整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是靠主結(jié)點(diǎn)輪詢來(lái)工作的，一旦主結(jié)點(diǎn)宕機(jī)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就癱瘓了。

令牌傳遞（token passing）

另一個(gè)比較典型的輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議，叫做令牌傳遞（token passing）

該協(xié)議的工作原理是：

• 網(wǎng)絡(luò)中存在有且只有一個(gè)令牌token。令牌代表了共享介質(zhì)的使用權(quán)。
• 控制令牌依次從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)。
• 令牌：特殊幀。
• 當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)獲取到令牌之后，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)令牌，所以一個(gè)時(shí)刻下只會(huì)有一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以不會(huì)發(fā)送沖突。

由于令牌傳播的特性，使得很多令牌網(wǎng)絡(luò)會(huì)構(gòu)成一個(gè)環(huán)形的特性，使得令牌沿著環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)方向進(jìn)行傳遞。

令牌傳遞的問題：

• 令牌開銷。

  令牌在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞，也有帶寬開銷的問題。

• 等待延遲。

  結(jié)點(diǎn)需要等待令牌的到來(lái)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

• 單點(diǎn)故障。

  如果由于網(wǎng)絡(luò)故障，導(dǎo)致?lián)碛辛钆频慕Y(jié)點(diǎn)沒有成功把令牌歸還到網(wǎng)絡(luò)中去，那么網(wǎng)絡(luò)中可能就沒有令牌了，任何結(jié)點(diǎn)都沒有信道的使用權(quán)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)了。

  當(dāng)然，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中這種問題也會(huì)被考慮的，一般會(huì)有一個(gè)主結(jié)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)令牌是否丟失，如果丟失了則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的令牌放在網(wǎng)絡(luò)上。

MAC協(xié)議總結(jié)

最后，我們對(duì)上述介紹的MAC協(xié)議做個(gè)總結(jié)。

• 信道劃分MAC協(xié)議：將信道的物理特性，比如時(shí)間、頻帶、碼片進(jìn)行劃分。于是就有了TDMA、FDMA、CDMA。

  該協(xié)議的特點(diǎn)是，當(dāng)信道負(fù)載比較高時(shí)，利用率比較高。但負(fù)載比較低時(shí)，利用率時(shí)比較低的。

• 隨機(jī)訪問MAC協(xié)議：

  它的特點(diǎn)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)即發(fā)送，同時(shí)提供檢測(cè)沖突機(jī)制。根據(jù)檢測(cè)沖突機(jī)制的不同方式，可以劃分成：ALOHA、時(shí)隙ALOHA、CSMA、CSMA/CD

  CSMA/CD應(yīng)用于以太網(wǎng)

  CSMA/CA應(yīng)用于802.11無(wú)線局域網(wǎng)

• 輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議

  主結(jié)點(diǎn)輪詢、令牌傳遞

  應(yīng)用場(chǎng)景：藍(lán)牙、FDDI、令牌環(huán)網(wǎng)文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-557763.html

到了這里，關(guān)于哈工大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議詳解之：多路訪問控制（MAC）協(xié)議的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！