3.3.1 为什么使用？
介质访问控制（Medium Access Control，MAC）
含义：用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层
主要任务：为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。
目的为了解决：多个节点共享同一个“总线型”广播信道时，可能发生“信号冲突”。应该怎么控制各节点对传输介质的访问，才能减少冲突，甚至避免冲突？
ANS：控制方法：有信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制
3.3.2 信道划分介质访问控制
TDM：时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)：将时间分为等长的“TDM帧”，每个“TDM帧”又分为等长的m个“时隙”，将m个时隙分配给m对用户（节点）使用
TDM的缺点：
✅每个节点最多只能分配到信道总带宽的¹/m
✅如果某节点暂不发送数据，会导致被分配的“时隙”闲置，信道利用率低
STDM： 统计时分复用(Statistic Time Division Multiplexing, STDM)：又称异步时分复用，在TDM的基础上，动态按序分配时隙
STDM的优点：
✅如果需要时，一个节点可以在一段时间内获得所有的信道带宽资源
✅如果某节点暂不发送数据，可以不分配“时隙”，信道利用率更高
FDM：频分复用(Frequency Division Multiplexing, FDM) ：是将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信
注：为了防止子信道之间互相干扰，相邻信道间还要加入“隔离频带”。
FDM的优缺点：
✅优点：各节点可同时发送信号；充分利用了信道带宽 (Hz)
❌缺点：FDM技术只能用于模拟信号的传输
WDM：波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)：即光的频分复用
Tips：光信号的频带范围（带宽）非常大，因此很适合采用波分复用技术，将一根光纤在逻辑上拆分为多个子信道
⭐️码分复用 (CDM)
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①给各节点分配专属“码片序列”
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“码片序列”包含m个码片（信号值）， 可看作“m维向量”（分量通常取1或-1）
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要求：各节点的“m维向量”必须相互正交
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Tips: 相互通信的各节点知道彼此的“码片序列”
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②发送方如何发送数据
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节点发出m个信号值与“码片序列”相同，表示比特1
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节点发出m个信号值与“码片序列”相反，表示比特0
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③信号在传输过程中“叠加”
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当多个发送方同时发送数据时，信号值会叠加 （注：本质是多个m维向量的加法）
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④接收方如何接收数据
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接收方收到的是“叠加”信号，需要从中“分离”出各发送方的数据
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叠加信号与发送方的码片序列作“规格化内积”
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结果为1，表示比特1
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结果为-1，表示比特0
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ex:A、B、C的码片序列(chipping sequence)分别是(1,1,1,1),(1,-1,1,-1)和((1,1,-1,-1)。若C从链路上收到的序列是(2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2),则C收到A发送的数据是（ ）。
解：用这组信号值。分别和A站点的这个码片序列做规格化内积
3.3.3 随机访问介质访问控制
a、随机访问介质访问控制含义
随机访问介质访问控制含义：不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户都能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道的全部速率。
随机访问介质访问控制协议：为了解决随机访问发生的冲突，每个用户需要按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无冲突地通过，这些规则就是随机访问介质访问控制协议
其核心思想是：胜利者通过争用获得信道，进而获得信息的发送权
1. ALOHA协议
(1) 纯ALOHA协议
纯ALOHA协议的基本思想是，当总线形网络中的任何站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。若在一段时间内未收到确认，则该站点就认为传输过程中发生了冲突。发送站点需要等待一段时间后再发送数据，直至发送成功。（准备好数据，就立即发送）
(2) 时隙ALOHA协议
时隙ALOHA协议同步各站点的时间，将时间划分为一段段等长的时隙(Slot)，规定站点只能在每个时隙开始时才能发送帧，发送一帧的时间必须小于或等于时隙的长度。（时隙大小固定=传输一个最长帧所需时间、只有在每个时隙开始时才能发送帧）
这样做避免了用户发送数据的随意性，降低了产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。
2.CSMA
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 协议，即载波监听多路访问协议：在发送数据之前，先监听信道是否空闲，只有信道空闲时，才会尝试发送
CSMA协议分为三种。
(1)1-坚持CSMA
基本思想是：当站点要发送数据时，首先监听信道；
若信道空闲，则立即发送数据；若信道忙，则继续监听直至信道空闲。
“坚持”的含义是监听到信道忙时，继续坚持监听信道；
“1”的含义是监听到信道空闲时，立即发送帧的概率为1.
优点：信道利用率高，信道一旦空闲，就可以被下一个节点使用。
缺点：当多个节点都已准备好数据时，一旦信道空闲，会有多个节点同时发送数据，冲突概率大。
(2) 非坚持CSMA
基本思想是：当站点要发送数据时，首先监听信道；
若信道空闲，则立即发送数据；若信道忙，则放弃监听，等待一个随机的时间后，再重新监听。
在监听到信道忙时就放弃监听，因此降低了多个站点等待信道空闲后同时发送数据导致冲突的概率，但也增加了数据在网络中的平均时延。
优点：当多个节点都已准备好数据时，如果信道不空闲，则各节点会随机推迟一段时间再尝试监听，从而使各节点“错开”发送数据，降低冲突概率。
缺点：信道刚恢复空闲时，可能不会被立即利用，导致信道利用率降低
(3) p-坚持CSMA
只适用于时分信道，
其基本思想是：当站点要发送数据时，首先监听信道；
若信道忙，则持续监听（即等到下一个时隙再监听），直至信道空闲；若信道空闲，则以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙再继续监听；直到数据发送成功。
优点：属于1-坚持CSMA、非坚持CSMA的折中方案，降低冲突概率的同时，提升信道利用率
🌟3.🌟 CSMA/CD协议
适用于总线形网络或半双工网络环境，
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工作流程：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
✅如何随机重发？
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截断二进制指数退避算法：
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特别注意
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第10次冲突，是“随机重发”的分水岭
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第16次冲突，直接躺平，放弃传帧，报告上级 （网络层）
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✅争用期
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争用期=2×最大单向传播时延 （考虑距离最远的两个节点）
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若争用期内未发生冲突，就不可能再冲突
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CSMA/CD没有ACK机制，若发送过程中未检测到冲突，就认为帧发送成功
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信道A：发送数据在信道传输了30us，则整个信道肯定就为它所用了，不会再被其他结点去打断
假设：a节点的信号马上就要（29us）到达b节点的时候，b结点准备好了一个数据帧。b结点尝试着监听信道。此时由于a节点还暂时没有到达b节点，所以b节点会以为整个信道此时好像是空闲的。所以b结点也会发送自己的数据，如发送了1bit数据，发生冲突，
对于b结点来说，他可能很快就能意识到发生了冲突，就停止发送。a节点信号继续发送（因为a节点还不知道发生了冲突），b节点的1bit信号也继续发送，但a节点的这个数据在快到达b节点才发生冲突，所以等b节点1bit数据到达a节点时又要经过一段时间（再经过29us）
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✅最短帧长&最长帧长
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最短帧长=2×最大单向传播时延×信道带宽
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若收到的帧小于最短帧长，视为无效帧
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最长帧长：规定最长帧长可防止某些节点一直占用信道
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假设a节点只发500bit。那根据信道的带宽，发送500个比特，只需要50微秒，假设在29微秒的时候,很不巧b这个结点，它也准备好了一个数据帧。此时b结点监听信道，发现信道是空闲的，所以在第29到第30微秒这段时间内。b结点会发送一些数据(1bit)到信道上，我们用红色来表示。b结点已经发出(1bit)会沿着信道继续往前传播。直到第59微秒的时候，b结点发出的这个(1bit)，才可以被a结点监听到对吧？但a结点把500比特全部发送到信道上，但是发生冲突的这个信号，需要到59微秒的时候才可以被a结点检测到，那这就意味着a结点在传输这个数据帧的过程当中。一直没有检测到冲突，所以a会误以为整个发送的过程没有冲突，但实际上已经发生冲突了。
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以太网规定
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最短帧长=64B; 最长帧长=1518B
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🌟4. CSMA/CA协议
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协议要点
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发送方：先听后发，忙则退避
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若信道空闲，间隔DIFS后，再发送帧（一口气发完，发送过程中不用检测冲突）
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若信道不空闲，则进行“随机退避”
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✅“随机退避“原理
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①用二进制指数退避算法确定一段随机退避时间 （倒计时）
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②发送方会保持监听信道，只有信道空闲时才“扣除倒计时”，倒计时结束后立即发送帧 （此时信道“听起来”一定空闲）
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✅接收方：停止等待协议
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每收到一个正确数据帧都返回ACK；若发送方超时未收到ACK，则进行“随机退避”
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✅信道预约机制（可选功能）：目的：为了解决“隐蔽站问题”
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①发送方广播RTS控制帧 （先听后发，忙则退避）
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②AP广播CTS控制帧
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③其他无关节点收到CTS后自觉“禁言”一段时间 （即：虚拟载波监听机制）； 发送方收到CTS后，就可以发送数据帧
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④AP收到数据帧后，进行CRC校验，若无差错就返回ACK帧
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发送的数据帧很短。在发送这个数据帧之前就不用预约，为什么呢？因为一个短的数据帧即便发送失败了。重传它所带来的代价是很小的；但是如果一个数据帧很长，那么在发送这种长数据帧之前就可以先进行信道预约。
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✅帧间间隔IFS
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DIFS，最长的IFS （比较长的一个时间片）
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每次“帧事务”开始之前需要等待的时间
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SIFS，最短的IFS
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收到一个帧后需要预留的一段处理时间
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PIFS, 中等长度的IFS
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可不关注PIFS
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时间长度：DIFS>PIFS>SIFS
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为什么不采用CSMA/CD协议？
1）硬件上很难实现“边听边发，冲突检测”——因为接收信号的强度往往远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大。（离AP距离近，信号强，远则信号弱；在发送信号的过程当中，很难检测到其他节点发来的这种弱信号）
2）存在“隐蔽站”问题———在无线通信中，并非所有站点都能够听见对方。发送结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突。
（a和b同时发送信号的话，那么虽然二者感受不到彼此的存在，但是他们的信号会在数据的接收结点，这个位置发生冲突。即便a节点一边发送一边监听。它只能监听到自己所处的这个位置是否有别的信号，而对于数据的接收方，在这个位置到底有没有发生冲突？其实它是不可能监听到的。）
3.3.4 轮询访问介质访问控制
令牌传递协议
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协议要点
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核心特点：环形拓扑结构，各节点“轮询访问”信道，不会发生信道冲突。
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令牌帧
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1」需指明当前获得令牌的节点编号
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2』只有获得令牌 (Token)的节点才能往信道上发送数据帧
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3」如果获得令牌的节点没有数据要发送，就将令牌传递下一个节点
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数据帧
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1』需指明数据帧的源地址/目的地址、是否已被接收、获得令牌的节点编号
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2」数据帧从源结点发出，“传递一圈”后回到源节点
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3』数据帧“传递一圈”的过程中，会被目的节点复制一份数据，并将数据帧标记为“已接收”
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4」数据帧回到源结点后，如果发现异常状况（如CRC校验失败，或者超过次数），就尝试重发；若无异常，就将令牌传递下一个节点
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令牌环网络中令牌和数据的传递过程如下：
1）当网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递。
2）当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。若目的地址和自己的地址相同，则接收站就复制该数据帧，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，若出错则重传。
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，交出信道控制权。
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其他补充
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～无论是令牌帧还是数据帧，都只能沿单向传递
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～获得令牌的节点，每次只能发一帧，发完就释放令牌
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～需要用专门的网络设备 (MAU)实现集中控制
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～令牌传递协议很适用于负载高的网络 （不会发生冲突，效率高）
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