复习考研408,最近计算机网络复习到了数据链路层的介质访问控制相关内容,这部分内容比较杂,自己总结了以下知识点,希望能给读者朋友一些帮助。
一、引言
数据链路层实现的是点到点的传输,对于广域网而言,一般采用点到点(point to point)的连接,采用的是ppp协议,而局域网中,由于广域网主机数量众多,如果仍然使用点到点的线路连接任意两台主机,实现主机间的通信,这种方法显然是不可取的。因此,在局域网中,我们采用的一般是共享信道的方法,局域网内所有主机共享一条线路传输。那么由于是共享信道,势必会导致冲突的问题,当主机同时发送数据时,会导致信号冲突,接受方无法识别信号。为了解决上述问题,我们采用了介质访问控制(media access control)的方法。
二、介质访问控制
介质访问控制的常用方法有三种:
- 信道划分
- 随机访问
- 依次轮流
下面,我们来具体聊聊这三种方法:
1. 信道划分
信道划分是将信道按照时间、频率、时间片等将信道分为不同部分,将信道划分为逻辑上互不干扰的子信道,为用户分配不同的信道资源,从而避免了信号间的相互影响,使得接收方能够区别不同用户的信号。将广播信道转变为若干点对点的信道,常用的信道划分技术有:
频率划分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM):将可用的频谱带宽划分成多个不重叠的频率子带,每个子带分配给一个用户或者一个通信信道。这种技术通常用于模拟信号的传输,如电话系统。
时分划分多路复用(Time Division Multiplexing,TDM):将时间划分成若干个时隙,不同用户或信道在不同的时隙上传输数据。这种技术广泛应用于数字通信系统,如以太网,由于时分多路复用可以用于传输数字信号,因此抗干扰能力较频分多路复用强。另外,时分复用要求介质的位速率大于单个信号的位速率、并要求戒指的带宽大于结合信号的带宽。
码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA):通过为每个用户分配独特的编码序列,使多个用户同时使用相同的频谱资源。这种技术广泛应用于移动通信系统,如CDMA2000和WCDMA。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM):将信号分成多个不重叠的子载波进行传输,可以充分利用频域资源,提高频谱利用率。这种技术广泛应用于无线局域网(WLAN)和数字广播系统。
空分划分多路复用(Space Division Multiplexing,SDM):利用空间中多个天线或天线阵列进行数据传输,可以通过空间多样性提高系统容量和可靠性。这种技术广泛应用于无线通信系统,如MIMO(Multiple Input Multiple Output)系统。
2. 随机访问
随机访问是指发送方可以根据自己的意愿随机的发送信息,独占信道的全部速率。这就导致了信号之间冲突的问题。当用户向有用户使用的信道上发送数据时,会导致冲突,使得信道上的数据全部失效。为了解决这一问题,又诞生了许多协议。
- ALOHA协议
- 时隙ALOHA协议
- CSMA协议
- 1-持续
- 非持续
- p-持续
- CSMA-CD
- CSMA-CA
① ALOHA协议
最早的无线网络协议之一,允许设备随机地发送数据帧。当冲突发生时,设备会等待一个随机时间后重新发送。
② 时隙ALOHA协议
在ALOHA协议的基础上,将时间分为时隙,规定了只能在每个时隙开始时才能发送帧,在每个时隙内只允许一个设备发送数据帧,从而减少冲突。
③ CSMA协议
载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access)协议,设备在发送数据之前会先监听传输介质,如果检测到其他设备正在发送数据,则等待一段时间后再尝试发送。
a.1-持续:
发生冲突,持续监听,知道空闲,空闲则立即发送。
b.非持续
发送冲突,放弃侦听,等一段时间,再次侦听,知道空闲,空闲则立即发送
c.p-持续
发生冲突,持续监听,知道空闲,以概率p发送,以概率(1-p)下一个时隙(slot)发送
④ CSMA-CD协议
载波监听多路访问冲突检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)协议,用于有线网络。类似于CSMA协议,但在发送数据的同时也要检测冲突,如果检测到冲突,则立即停止发送,并在随机的时间后重新发送。
二进制指数退避算法:
若数据帧在传输过程中发生n次冲突,则在(0-(2的n次方)-1)中随机选一个数,最大只能取到1023,随机选一个数后,乘以往返延迟的两倍(2t),实现发生冲突,等待时间加倍,再次冲突概率减半。
⑤ CSMA-CA协议
载波监听多路访问冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)协议,用于无线网络。该协议通过发送RTS(请求发送)和CTS(清除发送)帧来避免冲突。设备在发送数据前先发送一个RTS帧请求发送权限,接收到RTS帧的设备则回复一个CTS帧,表示可以发送。其他设备收到RTS或CTS帧后会等待一段时间再尝试发送。
3. 依次轮流
主要有令牌环技术,令牌环是一个特殊的帧,有一个标志位,当标志位为1时传输数据、为0时作为令牌在局域网中传递,如果传递到某一主机,有数据要发送,则该主机会捕获该令牌,将标志位置位1,并向帧中添加数据,最后发出该帧,使之在局域网中传递,当目标主机收到数据帧后,会将数据部分复制并保存下来,然后将数据发送到下一个主机,当该帧再次传输到该主机时,主机检查数据是否出现错误,避免数据传输过程中出错。如果出错则重传。若未出错,则回收数据帧,重新产生一个令牌,并传递给下一个站点,交出信道控制权,并释放传输权限。