【背景】今天講介質訪問控制,介質訪問控制是針對局域網的,因為局域網是一種廣播式網絡。這就意味着局域網中所有聯機的計算機都共享一個公共信道,所以需要一種方法能夠有效的分配傳輸介質的使用權,使得兩對節點之間的通信不會互相干擾的情況,這種功能就叫介質訪問控制。
頻分多路復用 | ||
信道划分介質訪問控制 | 時分多路復用 | |
波分多路復用 | ||
碼分多路復用 | ||
介質訪問控制 | ||
ALOHA協議 | ||
隨機訪問介質訪問控制 | CSMA協議 | |
CSMA/CD協議 | ||
CSMA/CA協議 | ||
輪詢訪問介質訪問控制 | 令牌傳遞協議 |
信道划分介質訪問控制
信道划分介質訪問控制將使用介質的每個設備與來自同一通信信道上的其他設備的通信隔離開來,
把時域和頻域資源合理地分配給網絡上的設備。信道划分的實質就是通過分時、分頻、分波,分碼等方法把原來的一條廣播信道,邏輯上分為幾條用於兩個結點之間通信的互不干擾的子信道,實際上就是把廣播信道轉變為點對點信道。 信道划分介質訪問控制分為以下4 種:
頻分多路復用(Frequency division multiplexing FDM)
頻分多路復用是一種將多路基帶信號調制到不同頻上,再疊加形成一個復合信號的多路復用 技術。
每個子信道分配的帶寬可不相同,但它們的總和必須不超過信道的總帶寬。在實際應用中,為了防止子信道之間的干擾,相鄰信道之間需要加入“保護頻帶”。
頻分多路復用的優點在於充分利用了傳輸介質的帶寬,系統效率較高;由於技術比較成熟,實現也較容易。缺點在於無法靈活地適應站點數及其通信量的變化。
時分多路復用(Time division multiplexing TDM)
時分多路復用是將一條物理信道按時間分成若干時間片,輪流地分配給多個信號使用。每個時間片 由復用的一個信號占用。
就某個時刻來看,時分多路復用信道上傳送的僅是某一對設備之間的信號;就某段時間而言,傳送的是按時間分割的多路復用信號。
但由於計算機數據的突發性,一個用戶對已經分配到的子信道的利用率一般不高。所以對TDM進行改進,有了統計時分多路復用(STDM),它采用STDM幀, STDM幀並不固定分配時隙,而按需動態地分配時隙,當終端有數據要傳送時,才會分配到時間片,因此可以提高線路的利用率。
波分多路復用(Wavelength division multiplexing WDM)
波分多路復用即光的頻分多路復用,它在一根光纖中傳輸多種不同波長(頻率)的光信號,由於波
長(頻率)不同,各路光信號互不干擾,最后再用波長分解復用器將各路波長分解出來。由於光波
處千頻譜的高頻段,有很高的帶寬,因而可以實現多路的波分復用.
碼分多路復用(Code division multiplexing CDM)
碼分多路復用是采用不同的編碼來區分各路原始信號的一種復用方式。與FDM 和TDM 不同,它既 共享信道的頻率,又共享時間。
碼分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)是碼分復用的一種方式,其原理是每比特時間被分成m個更短的時間槽,稱為碼片(Chip),通常情況下每比特有64 或128 個碼片。每個站點被指定一個唯一的m 位代碼或碼片序列。發送1 時,站點發送碼片序列;發送0 時,站點發送碼片序列的反碼。當兩個或多個站點同時發送時,各路數據在信道中線性相加。為從信道中分離出各路信號,要求各個站點的碼片序列相互正交。簡單理解就是, A站向C站發出的信號用一個向量來表
示, B站向C站發出的信號用另一個向量來表示,兩個向量要求相互正交。向量中的分量,就是
所謂的碼片。(相關計算細節感興趣的可自行百度)
碼分多路復用技術具有頻譜利用率高、抗干擾能力強、保密性強、語音質量好等優點,還可以減少投資和降低運行成本,主要用千無線通信系統,特別是移動通信系統。
【一個生動形象的例子幫忙理解和總結】假設A站要向C站運輸黃豆, B站要向C站運輸綠豆,
A與C、B與C之間有一條公共的道路,可以類比為廣播信道。 在頻分復用方式下,公共道路被划分為兩個車道,分別提供給A到C的車和B到C的車行走,兩類車可以同時行走,但只分到了公共車道的一半,因此頻分復用(波分復用也一樣)共享時間而不共享空間。 在時分復用方式下,先讓A到C的車走一趟,再讓B到C的車走一趟,兩類車交替地占用公共車道。公共車道沒有划分,因此兩車共享了空間,但不共享時間。 碼分復用與另外兩種信道划分方式大為不同,在碼分復用情況下,黃豆與綠豆放在同一輛車上運送,到達C 后,由C 站負責把車上的黃豆和綠豆分
開。因此,黃豆和綠豆的運送,在碼分復用的情況下,既共享了空間,也共享了時間。
隨機訪問介質訪問控制
在隨機訪問協議中,不采用集中控制方式解決發送信息的次序問題,所有用戶能根據自己的意願隨機地
發送信息,占用信道全部速率。在總線形網絡中,當有兩個或多個用戶同時發送信息時,就會產生幀的沖突(碰撞),導致所有沖突用戶的發送均以失敗告終。為了解決隨機接入發生的碰撞,每個用戶需要按照一定的規則反復地重傳它的幀,直到該幀無碰撞地通過。這些規則就是隨機訪問介質訪問控制協
議,常用的協議有ALOHA協議、CSMA協議、CSMA/CD協議和CSMA/CA協議等,它們的核心思想都是:勝利者通過爭用獲得信道,從而獲得信息的發送權。因此隨機訪問介質訪問控制協議又稱爭用型協議。隨機介質訪問控制實質上是一種將廣播信道轉化為點到點信道的行為。
ALOHA協議
純ALOHA基本思想: 1.用戶有數據要發送時,就讓它們發送 2.然后監聽信道是否產生沖突,若產 生沖突,則等待一段隨機的時間重發
分槽(時隙)ALOHA基本思想: 1.把時間分成離散的間隔,每個間隔對應於發送一幀所需時間 2.每個 站點只能等到下一個時槽開始時才允許發送 3.其他過程與純ALOHA相同
分槽(時隙)ALOHA網絡的吞吐量比純ALOHA協議大了一倍。
CSMA協議(Carrier sense multiple access)
時隙ALOHA系統的效率雖然是純ALOHA系統的兩倍,但每個站點都是隨心所欲地發送數據的,即使其他站點正在發送也照發不誤,因此發送碰撞的概率很大。若每個站點在發送前都先偵聽一下
共用信道,發現信道空閑后再發送,則就會大大降低沖突的可能,從而提高信道的利用率,載波偵聽多路訪問協議依據的正是這一思想。CSMA 協議是在ALOHA 協議基礎上提出的一種改進協議, 它與ALOHA協議的主要區別是多了一個載波偵聽裝置。(先聽后發)
CSMA/CD協議
載波偵聽多路訪問/沖突檢測(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)(這些單詞大家背一背沒有壞處)協議是CSMA協議的改進方案,適用於總線形網絡或半雙工網絡環境。載波幀聽就是發送前先偵聽,即每個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他站點正在發送數據,若有則暫時不發送數據,等待信道變為空閑時再發送。”沖突檢測”就是邊發送邊偵聽,即適配器邊發送數據邊檢測信道上信號電壓的變化情況,以便判斷自己在發送數據時其他站點是否也在發送數據。引入原因:當兩個幀發生沖突時,兩個被損壞幀繼續傳送毫無意義,而且信道無法被其他站點使用,對於有限的信道來講,造成很大的浪費。如果站點邊發送邊監聽,並在監聽到沖突之后立即停止發送,可以提高信道的利用率。
CSMA/CA使用預約信道、ACK幀、RTS/CTS幀等三種機制來實現沖突避免:
- 預約信道。發送方在發送數據的同時向其他站點通知自己傳輸數據需要的時間長度,以便讓其他站點在這段時間內不發送數據,從而避免碰撞。
- ACK幀。所有站點在正確接收到發給自己的數據幀(除廣播幀和組播幀)后,都需要向發送方發回一個ACK幀,如果接收失敗,那么不采取任何行動。發送方在發送完一個數據幀后,在規定的時間內如果未收到ACK幀,那么認為發送失敗,此時進行該數據幀的重發,直到收到ACK幀或達到規定重發次數為止。
- RTS/CTS幀。可選的沖突避免機制,主要用於解決無線網中的“隱蔽站”問題。
【CSMA/CD和CSMA/CA的區別】:
- CSMA/CD可以檢測沖突,但無法避免; CSMA/CA發送包的同時不能檢測到信道上有無沖突,本結點處沒有沖突並不意味着在接收結點處就沒有沖突,只能盡量避免。
- 傳輸介質不同。CSMA/CD用於總線形以太網, CSMA/CA用於無線局域網802.11a/b/g/n 等。
- 檢測方式不同。CSMA/CD 通過電纜中的電壓變化來檢測;而CSMA/CA采用能量檢測、載波檢測和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式。
【總結】: CSMA/CA協議的基本思想是在發送數據時先廣播告知其他結點,讓其他結點在某段時間內不要發送數據,以免出現碰撞。CSMA/CD協議的基本思想是發送前偵聽,邊發送邊偵聽, 一旦出現碰撞馬上停止發送。
輪詢訪問介質訪問控制:令牌傳遞協議
在輪詢訪問中,用戶不能隨機地發送信息,而要通過一個集中控制的監控站,以循環方式輪詢每個結點,再決定信道的分配。當某結點使用信道時,其他結點都不能使用信道。典型的輪詢訪問介質訪問控制協議是令牌傳遞協議,它主要用在令牌環局域網中。在令牌傳遞協議中,一個令牌在各結點間以某個固定次序交換。令牌是由一組特殊的比特組合而成的幀。當環上的一個站希望傳送幀時,必須等待令牌。一旦收到令牌,站點便可啟動發送幀。幀中包括目的站的地址,以標識哪個站應接收此幀。幀在環上傳送時,不管該幀是否是發給本站點的,所有站點都進行轉發,直到該幀回到它的始發站,並由該始發站撤銷該幀。幀的目的站除轉發幀外,應針對該幀維持一個副本,並通過在幀的尾部設置“響應比特” 來指示已收到此副本。站點在發送完一幀后,應釋放令牌,以便讓其他站使用。當計算機都不需要發送數據時,令牌就在環形網上游盪,而需要發送數據的計算機只有在拿到該令牌后才能發送數據幀,因此不會發送沖突(因為令牌只有一個)。 在令牌傳遞網絡中,傳輸介質的物理拓撲不必是一個環,但是為了把對介質訪問的許可從一個設備傳遞到另一個設備,令牌在設備間的傳遞通路邏輯上必須是一個環。
輪詢介質訪問控制既不共享時同,也不共享空間,它實際上是在隨機介質訪問控制的基礎上限定了有權力發送數據的結點只能有一個。