本文首发于稀土掘金。该平台的作者 逐光而行 也是本人。

媒介访问控制子层(MAC)：决定了谁能在信道上继续执行

注意：多路访问控制协议都无法保证传输的可靠性

相关背景知识及概念

• 网络连接分为两类，一类是端到端连接（在物理层一章详细介绍了，我后面再整理），一类是通过广播信道，其中的一个关键问题是当存在竞争时，谁能获得信道的使用权。

本文中提到的一些协议用于解决该问题。

• 广播信道的访问方式也分两种。一种是随机访问，一种是多路访问（存在竞争）。MAC属于多路访问的范畴。
• 局域网（LAN）是一个广播信道，因此MAC层显得很重要；而在广域网（WAN）中,除卫星通信外多用端到端连接。

信道分配问题

信道是什么？

信道是一个抽象的逻辑概念，它实际的物理介质可以有多种形式。比如：无线频谱、有线网络里面的单根线、光纤等等。

静态信道分配

• FDM(frequency division multiplexing)

按照使用者的数量N将带宽均分为N份

• 缺点：

  • 当用户量变大时，每个用户能分到的带宽很小；
  • 当用户数量超过最大能分的数量时，有的用户会被挤出去（拒绝访问）
  • 用户不用时这部分资源也被独占，无法释放，造成浪费。
• 用途：比如telephone trunk

（其实关于这一点我是有切身体会的，我个人觉得真不仅是电话线，从某一个时段来看，这种思想依然是成立的。比如社团有人拉了宽带，少人连接的时候每个人都用得很流畅，多人用的时候速度真的一言难尽；再比如，我经常无法连接学校的校园网，属于是被挤掉的那个）

有如下公式：
$T=1/(μC-λ)$

其中，T表示平均延迟时间，C是信道容量，1/μ是帧的平均长度，服务率就是大除以小，即μC，设平均到达率为λ。

如果将单一信道分为N份，套用加对以上公式进行变形，即可得到：

$T(N)=NT$

动态信道分配

前提是假设满足如下条件：

• 交通独立。有N个独立的基站，并且对于单个基站而言，在一帧被成功传输前它不会发送新的帧。
• 所有基站都在使用同一个信道（核心）。（各个基站理论上是可以均分信道资源的，不过在具体协议中会有所调整）
• 冲突是可以被检测的。（基础）

• 时间是持续的或者插槽式的

  • 时间是连续的：任意一个时刻都可以开始帧的发送
  • 时间片也可以被分为多个独立的整体，称为插槽（slot）,在这种情况下，帧的传输必须在插槽开始的位置。

  （这需要所有基站进行同步）

  • 插槽含有的帧数为0，说明是空槽；1，说明成功传输；多帧，说明存在冲突
• 分是否含载波监听两种情况。

（载波监听机制也会有自己的问题，后续会详细说）

ALOHA(世界最早的无线电计算机通信网)（了解即可）

分纯正的和带插槽的两种。前者时间是连续的，后者时间被划分为一块块插槽。

带插槽的信道利用率最多可达$1/e$

Carrier Sense Multiple Access Protocols(载波监听与多路访问）

目前以太网使用的是：CSMA/CD(多了个collision detection,冲突监测)

按照检测信道是否空闲的报文持续发送的程度（persistent）,可将CSMA大致分成以下几种类型（实际上还不止，详见原书图4-4，只是这几种最有代表性）

• persistent CSMA（一直等）
• non-persistent CSMA（不总是等）
• p-persistent CSMA（按概率来等）

以下将以小明等公交以及坐公交为例，详细解释这三种情况以及后续的CD模型。

• persistent CSMA：小明一直在车站等公交，一直抬头张望（监听信道是否空闲）；要是等到了就上车，等不到就继续等。
• non-persistent CSMA：小明等公交并不是特别着急，如果能等到就上，等不到就去隔壁小卖部先坐会儿吹吹水（时长不定），过会儿再去看看车来了没有。
• p-persistent CSMA：小明比较任性，在有了去隔壁小卖部吹水的习惯的前提下，他手握一枚硬币，即使公交来了他也不着急上车，而是先抛抛硬币，只有是正面（概率为p）他才上车。
• with Collision Detection:小明终于上了车，只有稳稳坐在座位上他才能更好地敲代码完成老板的任务，但是车上座位只有一个（别质疑，先相信），如果有人也想坐这个位子，他会先站起来等一等，发现没人坐再坐回去。

不过这种情况下会存在问题，比如小军想坐这个位子，他也想着先等一会儿，没人了他再坐，如果他们两个同时开始等待又同时结束等待的话，实际上相当于中间那段时间信道处于空闲状态、而之后又产生新的冲突。

参考书籍

• 《Computer Networks (the fifth edition) 》