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3.5.1_1 信道划分介质访问控制（上）

news 来源：原创 2025/6/21 14:48:27

在这个视频中我们要介绍信道划分、介质访问控制，这是两个词，我们先介绍一下什么叫做介质访问控制。

通过之前的学习，我们知道在计算机网络当中，有的信道它在逻辑上属于总线型，我们也可以把这种信道称为广播信道，因为在这种信道上，如果一个节点正在往信道上发送数据。它发送的这个数据会被所有的节点所捕捉、接收。也就是说这个信号的发送具有广播的特性，这种广播式的特性也带来了一些麻烦。比如说当A结点正在往这个信道上发送数据的同时，B结点也想要往信道上发送数据。 A和B发送的数据就会有信号的冲突，很多信道都会遇到这种信号冲突的问题。比如早期的网络当中，我们可能会用一根同轴电缆加上一些分线器去连接多个节点，如果同时有多个节点正在往这个同轴电缆上发送信号，就会有信号冲突。另外用集线器连接的多个节点也会发生这种信号冲突的情况还有就是我们现在使用的WIFI、5G这种无线通信的技术。因为在这种无线网络当中，一个节点它发出的无线信号会往整个空间的四面八方去扩散，与此同时，如果有另一个节点也在这个无线信道上发送信号，那么这两个节点之间的这些信号就会发生冲突。所以无论是有线通信还是无线通信，我们都有可能会遇到信号冲突的情况。为了解决信号冲突的问题，我们就需要考虑如何去控制各个节点对传输介质的访问。最终我们希望能够减少冲突的发生，甚至是避免冲突的发生，这就是所谓介质访问控制要解决的问题。

在408考研大纲中，介质访问控制被放在了数据链路层这个部分，我们需要了解三种介质访问控制的方法，分别是信道划分、随机访问和轮询访问这三种。

在这个视频中，我们先介绍如何用信道划分的方式去实现介质访问控制，我们会先介绍时分复用，以及从时分复用演变而来的统计时分复用，紧接着会介绍频分复用和波分复用，这二者在本质上是同样的原理，最后我们会学习码分复用技术，码分复用技术打了一个小红点，因为码分复用相比于前边几种信道划分技术来说，考察的难度可能会更高一些，前边两种信道划分的技术通常考察概念题，而码分复用技术有可能会考察计算题。我们会从上至下依次讲解：

首先来看什么是时分复用技术？我们不妨引入一个有助于大家理解的模型，假设你住在一个温馨的六人间，你们宿舍有六个人分别叫A、B、C、D、E、F，假设现在A正在和D说话，B正在和E说话，C正在和F说话，A和D说的是V我50助我参加KFC疯狂星期四，B和E说的是V我20助我拿下金古门麦辣鸡腿堡，C和F说的是明天点名帮我打个到，总之就是人和人之间正在进行友好的交流、聊天。由于A、B、C这几个结点都在同时发出声音信号，而这些声音信号共享声音信道，所以这三个声音信号在传输过程中会相互干扰，这个我们都是有体会的。比如说E是你，你正在听B说话，但是B说话的同时，如果A和D的声音、C和F的声音太大的话，那么对于你而言，是不是有可能听不清B在说什么，也就是无法顺利的接收B发出的信号。为了解决这种声音信号相互干扰的问题，
聪明的寝室长提出了一个方案。他说：A、B、C这几个节点可以轮流发言，每人固定发言一分
钟，第一分钟让A先说话，第二分钟让B说话，第三分钟让C说话，然后第四分钟再让A说，
第五分钟再让B说，以此类推。

在寝室长的提议下，几个舍友一拍即合，你们都觉得这个方案妙不可言，并且给这个方案取了一个很洋气的名字，叫做时分复用。为了看起来更洋气一点，还给他编了一个英文缩写叫TDM（Time Division Multiplexing），为什么叫时分复用呢？因为你们是把时间这种资源拆分成了一小块一小块的时间片，然后把这些时间片轮流的分配给需要发送数据的几个节点，让他们轮流获得一个时间片。在这个地方，引入两个概念，一个叫TDM帧，结合这个图示，应该不难理解，一个TDM帧相当于一个大的时间周期，而这个大的时间周期又会被拆分成m个等长的时隙。在一个TDM帧内，每个发送节点都可以被分配到一个固定大小的时隙，并且每一个发送方，它在这个TDM中的相对位置是不变的。比如说我们总是把一个TDM帧的第一个时隙分配给A这个结点，结合这个图示应该不难理解。十分复用技术解决了多个结点需要共享信道的问题。不过它也有很明显的缺点，比如说每个节点最多只能分配到信道总带宽的m分之一，这的m指的是一个TDM帧被分为了m个小的时隙。假如这条共享信道的总带宽是6kbps，如果我们把每个TDM帧拆分成三个时隙的话，显然每一个结点，比如说A结点，它最多只能获得2kbps 的带宽，因为只有三分之一的时间属于它。另一方面，如果说某些节点暂时不发送数据，给这些结点分配的时隙就会闲置，导致信道利用率低。比如说在前三个TDM帧里边B结点和C结点都暂时不需要发送数据，但是由于给B和C分配的时隙是固定的。在这种情况下，就意味着我们每一个TDM帧里边有两个时隙，或者说有三分之二的带宽是被闲置浪费的。显然信道利用率不可能高，如何解决这个问题呢？

我们可以想办法去统计各个节点在一段时间内对信道的使用需求。比如说我们以各个节点准备发送多少数据为一个统计量，只要知道各个节点对信道的这种使用需求，我们就可以动态的去按需分配时隙，如果增加这样的机制，我们就得到了统计时分复用技术。

统计时分复用英文缩写叫STDM，S指的是Statistic，就是统计的意思，又名异步时分复用，就是在时分复用的基础上增加动态按需分配时隙这样的一个机制。比如刚才我们说：假如前三个TDM帧这段时间内B和C都暂时不需要传送数据，但是A需要传送大量的数据，在统计时分复用的这种机制下，我们就可以把本来分配给B和C的这几个时隙，全部分配给A，显然在统计时分复用当中，如果有需要的话，一个结点可以在一段时间内获得所有的信道带宽资源。就像刚才我们说的，前三个TDM帧这段时间内节点A就获得了所有的带宽资源。另外这种动态按需分配的策略也使得信道的利用率更高，就更不容易出现一个时隙完全闲置的问题。所以相比于时分复用技术，这种统计时分复用会更科学一些。

接下来我们再看什么是频分复用技术。虽然在一个空间内有多个声音信号正在同时传输，但是你的听觉系统总是能够从这种相互叠加，相互干扰的声音信号当中，分辨出你想要接收的声音信号，除非两个人的声音非常像，如果两个人的声音频率非常像，那么你的耳朵就有可能分不清。为了让你感受到这一点，我们不妨假设吃汉堡的这个人是你，然后A这个人叫咸鱼一号，B叫做咸鱼二号。他俩的声音非常像，接下来我会同时发出两个声音，分别念两段台词，你可以尝试一下，能不能分得清谁是咸鱼一号，谁是咸鱼二号（这里的声音省略）。刚才这两段声音，由于声音信号的频率非常接近，所以你的耳朵无法分辨哪个声音是咸鱼一号发出的？哪个声音是咸鱼二号发出的？如何解决这个问题呢？

接下来给你换一个舍友，A这个舍友还是咸鱼一号，B这个舍友叫做咸鱼二号变态版。咸鱼二号要比咸鱼一号的声音频率更高。接下来我还是会让咸鱼一号和咸鱼二号同时说两段台词，再感受一下你的耳朵能不能分辨出哪个声音信号是咸鱼一号发出的？哪个是咸鱼二号发出的？（这里的声音省略）。从刚才这个例子中，应该能够很轻易的分辨出哪段声音是咸鱼一号发出的，哪段是咸鱼二
号发出的，所以我们得出这样的一个结论，如果一个信道当中同时存在两个信号，但是两个信号的频率区分比较大的时候，我们就可以很轻易的在叠加信号当中区分出到底哪个信号是A发出的，哪个信号是B发出的。基于这样的规律，聪明的寝室长又提出了一个新的方案。他说既然A、B、C 这几个人需要同时发送声音信号，那么为了让声音信号之间相互干扰更少。因此，他把这个声音信道进行了拆分。我们知道人的耳朵可以听到 20 赫兹到两万赫兹这个范围内的声音信号，也就是说传输声音信号的这个声音信道，它的带宽是 19800 赫兹。接下来寝室长规定：C这个人只能用低音说话，他发出的声音必须在 20 赫兹到 5500 赫兹以内，B这个人需要用中音说话，他需要在 6000 到 12500以内，而A这个人要用高音说话，也就是说你们宿舍把声音信号总的频带拆分成了三个子频带。这三个子频带信号的频率范围都是互不相交的，另外为了尽可能的减少信号之间的相互干扰，所以你会看到在每一个信号频带之间会有一个隔离频带。比如说在低音区和高音区中间 5500 赫兹到 6000 赫兹这个频带范围没有使用，这是为了更好的区分出C和B发出的信号，B和A也是一样，12500到13000赫兹这个频率范围是没有被使用的。
留出这个隔离频带是为了减少这个信号之间的相互干扰。接下来由于A、B、C这几个节点发出的声音信号频率范围是各不相同的，所以D、E、F这几个接收方就可以很轻松的从叠加信号当中分离出自己真正想要接收的信号。

在这个方案中，我们把信号的总频带拆分成了几个互不相交的子频带，然后把这些子频带分配给各个节点，让它去传输数据。因此你们宿舍给这种方案取了一个好听的名字，叫做频分复用技术。这个地方补充一点，刚才说的声音信号的频率范围是胡扯的，正常人类只能发出64到2048赫兹这个范围内的声音。

回到计算机网络当中，节点和节点的通信也可以使用这种频分复用技术，英文缩写叫FDM，这儿的F指的是Frequency，表示信号的频率，我们可以把一个信道的总频带划分成多个子频带。比如说子频带1、子频带2、子频带3，结合前面的那个例子，相信大家可以理解。在这个图示当中，子频带1此时是分配给了A、D这一对结点，让他们传输数据，另外在这个图示中，我们也可以看到隔离频带，刚才说过这种隔离频带是为了防止各个信号之间产生相互干扰。我们可以把这部分区域看作是总频带的范围。比如说一条信道，它可以传输的信号频率范围是20赫兹到20000赫兹，这个总频带的范围其实对应的就是我们的信道带宽。就是以赫兹为单位的那个信道带宽，也就是说，在频分复用技术当中，本质上我们也是把信道的总带宽拆分成了几个更小的部分。让每一对结点获得其中的一部分子带宽。所以在这种频分复用技术当中，虽然各个结点可以同时往信道上发送数据，但是由于它们只分到了总带宽当中的一部分，因此各个节点发送数据的速率也不可能达到整个信道的最高传输速率。这是频分复用技术的大致原理。

对了，这地方还有两个东西叫做复用器和分用器，这两个东西只需要简单了解一下，复用器可以把各个节点发出的信号复合之后传输到共享信道上，分用器做的就是相反的一个事情，就是从叠加信号当中分离出每一个子信号，然后把每一个子信号交给对应的接收方，复用器和复用器大概就是这样的一个作用。那么我们对频分复用技术做一个优缺点的梳理，它的优点就是各个节点可以同时发送信号，另外我们也充分的利用了信道的总带宽，把它进行了拆分，可以把每一个子频段分配给当前需要发送数据的节点，另一方面，频分复用技术的缺点就是它只能用于传输模拟信号，因为通常来说只有模拟信号有频率这个概念，这是频分复用技术。

接下来看波分复用技术英文缩写叫WDM，这儿的波指的是波长Wavelength。其实波分复用本质上就是光信号的频分复用，因为光的波长和光的频率是负相关的。我们初高中学过这样的一个公式：光速是一个恒定的值等于光的波长乘以光的频率。所谓的波分波用就是说我们的这个复用器会把各个节点发出的不同波长的光信号复合在一起，然后传输在光纤上，而分用器又会把各个光信号分离出来。按照光的波长把信号复合分离，本质上也就是按照光的频率把这个光信号进行复合分离。所以波分复用技术和频分复用技术本质是一样的，由于光信号的信号频带范围非常的大，所以我们可以采用波分复用技术，把一条光纤在逻辑上拆分成多个子信道。如果总的频带范围越大，就可以把这个总的频带范围拆分成更多的子频带。所以光纤这种信道是很适合使用波分复用技术的。