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【深入理解计算机网络06】数据链路层：详解信道划分与介质访问控制

news 2025/10/8 5:39:50

信道划分与介质访问控制

在计算机网络中，信道是数据传输的核心载体，如何高效、公平地分配信道资源，避免数据传输冲突，是介质访问控制（MAC）技术的核心目标。根据资源分配逻辑的不同，介质访问控制技术可分为信道划分、随机访问和轮询访问三大类，各类技术针对不同场景设计，在信道利用率、冲突概率、实现复杂度等维度各有优劣。

信道划分

信道划分技术的核心思想是将物理信道的资源（时间、频率、波长、编码等）预先分割为多个独立子信道，每个子信道分配给一对通信节点专用。这种方式能从根本上避免冲突，但需面临 “资源预分配可能导致闲置” 的问题。常见技术包括时分复用、频分复用、波分复用和码分复用。

时分复用（Time Division Multiplexing, TDM）

将时间分为登场的TDM帧，每个TDM帧又被分为登场的m个时隙分配给m对节点使用。系统为每对节点分配一个固定时隙，节点只能在属于自己的时隙内发送数据，时隙之外即使无数据也需 “空等”，避免占用其他节点的时间资源。

例如：若信道总时长为 10ms，划分为 5 个 TDM 帧（每帧 2ms），每个帧再分 4 个时隙（每时隙 0.5ms），则 4 对节点可同时通信，每对节点每 10ms 获得 0.5ms 的发送时间。

缺点：

每个节点最多分到信道总带宽的1/m，即使某节点有大量数据待发，也无法占用其他空闲时隙，灵活性差。
如果某节点暂时不发送数据，导致信道资源闲置浪费。尤其在节点发送频率低、数据量不均衡的场景下，信道利用率极低。

频分复用（FDM）

将信道的总频带划分为多个子频带作为子信道，每对用户使用一个子信道进行通信。为避免子信道间的信号干扰，相邻子频带之间会预留一段 “隔离频带”（Guard Band），过滤信号串扰。由于各子信道频率独立，所有节点可在同一时间并行发送数据。

例如：某无线信道总频带为 800-900MHz，划分为 5 个子信道（每个子信道 15MHz），相邻子信道间留 5MHz 保护频带，则 5 对节点可同时在各自子频带内发送信号。

各节点可以同时发送信号，充分利用了信号带宽，在模拟信号传输场景下效率较高。
但只能用于模拟信号的运输。若需传输数字信号，需先通过调制技术将数字信号转换为模拟信号（如 ASK、FSK 调制），增加了信号处理的复杂度。
隔离频带虽能减少干扰，但会占用部分总频带资源，导致实际可用带宽低于理论总带宽。

波分复用（WDM）

波分复用是光信号领域的频分复用，核心逻辑与 FDM 一致，但针对光纤信道的特性优化：光纤可传输不同波长（对应不同频率）的光信号，且不同波长的光信号在光纤中传输时互不干扰。

超大容量：单根光纤通过 DWDM 可同时传输数百路光信号，传输速率可达 Tbps 级别（如 100Gbps×40 通道 = 4Tbps），是骨干网长距离传输的核心技术。
低成本扩展：无需铺设新的光纤，仅需在现有光纤两端增加 WDM 收发设备（如光合波器、光分波器），即可扩展信道数量，降低网络扩容成本。
抗干扰性强：不同波长的光信号在光纤中独立传输，受电磁干扰（EMI）影响极小，传输稳定性远高于铜缆信道。

码分复用（CDM）

两个节点同时发送信号给接受方，接受方可以通过CDM计数将相互干扰的信号分离出来。

给各节点分配专属 “码片序列”

- “码片序列” 包含 m 个码片（信号值），可看作 “m 维向量”（m 维向量的分量通常取 1 或 - 1）
- 要求：各节点的 “m 维向量” 必须相互正交
- 相互通信的各节点知道彼此的 “码片序列”

发送方如何发送数据

- 节点发出 m 个信号值与 “码片序列” 相同，表示比特 1
- 节点发出 m 个信号值与 “码片序列” 相反，表示比特 0

信号在传输过程中 “叠加”

- 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）

接收方如何接收数据

- 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
- 叠加信号与发送方的码片序列作 “规格化内积”

- - 结果为 1，表示比特 1
  - 结果为 - 1，表示比特 0

优点：

抗干扰能力强：正交码片序列可有效过滤其他节点的信号干扰，即使存在部分噪声，也能通过内积计算准确提取目标数据，适用于无线通信等干扰复杂的场景。
灵活性高：无需预先分配时间或频率资源，节点可按需发送数据，信道利用率随节点数量增加而平缓下降（而非骤降）。

随机访问

随机访问技术的核心思想是节点无需预先申请信道资源，当有数据待发时可 “随机” 尝试发送；若多个节点同时发送导致冲突，则通过特定机制解决冲突。这种方式灵活性高，适用于节点发送频率低、数据量突发的场景，但需平衡 “冲突概率” 与 “信道利用率”。常见协议包括 ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA。

ALOHA协议

纯ALOHA协议：

节点无需监听信道，只要有数据帧准备好就立即发送
发送后等待一段 “确认超时时间”，若收到接收方的 ACK 则发送成功，否则判定为冲突，等待一段随机时间后重发
存在冲突问题：用户可在任意时刻发送数据，若两个用户的数据包在信道中 “部分重叠”（即使只有一小段时间重叠），就会导致冲突，数据包全部失效

时隙ALOHA协议：

只有在每个时隙开始时才能发送帧，时隙大小固定为传输一个最长帧所需要的时间
若用户在非时隙起始时刻产生数据，必须等待下一个时隙开始才能发送
仅当两个节点在 “同一时隙” 内发送数据时才会冲突，避免了 “部分重叠” 的冲突场景，冲突概率显著降低

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）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
通过节点的网络适配器安装载波监听装置

1-坚持CSMA协议：

节点的数据准备好后，会一直监听信道直到信道空闲
传输失败后会随即推迟一段时间后尝试重传

优缺点：

信道利用率高
当多个节点都已经准备好数据，信道空闲之后会有多个节点同时发送数据，冲突概率高

非坚持CSMA协议：

节点的数据准备好后，如果信道不空闲，则会过一段时间再尝试监听信道
传输失败后会随即推迟一段时间后尝试重传

优缺点：

随意推迟一段时间再监听，可以减少冲突概率
信道空闲时可能不会被立即使用，降低信道利用率

p-坚持CSMA协议：

节点的数据准备好后，会一直监听信道直到信道空闲
如果发现信道空闲，有p概率立刻把数据帧发送到信道上，1-p概率推迟一段时间再发送

优缺点：

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
同时也一定程度有1-坚持CSMA，非坚持CSMA两个方案的缺点

协议类型	核心逻辑（补充细节）	优点（补充场景适配）	缺点（补充影响）
1 - 坚持 CSMA	1. 数据准备好后，持续监听信道；2. 信道空闲时立即发送；3. 发送失败后随机退避重发。	信道空闲时无延迟，适用于高负载、低延迟需求场景（如工业控制）。	多节点同时监听时，信道一空闲会 “争抢发送”，冲突概率高。
非坚持 CSMA	1. 数据准备好后，监听信道；2. 信道忙则随机推迟一段时间后重新监听；3. 信道空闲时立即发送。	避免 “争抢发送”，冲突概率低，适用于低负载、低冲突需求场景。	信道空闲时可能因 “随机推迟” 导致资源闲置，信道利用率低。
p - 坚持 CSMA	1. 数据准备好后，持续监听信道；2. 信道空闲时，以概率 p 立即发送，概率 (1-p) 推迟 1 个时隙后重新判断。	折中方案，平衡冲突概率与利用率，适用于中等负载、对延迟不敏感场景（如校园网）。	p 值难优化：p 过大易冲突，p 过小易闲置。

CSMA/CD协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）

先听后发、边发边听、冲突停发、随机重发
若信道不空闲，则持续侦听，直到信道变为空闲后再发送
设备在发送数据的同时，会持续侦听信道状态，检测是否有冲突发生。一旦检测到冲突停止发送数据，并发送 “冲突强化信号”（Jamming Signal），避免部分设备未检测到冲突而继续发送
冲突后，设备不会立即重新发送，而是通过 “随机退避算法” 等待一段随机时间，再重新发送
没有ACK机制，若传播过程中没有发生冲突，则认为发送成功

限制：

最小帧长限制：为确保发送端在发送完一帧前能检测到冲突，以太网帧的最小长度需满足 “帧传输时间 ≥ 2× 信道最大传播时延”（即 “往返时延”）。例如：10Mbps 以太网的最小帧长为 64 字节（传输时间约 51.2μs，对应最大传输距离 2500 米）。
半双工限制：由于 “边发边听” 需要发送端同时接收冲突信号，CSMA/CD 仅支持半双工通信（同一时间不能收发并行），无法用于全双工以太网。

CSMA/CA 协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）

先听后发、空闲等待、预约避让、确认接收
若信道不空闲（物理侦听忙或 NAV 未归 0），则持续侦听，直到信道空闲并等待 DIFS 后，进入随机退避阶段
设备发送数据前，可先发送 RTS 帧请求预约信道；接收方收到 RTS 后，发送 CTS 帧确认预约，所有设备通过 CTS 设置 NAV，避免在预约时段发送数据，从源头避让冲突
冲突后（未收到 ACK），设备不会立即重新发送，而是通过 “二进制指数退避算法”（CW 随冲突次数加倍）等待一段随机时间，再重新进入侦听 - 等待流程