一、全双工倾向与介质访问控制的关系
核心总结：只有共享介质的情况下，才会出现下面的问题【干扰和冲突】。
干扰(interference)：两个或者两个以上结点同时传输。
冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！
说明：对于一对一访问的情况下，介质是独占的,不会出现干扰和冲突。至于两边是否会同时发送信息，从而导致碰撞问题。解决办法：
1、只用一个回路（两条线）：
（1）采用时分复用，时间片轮流，两端收发状态互换，同一时刻只有一端发另一端只能收。因为时隙都很短，我们用起来感觉上是收发同时进行的。
（2）采用传递模拟电信号（双线电话模拟信号）实现全双工，两端可以同时收发。
2、用两个回路（四条线）：
这个一般用在数字电信号里面，一个回路用来发信号，一个回路用来收信号。
关于光纤，一根光纤，可以利用波分复用，实现两端同时收发。
关于无线网，要看无线网卡是两根天线还是一根天线。两根天线相当于两个回路，一个回路收，一个回路发。一个天线，基本用的是时分复用，同一时刻只有一端在发。当然目前有实验室的demo，可以用一根天线实现双方同时发，用的是电磁波混合。在接收端，顺便过滤掉自己的电磁波。这样就只剩下对方的电磁波了。
GSM上网也就是2G上网：采用TDMA，时分双工（即半双工），因为时隙都很短，我们用起来感觉上是收发同时进行的。GSM中采取收发有三个时隙间隔的方式。
然后我们在考虑多路访问情况下，多路访问主要问题就是 占用介质 。
1、采用静态划分信道的办法。时分复用，频分复用，波分复用，码分复用。
2、动态信道划分：（1）随机访问 （2）轮转
这样子，多路访问的 干扰和冲突 就解决了，也就是解决了 占用介质问题。
接下来，该考虑双方是否会同时发送信息，导致碰撞。这就回到了 一对一 两端信号 同时发送 产生碰撞 的问题。
【最典型的例子： 无线网中，采用的TDMA 时分复用技术，时分双工（即半双工），发送和接收不能同时进行，但是对我们上网是不受影响的，发送和接收数据所占用的时隙都很短，我们用起来感觉上是收发同时进行的。当有多个无线设备，接入时，采用CSMA/CA 决定 介质 占用权。 】
二、多路访问控制(MAC)协议：
2.1目的
局域网为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
局域网按网络拓扑进行分类：
上图和下图中的总线网两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。
半双工的总线型连接到交换机的半双工端口时，如何处理，如果内部和外部同时发送信号的问题，估计如下，因为是数字电信号，所以采用时分复用比较合理，采用时间片内外两端，轮流发送。暂未发送的可以先放入缓存区。我在网络拓扑文章中也已经提到过。
总线的特点
当一台计算机发送数据的时候，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这就是广播通信方式。当我们需要在总线上进行一对一通信的时候，就需要使每一台计算机的网卡拥有一个与其他网卡都不同的地址。这个时候，我们在发送数据帧时，就需要表明数据帧接收站的地址。只有网卡地址与其相同时，才接受数据帧，否则丢弃帧。
上面的总线型，可以清楚说明 总线型网络存在 干扰和冲突。
干扰(interference)：两个或者两个以上结点同时传输。
冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！
以太网的广播方式发送
- 总线上其他的的计算机都能检测到 总线上 随机 某台计算机 发送的数据。
- 然后 总线上 收到 数据的计算机，检查 数据中的目标mac 地址是不是自己的，是就接收数据，不是就丢弃数据。
- 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施
- 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
- 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
- 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
以太网提供的服务
- 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
- 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
- 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
1990年,IEEE针对星型以太网制定了10BASE-T标准，即802.3i
其中，10代表10Mb/s，BASE代表基带信号，T代表双绞线。FX代表光纤
集线器的特点：
- 使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的依然是CSMA/CD协议，原理和总线结构时一样。
- 一个集线器上有许多接口。每个接口通过RJ-45插头与主机相连。
- 集线器工作在物理层，接口的作用就是简单的转发比特，不进行碰撞检测，碰撞检测是主机的网卡进行的。
- 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，这样就可以使接口转发出去的较强信号不至于对该接口接收到的较弱信号产生干扰。每个比特在转发之前还要进行再生整型并重新定时。
=======================================================
为了能够使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源，所以需要考虑共享信道的问题。
在技术上有两种实现方法:
- 静态划分信道
- 频分复用
- 时分复用
- 波分复用
- 码分复用
- 动态媒体接入控制（多点接入）
- 随机接入：用户可随机发送信息，但是如果多个用户在同一时刻发送信息，那么再共享媒体上就要产生碰撞（冲突），似的这些用户都发送失败，所以必须要有解决碰撞的网络协议。 比如 CSMA/CD 以太网的共享介质方法
- 受控接入：用户不能随意发送信息，必须服从一定的控制，比如有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询（轮询）
采用静态划分信道可以解决问题，用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但是这种划分信道的方法代价高，不适合局域网使用
为了在多路访问的网络拓扑中，解决不同主机同时共享介质产生的问题。
（1）干扰(interference)：两个或者两个以上结点同时传输
（2）冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！
其中，MAC（multiple access control protocol）里面的 信道划分，其实也起到了增大信道传输数据的作用。
2.2设想
（1）采用分布式算法决定结点如何共享信道，即决策结点何时可以传输数据
（2）必须基于信道本身，通信信道共享协调信息！
（3）无带外信道用于协调
给定： 速率为R bps的广播信道
期望：
（1）当只有一个结点希望传输数据时，它可以以速率 R发送.
（2）当有M个结点期望发送数据时，每个节点平均发送数据的平均速率是R/M
（3）完全分散控制:
• 无需特定结点协调
• 无需时钟、时隙同步
（4）简单
三、信道划分MAC协议
3.1 信道划分MAC协议： TDMA
- TDMA: time division multiple access
- “周期性”接入信道
- 每个站点在每个周期，占用固定长度的时隙(e.g.长度=分组传输时间)
- 未用时隙空闲(idle)
- 例如： 6-站点LAN， 1,3,4传输分组， 2,5,6空闲
3.2 信道划分MAC协议： FDMA
- FDMA: frequency division multiple access
- 信道频谱划分为若干频带(frequency bands)
- 每个站点分配一个固定的频带
- 无传输频带空闲
- 例如: 6站点LAN, 1,3,4频带传输数据, 2,5,6频带空闲。
4 随机访问MAC协议
- 当结点要发送分组时：
- 利用信道全部数据速率R发送分组
- 没有事先的结点间协调
- 两个或多个结点同时传输： ➜ “冲突”
- 随机访问MAC协议需要定义:
- 如何检测冲突
- 如何从冲突中恢复 (e.g., 通过延迟重传)
- 典型的随机访问MAC协议：
- 时隙(sloted)ALOHA
- ALOHA
- CSMA、 CSMA/CD、 CSMA/CA
4.1 时隙ALOHA协议
假定：
- 所有帧大小相同
- 时间被划分为等长的时隙(每个时隙可以传输1个帧)
- 结点只能在时隙开始时刻发送帧
- 结点间时钟同步
- 如果2个或2个以上结点在同一时隙发送帧，结点即检测到冲突
运行:
- 当结点有新的帧时，在下一个时隙(slot)发送
- 如果无冲突：该结点可以在下一个时隙继续发送新的帧
- 如果冲突：该结点在下一个时隙以概率p重传该帧，直至成功
- 优点:
- 单个结点活动时，可以连续以信道全部速率传输数据
- 高度分散化：只需同步时隙
- 简单
- 缺点:
- 冲突，浪费时隙
- 空闲时隙
- 结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突
- 时钟同步
效率(efficiency): 长期运行时，成功发送帧的时隙所占比例 (很多结点，有很多帧待发送)。
- 假设: N个结点有很多帧待传输，每个结点在每个时隙均以概率p发送数据
- 对于给定的一个结点，在一个时隙将帧发送成功的概率= p(1-p)N-1
- 对于任意结点成功发送帧的概率= Np(1-p)N-1
- 最大效率: 求得使Np(1-p)N-1最大的p*
- 对于很多结点，求Np*(1-p*)N-1当N趋近无穷时的极限，可得:
- 最大效率= 1/e = 0.37
最好情况: 信道被成功利用的时间仅占37%！
4.2 ALOHA协议
- 非时隙(纯)Aloha：更加简单，无需同步
- 当有新的帧生成时
- 立即发送
- 冲突可能性增大:
- 在t0时刻发送帧，会与在[t0-1, t0+1]期间其他结点发送的帧冲突
4.3 CSMA协议
载波监听多路访问协议CSMA (carrier sense multiple access)
发送帧之前，监听信道(载波)：
- 信道空闲：发送完整帧
- 信道忙：推迟发送
- 1-坚持CSMA
- 非坚持CSMA
- P-坚持CSMA
- 冲突可能仍然发生：
- 信号传播延迟
- 继续发送冲突帧：浪费信道资源
4.4 CSMA/CD协议
CSMA/CD: CSMA with Collision Detection
- 短时间内可以检测到冲突
- 冲突后传输中止，减少信道浪费
- 冲突检测:
- 有线局域网易于实现：测量信号强度，比较发射信号与接收信号
- 无线局域网很难实现：接收信号强度淹没在本地发射信号强度下
“边发边听，不发不听”
例题
在一个采用CSMA/CD协议的网络中， 传输介质是一根完整的电缆， 传输速率为1 Gbps， 电缆中的信号传播速度是200 000 km/s。 若最小数据帧长度减少800比特， 则最远的两个站点之间的距离至少需要：
A.增加160 m B.增加80 m
C.减少160 m D.减少80 m
CSMA/CD效率
五、 轮转访问MAC协议
- 信道划分MAC协议：
- 网络负载重时，共享信道效率高，且公平
- 网络负载轻时，共享信道效率低！
- 随机访问MAC协议：
- 网络负载轻时，共享信道效率高，单个结点可以利用信道的全部带宽
- 网络负载重时，产生冲突开销
- 轮转访问MAC协议：
- 综合两者的优点！
5.1 轮询(polling)
- 主结点轮流“邀请”从属结点发送数据
- 典型应用：
- “哑(dumb)” 从属设备
- 问题：
- 轮询开销
- 等待延迟
- 单点故障
5.2 令牌传递(token passing)
- 控制令牌依次从一个结点传递到下一个结点.
- 令牌：特殊帧
- 问题:
- 令牌开销
- 等待延迟
- 单点故障
六、 MAC协议总结
- 信道划分MAC协议：时间、频带、码片划分
- TDMA、 FDMA、 CDMA
- 随机访问MAC协议：
- ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
- CSMA/CD应用于以太网
- CSMA/CA应用802.11无线局域网
- 轮转访问MAC协议：
- 主结点轮询；令牌传递
- 蓝牙、 FDDI、令牌环网
参考：
https://blog.csdn.net/qq_20233867/article/details/78451799
https://blog.csdn.net/lovecc_orange/article/details/79177129