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408 计算机网络 · 数据链路层 · 介质访问控制（MAC）

范围：信道划分、随机访问、轮询访问三大类介质访问控制协议；重点是CSMA/CD 的争用期与最小帧长、截断二进制指数退避，以及各类协议的性能对比。
附带：CSMA/CA（作为2.5 节，紧跟 CSMA/CD，属随机访问的最后一块）与碰撞域（第七节，属局域网小节），按各自"定位"标注。

〇、本节在讲什么：为什么需要 MAC

介质访问控制（Medium Access Control）要解决一个根本矛盾：

广播共享链路（比如老式以太网、WiFi）多个结点共享同一传输介质（总线、无线信道），而同一时刻、同一频段上只允许一个结点发送，否则信号叠加、互相破坏 —— 这就是碰撞（冲突）。

于是需要一个规则来决定"谁能在什么时候用信道"。这套规则就叫介质访问控制协议。它属于数据链路层的介质访问控制子层（MAC 子层）。

三大类思路（408 的骨架，必须背下来）：

一句话记忆：信道划分是"分地"，随机访问是"抢地"，轮询访问是"排队"。
对比主线：轻负载 → 随机访问最好；重负载 → 轮询（令牌）最好；信道划分两头不讨好。

一、信道划分介质访问控制

把一条物理信道在频率、时间、波长或编码四个维度上分割，划分成多条互不干扰的逻辑子信道，每对结点独占一条。

1.1 频分多路复用 FDM

• 把总带宽划分为若干频段，每个用户始终占一个频段，同时发送。

• 所有用户在时间上重叠、在频率上分离。
  

• 优点：充分利用带宽、技术成熟。缺点：需要保护频带（guard band)防串扰，造成浪费；用户空闲时其频段也闲置。

1.2 时分多路复用 TDM

• 把时间划分为等长的 TDM 帧，每帧再分成若干时隙，每个用户固定占一个时隙，轮流发送。（不管ABC有没有数据，都固定分配时隙），天然适配于数字信号直接传输比特流。
  

• 所有用户在频率上重叠、在时间上分离。

• 关键缺点：某用户无数据时，其固定时隙仍被空占（时隙闲置），带宽浪费。

1.3 统计时分复用 STDM（异步 TDM）

• TDM 的改进：不预先固定分配时隙，而是按需动态分配，只给有数据的用户分配时隙。（图中就是前面只给用户A分配时隙）
  

• 需要地址信息标识每个时隙属于谁。

• 效率高于 TDM，但可能产生冲突（本质已接近随机访问的思想）。

TDM vs STDM 考点：TDM 的时隙是"固定分配、无论有无数据"；STDM 是"动态按需、须带地址"。STDM 提高了信道利用率。

1.4 波分多路复用 WDM

• 本质是光的频分多路复用：在一根光纤中同时传输**多个不同波长（频率）**的光载波。
• 常用1310 nm和1550 nm两个低损耗窗口；密集波分复用 DWDM 可在一根光纤上复用几十上百个波长。
  

1.5 码分多路复用 CDM / 码分多址 CDMA

• 每个用户分到一个正交的码片序列（chip sequence），用户同时同频发送，靠编码的正交性区分。

• 每个比特时间再划分为m个码片（chip），m通常为 64 或 128。发送比特1就发自己的码片序列S，发比特0就发S的反码S̄。（为简化，图上的m等于4）
  

• 正交性条件（必须记住）：设两个不同用户的码片序列为S、T，其规格化内积

1m S⋅T=0（正交）1m S⋅S=11m S⋅Sˉ=−1\frac{1}{m}\,S\cdot T=0\qquad\text{（正交）}\qquad \frac{1}{m}\,S\cdot S=1\qquad \frac{1}{m}\,S\cdot \bar{S}=-1m1​S⋅T=0（正交）m1​S⋅S=1m1​S⋅Sˉ=−1

• 接收方解码：把收到的信号分别与各用户的码片序列做规格化内积，得到+1就是比特1，-1就是比特0，0表示该用户没发。（接收端在收到叠加信号的时候，会遍历所有发送方用户的码片，分别做规格化内积，该题就是只有A和B）
  

考点小结：若两个序列内积为0，则正交；题目常给一个混合信号，要求算出某用户发了什么（累加多个用户信号后与目标码片序列求内积）。

二、随机访问介质访问控制

核心思想：不预先划分，所有用户平等争用信道。发生碰撞就退避重发。是一种"用不确定性换灵活性"的方案。

2.1 ALOHA 协议

纯 ALOHA（Pure ALOHA）

• 想发就发，完全不监听信道。

• 发出后等待确认；若超时未收到确认，认为碰撞，随机等待一段时间后重发。
  

• 危险区：一个帧与前后各一个帧时间都可能碰撞 ⇒易受碰撞的时间是 2 个帧长（2T）。

• 吞吐量公式：设一个帧时T内网络平均产生G个帧（含重传），则

S=G e−2G⇒Smax=0.184 (G=0.5)S=G\,e^{-2G}\qquad\Rightarrow\qquad \boxed{S_{max}=0.184\ (G=0.5)}S=Ge−2G⇒Smax​=0.184(G=0.5)​

• 即纯 ALOHA 的最大信道利用率仅 18.4%。

时隙 ALOHA（Slotted ALOHA）

• 把时间划分为等长时隙（时隙 = 一个帧时T），用户只能在时隙开始时发送。
  

• 碰撞危险区从2T缩短为1T，只能与同一时隙内的帧碰撞。

• 代价：需要全网时钟同步。

S=G e−G⇒Smax=0.368 (G=1)S=G\,e^{-G}\qquad\Rightarrow\qquad \boxed{S_{max}=0.368\ (G=1)}S=Ge−G⇒Smax​=0.368(G=1)​

• 即时隙 ALOHA 最大利用率 36.8%，恰好是纯 ALOHA 的2 倍。

2.2 CSMA 协议（载波监听多路访问）

相对 ALOHA 的改进：发送前先监听信道（“先听后说”）。

• 载波监听：用硬件检测信道上是否有其他结点在发送。
• 1-坚持 CSMA：监听到忙就继续听，一旦空闲立即发送（发送概率为 1）。
  • 优点：信道一空闲就利用，利用率高。
  • 缺点：多个站点同时监听到空闲会同时发送，必然碰撞——传播时延越大，碰撞概率越大。
• 非坚持 CSMA：监听到忙就随机等待一段时间再重新监听。
  • 优点：减少了碰撞（不会扎堆抢）。
  • 缺点：信道空闲后可能没人马上发，造成信道利用率降低、时延增大。
• p-坚持 CSMA：适用于时分信道。监听到空闲时，以概率p立即发送，以概率1-p推迟到下一个时隙再判断；监听到忙就等到下一个时隙再听。
  • 是 1-坚持与非坚持的折中，p可调。

根本缺陷：CSMA 只能"先听后说"，一旦发送就无法停。若两个站点在传播时延内几乎同时开始发送，双方都"听"的时候信道是空闲的，于是都发出去 ——碰撞不可避免。解决之道是在发送过程中继续监听⇒ CSMA/CD。

2.3 CSMA/CD 协议（载波监听多路访问 / 碰撞检测）★核心

关键改进：“边听边发”（碰撞检测，Collision Detection）——发送过程中持续监听信道，一旦发现信号失真（碰撞），立即停止发送，并发送**人为干扰信号（jamming signal）**通知所有站点。

工作流程（“先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发”）

1. 先听后发：发送前监听，忙则等待。
2. 边听边发：边发边检测，若检测到碰撞，立即停止发送，改为发干扰信号。
3. 随机重发：执行截断二进制指数退避，等待后重试。

争用期（碰撞窗口）与最小帧长推导 ★必考

场景：设总线端到端传播时延为τ（单程），ε无限趋近于0。最坏情况是：

• 在t = 0时 A 开始发送，信号需经τ才到达最远端的 B；
• B 在t = τ − ε（信号即将到达 B 之前）监听到信道空闲，开始发送，立刻发生碰撞；
• 碰撞信号再从 B 传回 A，又需要τ；
• 于是 A 要在t = 2τ − ε才能检测到碰撞。

结论：一个站点最多需要2τ时间才能确知自己是否遭遇碰撞。因此：

2τ称为争用期（contention period），也叫碰撞窗口（collision window）。只有经过争用期还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会碰撞。

由此推出最小帧长：如果 A 在检测到碰撞之前就已经把整个帧发完了，它永远不会知道发生了碰撞，也就不会重传。所以要求站点在整个争用期内都必须仍在发送：

Td=LminC ≥ 2τ⟹Lmin ≥ 2τ⋅CT_d=\frac{L_{min}}{C}\ \ge\ 2\tau\qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{L_{min}\ \ge\ 2\tau\cdot C}Td​=CLmin​​≥2τ⟹Lmin​≥2τ⋅C​

即最小帧长 = 争用期 × 数据率 = 往返传播时延 × 数据率。

以太网实例（必背数字）

• 10 Mb/s以太网，取2τ = 51.2 μs：
  L_min = 51.2×10^-6 s × 10×10^6 b/s = 512 bit = 64 B
• 故以太网规定最小帧长 64 字节（不足则填充到 64 B），512 bit也称为一个"slot time"（争用期对应的时间单位）。
• 反过来：数据率越高，最小帧长越大（因为同样时间能发更多比特）；10 Mb/s → 64 B，100 Mb/s → 512 B。

两个对称的结论：

• 若帧太短（< 最小帧长）：可能在检测到碰撞前就发完 ⇒ 检测不到碰撞 ⇒ 必须填充。
• 若帧太长：会长时间占住信道，别的站点等待过久 ⇒ 以太网规定最大帧长 1518 字节。

截断二进制指数退避算法（Truncated Binary Exponential Backoff）★

发生碰撞后，站点不能立即重发（否则再次碰撞），需随机退避：

1. 取基本退避时间 = 争用期2τ（即一个 slot time）。
2. 从整数集合{0, 1, …, 2^k − 1}中随机取一个数r，退避时间为r × 2τ。
3. 参数k = min{重传次数, 10}，即：
   • 第 1 次碰撞：从{0,1}中取（k=1）；
   • 第 2 次碰撞：从{0,1,2,3}中取（k=2）；
   • ……
   • 第 10 次及以后：k固定为 10，退避窗口不再增大，上限为{0,…,1023}。
4. 当重传 16 次仍不成功时，丢弃该帧并向高层报告。
   

为什么叫"截断"：k到10就封顶，不随碰撞次数继续指数增长（否则窗口会无限变大、时延失控）。
设计要点：退避窗口随碰撞次数增大（平均等待变长，缓解拥塞），但有上限（避免时延无界）；同时窗口从小到大能让少量站点快速恢复发送。

考点变形：

• “第i次碰撞后可选的退避时间有几种？” ⇒2^i种（i ≤ 10）；i > 10时固定2^10 = 1024种。
• “平均退避多少？” ⇒ 均匀分布期望(2^k − 1)/2个争用期。
• “最多重传几次？” ⇒16 次。

2.4 CSMA/CA 协议（碰撞避免，无线）★

CSMA/CD 在有线总线上很有效，但无线不能照搬。CSMA/CA 就是"无线版"的随机访问协议，它与 CSMA/CD 是直接对照的一对：

为什么无线不能用 CSMA/CD 做碰撞检测（高频简答）：

1. 无法边发边收：无线网卡发送时自身信号强度远大于接收信号，难以同时有效接收并检测微弱信号，硬件代价极高。
2. 隐蔽站问题（hidden station）：A、C都能与B通信，但A、C相距远、互相听不到。于是A发给B与C发给B会在B处碰撞，而A、C都检测不到。
3. 暴露站问题（exposed station）：B正在发给A，C想发给D（与A无关），C监听到信道忙而误以为不能发，其实它的发送并不会干扰B→A，造成不必要的等待。
4. 信号强度随距离衰减快，且存在多径衰落，碰撞检测不可靠。

因此 CSMA/CA 采用"碰撞避免（Avoidance）"：尽量在碰撞发生前就避开，靠以下手段：

• 先听后发（载波监听）——与 CSMA 相同。
• 帧间间隔 IFS（InterFrame Space）：不同优先级的帧等待不同长度的空闲时间才能发。

  • SIFS（最短）：用于ACK、CTS、以及已持有信道的数据帧的后续帧（优先级最高）。

  • PIFS：用于PCF（点协调功能）。

  • DIFS（最长）：用于普通的异步数据帧（DCF）。
    

  • 关系：SIFS < PIFS < DIFS。因为 ACK 只等 SIFS，所以ACK 总比别人的新数据帧先抢到信道，从而保证确认不被撞。

• 随机退避：信道空闲后仍需退避一段随机时间（与 CSMA/CD 类似，但即使没检测到碰撞也要退避，以主动避免碰撞）。
• 确认机制 ACK：CSMA/CA 无法检测碰撞，只能靠接收方显式回 ACK来推断帧是否成功；收不到 ACK 就重传。

RTS/CTS 信道预约机制（虚拟载波监听机制）

• 可选 RTS/CTS 握手：发送方先发RTS（请求发送），接收方回CTS（允许发送），二者都携带"本次通信将持续多久"，听到的其他站点据此设置网络分配向量 NAV并保持沉默 —— 有效缓解隐蔽站问题。
• 具体流程：①发送方广播 RTS 控制帧（先听后发，忙则退避）
  ②AP 广播 CTS 控制帧（需在 RTS、CTS 中指明预约时长）
  ③其他无关节点收到 CTS 后自觉 “禁言” 一段时间；发送方收到 CTS 后，就可以发送数据帧
  ④AP 收到数据帧后，进行 CRC 校验，若无差错就返回 ACK 帧
  

两点访问方式：DCF（分布式协调功能，用 CSMA/CA，必须实现）与PCF（点协调功能，由 AP 集中轮询，可选）。

2.6 随机访问各协议对比

三、轮询访问介质访问控制

核心思想：不争用，而是由一个中心控制者或令牌来顺序授予发送权。无碰撞，可保证最大时延。

3.1 轮询（Polling）

• 一个**主结点（primary）轮流"邀请"各从结点（secondary）**发送：主结点发轮询帧 → 从结点有数据就发、无数据就回 NAK → 主结点问下一个。
• 优点：无碰撞，可按优先级/公平性调度。
• 缺点：轮询开销大（空闲站点也要被询问）；主结点是单点故障；引入额外轮询时延。
• 适用：低负载时效率反而低（大量无效轮询），高负载时效率高。

3.2 令牌传递（Token Passing）

• 一个称为令牌（token）的特殊帧在环上循环传递，只有持有令牌的站点才能发送数据。发完（或超时）后把令牌传给下一站。
• 代表：令牌环（Token Ring，802.5）、令牌总线（Token Bus，802.4）。
• 优点：无碰撞、重负载下效率高且稳定、可支持优先级、可计算最大等待时间（令牌绕环一周的时间有上界）。
• 缺点：令牌维护复杂（令牌丢失要重新生成、多令牌要清除）；轻负载时站点还得干等令牌绕过来，时延大、效率低。

轮询类 vs 随机访问的核心对比（高频简答）：

• 轻负载：随机访问好（几乎不碰撞，即发即走）；轮询差（为没数据的站点白花开销）。
• 重负载：轮询/令牌好（有序发送，几乎无碰撞，吞吐量稳定）；随机访问差（碰撞剧增，吞吐量反而下降）。

四、三大类协议总对比 ★

高频结论：随机访问的信道吞吐量随负载增大先升后降；轮询/令牌的吞吐量在高负载下趋于稳定（接近 1）。

五、碰撞域与广播域（与本节的"共享信道"直接相关）

• 碰撞域（冲突域）：能互相碰撞的站点集合。CSMA/CD 只在同一碰撞域内有效。
• 广播域：一个站点发出的广播帧能到达的范围。
• 交换机全双工：端口全双工工作时不再需要 CSMA/CD（收发各占一对线，不会碰撞），所以"交换式以太网"里 CSMA/CD 实际上被"关掉"了。

记忆：Hub 不隔离任何域；交换机隔离碰撞域、不隔离广播域；路由器两者都隔离。

六、易错点清单

1. ALOHA 数字：纯 ALOHA 最大18.4%，时隙 ALOHA36.8%，别记反；时隙 ALOHA 的收益来自缩短碰撞危险区（2T → 1T），代价是全网时钟同步。
2. 1-坚持 CSMA 的致命缺陷是"监听到空闲立即发"⇒ 多站同时抢，必然碰撞；非坚持 CSMA 的缺陷是时延大（空闲可能无人发）。
3. CSMA 与 CSMA/CD 的区别只有一条：CSMA/CD边发边听（碰撞检测），CSMA 只先听后说。
4. 争用期是2τ（往返）不是τ（单程）。最小帧长公式是L_min = 2τ·C，写成τ·C是最常见错误。
5. k = min{重传次数, 10}，退避窗口2^k，封顶 1024 个争用期，最大重传 16 次。别把两个数字（10 和 16）记混。
6. CSMA/CD 不能用于无线，原因是隐蔽站/暴露站 + 无法边发边收；无线用CSMA/CA（碰撞避免，靠 IFS + 退避 + ACK + 可选 RTS/CTS）。
7. SIFS < PIFS < DIFS；ACK/CTS用SIFS，普通数据帧用DIFS。
8. WDM 是光的 FDM；CDMA 靠码片序列正交性区分用户，内积+1/0/−1分别对应比特1/未发/比特0。
9. 集线器所有端口是一个碰撞域；交换机每个端口是一个碰撞域但仍是一个广播域。
10. 信道划分"不会碰撞"但不是"最优"：因为静态分配在用户空闲时浪费信道，所以轻负载下反而不如随机访问。