愿一切都那么简单 频分,时分,波分,码分以及四个随机访问介质访问控制协议【计网】

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大家都知道在数据的传输过程中,通常使用两种链路,分别是点对点链路,广播式链路

(1)点对点链路:指两个相邻节点通过一个链路相连,没有第三者。应用有PPP协议,常用于广域网。
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(2)广播式链路:指所有主机共享通信介质,类拟于公共的高速公路,应用有之前早期的总以太网、无线局域网、局域网。典型的拓扑结构:总线型、星型(逻辑总线型)。

总线型:
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星型:
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信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制:讲使用介质的每个设备于来自同一信道上的其他设备的通信隔离开,把时域和频域资源合理的分配给网络的设备
简单来说就是是采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

介质访问控制可以分为静态划分信道和动态分配信通

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(1)静态划分信道:也叫信道划分介质访问控制,有四种控制的方法

  1. 频分多路复用FDM;
  2. 时分多路复用TDM;
  3. 统计时分复用STDM
  4. 波分多路复用WDM;
  5. 码分多路复用CDM。

(2)动态分配信通,可以分为

  1. 轮询访问控制 令牌传递协议
  2. 随机访问介质访问控制(以下四种)
  • ALOHA协议
  • CSMA协议
  • CSMA/CD协议
  • CSMA/CA协议

静态划分信道访问控制

静态划分信道访问控制

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多路复用技术
是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。这种技术要用到两个设备,其中,多路复用器在发送端根据某种约定的划则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号;多路分配器在接收端根据同一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。多路复用器和多路分配器统称为多路器。
简单来说 :
把多个信号组合在一条物理信道上进行传输,使得多个计算机或终端设备共享信道资源,提高信道利用率
把一条广播信道,逻辑上分为几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道,实际就是
广播信道转变为点对点信道
 
多路复用技术用到两种设备:
(1)多路复用器(Mutiplexer),在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号;
(2)多路分配器(Demultiplexer),在接收端根据统一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。


1.1 频分多路复用 FDM

1.1 频分多路复用 FDM

频分多路复用FDM主要用于模拟信号。多路复用器接受来自多个源的模拟信号,每个信号有自己独立的带宽,信号在通信的过程中自始自终都占用这个频带,在同样的时间占用不同的带宽频率,信号被组合成一个具有更大带宽的信号,信号通过媒体传送到目的地,目的地有另一个多路复用器完成信号分解工作,把各信号单元分离开来
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用户在分配到一定的频率后,通信过程中至始至终都占用这个频带,频分复用的所有用户在相同的时间都占用这个频带,频分复用的所有用户在相同的时间占用不同的带宽(频率带宽)资源
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频分复用:从分利用传输介质宽带,系统效率较高;由于技术比较成熟,实现也比较容易

频分多路复用例子:

1)频分多路复用用于无线电广播、有线电视中。一根CATV电缆的带宽约是500MHz,可传送80个频道的电视节目,每个频道6MHz用于声音、视频、及彩色等子信号,每个频道留有一定的警戒频带,防止相互串扰。

提示:
频分复用实现了多用户数据的同时传输,但在同一时间,不同用户占用不同的信道带宽频率,那就会造成不同用户使用的信道频率有高有低,各用户间的宽带使用体验也是不同的,高频段用户使用的速度更快,低频段用户使用的速度会慢一些,不是一个平衡的状态。


1.2 时分多路复用 TDM

1.2 时分多路复用 TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TMD帧),每一个时分复用的用户在每一个TMD帧中占用固定序列号的时隙,所有的用户轮流占用信道
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TMD帧是物理层传送的比特流所划分的帧,标志一个周期
 
 时分多路复用TDM,信道分割的方法是信号占用的时间,将使用复用的各路信号在时间上互不重叠,在传输时把时间分成小的时隙,每一时隙由复用的一个信号占用。如图所示的情况,4个用户A,B,C,D进行时分复用时,4个时隙构成一个时分复用帧,每一个时分复用的用户在一个TDM帧中占用固定序号的时隙,每个用户占用的时隙周期性的出现,时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带频率。
提示:
  在进行通信时,复用器和分用器总是成对地使用,在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器相反,它将高速线路传送过来的数据进行分组,分别送到相应的用户处。当使用时多路分复用技术传送计算机数据时,由于计算机数据的突发性,一个用户对分配到的信道的利用率一般不高,因某用户在某一段时间暂无数据传输时,就会使分配到的信道时隙空闲,而其他有数据的用户也无法使用这个空闲的时隙资源传送数据(按时间分配时隙)


1.3 改进的时分复用 统计时分复用 STDM

1.3 改进的时分复用 统计时分复用 STDM

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由上图可以看到:
数据的发送频率比较低

统计时分复用STDM是一种改进的时分复用技术,它可以提高信道的利用率。集中器使用这个方法
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数据会放到集中器的缓存,谁先来的,先放到帧上,筹够了STMD帧了就走

统计时分复用技术使用STDM帧来传送复用数据,但每一个STDM帧中的时隙数小于或等于连接在集中器上的用户数,如图所示,按#1,#2, #3 的顺序依次分配时隙,各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存,然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,将缓存中的数据存入STDM帧中,当一个帧的数据放满了,就发送出去,因此STDM帧不是固定分配时隙,而是按需动态分配时隙。

提示:
由于用户占用的时隙并不是周期性地被使用,所以在每个时隙中还必须有用户的地址信息,这是统计时分x…复用必须要有的不可避免的开销。


1.4 波分多路复用 WDM

1.4 波分多路复用 WDM

波分复用就是光的频分多路复用,在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号,由于波长(频率)不同,所以各路光信号互不干扰,最后再被波长分解复用器将各路波长分解出来。
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简单来说:

波分多路复用WDM是光的频分复用,使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

例子:
用户端的分用器为设备ONU(光猫)


1.5 码分多路码分多路复用 CDM

1.5 码分多路码分多路复用 CDM

码分多路复用CDM又称码分多址i个比特分为多个码片/芯片,每个站点被指定一个为题的m位的芯片序列,发送1时站点发送芯片序列,发送0时发送芯片序列反码(通常把0写成-1)

CDM与FDM(频分多路复用)和TDM(时分多路复用)不同,它既共享信道的频率,也共享时间,是一种真正的动态复用技术,其原理是每比特时间被分成m个更短的时间槽,称为码片(Chip),通常情况下每比特有64或128个码片,每个站点(通道)被指定一个唯一的m位的代码或码片序列。当发送1时站点就发送码片序列,发送0时就发送码片序列的反码。当两个或多个站点同时发送时,各路数据在信道中被线形相加。为了从信道中分离出各路信号,要求各个站点的码片序列是相互正交的。

码分多路复用也是一种共享信道的方法,每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法,即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干拢能力强。

码分多路复用技术主要用于无线通信系统,特别是移动通信系统。它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响,而且增大了通信系统的容量。


随机访问介质访问控制

2.1ALOHA 协议

2.1ALOHA 协议

纯ALOHA协议:想发就发

思想:不监听信道,不按时间槽发送,随机重发。
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图可以看出ALOHA协议是非常随机的,每一个站点或者主机,它们可以在任何时间发送数据帧,上面4个站点发送的数据帧没有规律,想发就发。
T0:规定数据帧的长度(帧长度通常由比特衡量),T0指这个帧的发送时间(传输时间+传播时间),一个帧从刚开始发送到发送成功的时间。

假设:每一个站点发送的数据帧T0都相同
站1:第一时间发送1号帧,,经过T0之后并没有别的数据帧与它发生冲突,这个时间段只有它一个数据帧发送数据,它是发送成功的。
站2:过了一段时间发送2号帧,前半段时间顺利,后半段时间,站N-1也开始发送数据帧;此时信道上有两个站点在同时发送数据,就一定会造成冲突。

冲突如何检测?
如果发生冲突,接收方在就会检测出差错,然后不予确认,发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

从图中可以看出发生冲突,但对于站点来说,它们自身并不知道发生冲突(并没有在发送数据的时候进行监听)。
如何检测:等站点数据帧发送完毕之后,接受方会收到一个错误的数据帧,接收方会返回NAK否定确认帧(或者直接不返回确认帧);发送方经过超时一个时间还未收到确认帧,就会知道帧在信道上发生冲突,因此就会重发

冲突如何解决?
超时后等一个随机时间再重传。

综上所述:发现ALOHA协议随机性很强,导致发送成功率很低。


2.1 时隙ALOHA 协议

2.1 时隙ALOHA 协议(是ALOHA的补充)

时隙ALOHA 协议:控制想发就发的随意性

思想:把时间分成若干个相同的时间片,所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突,则必须等待下一个时间片开始时刻再发送。
简单举例就好比有强迫症,定的是十二点出发,现在十一点五十九了,依然不动,不能想走就走

时间片(时间槽)T0:规定数据帧的长度。
特点:每一个站点在发送数据帧的时候,只能在一个时间片的开始进行发送(如果此时想发送,并没有到时间片开始) 就需要等到时间片开始再发送。

  1. 如果发送过程很成功,未发生冲突。
  2. 发送过程发送冲突,这个站点就会在时隙之后(经过一个T0之后)发送方发现出现冲突(因为接受方没有返回确认帧),发送方判定发送过程中出现冲突。

遇到冲突状况,需要进行超时重传,只能在一个时间片(时隙)的开始进行重传。
综上:纯ALOHA协议比时隙ALOHA协议吞吐量更低,效率更低。


2.2 CSMA协议

2.2 CSMA协议

CSMA:载波监听多路访问协议

在采用CSMA协议的网络系统中,每个结点在发送数据之前,先监听信道是否为空闲状态,再根据监听的结果决定如何动作。

CSMA主要分为四种协议:

CS:载波监听/侦听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线是否有其他计算机在发送数据
当几个站同时在总线上发送数据时,总线的信号电压摆动值将会增大(相互叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值草果一定门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞,即发生
了冲突

MA:多点接入,表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

协议思想
发送帧之前,监听信道
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名称 描述 优点 缺点
1-坚持CSMA 发送信息时监听信道,一空闲下来就立即传输,信道忙也一直监听,如果发送时冲突就等待随机时长之后再监听 立即发送,利用率高 如果多台设备同时监听,那么会发生冲突
非坚持CSMA 发送信息时监听信道,如果空闲就立即传输,信道忙就随机等待一段时间后再监听 冲突发生的几率减少 因为需要等待,所以利用率不高
p-坚持CSMA 发送信息时监听信道,空闲时以概率p进行传输,概率1-p不传输。信道忙就随机等待一段时间后再监听 冲突减少的同时效率也比较高 即使发生冲突也要坚持发送数据,资源被浪费

举个例子:喝奶茶
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第一个图对应的是坚持CSMA :
我是奶茶爱好者,不管队伍有多长,我都会去排队,到我了我就去买,没到我就一直排队(茶颜悦色,深有体会)
第二个图对应的是非坚持CSMA :
我虽然喜欢喝奶茶,但是我不急着喝,队伍很长,那我就玩一会再来看看,玩的时间不定,玩完了,发现没人了 ,我就去喝,人多了,就先不喝
第三个图对应的是p-坚持CSMA :
我也喝奶茶,但是没有那么喜欢,我看到奶茶哪里没人排队,我有P的概率去买,但也有1-p的可能不去买,完全看心情,人如果多,我也去玩,玩的时间不定


2.3 CSMA-CD协议

2.3 CSMA-CD协议

CS:载波监听/侦听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线是否有其他计算机在发送数据
MA:多点接入,表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

CD:碰撞检测(冲突检测),“边发送边监听”,适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据
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如果数据链路很长,我们数据在发送的过程中,突然有另外的数据要发送
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CSMA/CD。是对CSMA的改进,网络结点在发送数据时,边发送边监听,一旦发现有冲突,立即停止发送。

这时候大家都不发送了,会产生一个争用时隙, 冲突的各结点在停止发送后,等待一段时间再监听信道,发现空闲信道则发送数据。 而当很多结点彼此都冲突时,则会产生一系列的争用时隙,在经过几轮竞争后,有一个结点发送数据成功。有数据要发送的结点将开始新一轮竞争。

可以看出,其实CSMA/CD的工作周期就是传输周期、争用周期、空闲周期交替出现的一个过程。


2.4 CSMA-CA协议

2.4 CSMA-CA协议

为什么要有CSMA-CA协议?
我们之前学的CD就很全了,为什么还要CA那,这是因为使用的场景不一样,CA是无线网络中的,而CD是总线是以太网的有线网络,不同介质,协议自然不同,我们如果在无线局域网使用CD,那么我们要360°,去检测碰撞,这就很难实现了

在这里插入图片描述当A给B发送数据时,C认为信道空闲也去给B发送数据,这样就导致了,冲突,我们拿A来看,就好似C为屏蔽站,所以我们要解决隐蔽站的问题,我发送数据你就要懂点事,别干扰我们

A站点和C站点都想发送数据给B站点,但是A和C相距较远,都认为到B的信道是空闲的,就都向B发送数据,两个方向来的数据发生碰撞,那就有问题了。

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在发送数据的时候不光是先听后发,还会停留一会时间,就好比开会的时候,我说完话的时候,会等到一下,没人想要说话,我就会继续说,所以在每次说话之前都会,等待一下,相当的礼貌

CSMA/CA协议工作原理
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之前我们说到,这是个有礼貌的,中规中矩的协议,在发送数据的时候先看是否信道有空闲,如果有空闲,就会发出RTS给接收端也就是我们的C,如果信道忙就等待,当我们的C收到A发给的RTS,那么我将回给你一个CTS,这样当我们的B再来发送数据时,因为A和C以及建立了连接,C作为有礼貌的人,肯定不会跑去和B连接,所以当A收到数据帧的时候会预约通道,告诉B你等一下,我只要五分钟就够了,五分钟后你来连接。C收到A的数据会进行判断是否正确,没问题C就会给A发送一个ACK帧,这样A收到了ACK就会继续发送下一个数据帧,如果A没收到C的回应,就会继续重新发送数据,当然次数是有限的,不能一直发送,那不就是死锁了不是

CSMA/CD与CSMA/CA

相同点:
CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路,其核心是先听再说。换言之,两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后,才能进行接入。
不同点 :
1.传输介质不同:CSMA/CD用于总线式以太网【有线】,而CSMA/CA用于无线局域网【无线】。
⒉载波检测方式不同:因传输介质不同,CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
3.CSMA/CD检测冲突,CSMA/CA避免冲突,二者出现冲突后都会进行有上限的重传。


轮询访问介质访问控制

轮询访问介质访问控制

介质访问控制 ( Multiple Access Control ) 协议 : 简称 MAC ;

① 信道划分 MAC 协议 : 基于 多路复用 技术划分资源 ;

  • 网络负载重时 , 信道利用率高 , 公平 ;
  • 网络负载轻时 , 信道利用率低 ;

② 随机访问 MAC 协议 : 用户根据随机意愿 发送信息 , 发送信息时 , 可以独占信道带宽 ;

  • 网络负载重时 , 产生冲突开销 ;
  • 网络负载轻时 , 共享信道效率高 , 单个站点可使用全部信道带宽 ;

③ 轮询访问 MAC 协议 : 既不产生冲突 , 又占用全部带宽 ;

  • 轮询协议
  • 令牌传递协议 ( 重点 )

对于前面的两种我们都已经学过了,接下来看轮询访问

轮询协议

轮询协议

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轮询协议 : 主节点 轮流 询问 从属节点是否发送数据 ;

优点 : 每一次只允许一台主机发送数据 , 不会产生冲突 ;

缺点 : 轮询开销 , 等待延迟,单点故障

轮询开销每次询问都会发送数据帧,从机多了,开销就大了
等待延迟 靠后的主机要发送数据,但是主机还是会从第一个开始问,是否发送数据,后面的主机就会一直等就会有等待延迟
单点故障当我们的主机宕机了,我们的从机就无法发送数据,没人问他们了


令牌传递协议 ( 重点 )

令牌传递协议 ( 重点 )

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令牌传递协议 :

令牌 : 特殊格式的 MAC 控制帧 , 没有任何信息 ;

令牌 作用 : 控制信道使用 , 确保 同一时刻 , 只有一个站点 独占信道 ;

发送数据前提 : 每个节点 都可以在 令牌持有时间内 , 获得发送数据的权利 , 该时间并不是无限持有的 , 有时间限制 ;

令牌传递协议特点 :

① 优点 : 令牌环网 没有 数据碰撞冲突 ;
② 缺点 :令牌开销 , 等待延迟,单点故障

令牌传递协议 应用场景 : 令牌传递协议 应用于 令牌环网 ;

物理上是 星型拓扑 结构
逻辑上是 环形拓扑 结构

令牌传递协议 , 常用于负载较重 , 通信量较大的网络 ;

举个栗子
网络上有 4 台主机 A , B , C , D ;

① 令牌传递 : 网络处于空闲状态 , 令牌就会在网络上各个主机之间进行传递 ;
就好像是绕着一个圈移动

持有令牌发送数据 : 当主机 A 想要发送数据时 , 当令牌传递到 A 时 , 将令牌修改为 使用 状态 , 在 令牌帧后 , 加上数据 , 然后将 令牌 + 数据帧 发送出去 ; 该数据目的是要发送给 D 主机 ;

非目的主机继续传递令牌 : 当数据到达 B 主机时 , B 主机查看该数据是否是发给自己的 , 如果是 , 就将数据复制保存下来 , 如果不是 , 就继续传递下去

目的主机接收数据 继续传递令牌 : 当 令牌 + 数据帧 传递到 AD主机时 , 发现数据是发给自己的 , 将数据复制下来 , 然后校验通过后 , 将该令牌设置成闲置状态 , 然后再传递给下一个主机 ;

发送主机收到自己发送的数据:当令牌到A哪里,他会检查数据是否出错,如果出错重新发送数据


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