介质访问控制

介质访问控制 MAC 要解决的是：多个站点共享同一条广播信道时，谁可以在什么时候发送数据。

如果一条链路只连接两个节点，例如点对点链路，那么发送方和接收方明确，通常不需要复杂的 MAC 机制。若多个站点共用同一传输介质，例如早期总线以太网、无线局域网、令牌环网，就必须协调发送权，否则多个站点同时发送会产生碰撞或互相干扰。

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MAC 方法可以先分成三类：

信道划分介质访问控制

信道划分把共享信道预先分成若干互不干扰的资源片。站点只在分配给自己的资源片中发送，因此不需要每次发送前争抢信道。

在数据链路层视角下，这些方法把共享信道上的发送权冲突转化成固定资源片的分配问题。

随机访问不预先给每个站点固定分配信道资源。站点有帧要发送时，就根据协议规则尝试发送；如果发生冲突，再等待一段时间后重发。

这种方法适合突发通信：多数站点平时不发送，少数站点临时发送。它的代价是冲突不可完全避免。

纯 ALOHA 的规则很简单：站点有帧就立即发送；如果没有收到确认，就认为发生碰撞或丢失，随机等待后重发。

时隙 ALOHA 把时间切成等长时隙，站点只能在时隙开始处发送。这样可以减少碰撞发生的时间范围，但仍然可能出现多个站点在同一时隙发送而碰撞。

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ALOHA 的关键是碰撞后重发。它实现简单，但信道利用率不高。

CSMA 是 Carrier Sense Multiple Access，载波监听多址接入。它比 ALOHA 多了一步：发送前先监听信道。

若信道空闲，站点尝试发送；若信道忙，则根据坚持策略决定等待方式。

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三种坚持策略的区别：

策略	信道忙时	信道刚变空闲时	直观效果
1-坚持 CSMA	持续监听	立即发送	延迟小，但多个站点可能同时抢发
非坚持 CSMA	随机等待一段时间后再监听	不一定立刻抢发	冲突概率较低，但平均等待时间变长
p-坚持 CSMA	只用于时隙信道；持续监听到空闲	以概率 $p$ 发送，以概率 $1-p$ 推迟到下一时隙	在冲突概率和等待时间之间折中

Note

CSMA 只能减少冲突，不能消除冲突。因为信号传播需要时间，一个站点监听到信道空闲时，远端站点发出的信号可能还没有传播过来。

## CSMA/CD 与 CSMA/CA

CSMA/CD 在 CSMA 基础上加入碰撞检测。站点边发送边检测信道；一旦检测到碰撞，就停止发送，发送干扰信号，然后执行退避算法。它适用于共享式有线以太网。

CSMA/CA 在 CSMA 基础上加入碰撞避免。无线局域网中，发送站很难边发送边检测碰撞，而且还存在隐藏站问题，因此 802.11 使用 CSMA/CA，通过 DIFS、随机退避、ACK、NAV、RTS/CTS 等机制尽量降低碰撞概率。

两者的本质区别：

协议	重点	适用环境	碰撞处理思路
CSMA/CD	检测碰撞	共享式有线以太网	发送中发现碰撞，立即停止并退避重发
CSMA/CA	避免碰撞	802.11 无线局域网	发送前等待和预约，发送后用 ACK 确认

CSMA/CD 的争用期、最小帧长和退避算法属于共享式以太网的核心内容。
CSMA/CA 的帧间间隔、NAV、RTS/CTS 属于无线局域网的核心内容。

轮询访问把发送权交给一个明确的控制过程。站点不能随意发送，必须等到自己被询问或拿到令牌。

常见方式有两类：

轮询：主站按顺序询问各从站是否有数据要发送。被询问的站点才可以发送。
令牌传递：令牌是一种特殊的控制帧，本身不承载普通数据，它表示当前发送权；哪个站点持有令牌，哪个站点才可以发送数据帧。令牌在站点之间循环传递。只有持有令牌的站点可以发送数据；发送完或无数据可发时，把令牌交给下一个站点。

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轮询访问的优点是不会因为多个站点同时发送而碰撞，适合需要确定性访问顺序的场景。缺点是控制开销较大，主站故障或令牌丢失会影响整个系统，需要额外的维护机制。

信道划分、随机访问、轮询访问的差异可以概括为“发送权在哪里决定”：

方法	发送权来源	是否可能冲突	适合场景
信道划分	预先分配资源片	通常不会	用户数相对稳定、持续通信
随机访问	站点按协议自行争用	可能	突发通信、站点发送不均匀
轮询访问	主站轮询或令牌控制	通常不会	需要有序访问或确定性控制