2.5.1 信道划分介质访问控制
信道划分介质访问控制的原理
Q: 信道划分介质访问控制的原理是什么？
A: 信道划分介质访问控制将使用同一传输介质的多个设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给这些设备，通过复用技术实现。
Q: 什么是复用？
A: 复用是指在发送端把多个发送方的信号组合在一条物理信道上进行传输，在接收端把收到的复用信号分离出来，并发送给对应的接收方。
Q: 信道划分的实质是什么？
A: 信道划分的实质是通过分时、分频、分码等方法，将原来的一个广播信道，逻辑上分为几个用于在两个结点之间进行通信的互不干扰的子信道，即将广播信道转变为若干个点对点信道。
频分复用 (FDM)
Q: 频分复用 (FDM) 的原理是什么？
A: 频分复用是指将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信。
Q: 频分复用的优点是什么？
A: 频分复用的优点在于充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高，实现也较容易。
时分复用 (TDM)
Q: 时分复用 (TDM) 的原理是什么？
A: 时分复用是指将信道的传输时间划分为一段段等长的时间片，称为 TDM 帧，每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙，每个用户所占用的时隙周期性地出现。
Q: 时分复用的缺点是什么？
A: 时分复用后的信道利用率不高，因为当用户在某段时间暂无数据传输时，其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。
Q: 统计时分复用 (STDM) 是什么？
A: 统计时分复用 (Statistic TDM, STDM) 又称异步时分复用，它是对 TDM 的一种改进。STDM 帧与 TDM 帧不同，它并不固定分配时隙，而按需动态分配时隙，当用户有数据要传送时，才会分配到 STDM 帧中的时隙，因此可以提高线路的利用率。
波分复用 (WDM)
Q: 波分复用 (WDM) 的原理是什么？
A: 波分复用即光的频分复用，它在一根光纤中传输多种不同波长 (频率) 的光信号，因为波长不同，各路光信号互不干扰，最后用光分用器将各路波长分解出来。
码分复用 (CDM)
Q: 码分复用 (CDM) 的原理是什么？
A: 码分复用是采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，它既共享信道的频率，又共享时间。
Q: 码分复用（码分多址） (CDM/CDMA) 的优点是什么？
A: 码分复用技术具有频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性强、语音质量好等优点，还可以减少投资及降低运行成本。
Q: 码分复用 (CDM) 的应用场景是什么？
A: 码分复用 (CDM) 主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。
总结
Q: 信道划分介质访问控制的常用方法有哪些？
A: 信道划分介质访问控制的常用方法有频分复用 (FDM)、时分复用 (TDM)、波分复用 (WDM) 和码分复用 (CDM)。
Q: 不同信道划分方法的优缺点是什么？
A: 频分复用FDM: 优点是充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高，实现也较容易；缺点是需要严格的频率分配，浪费了部分带宽。
时分复用TDM: 优点是实现简单，易于管理；缺点是信道利用率不高，当用户在某段时间暂无数据传输时，其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。
波分复用WDM: 优点是带宽大，可以实现多路的波分复用；缺点是设备成本较高。
码分复用CDM: 优点是频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性强、语音质量好等优点，还可以减少投资及降低运行成本；缺点是实现复杂。
4.5 介质访问控制
4.5.1 传输数据使用的两种链路
Q: 数据链路层中，传输数据使用的两种链路类型是什么？
A: 数据链路层中，传输数据使用的两种链路类型是点对点链路和广播式链路。
Q: 点对点链路的特点是什么？
A: 点对点链路是指两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。
Q: 广播式链路的特点是什么？
A: 广播式链路是指所有主机共享通信介质。
Q: 点对点链路的应用场景是什么？
A: 点对点链路常用于广域网，例如 PPP 协议。
Q: 广播式链路的应用场景是什么？
A: 广播式链路常用于局域网，例如早期的总线以太网、无线局域网。
4.5.4 随机访问介质访问控制
Q: 什么是随机访问介质访问控制？
A: 随机访问介质访问控制是指允许所有设备在任何时间都能够访问共享信道，但需要解决冲突问题。
Q: 随机访问介质访问控制的常用方法有哪些？
A: 随机访问介质访问控制的常用方法有ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议和CSMA/CA协议。
信道划分与随机访问介质访问控制的区别
Q: 信道划分机制和随机访问控制机制在资源共享方面有什么区别？
A: 信道划分机制中，结点之间的通信要么共享空间，要么共享时间，要么共享空间和时间；而随机访问控制机制中，结点之间的通信既不共享时间，也不共享空间。
Q: 随机访问介质访问控制的实质是什么？
A: 随机访问介质访问控制实质上是一种将广播信道转换为点到点信道的机制。
方式一：ALOHA 协议
Q: ALOHA 协议的原理是什么？
A: ALOHA 协议是一种简单的随机访问协议，允许设备在任何时间发送数据，但如果两个设备同时发送数据，就会发生冲突。
Q: 纯 ALOHA 协议的思想是什么？
A: 纯 ALOHA 协议的思想是不监听信道，不按时间槽发送，随机重发，想发就发。
Q: 时隙 ALOHA 协议的思想是什么？
A: 时隙 ALOHA 协议的思想是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到网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。
Q: 纯 ALOHA 协议和时隙 ALOHA 协议的对比？
A: 纯 ALOHA 协议的吞吐量更低，效率更低；时隙 ALOHA 协议的吞吐量更高，效率更高。
方式二：CSMA 协议
Q: CSMA 协议的原理是什么？
A: CSMA 协议是在 ALOHA 协议的基础上改进的，它要求设备在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲，则发送数据；如果信道繁忙，则等待信道空闲后再发送数据。
Q: 1-坚持 CSMA 协议的思想是什么？
A: 1-坚持 CSMA 协议的思想是如果信道忙则一直监听，直到空闲马上传输。
Q: 非坚持 CSMA 协议的思想是什么？
A: 非坚持 CSMA 协议的思想是如果信道忙则等待一个随机时间后再监听。
Q: p-坚持 CSMA 协议的思想是什么？
A: p-坚持 CSMA 协议的思想是发送之前，首先监听信道，如果空闲则以 p 概率直接传输，不必等待；概率 1-p 等待到下一个时间槽再传输；如果信道为忙，则持续监听到信道空闲再以 p 概率发送。
Q: 三种 CSMA 协议的对比是什么？
A:
- 1-坚持 CSMA：优点是只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失；缺点是假如有两个或者两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。
- 非坚持 CSMA：优点是采用随机的重发延迟时间可以减少冲突的可能性；缺点是可能存在大家都在延迟等待时间，使得媒体仍然可能处于空闲状态，媒体使用率降低。
- p-坚持 CSMA：优点是既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像 1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。
方式三：CSMA/CD 协议
Q: CSMA/CD 协议的原理是什么？
A: CSMA/CD 协议是在 CSMA 协议的基础上改进的，它要求设备在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲，则发送数据；如果信道繁忙，则等待信道空闲后再发送数据。如果在发送数据过程中检测到冲突，则立即停止发送数据，并发送一个冲突信号，然后随机等待一段时间后再重新发送数据。
Q: CSMA/CD 协议的优点是什么？
A: CSMA/CD 协议比 CSMA 协议的冲突率更低，信道利用率更高。
Q: CSMA/CD 协议的缺点是什么？
A: CSMA/CD 协议只适用于总线型网络，因为只有总线型网络才能检测到冲突。
Q: CSMA/CD 协议适用于什么类型的网络？
A: CSMA/CD 协议适用于总线形网络或半双工网络环境。
Q: CSMA/CD 协议的工作流程是什么？
A: CSMA/CD 协议的工作流程可简单地概括为 “先听后发, 边听边发, 冲突停发, 随机重发”。
Q: 为什么 CSMA/CD 协议需要最小帧长？
A: 为了能够使 CSMA/CD 协议及时检测到冲突并停止传输，需要定义一个最小帧长，也就是最短的帧长。
Q: CSMA/CD 最小帧长的计算公式是什么？
A: 最小帧长 = 总线传播时延 x 数据传输速率 x 2。
Q: CSMA/CD 以太网规定的最小帧长是多少？
A: 以太网规定的最小帧长为 64B。
CSMA/CD 协议中的冲突检测
Q: CSMA/CD 协议中，冲突检测是如何进行的？
A: CSMA/CD 协议中，冲突检测是边发送边监听的，若监听到了冲突，则立即停止数据发送。
Q: CSMA/CD 协议中，冲突检测的时间范围是多少？
A: CSMA/CD 协议中，冲突检测的时间范围是 2 倍的端到端传播时延，也称为争用期或冲突窗口。
CSMA/CD 协议中的重传机制
Q: CSMA/CD 协议中，重传机制采用什么算法？
A: CSMA/CD 协议中，重传机制采用截断二进制指数退避算法。
Q: 截断二进制指数退避算法的步骤是什么？
A:
- 确定基本退避时间，一般取 2 倍的总线端到端的传播时延。
- 从离散的整数集合
中随机取出一个数,记为 ,重传所需推迟的时间就是 倍的争用期。参数 。 - 当重传达 16 次仍不成功时, 说明网络太拥挤, 认为该帧永远无法正确发出, 抛弃该帧并 向高层报告出错。
Q: 截断二进制指数退避算法的目的是什么？
A: 截断二进制指数退避算法的目的是使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因此能降低发生冲突的概率，有利于整个系统的稳定。
CSMA/CD 协议的工作流程
Q: CSMA/CD 协议的应用场景是什么？
A: CSMA/CD 协议常用于以太网等总线型网络。
Q: CSMA/CD 协议中最小帧长怎么算？
A:
Q:CSMA/CD 协议的工作流程是什么？
A:
1 准备发送: 适配器从网络层获得一个分组, 封装成帧, 放入适配器的缓存。
2 检测信道: 若信道空闲, 则开始发送该帧; 若信道忙, 则持续检测直至信道空闲。
3 在发送过程中, 适配器仍然持续检测信道。这里只有如下两种可能。
- 发送成功: 在争用期内一直未检测到冲突, 该帧肯定能发送成功。
- 发送失败: 在争用期内检测到冲突, 此时立即停止发送, 适配器执行指数退避算法, 等待一段随机时间后返回到步骤②。若重传 16 次仍不能成功, 则停止重传并向上报错。
Q:CSMA/CD协议的缺点是什么？
A:CSMA-CD协议只适用于总线型网络，并且存在一定的延迟。
方式四：CSMA/CA 协议
Q: CSMA/CA 协议的原理是什么？
A: CSMA/CA 协议是在 CSMA 协议的基础上改进的，它要求设备在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲，则发送数据；如果信道繁忙，则等待信道空闲后再发送数据。如果在发送数据过程中检测到冲突，则立即停止发送数据，并发送一个冲突信号，然后随机等待一段时间后再重新发送数据。
CSMA/CA 协议比 CSMA/CD 协议的冲突率更低，信道利用率更高。
CSMA/CA 协议使用RTS/CTS帧机制来避免冲突。
Q: CSMA/CA 协议适用于什么类型的网络？
A: CSMA/CA 协议适用于无线局域网环境。
Q: CSMA/CD 协议和 CSMA/CA 协议的相同点和不同点是什么？
A: - 相同点：CSMA/CD 与 CSMA/CA 机制都是从属于 CSMA 的思路，核心都是先听再说。
- 不同点：
- 传输介质不同：CSMA/CD 用于总线式以太网，而 CSMA/CA 用于无线局域网。
- 载波检测方式不同：CSMA/CD 是通过电缆中电压的变化来检测，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。
- CSMA/CD 检测冲突，CSMA/CA 避免冲突。
CSMA/CA 协议中的帧间间隔 (IFS)
Q: CSMA/CA 协议中，帧间间隔 (IFS) 的作用是什么？
A: CSMA/CA 协议中，帧间间隔 (IFS) 是为了尽量避免冲突，所有站完成发送后，必须等待一段很短的时间才能发送下一帧。
Q: CSMA/CA 协议中，帧间间隔 (IFS) 的类型有哪些？
A: CSMA/CA 协议中，帧间间隔 (IFS) 的类型有 SIFS、PIFS 和 DIFS。
Q: CSMA/CA 协议中，SIFS 的特点是什么？
A: SIFS 是最短的 IFS，用来分隔属于一次对话的各帧。
Q: CSMA/CA 协议中，PIFS 的特点是什么？
A: PIFS 是中等长度的 IFS，在 PCF 操作中使用。
Q: CSMA/CA 协议中，DIFS 的特点是什么？
A: DIFS 是最长的 IFS，用于异步帧竞争访问的时延。
CSMA/CA 协议中的虚拟载波监听
Q: CSMA/CA 协议中，虚拟载波监听机制是什么？
A: CSMA/CA 协议中，虚拟载波监听机制是指让源站将它要占用信道的持续时间及时通知给所有其他站，以便使所有其他站在这段时间内都停止发送。
Q: CSMA/CA 协议中，虚拟载波监听机制的目的是什么？
A: 虚拟载波监听机制的目的是为了减少冲突的机会。
CSMA/CA 协议中的退避算法
Q: CSMA/CA 协议中，退避算法的步骤是什么？
A:
- 若站点最初有数据要发送 (而非发送不成功再进行重传), 且检测到信道空闲, 那么在等待时间 DIFS 后, 就发送整个数据帧。
- 否则, 站点执行 CSMA/CA 退避算法, 选取一个随机退避值。一旦检测到信道忙, 退避 计时器就保持不变。只要信道空闲, 退避计时器就进行倒计时。
- 当退避计时器减至 0 时 (这时信道只可能是空闲的), 站点就发送整个帧并等待确认。
处理隐蔽站问题: RTS 和 CTS
Q: 什么是CSMA/CA 协议中的隐蔽站问题？
A: 隐蔽站问题是指在无线局域网中，两个站点距离较远，彼此都听不见对方，但它们都在同一个接入点 (AP) 的覆盖范围内，当它们同时向 AP 发送数据时，就会发生冲突。
Q: CSMA/CA 协议如何解决隐蔽站问题？
A: 隐蔽站问题是指在无线局域网中，两个站点距离较远，彼此都听不见对方，但它们都在同一个接入点 (AP) 的覆盖范围内，当它们同时向 AP 发送数据时，就会发生冲突。
CSMA/CA 协议使用 RTS/CTS 帧机制来解决隐蔽站问题。
Q: CSMA/CA 协议中，RTS 帧和 CTS 帧的作用是什么？
A: RTS 帧：源站要发送数据帧之前，先监听信道，若信道空闲，则等待时间 DIFS 后，广播一个请求发送 RTS 控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
CTS 帧：若 AP 正确收到 RTS 帧，且信道空闲，则等待时间 SIFS 后，向源站发送一个允许发送 CTS 控制帧，它也包括这次通信所需的持续时间。
Q: CSMA/CA 协议中，RTS/CTS 帧机制是如何避免冲突的？
A: 源站收到 CTS 帧后，再等待时间 SIFS，就可发送数据帧。
AP 覆盖范围内的其他站听到 CTS 帧后，将在 CTS 帧中指明的时间内抑制发送。
CSMA/CD 协议和 CSMA/CA 协议的对比
Q: CSMA/CD 协议和 CSMA/CA 协议的主要区别是什么？
A:
- CSMA/CD 可以检测冲突, 但无法避免; CSMA/CA 发送数据的同时不能检测信道上有无冲突, 本结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突, 只能尽量避免。
- 传输介质不同。CSMA/CD 用于总线形以太网，CSMA/CA 用于无线局域网 802.11a/b/g/n 等。
- 检测方式不同。CSMA/CD 通过电缆中的电压变化来检测; 而 CSMA/CA 采用能量检测、 载波检测和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
总结
Q: 介质访问控制的两种主要方法是什么？
A: 介质访问控制的两种主要方法是静态划分信道和动态分配信道。
Q: 静态划分信道的方法有哪些？
A: 静态划分信道的方法有频分多路复用 (FDM)、时分复用 (TDM)、波分多路复用 (WDM) 和码分多路复用 (CDM)。
Q: 动态分配信道的方法有哪些？
A: 动态分配信道的方法有ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议和CSMA/CA协议。
Q: 不同介质访问控制方法的优缺点是什么？
A: - 静态划分信道：优点是实现简单，易于管理；缺点是信道利用率不高，当用户在某段时间暂无数据传输时，其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。
- 动态分配信道：优点是信道利用率高，可以根据需要动态分配信道资源；缺点是实现复杂，需要解决冲突问题。
Q: 不同介质访问控制方法的应用场景是什么？
A: - 静态划分信道：常用于有线电视、广播等应用。
- 动态分配信道：常用于局域网、无线网络等应用。
4.5.4.2 轮询访问介质访问控制
轮询访问介质访问控制的原理
Q: 什么是轮询访问介质访问控制？
A: 轮询访问介质访问控制是指由一个主结点轮流询问从属结点，允许它们发送数据，从而避免冲突。
核心思想：主结点轮流 “邀请” 从属结点发送数据。
主机 A 会依次询问 B、C、D、E 主机，首先会问 B 是否需要发送数据（发送一个很短的数据帧，用于询问作用），若是需要则此时进行连接进行数据传输；传完之后主机 A 又会去询问 C 是否要进行连接，若是不要则继续询问 D，当询问 E 主机也结束时，此时会再次重来询问主机 B。
方式一：轮询协议
Q: 轮询协议的原理是什么？
A: 轮询协议是指主结点轮流询问从属结点，如果从属结点有数据要发送，则主结点允许该结点发送数据。
核心思想：主结点轮流 “邀请” 从属结点发送数据。
主机 A 会依次询问 B、C、D、E 主机，首先会问 B 是否需要发送数据（发送一个很短的数据帧，用于询问作用），若是需要则此时进行连接进行数据传输；传完之后主机 A 又会去询问 C 是否要进行连接，若是不要则继续询问 D，当询问 E 主机也结束时，此时会再次重来询问主机 B。
Q: 轮询协议的优点是什么？
A: 轮询协议的优点是不会发生冲突，并且每次只允许一台主机发送数据，因此可以占用全部带宽。
核心思想：主结点轮流 “邀请” 从属结点发送数据。
Q: 轮询协议的缺点是什么？
A: 轮询协议的缺点是轮询开销大，等待延迟大，并且存在单点故障问题。
核心思想：主结点轮流 “邀请” 从属结点发送数据。
解决方案：可以多建立一些备用的主节点来随时替换掉坏掉的主节点。
方式二：令牌传递协议
Q: 令牌传递协议的原理是什么？
A: 令牌传递协议是一种典型的轮询访问介质访问控制洗衣，是指在网络中传递一个令牌，只有持有令牌的结点才能发送数据。
Q: 令牌传递协议的优点是什么？
A: 令牌传递协议的优点是不会发生冲突，并且每个结点都可以获得发送数据的权力。
Q: 令牌传递协议适用于什么类型的网络？
A: 令牌传递协议非常适合负载很高的广播信道，即多个结点在同一时刻发送数据概率很大的信道。
Q: 令牌传递协议的缺点是什么？
A: 令牌传递协议的缺点是存在令牌开销和等待开销，并且存在单点故障问题。
令牌传递协议的工作流程
Q: 令牌传递协议的工作流程是什么？
A:
- 当网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递。
- 当令牌传递到有数据要发送的站点时, 该站点就修改令牌中的一个标志位, 并在令牌中附加自己需要传输的数据, 将令牌变成一个数据帧, 然后将这个数据帧发送出去。
- 数据帧沿着环路传输, 接收到的站点一边转发数据, 一边查看帧的目的地址。若目的地 址和自己的地址相同, 则接收站就复制该数据帧, 以便进一步处理。
- 数据帧沿着环路传输, 直到到达该帧的源站点, 源站点收到自己发出去的帧后便不再转 发。同时, 通过检验返回的帧来查看数据传输过程中是否出错, 若出错则重传。
- 源站点传送完数据后, 重新产生一个令牌, 并传递给下一站点, 交出信道控制权。
总结
Q: 轮询访问介质访问控制的两种主要方法是什么？
A: 轮询访问介质访问控制的两种主要方法是轮询协议和令牌传递协议。
Q: 轮询访问介质访问控制的两种方法的优缺点是什么？
A: - 轮询协议：优点是不会发生冲突，并且每次只允许一台主机发送数据，因此可以占用全部带宽；缺点是轮询开销大，等待延迟大，并且存在单点故障问题。
- 令牌传递协议：优点是不会发生冲突，并且每个结点都可以获得发送数据的权力；缺点是存在令牌开销和等待开销，并且存在单点故障问题。
Q: 轮询访问介质访问控制的两种方法的应用场景是什么？
A: - 轮询协议：常用于小型网络，例如集中式控制的网络。
- 令牌传递协议：常用于负载较重、通信量较大的网络，例如令牌环网。