一、介质访问控制到底解决什么问题？

在广播式网络中，多个节点往往共享同一条信道。

例如：

A ─┐ B ─┼────── 一条共享信道 C ─┤ D ─┘

此时必须解决一个问题：

多个节点什么时候可以发送数据？

这就是介质访问控制 MAC（Medium Access Control）要解决的问题。

MAC 协议主要可以分为三类：

1. 信道划分介质访问控制

2. 随机访问介质访问控制

3. 轮询访问介质访问控制

可以简单理解为：

• 信道划分：提前分好

• 随机访问：大家竞争

• 轮询访问：排队使用

二、频分复用 FDM

FDM（Frequency Division Multiplexing）将信道的总带宽划分成若干互不重叠的频带。

不同用户同时使用不同频率：

频率 → |---A---|---B---|---C---|---D---|

特点：

• 多个用户可以同时传输

• 用户之间不会发生碰撞

• 用户无数据发送时，其频带可能被浪费

一句话：

FDM：同时传，不同频率。

三、时分复用 TDM

TDM（Time Division Multiplexing）将时间划分为固定时间片。

例如：

时间 → | A | B | C | A | B | C |

A 只能使用属于 A 的时间片，B 只能使用 B 的时间片。

特点：

• 所有用户使用同一信道

• 不同用户在不同时间传输

• 固定分配时间片

• 某用户没有数据时，对应时间片仍可能被浪费

一句话：

TDM：同一个频率，轮流说话。

四、统计时分复用 STDM

统计时分复用是 TDM 的改进。

普通 TDM 固定分配时间片，而 STDM 根据用户实际需求动态分配。

例如 A 没有数据时：

普通 TDM：

| 空 | B | C |

STDM：

| B | C | B |

因此 STDM 可以提高信道利用率。

由于时间片不再固定属于某个用户，因此数据中通常需要携带地址信息。

一句话：

STDM：谁有数据就优先给谁时间片。

五、波分复用 WDM

WDM（Wavelength Division Multiplexing）主要应用于光纤通信。

它本质上可以理解为：

光的频分复用。

不同用户使用不同波长的光同时传输：

λ1 ── A λ2 ── B λ3 ── C λ4 ── D

408 记忆：

WDM = 光纤版 FDM。

六、码分复用 CDM / CDMA

CDM 的特点是：

多个用户可以在相同时间、相同频率上同时发送数据。

不同用户通过不同的码片序列进行区分。

假设 A 站的码片序列为S。

发送 1：

S

发送 0：

-S

不同站的码片序列要求互相正交。

若 A 使用S，B 使用T，则：

S · T = 0

三个非常重要的结论：

S · S = 1 S · (-S) = -1 S · T = 0

因此，接收端使用 A 站的码片序列S与收到的信号做内积：

• 得到1：A 发送 1

• 得到-1：A 发送 0

• 得到0：没有 A 的信号

这是 408 中 CDMA 计算题的核心。

七、ALOHA 协议

ALOHA 属于随机访问协议。

其基本思想是：

有数据就直接发送。

如果发生碰撞，则随机等待一段时间后重新发送。

1. 纯 ALOHA

任何时间都可以开始发送。

冲突危险期为：

2T

其中T表示一个数据帧的发送时间。

最大信道利用率约为：

18.4%

八、时隙 ALOHA

时隙 ALOHA 要求：

数据只能在时间槽的起点开始发送。

例如：

时间： 0 T 2T 3T 4T |-----|-----|-----|-----| ↑ ↑ ↑ ↑ 只能这些时刻开始发

这样可以减少发生碰撞的概率。

冲突危险期变为：

T

最大信道利用率约为：

36.8%

因此：

时隙 ALOHA 的效率约为纯 ALOHA 的两倍。

九、CSMA：载波监听多路访问

CSMA 的核心思想：

先听后说。

发送数据之前首先监听信道。

若信道空闲，则考虑发送。

若信道忙，则等待。

十、1-坚持 CSMA

规则：

有数据 ↓ 监听信道 ↓ 空闲？── 是 → 立即发送 ↓否 一直监听 ↓ 一旦空闲 → 立即发送

所谓“1-坚持”：

信道空闲时，发送概率为 1。

缺点：

多个等待节点可能在信道刚空闲时同时发送，产生碰撞。

十一、非坚持 CSMA

如果发现信道忙：

随机等待一段时间，再重新监听。

流程：

有数据 ↓ 监听 ↓ 忙 ↓ 随机等待 ↓ 重新监听

优点：

• 减少多个节点同时发送的概率

缺点：

• 可能增加平均等待时间

十二、p-坚持 CSMA

主要用于时隙信道。

信道空闲时：

• 以概率p立即发送

• 以概率1-p推迟到下一个时间槽

例如：

p = 0.5

则：

50% 概率现在发 50% 概率再等等

它在 1-坚持和非坚持之间进行折中。

十三、三种 CSMA 对比

408 速记：

1-坚持最急，非坚持最佛，p-坚持按概率来。

十四、为什么 CSMA 仍然会产生碰撞？

即使发送前监听信道，也不能彻底避免碰撞。

原因：

信号传播需要时间。

假设 A 和 B 距离很远：

A ------------------------------ B

A 刚开始发送，但 A 的信号还没有传播到 B：

A >>>>>>>>> B

这时 B 监听信道，仍然可能认为信道空闲，于是 B 也开始发送：

A >>>>>>> <<<<<<< B 碰撞

所以：

传播时延是 CSMA 产生碰撞的重要原因。

十五、CSMA/CD

CSMA/CD：

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
载波监听多路访问 / 碰撞检测

基本流程：

先监听 ↓ 空闲 ↓ 开始发送 ↓ 发送过程中继续监听 ↓ 有没有冲突？ ┌─────┴─────┐ 没有 有 ↓ ↓ 继续发 立即停止 ↓ 发送强化碰撞信号 ↓ 随机退避 ↓ 重传

一句话：

CSMA：先听后说。
CSMA/CD：先听后说，边说边听。

十六、CSMA/CD 最小帧长

发送方必须保证：

在发送整个帧结束以前，能够检测到最远端产生的碰撞。

因此：

T帧 ≥ 2τ

其中τ为最大单向传播时延。

于是：

最小帧长 = 2τ × 数据传输速率

这是 408 中非常重要的计算公式。

看到：

CSMA/CD + 最短帧长

基本就要想到：

2τ × 速率

十七、二进制指数退避

发生碰撞后，各节点不能立即重新发送。

否则可能出现：

碰撞 ↓ 一起重传 ↓ 再次碰撞 ↓ 再次一起重传

所以必须随机等待。

随着连续碰撞次数增加：

随机等待范围不断扩大。

这就是：

截断二进制指数退避算法。

十八、轮询访问

随机访问依靠竞争，而轮询访问通过控制机制避免碰撞。

1. 轮询

有一个主节点依次询问：

A，你要发吗？ B，你要发吗？ C，你要发吗？ D，你要发吗？

只有被允许的节点才能发送。

优点：

• 不发生碰撞

• 控制简单

缺点：

• 轮询存在额外开销

• 主节点出现故障会影响整个系统

十九、令牌传递

系统中存在一个特殊控制帧——令牌 Token。

令牌按照固定顺序在节点之间传递：

A → B → C → D → A ↑ 令牌

只有获得令牌的节点才能发送数据。

发送完毕后，将令牌传递给下一个节点。

优点：

• 无碰撞

• 访问时间较确定

• 适合负载较重的共享网络

缺点：

• 令牌需要维护

• 令牌丢失需要恢复

• 节点故障可能影响令牌传递

二十、介质访问控制总图

介质访问控制 MAC │ ┌───────────────┼────────────────┐ ↓ ↓ ↓ 信道划分 随机访问 轮询访问 │ │ │ ┌─────┼────┐ ┌────┼─────┐ ┌───┴───┐ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ FDM TDM CDM ALOHA CSMA CSMA/CD 轮询 令牌 │ │ WDM STDM

二十一、408 高频易错点

1. 信道划分、随机访问、轮询访问不要混

三句话：

信道划分：分 随机访问：抢 轮询访问：排

2. CSMA 和 CSMA/CD 不一样

CSMA = 发送前监听 CSMA/CD = 发送前监听 + 发送过程中检测碰撞

3. CDMA 不要一上来死磕复杂公式

先记：

S·S = 1 S·(-S) = -1 S·T = 0

会用这三个结果，绝大多数 408 基础题就能做。

二十二、最后速记

FDM vs TDM

FDM：

同时不同频。

TDM：

同频不同时。

ALOHA vs CSMA

ALOHA：

不听就发。

CSMA：

先听再发。

CSMA vs CSMA/CD

CSMA：

先听后说。

CSMA/CD：

先听后说，边说边听。

三类 MAC 协议

信道划分：

分。

随机访问：

抢。

轮询访问：

排。

二十三、刷题优先级

这部分强化阶段建议优先掌握：

1. CDMA 码片序列计算

2. 1-坚持、非坚持、p-坚持 CSMA 的区别

3. CSMA/CD 为什么仍可能发生碰撞

4. CSMA/CD 最小帧长计算

5. 二进制指数退避

6. 轮询和令牌传递的优缺点

其中最容易出计算题的是：

CDMA + CSMA/CD 最小帧长。