【计算机网络自顶向下方法】多路访问链路和协议介绍

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【计算机网络自顶向下方法】多路访问链路和协议介绍

网络链路类型

点对点链路（point-to-point link）

        由链路一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成。许多链路层协议都是为点对点链路设计的，如点对点协议（point-to-point PPP）和高级数据链路控制（high-level data link control,HDLC）就是两种这样的协议。

广播链路（broadcast link）

        它能够让多个发送和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。这里使用广播是因为当任何一个节点传输一个帧时，信道广播该帧，每个其他节点都收到一个副本。

多路访问协议（multiple access protocol）

        节点通过这些协议来规范它们在共享的广播信道上的传输行为。因为所有的节点都能够传输帧，所以多个节点可能会同时传输帧。当发生这种情况时，所有的节点同时接到多个帧；这就是说，传输的帧在所有的接收方处碰撞（collide）。通常，碰撞发生时，没有一个接收节点能够有效地获得任何传输的帧。因此，涉及到碰撞的所有帧都丢失了，在碰撞时间间隔中的广播信道被浪费了。当多个节点处于活跃状态时，为了确保广播信道执行有用的工作，以某种方式协调活跃点的传输时必要的。这种协调工作由多路访问协议负责。

多路访问协议分类

信道划分协议（channel partitioning protocol）

        时分多路复用（TDM）和频分多路复用（FDM）时两种能够用于在所有共享信道节点之间划分广播信道宽带的技术。假设一个支持N 个节点的信道且信道的传输速率为R bps。TDM将时间划分为时间帧（time frame）,并进一步划分每个时间帧为N个 时隙（slot） 。然后把每个 时隙分配给N个节点中的一个。无论何时某个节点在有分组要发送的时候，它在循环的TDM帧中指派给它的时隙内传 输分组比特。通常，选择的时隙长度应 使一个时隙内能够传输单个分组。

        TDM是有吸引力的，因为它消除了碰撞而且非常公平：每个节点在每个帧时间内得 到了专用的传输速率砂Nbps。然而它有两个主要缺陷。首先，节点被限制于R/N bps的 平均速率，即使当它是唯一有分组要发送的节点时。其次，节点必须总是等待它在传输序 列中的轮次，即我们再次看到，即使它是唯一一个有帧要发送的节点。

        TDM在时间上共享广播信道，而FDM将R bps信道划分为不同的频段（每个频段具有R/N带宽），并把每个频率分配给/V个节点中的一个。因此FDM在单个较大的R bps信道中创建了N个较小的R/N bps信道。FDM也有TDM同样的优点和缺点。它避免了碰撞，在N个节点之间公平地划分了带宽。然而，FDM也有TDM所具有的主要缺 点，也就是限制一个节点只能使用R/7V的带宽，即使当它是唯一一个有分组要发送的 节点时。

        第三种信道划分协议是码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）。TDM和 FDM分別为节点分配时隙和频率，而CDMA对每个节点分配一种不同的编码。然后每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码。如果精心选择这些编码，CDMA网络具 有一种奇妙的特性，即不同的节点能够同时传输，并且它们各自相应的接收方仍能正确接 收发送方编码的数据比特（假设接收方知道发送方的编码），而不在乎其他节点的干扰传输。

随机接入协议（random access protocol）

        在随机接入协议中，一个传输节点总是以信道的全部速率（即Kbps）进行发送。当有碰撞时，涉及碰撞的每个节点反复地重发它 的帧（也就是分组），到该帧无碰撞地通过为止。但是当一个节点经历一次碰撞时，它不必立刻重发该帧。相反，它在重发该帧之前等待一个随机时延。涉及碰撞的每个节点 独立地选择随机时延。因为该随机时延是独立地选择的，所以这些节点之一所选择的时延充分小于其他碰撞节点的时延，并因此能够无碰撞地将它的帧 在信道中发出。

        最常用的随机接入协议，即ALOHA协议和载波侦听多路访问（CSMA）协议。以太网是一种流行并广泛部署的CSMA协议。载波侦听(carrier sensing),即一个节点在传输前先听信道。如果来自另一 个节点的帧正向信道上发送，节点则等待直到检测到一小段时间没有传输，然后 开始传输。碰撞检测(collision detection),即当一个传输节点在传输时一直在侦听此信道。如果它检测到另 一个节点正在传输F扰帧，它就停止传输，在重复“侦听-当空闲时传输”循环 之前等待一段随机时间。

轮流协议（taking-turns protocol）

        多路访问协议的两个理想特性是：①当只有一个节点活跃吋，该活跃节点具 有R bps的吞吐量；②当有M个节点活跃时，每个活跃节点的吞吐量接近R/M bps。ALOHA和CSMA协议具备第一个特性，但不具备第二个特性。研究人员创造另一类协议，也就是轮流协议（taking- turns protocol） 

        第一种是轮询协 议（polling protocol）。轮询协议要求这些节点之一要被指定为主节点。主节点以循环的方 式轮询（poll）每个节点。特别是，主节点首先向节点1发送一个报文，告诉它（节点1） 能够传输的帧的最多数量。在节点1传输了某些帧后，主节点告诉节点2它（节点2）能够传输的帧的最多数量。（主节点能够通过观察在信道上是否缺乏信号，来决定一个节点 何时完成了帧的发送。）上述过程以这种方式继续进行，主节点以循环的方式轮询了每个 节点。

        轮询协议消除了困扰随机接入协议的碰撞和空时隙，这使得轮询取得高得多的效率。 但是它也有一些缺点。第一个缺点是该协议引入了轮询时延，即通知一个节点“它可以传 输”所需的时间。

        第二种轮流协议是令牌传递协议（token-passing protocol）。在这种协议中没有主节点。 一个称为令牌（token）的小的特殊帧在节点之间以某种固定的次序进行交换。例如，节点1可能总是把令牌发送给节点2 ,节点2可能总是把令牌发送给节点3 ,而节点N可能总是把令牌发送给节点1。当一个节点收到令牌时，仅当它有一些帧要发送时，它才持有这个令牌；否则，它立即向下一个节点转发该令牌。当一个节点收到令牌时，如果它确实有帧要传输，它发送最大数目的帧数，然后把令牌转发给下一个节点。令牌传递是分散的，并有很高的效率。但是它也有自己的一些问题。例如，一个节点的故障可能会使整个信道崩溃。或者如果一个节点偶然忘记了释放令牌，则必须调用某些恢复步骤使令牌返回到循环中来。