介质访问控制——随机访问控制

随机访问控制​​就像一群人在自由讨论会上发言——谁想说话就随时开口，但可能会撞车，所以需要一套“避免打架”的规则。它用于解决多个设备共享同一信道时的冲突问题。

随机访问控制是一种多个设备抢占通信信道的方式，谁先抢到谁就可以先发送数据，没抢到的等下一轮。

 

纯ALOHA协议

纯ALOHA协议​​就像一场“无规则抢答比赛”——谁想发言就直接开口，撞车了再重来。它是​​最早的去中心化随机访问协议​​，核心逻辑是​​完全自由，冲突后随机重试​​。

发送规则​​：
设备有数据帧就​​立刻发送​​，无需监听信道或等待时隙。
完全不考虑其他设备是否正在发送。

冲突处理​​：
如果多个设备的发送时间重叠（哪怕只有1比特的重叠），所有帧都会损坏。
发送方等待​​随机时间​​后重传，直到成功。

时隙ALOHA

时隙ALOHA​​就像一场“按节拍抢答”的比赛——所有人只能在固定的时间点发言，避免乱成一团。它是纯ALOHA的升级版，通过​​强制时间同步​​减少冲突，​​信道利用率翻倍​​。

 

核心规则：按时间槽发言​​

​时间分割​​：
将时间划分为等长的​​时隙（Slot）​​，每个时隙的长度 = ​​一帧数据的发送时间​​。例如，若发送一帧需1ms，则时隙长度固定为1ms。

发送规则​​：
设备​​必须​​在时隙的起点才能发送数据。若在非起点时刻有数据要发送，需等待下一个时隙开始。

​​冲突处理​​：
如果多个设备在同一时隙发送，则全部冲突，帧损毁。冲突后，设备随机等待若干个时隙再重试。

CSMA协议​​

CSMA协议​​（载波侦听多路访问）就像一场“文明讨论会”——发言前先竖起耳朵听有没有人说话，避免打断别人。它通过​​先监听再发送​​的规则，显著降低了冲突概率，是随机访问协议中的“优雅派”。
 

第一步：听（Carrier Sense）​​
设备在发送数据前，先​​检测信道是否空闲​​：
​​信道空闲​​ → 立即发送数据。
​​信道忙​​ → 等待直到信道空闲。

​​第二步：说（Transmit）​​
确认信道空闲后，设备开始发送数据。

​冲突处理​​：
若多个设备同时检测到空闲并发送 → 冲突发生 → 数据损坏。
冲突后设备​​随机退避等待​​，再重新尝试。

​​三种坚持策略：不同“礼貌程度”​

1-坚持CSMA:监听信道，​​只要空闲就立刻发送​​。若信道忙，持续监听直到空闲，然后立即发送。

非坚持 CSMA:站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲则发送数据。

​​P-坚持CSMA​
将时间划分为​​时隙​​（slot），每个时隙长度 = 最大传播时延。监听信道：若空闲，以概率 ​​P​​ 发送，以概率 ​​1-P​​ 延迟一个时隙再试。若信道忙，持续监听直到空闲。

CSMA/CD协议​

CSMA/CD协议​​（载波侦听多路访问/冲突检测）就像一场“边说话边听声”的会议——发言时时刻竖起耳朵，一旦发现有人插话，立刻闭嘴并协商重试。它是​​传统以太网（使用集线器的网络）的核心协议​​，核心目标是​​快速检测冲突，减少带宽浪费​​。

第一步：载波侦听（Carrier Sense）​​
发送前先监听信道，若空闲则开始发送。

​​第二步：边发边听（Collision Detection）​​
发送数据时​​持续检测信道电压或信号波形​​，判断是否发生冲突。

第三步：冲突处理​​
一旦检测到冲突，立即停止发送，并发送一个​​拥塞信号（Jamming Signal）​​通知所有设备。
执行​​二进制指数退避算法​​：随机等待时间 = 随机数×时隙时间×2^冲突次数，冲突次数越多，等待时间越长。

 

​​关键场景：最坏冲突检测时间​​

假设网络中有两个设备A和B，位于链路两端，相距最远（传播时延为 ​​τ​​）。

​​步骤1​​：A开始发送数据，信号需经过时间 ​​τ​​ 才能到达B。​​
步骤2​​：在A的信号即将到达B的瞬间（时间差趋近于0），B也开始发送数据，导致冲突。​
步骤3​​：冲突信号（B发送的干扰信号）需再经过时间 ​​τ​​ 才能传回A。
总时间​​ = τ（A到B） + τ（B到A） = ​​2τ​​ → 这就是​​争用期的长度​​。

​​生活类比：两人隔山喊话​​
场景​​：两人A和B站在山谷两侧，距离导致喊话需10秒传到对方耳中。​​
步骤1​​：A喊话“你好”，声音10秒后传到B。
​​步骤2​​：B在A喊话即将到达时（第9.9秒）也喊“喂”，两声音冲突。（B在第9.9秒时以为信道是空闲的）
​​步骤3​​：冲突后的混合声音需再10秒传回A → A在第20秒才知冲突。
结论​​：A必须持续喊话至少20秒，才能确保听到冲突回音，否则可能误以为发送成功。

 

 

​​CSMA/CD协议限制最小帧长（bit数充满整个信道）​​，就像给快递包裹设置“最小尺寸”——太小的包裹可能在运输中被其他包裹撞坏，却无人察觉。核心原因在于​​确保发送方能检测到冲突​​。

 

 

以下是通俗解释：

​​冲突检测的“安全时间”​​

场景类比​​：A和B在一条长走廊两端喊话，声音传播需要10秒。
A喊话后，如果B在A喊完前（比如第9秒）也开始喊，A需要再等10秒才能听到B的回声，总共20秒才能确认是否冲突。
​​规则​​：A必须至少喊20秒，才能覆盖“冲突回声”的时间窗口。
​​对应到网络​​：最小帧长 = 数据传输速率 × ​​2倍最大传播时延（争用期）​​。
例子​​：10Mbps以太网中，争用期=51.2μs → 最小帧长=10Mbps×51.2μs=64字节。
​​意义​​：发送方必须发满64字节，才能确保在发完前检测到最远端的冲突。

 

​​CSMA/CA协议