数据链路层-MAC多点访问控制协议
解决的问题
对于一个共享性介质（总线型局域网的总线），各个节点如何协调对它的访问和使用？通过各种途径来控制对共享介质访问的方式，在数据链路层称为多点访问控制协议。
多点访问控制协议按照访问方式分为三种类型：信道划分方式、随机方式、轮流方式。
信道划分方式
频分复用: FDM(Frequency Division Multiplexing)将信道划分为不同的频段给不同节点使用
波分复用：WDM(Wavelength Division Multiplexing)，将信道划分为不同的波段给不同的节点使用
码分复用：CDM(Code Division Multiplexing)，将信道划分为不同的编码给不同的节点使用
时分复用：TDM(Time Division Multiplexing)，将信道划分为不同的时间段给不同的节点使用
使用信道划分方式，信道在高负载情况下，信道利用率很高，这是该方式的突出优点。但在低负载情况下，信道利用率偏低,例如在时分复用情况下，某个节点有数据要传送，却只能使用特定的时间段，不能一直使用信道，导致信道利用率比较低。
随机方式
CSMA/CD
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/collision detection）：载波监听多点接入、冲突检测方式。这种访问控制方式在802.11 WLAN中使用（无线局域网）。
1. 节点在发送之前先监测信道是否空闲，如果空闲则发送。如果忙，则持续监测信道，等待闲时再发送。
2. 节点在发送过程中也要持续的监测信道，检测是否有冲突。如果有冲突，则立即停止发送，以避免更进一步的信道浪费。停止发送后，发送方需要做两件事：
1. 发送一个Jamming Signal,冲突增强信号，告知所有节点发送了冲突
2. 选择一个随机时间（二进制指数退避算法），等待该时间后，再检测信道闲忙，尝试重发。
如何检测信道闲忙？
发送前，检测信道中是否有信号传送即可得知信道状态
如何检测冲突？
发送过程中，可以对比发送信号和接收信号的强度 ，或者 过零点检测 得知是否有冲突。
随机时间的确定
在第m次失败后，适配器随机从{0，1，2，3 ，... ,2^m-1}中选择一个数字K，等待K*512位时再检测信道。
该二进制指数退避算法的精妙之处在于，在信道负载很低时，退避时间很小，从而有利于节点尽快发送数据。
在信道负载很高时，退避窗口变大，节点的平均退避时间也变大，有利于减少冲突，从而提高信道利用率。
CSMA/CA
CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid）：载波监听多点接入、冲突避免方式。这种访问控制方式在802.3 Ethernet中使用（有线局域网）。以太网协议在无线局域网(WLAN)中使用该方式做各节点的访问控制。
1. 节点在发送之前先监测信道，信道空闲持续DIFS时间后，才能发送，一旦启动发送，不再检测信号是否冲突，持续将帧发送完毕。
2. 如果检测到信道忙，则选择一个随机值K，随后持续周期性的检测信道，如果信道忙，则K不变，如果信道空闲则将K减1，直到K减为0，才能发送。
3. 如果发送方发送后，接收到ACK则发送成功。如果没有接收到ACK则重复步骤2.
4. 对于接收方，收到帧后，如果帧没有出错，则等待SIFS时间后发送ACK。SIFS要小于DIFS
1. 为什么在无线局域网中不使用冲突检测方式？
a. 无法进行冲突检测，无线信道上，无线电磁波在开放空间中衰减很快，不同的节点发送的电磁波相互串扰，使得冲突检测在技术上实现起来较为麻烦。
b. 在无线局域网中，冲突 与 发送是否成功没有关系。在有线信道上，信号发生冲突时，几乎可以认为发送失败，信号未发生冲突，几乎可以认为发送成功。但是在无线信道上，由于节点隐藏问题未发生冲突时，也有可能发送失败，由于节点暴露问题，发生冲突时，也有可能发送成功。因此发送成功与否与信号冲突没有必然关系。
2. 什么是节点暴露问题？
A----------------B--------------------C------------------D
ABCD四个节点，A能收到B的信号，但无法收到C和D的信号。D能收到C的信号，但无法收到B和A的信号。B和C能相互收到信号。如果在t时刻，B需要向A发送数据，C需要向D发送数据，如果C成功发送数据帧，则会导致B收到C发送给D的信号，导致B认为信道忙，无法发送数据。但事实C向D发送数据时，不会导致B向A发送数据的冲突，这就是节点暴露问题。节点暴露问题会导致信道利用率降低。
3. 什么是节点隐藏问题？
如图，A和B之前由于距离、地形（隔着山脉）等问题，A的信号无法到达B,B的信号也无法到达A,此时A和B两个节点相互看不见，也就是A和B两个节点相互隐藏。在此情况下，如果在t时刻，A检测到信道闲，向C发送数据，B也检测到信道闲（A和B无法接收到对方的信号，因此会误认为信道闲），向C发送数据，两者的信号会在C点形成冲突，导致发送不成功。
4. 为什么SIFS要小于DIFS？
这样设计的目的是使得ACK帧等待时间要比普通帧少，使得ACK帧更容易在冲突中获胜，使得ACK帧的优先级更高，从而避免数据接收成功后因为无法收到ack导致重发造成的信道浪费。
5. 在发送方监测到信号忙（发送冲突时），随后再监测信道，为什么不再信道闲时立即发送，而是等到计时器减为0后再发送？
这样设计的目的是尽可能的减少冲突的概率。无线信道中，一旦发送必须把整个帧发送出去，中间无法取消。在此期间，一旦发生冲突，整个帧的发送时间上信道就被浪费掉了，因此冲突的代价非常大。为了避免冲突，使得节点尽可能的谦让，以减少冲突的概率。在检测到信道忙时，就冻结计时器，信道闲时才将计时器减1.
冲突避免(RTS-CTS交换)
允许发送方“预约”信道，避免长数据帧的冲突。RTS-CTS交换是一个可选项。
1. 发送方要发送数据时，首先向BS（Base Station，基站）发送一个小的RTS(Request To Send)帧（RTS帧的发送也可能会发生冲突，但是RTS帧很小，信道浪费比较少）
2. BS广播CTS(Clear To Send)帧来作为RTS的响应
3. 所有节点都能收到CTS，这时发送方能够发送数据，其他节点不能发送数据（节点被抑制）
轮流方式
轮询方式
1. 主节点依次轮训从节点是否有数据要传送
2. 从节点一般比较dump
缺点
- 轮询的开销：轮询本身消耗信道带宽
- 延迟：每个节点需要等到主节点轮询后才能开始传输，及时只有一个节点要发送数据，也要轮询一遍到该节点时，该节点才能发送数据
- 单点故障：主节点发生故障，整个系统将无法工作
令牌传递（令牌环）
令牌环是基于轮询的介质访问控制方法。令牌沿着环网单向流动，依次通过各站点。一个站点若想要发送数据，必须持有令牌，否则只能等待空令牌的到达。因其受控接入特点，所以避免了冲突的发生。
(1).获取空令牌并发送数据：一个站点需要发送数据时，首先等待空令牌的到达，并取得令牌，将其状态设置为“忙”，并紧接着在令牌帧后添加数据，传至环网上。
(2).接收与转发：数据沿环网传输时，所经过的每个站点都会将本机的MAC地址与数据帧的目的地址进行比对，若匹配则接收，若不匹配则转发给下一个站点。
(3).撤销数据并释放令牌：数据帧在网上流动一圈后回到发送端，由发送站点将数据取下，并释放令牌。将令牌发送给下游站点，使下游站点获取发送数据的权利。
令牌（token）是一种特殊的数据帧，从一个节点到下一个节点在网络中循环传递。
缺点
- 令牌的开销：令牌本身消耗信道带宽
- 延迟：每个节点只有抓住令牌后才能传输
- 单点故障：令牌丢失则整个系统故障，需要有复杂的机制重新生成令牌
对比分析
信道划分MAC协议
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- 共享信道在高负载时是有效和公平的
- 在低负载时效率低下
- 只能等到自己的时隙开始发送或者利用1/N的信道频率发送
- 当只有一个节点有帧传时，也只能够得到1/N个带宽分配
随机访问MAC协议
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- 在低负载时效率高：单个节点可以完全利用信道全部
- 高负载时：冲突开销较大，效率极低，时间很多浪费在冲突中
