信道接入技术及协议
1. 信道共享方式
在普通的通信系統中，信道共享方式有3種：點對點、點對多點和多點共享。
1.1 點對點
點對點是最簡單的信道共享方式。其特點是只有兩個節點共享無線信道。在單信道時，兩個節點可以通過半雙工方式實現共享，在雙信道時，可實現全雙工通信。
1.2 點對多點
點對多點一般用于有固定基礎設施控制的無線信道，例如蜂窩移動系統的無線信道。這時，終端在中心站的控制下共享一個或多個無線信道。
1.3 多點共享
多點共享是指多個終端共享一個廣播信道。以太網就是最典型的多點共享方式(僅指HUB的應用，對交換機來說就不是了).在多點共享方式中，一個終端發送信號，所有的終端都可以聽到，即相當于一個全互連的網絡.因此這種共享方式下的信道也稱為一跳共享廣播信道.
2. 多點共享使用的信道共享技術
多點共享使用的信道共享技術，又可以分為三種，即信道復用（靜態）、隨機接入（動態）和受控接入（動態）。
2.1 靜態多點接入技術
信道復用 指多個用戶通過復用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)來共享信道，信道復用主要用于將多個低速信號組合為一個混合的高速信號后，在高速信道上傳輸。其特點是需要附加設備，并集中控制，其接入方法是順序掃描各個端口，或使用中斷技術。信道復用技術分為頻分復用，時分復用，波分復用，碼分復用，空分復用，統計復用，極化波復用。
TDMA:為每個用戶分配一個固定的時隙;
FDMA:為每個用戶分配一個固定的頻段;
時分復用TDM－Time Division Multiplexing
FDM/頻分復用
當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，可以將信道分割成若干個子信道，每個子信道用來傳輸一路信號，這就是頻分多路復用（Frequency Division Multiplexing, FDM)
這些靜態的方法，在用戶數較少而固定，且每個用戶通信量較大的情況下，是簡單有效的接入方案。
但是，當用戶數目較多且通信量具有突發特征時，就不適用。必須采用動態多點接入技術。
2.2 動態多點接入技術
動態多點接入技術，可分為受控接入和隨機接入兩類。
2.2.1 隨機接入
特點是所有的用戶都可以根據自己的意愿隨機地向信道上發送信息。當兩個或兩個以上的用戶都在共享的信道上發送信息的時候，就產生了沖突(collision)，它導致用戶的發送失敗。
隨機接入技術主要就是研究解決沖突的網絡協議。隨機接入實際上就是爭用接入，爭用勝利者可以暫時占用共享信道來發送信息。
隨機接入的特點是：站點可隨時發送數據，爭用信道，易沖突，但能夠靈活適應站點數目及其通信量的變化。
典型的隨機接入技術有ALOHA、CSMA、CSMA/CD。
數據鏈路層動態隨機分配信道時對隨機訪問MAC協議：ALOHA，CSMA，CSMA/CD，CSMA/CA
ALOHA，CSMA，CSMA/CD的區別僅在于是否對信道進行監聽和是否有碰撞檢測：
1、ALOHA：不監聽，無碰撞檢測；
2、CSMA：有監聽，無碰撞檢測；
3、CSMA/CD：有監聽，有碰撞檢測。
4、CSMA/CA：有監聽，盡量避免沖突。
監聽（CS）：發送時先判斷其他站點是否正在發送數據，監聽到有數據正在發送就不發了，根據不同策略等待一段時間（即CSMA的三種退避算法）后再進行發送。但由于通道的傳播延遲，仍然可能出現發送端發送完畢，數據幀正在傳輸中，接收端未接受到的情況，這種情況不會被監聽到，此時發送數據依然有可能發生碰撞。
碰撞檢測（CD）：在無碰撞檢測的情況下，發送方不知道信道上是否發生了碰撞。就算信道上發生了數據幀的碰撞，被破壞掉的幀依舊會持續發送到接收方，然后接受方提供反饋之后發送方才能發現產生了碰撞，浪費了時間。有碰撞檢測即發生碰撞就立刻從碰撞點返回消息，發送方收到消息后立刻停止發送，等待一段時間后再重傳，提高了信道利用率。碰撞檢測需要對信道持續監聽。
沖突避免（CA）：發送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量“避免”。
2.2.1.1 CSMA vs. ALOHA
Aloha是一種簡單的通信方案，最初由夏威夷大學開發，用于衛星通信。在Aloha方法中，通信網絡中的每個源在每次有幀要發送時發送數據。如果幀成功到達目的地，則傳輸下一幀。如果目的地沒有接收到幀，則會再次發送該幀。
CSMA（Carrier Sense Multiple Access）是一種媒體訪問控制（MAC）協議，其中節點只有在驗證沒有其他通信量之后才能在共享傳輸媒體上傳輸數據。
2.2.1.2 ALOHA協議
如前所述，Aloha是一個簡單的通信協議，網絡中的每個源只要有一個幀要發送，就發送數據。如果幀傳輸成功，則將發送下一幀。如果傳輸失敗，源將再次發送相同的幀。
半雙工無線鏈路或兩個無線廣播系統都能很好地工作。但是，當網絡變得更復雜時，例如具有多個源和目的地的以太網使用一個公共數據路徑時，就會出現由于數據幀沖突而導致的問題。當通信量增大時，碰撞問題變得更嚴重。這會降低網絡的效率，因為幀碰撞會導致兩個幀中的數據丟失。
時隙Aloha是對原始Aloha協議的改進，其中引入了離散時隙來提高最大吞吐量，同時減少沖突。這是通過只允許信源在時隙開始時傳輸來實現的。
ALOHA分為純ALOHA協議和時隙ALOHA兩種，無監聽，直接發，檢測到碰撞后等待一段隨機時間后再重傳。
1. 純ALOHA
工作原理：站點只要產生幀，就立即發送到信道上；規定時間內若收到應答，表示發送成功，否則重發。
重發策略：等待一段隨機的時間，然后重發；如再次沖突，則再等待一段隨機的時間，直到重發成功為止
優點：簡單易行
缺點：極容易沖突
競爭系統：多個用戶以某種可能導致沖突的方式共享公用信道的系統
2. 時隙ALOHA（S-ALOHA）
基本思想：把信道時間分成離散的時間槽，槽長為一個幀所需的發送時間。每個站點只能在時槽開始時才允許發送。其他過程與純ALOHA協議相同。
可以避免沖撞到發送了一半的幀，但依然有可能多個幀同時在在一個時間槽開始時進行發送，然后再在信道中產生碰撞。比純ALOHA的信道利用率提升一倍。
2.2.1.3 CSMA協議
CSMA協議是一種概率MAC協議，其中節點在共享信道（如電氣總線）上傳輸之前驗證信道是否空閑。在發送之前，發送器嘗試檢測通道中是否有來自另一個站的信號。如果檢測到信號，則發射器等待持續傳輸完成，然后再開始傳輸。這是協議的“載波感知”部分。“多址”定義多個站點在信道上發送和接收信號，并且由單個節點發送的信號通常由使用該信道的所有其他站點接收。載波感知多址碰撞檢測（CSMA/CD）和載波感知多址避碰（CSMA/CA）是CSMA協議的兩種改進。CSMA/CD通過在檢測到碰撞時立即停止傳輸，從而提高CSMA的性能，CSMA/CA通過在信道被檢測到繁忙時將傳輸延遲一個隨機間隔來改善CSMA的性能。
載波監聽多路訪問CSMA的技術，也稱做先聽后說LBT(Listen Before Talk）。要傳輸數據的站點首先對媒體上有無載波進行監聽，以確定是否有別的站點在傳輸數據。假如媒體空閑，該站點便可傳輸數據；否則，該站點將避讓一段時間后再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時間，常用的退避算法有非堅持、1－堅持、P－堅持三種。
1. 非堅持算法
算法規則為：
⑴假如媒本是空閑的，則可以立即發送。
⑵假如媒體是忙的，則等待一個隨機時間后，再次監聽進行發送。采用隨機的重發延遲時間可以減少沖突發生的可能性。
優點：減少沖突
缺點是：即使有幾個站點都有數據要發送，但有可能大家可能等待時延都比較長，致使媒體仍可能處于空閑狀態，使用率降低。
2. 1-堅持算法
算法規則：
⑴假如媒體空閑的，則可以立即發送。
⑵假如媒體是忙的，則繼續監聽，直至檢測到媒體是空閑，立即發送。
優點是：只要媒體空閑，站點就立即可發送，避免了白白浪費空閑時間，減少媒體空閑時間；
其缺點是：假若有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，那么檢測到媒體是空閑時候這些站點會同時發送數據，一定會產生沖突。
3. P-堅持算法
算法規則：
⑴監聽總線，假如媒體是空閑的，則以P的直接發送，而以（1-P）的概率延遲一個時間單位再次監聽進行發送。一個時間單位通常等于最大傳播時延的2倍。
P-堅持算法是一種既能像非堅持算法那樣減少沖突，又能像1-堅持算法那樣減少媒體空閑時間的折中方案，P取1時就是1-堅持，P取0時就是非堅持。系統忙的時候可以選擇P小一些，閑的時候選擇P大一些。
CSMA的三種算法是監聽時的退避算法，與碰撞時的不同，發生碰撞時都是等待一段隨機時間再重傳（個人理解）。
2.2.1.4 載波監聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）
由于CSMA在產生碰撞后會依然傳送被破壞掉的幀，這樣會白白浪費信道容量，一種改進方法是增加碰撞檢測。
CSMA/CD比CSMA增加了碰撞檢測，在傳輸時間繼續監聽媒體，一旦檢測到沖突，就立即停止發送，并向總線上發一串短的阻塞報文(Jam），通知總線上各站沖突己發生，停止發送數據，可以提高總線的利用率，這就稱作載波監聽多路訪問/沖突檢測協議，簡寫為CSMA/CD。
CSMA/CD的代價是用于檢測沖突所花費的時間。對于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測一個沖突的時間等于任意兩個站之間傳播時延的兩倍（即快要發送到終點時發生碰撞再折回，花了兩倍時間）。
1 二進制指數回退算法
二進制指數回退算法是CSMA/CD檢測到碰撞后需要重傳時的回退算法，獨有的，與前面不一樣：
是從離散的整數集合[0,1,2，……，(2k-1)]中隨機的取出一個數r，等待的時延為r倍的基本退避時間，k為碰撞的次數，最大取10，基本退避時間為2倍的傳播時延（即爭用期）。
當沖突次數超過16次后，發送失敗，認為網絡過于擁擠，無法發送，丟棄傳輸的幀，發送錯誤報告。
2 最小幀長
如果幀長過小，信道上就可能存在多個數據幀，當發生沖撞時收到返回時不知道究竟是哪個發生了沖撞，所以規定了最小幀長。
最小幀長等于：2倍的傳播時延*傳播速率
這樣可以在發現碰撞時保證信道上只發出了一條數據。為什么取2倍的傳播時延2t，是因為如果發生碰撞，碰撞反饋信息會最晚在2t時間內返回。收到反饋消息后最多只需要判斷2t時間內發出的是哪一條幀進行重發就可以了。
換個說法：現在正在發送一條幀，還沒從發送端發完時收到了一條碰撞反饋，此時從前找2t個時間內只可能存在一個數據幀，就知道是哪個幀出現了問題。假如幀長過短的話，2t時間內可能存在好多幀，就不知道是哪個出現問題了。
10MB/S以太網以51.2us為爭用期，一秒可發送512bit數據，即64Byte，所以一般選擇64B作為最小幀長。
2.2.1.5 CSMA/CA 協議
CSMA/CD適用于小規模有線以太網，在大規模無線局域網中由于碰撞過多并不適用，由此可以采用避免碰撞的CA協議。
CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，即帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問）是一種數據傳輸是避免各站點之間數據傳輸沖突的算法，其特點是發送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量“避免”。
利用此協議時，先向信道發送一個RTS幀，承載地址、大概傳輸時間等信息，接收方會相應一個CTS幀，與發送方預約信道，此時信道就只允許這兩方之間進行數據傳輸，避免了沖突。接收方收到數據后進行CRC循環冗余檢驗，沒有問題返回ACK確認幀，有問題重傳。
CA協議無法完全避免沖突，只是預約好信道后不會產生沖突。因為發送RST幀時也有可能與其他的RST幀產生沖突，不過控制消息要比數據短的多，沖突后等待隨機重發，二次沖突的概率也小很多。
2.2.1.6 其他
隨機控制訪問協議優點是負載輕的時候效率高，負載重的時候沖突開銷大，其他協議還有：
同為動態分配信道協議的輪詢訪問協議，優點是動態劃分，沒有沖突，缺點是有輪詢開銷或令牌開銷、等待延遲、單點故障。
還有基于多路復用技術的靜態信道劃分協議，有FDM，TDM，WDM，CDM，優點是沒有沖突，負載時都得到利用效率高，缺點是負載低時無法利用全部帶寬效率低。
貼個總結圖(不準確)，來源見水印：
2.2.2 受控接入
特點是各個用戶不能隨意接入信道而必須服從一定的控制規則。
受控接入又可以分為集中式控制和分布式控制。
典型的有多點線路輪詢和令牌傳遞。
輪詢屬于集中式控制，控制節點按一定順序逐一詢問各用戶節點是否有信息發送。如果有，則被詢問的用戶節點就立即將信息發送給控制節點；如沒有，則控制節點依次詢問下一節點。
令牌環屬于分布式控制，在環路中通過特殊的令牌環幀沿著環路逐站傳遞，只有獲得令牌的節點才有權發送信息。當信息發送完畢，就將令牌傳遞給下一站。
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原文鏈接：
https://www.tl80.cn/article/17323
https://blog.csdn.net/qq_41547603/article/details/105476967
https://blog.csdn.net/fivedoumi/article/details/52776832
總結
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