媒體訪問控制的類型？

計算機局域網一般采用共享介質，這樣可以節約局域網的造價。對于共享介質，關鍵問題是當多個站點要同時訪問介質時，如何進行控制，這就涉及到局域網的介質訪問控制（Medium Access Control，MAC）協議。在網絡中服務器和計算機眾多，每臺設備隨時都有發送數據的需求，這就需要有某些方法來控制對傳輸媒體的訪問，以便兩個特定的設備在需要時可以交換數據。傳輸媒體的訪問控制方式與局域網的拓撲結構、工作過程有密切關系。目前，計算機局域網常用的訪問控制方式有3種，分別是載波多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）、令牌環訪問控制法（Token Ring）和令牌總線訪問控制法（Toking Bus）。其中，載波多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）是由ALOHA隨機訪問控制技術發展而來的，在此，對ALOHA隨機訪問控制技術簡要介紹一下。

1．ALOHA協議

ALOHA協議是20世紀70年代在夏威夷大學由Norman Abramson及其同事發明的，目的是為了解決地面無線電廣播信道的爭用問題。ALOHA協議分為純ALOHA和分槽ALOHA兩種。

（1）純ALOHA

ALOHA協議的思想很簡單，只要用戶有數據要發送，就盡管讓他們發送。當然，這樣會產生沖突從而造成幀的破壞。但是，由于廣播信道具有反饋性，因此發送方可以在發送數據的過程中進行沖突檢測，將接收到的數據與緩沖區的數據進行比較就可以知道數據幀是否遭到破壞。同樣的道理，其他用戶也是按照此過程工作。如果發送方知道數據幀遭到破壞（檢測到沖突），那么它可以等待一段隨機長的時間后重發該幀。對于局域網LAN，反饋信息很快就可以得到；而對于衛星網，發送方要在270ms后才能確認數據發送是否成功。通過研究證明，純ALOHA協議的信道利用率最大不超過18%（1/2e）。

（2）分槽ALOHA

1972年，Roberts發明了一種能把信道利用率提高一倍的信道分配策略，即分槽ALOHA協議。其思想是用時鐘來統一用戶的數據發送。辦法是將時間分為離散的時間片，用戶每次必須等到下一個時間片才能開始發送數據，從而避免了用戶發送數據的隨意性，減少了數據產生沖突的可能性，提高了信道的利用率。在分槽ALOHA系統中，計算機并不是在用戶按下回車鍵后就立即發送數據，而是要等到下一個時間片開始時才發送。這樣，連續的純ALOHA就變成離散的分槽ALOHA。由于沖突的危險區平均減少為純ALOHA的一半，因此分槽ALOHA的信道利用率可以達到36%（1/e），是純ALOHA協議的兩倍。對于分槽ALOHA，用戶數據的平均傳輸時間要高于純ALOHA系統。

2．載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）

CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection的縮寫，含有兩方面的內容，即載波偵聽（CSMA）和沖突檢測（CD）。CSMA/CD訪問控制方式主要用于總線型和樹狀網絡拓撲結構、基帶傳輸系統。信息傳輸是以“包”為單位，簡稱信包，發展為IEEE 802.3基帶CSMA/CD局域網標準。

（1）CSMA/CD介質訪問控制方案

先聽后發，工作站在每次發送前，先偵聽總線是否空閑，如發現已被占用，便推遲本次的發送，僅在總線空閑時才發送信息。介質的最大利用率取決于幀的長度和傳播時間，與幀長成正比，與傳播時間成反比。

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。如果媒體空閑，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3種。

① 非堅持算法。算法規則如下：

如果媒本是空閑的，則可以立即發送。

如果媒體是忙的，則等待一個由概率分布決定的隨機重發延遲后，再重復前一個步驟。

采用隨機的重發延遲時間可以減少沖突發生的可能性。

非堅持算法的缺點是：即使有幾個著眼點位都有數據要發送，但由于大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處于空閑狀態，使利用率降低。

② 1-堅持算法。算法規則如下：

如果媒體是空閑的，則可以立即發送。

如果媒體是忙的，則繼續監聽，直至檢測到媒體是空閑，立即發送。

如果有沖突（在一段時間內未收到肯定的回復），則等待一個隨機量的時間，重復前兩步。

這種算法的優點是：只要媒體空閑，站點就可立即發送，避免了媒體利用率的損失。

其缺點是：假若有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，沖突就不可避免。

③ P-堅持算法。算法規則如下：

監聽總線，如果媒體是空閑的，則以P的概率發送，而以（1–P）的概率延遲一個時間單位。一個時間單位通常等于最大傳播時延的2倍。

延遲一個時間單位后，再重復第一步。

如果媒體是忙的，繼續監聽直至媒體空閑并重復第一步。

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。問題在于如何選擇P的值，這要考慮到避免重負載下系統處于的不穩定狀態。假如媒體忙時，有N個站有數據等待發送，一旦當前的發送完成，將要試圖傳輸的站的總期望數為NP。如果選擇P過大，使NP>1，表明有多個站點試圖發送，沖突就不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概率的不斷增大，而使吞吐量降低到零。所以必須選擇適當P值使NP<1。當然P值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。

（2）二進制指數退避算法

重發時間均勻分布在0～TBEB之間，TBEB=2i–1（2a），a為端-端的傳輸延遲，i為重發次數。該式表明，重發延遲將隨著重發次數的增加而按指數規律迅速地延長。

（3）CSMA/CD

載波監聽多路訪問/沖突檢測方法是提高總線利用率的一種CSMA改進方案。該方法為：使各站點在發送信息時繼續監聽介質，一旦檢測到沖突，就立即停止發送，并向總線發送一串阻塞信號，通知總線上的各站點沖突已發生。

采用CSMA/CD介質訪問控制方法的總線型局域網中，每一個結點在利用總線發送數據時，首先要偵聽總線的忙、閑狀態。如果總線上已經有數據信號傳輸，則為總線忙；如果總線上沒有數據信號傳輸，則為總線空閑。由于Ethernet的數據信號是按差分曼徹斯特方法編碼，因此如果總線上存在電平跳變，則判斷為總線忙；否則判斷為總線空。如果一個結點準備好發送的數據幀，并且此時總線空閑，它就可以啟動發送。同時也存在著這種可能，那就是在幾乎相同的時刻，有兩個或兩個以上結點發送了數據幀，那么就會產生沖突，所以結點在發送數據的同時應該進行沖突檢測。

（4）CSMA/CD方式的主要特點

原理比較簡單，技術上較易實現，網絡中各工作站處于同等地位，不要集中控制，但這種方式不能提供優先級控制，各結點爭用總線，不能滿足遠程控制所需要的確定延時和絕對可靠性的要求。此方式效率高，但當負載增大時，發送信息的等待時間較長。

3．令牌環（Token Ring）訪問控制

Token Ring是令牌傳輸環（Token Passing Ring）的簡寫。令牌環介質訪問控制方法是通過在環狀網上傳輸令牌的方式來實現對介質的訪問控制。只有當令牌傳輸至環中某站點時，它才能利用環路發送或接收信息。當環線上各站點都沒有幀發送時，令牌標記為01111111，稱為空標記。當一個站點要發送幀時，需等待令牌通過，并將空標記置換為忙標記01111110，緊跟著令牌，用戶站點把數據幀發送至環上。由于是忙標記，所以其他站點不能發送幀，必須等待。

發送出去的幀將隨令牌沿環路傳輸下去。在循環一周又回到原發送站點時，由發送站點將該幀從環上移去，同時將忙標記換為空標記，令牌傳至后面站點，使之獲得發送的許可權。發送站點在從環中移去數據幀的同時還要檢查接收站載入該幀的應答信息，若為肯定應答，說明發送的幀已被正確接收，完成發送任務。若為否定應答，說明對方未能正確收到所發送的幀，原發送站點需要在帶空標記的令牌第二次到來時，重發此幀。采用發送站從環上收回幀的策略，不僅具有對發送站點自動應答的功能，而且還具有廣播特性，即可有多個站點接收同一個數據幀。

接收幀的過程與發送幀不同，當令牌及數據幀通過環上站點時，該站將幀攜帶的目標地址與本站地址相比較。若地址符合，則將該幀復制下來放入接收緩沖器中，待接收站正確接收后，即在該幀上載入肯定應答信號；若不能正確接收則載入否定應答信號，之后再將該幀送入環上，讓其繼續向下傳輸。若地址不符合，則簡單地將數據幀重新送入環中。所以當令牌經過某站點而它既不發送信息，又無處接收時，會稍經延遲，繼續向前傳輸。

在系統負載較輕時，由于站點需等待令牌到達才能發送或接收數據，因此效率不高。但若系統負載較重，則各站點可公平共享介質，效率較高。為避免所傳輸數據與標記形式相同而造成混淆，可采用位填入技術，以區別數據和標記。

使用令牌環介質訪問控制方法的網絡，需要有維護數據幀和令牌的功能。例如，可能會出現因數據幀未被正確移去而始終在環上傳輸的情況；也可能出現令牌丟失或只允許一個令牌的網絡中出現了多個令牌等異常情況。解決這類問題的辦法是在環中設置監控器，對異常情況進行檢測并消除。令牌環網上的各個站點可以設置成不同的優先級，允許具有較高優先權的站申請獲得下一個令牌權。

歸納起來，在令牌環中主要有下面3種操作。

截獲令牌并且發送數據幀。如果沒有結點需要發送數據，令牌就由各個結點沿固定的順序逐個傳遞；如果某個結點需要發送數據，它要等待令牌的到來，當空閑令牌傳到這個結點時，該結點修改令牌幀中的標志，使其變為“忙”的狀態，然后去掉令牌的尾部，加上數據，成為數據幀，發送到下一個結點。

接收與轉發數據。數據幀每經過一個結點，該結點就比較數據幀中的目的地址，如果不屬于本結點，則轉發出去；如果屬于本結點，則復制到本結點的計算機中，同時在幀中設置已經復制的標志，然后向下一個結點轉發。

取消數據幀并且重發令牌。由于環網在物理上是個閉環，一個幀可能在環中不停地流動，所以必須清除。當數據幀通過閉環重新傳到發送結點時，發送結點不再轉發，而是檢查發送是否成功。如果發現數據幀沒有被復制（傳輸失敗），則重發該數據幀；如果發現傳輸成功，則清除該數據幀，并且產生一個新的空閑令牌發送到環上。

4．令牌總線訪問控制法（Token Bus）

Token Bus是令牌通行總線（Token Passing bus）的簡寫。這種方式主要用于總線型或樹狀網絡結構中。1976年美國Data Point公司研制成功的ARCnet（Attached Resource Computer）網絡，它綜合了令牌傳遞方式和總線網絡的優點，在物理總線結構中實現令牌傳遞控制方法，從而構成一個邏輯環路。此方式也是目前微機局域中的主流介質訪問控制方式。

ARCnet網絡把總線或樹狀傳輸介質上的各工作站形成一個邏輯上的環，即將各工作站置于一個順序的序列內（例如可按照接口地址的大小排列）。方法可以是在每個站點中設一個網絡結點標識寄存器NID，初始地址為本站點地址。網絡工作前，要對系統初始化，以形成邏輯環路，其過程主要是：網中最大站號n開始向其后繼站發送“令牌”信包，目的站號為n+1，若在規定時間內收到肯定的信號ACK，則n+1站連入環路，否則在n+1繼續向下詢問（該網中最大站號為n=255，n+1后變為0，然后1、2、3、…遞增），凡是給予肯定回答的站都可連入環路并將給予肯定回答的后繼站號放入本站的NID中，從而形成一個封閉邏輯環路，經過一遍輪詢過程，網絡各站標識寄存器NID中存放的都是其相鄰的下游站地址。

邏輯環形成后，令牌的邏輯中的控制方法類似于Token Ring。在Token Bus中，信息是按雙向傳送的，每個站點都可以“聽到”其他站點發出的信息，所以令牌傳遞時都要加上目的地址，明確指出下一個將到控制的站點。這種方式與CSMA/CD方式的不同在于除了當時得到令牌的工作站之外，所有的工作站只收不發，只有收到令牌后才能開始發送，所以拓撲結構雖是總線型但可以避免沖突。

Token Bus方式的最大優點是具有極好的吞吐能力，且吞吐量隨數據傳輸速率的增高而增加，并隨介質的飽和而穩定下來但并不下降；各工作站不需要檢測沖突，故信號電壓容許較大的動態范圍，聯網距離較遠；有一定實時性，在工業控制中得到了廣泛應用，如MAP網就是用的寬帶令牌總線。其主要缺點在于其復雜性和時間開銷較大，工作站可能必須等待多次無效的令牌傳送后才能獲得令牌。

應該指出，ARCnet網實際上采用稱為集中器的硬件聯網，物理拓撲上有星狀和總線型兩種連接方式。