网络链路有两种类型:点对点链路和广播链路。点对点链路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,如点对点协议(PPP)和高级数据链路控制(HDLC)。广播链路能够让多个发送和接收结点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上。
对于广播链路而言,因为所有结点都能传输帧,所以多个结点同时传输帧时,传输的帧在所有的接收方处发生碰撞,导致没有一个接收结点能够有效地获得任何传输的帧。解决这个问题则需要多路访问协议,结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,从而协调多个发送和接收结点对一个共享广播信道的访问。
多路访问协议分为3种类型:信道划分协议、随机接入协议、轮流协议。
信道划分协议
时分多路复用(TDM):TDM将时间划分为时间帧,并进一步划分每个时间帧为N个时隙,然后把每个时隙分配各N个结点中的一个,无论何时有结点在有分组要发送时,他在循环的TDM帧中指派给他的时隙内传输分组比特。
TDM消除了碰撞个且非常公平:每个结点在每个帧时间内得到了专用的传输速率R/Nbps的平均速率,然而它有两个主要缺陷:首先,结点被限制于R/Nbps的平均速率,即使当它是唯一有分组要发送的结点时。其次,结点必须总是等待他在传输序列中的轮次 ,即使他是唯一一个有帧要发送的结点。
频分多路复用(FDM):FDM将R bps信道划分为不同的频段(每个频道具有R/N带宽)并把每个频率分配给N个结点中的一个。
FDM具有和TDM同样的优点和缺点:它避免了碰撞,在N个结点之间公平地划分了带宽。但是他也限制了一个结点只能使用R/N的带宽,即使当他是唯一一个有分组要发送的结点时。
码分多址(CDMA):CDMA对每一个结点分配一种不同的编码,然后每个结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,就能做到使不同的结点同时传输,并且他们各自相应的接收方仍能正确接收发送方编码的数据,而不在乎其他结点的干扰传输。
随机接入协议
在随机接入协议中,一个传输结点总是以信道的全部速率(即R bps)进行发送。当有碰撞时,涉及碰撞的每个结点反复地重发它的帧,到该帧无碰撞地通过为止。但是当一个结点经历一次碰撞时,他不必立刻重发该帧。相反,它在重发该帧前等待一个随机时延。涉及碰撞的每个结点独立地选择随机时延。
比较常见的随机接入协议有:ALOH协议和载波侦听多路访问协议(CSMA)
时隙ALOHA
p为概率,在每个结点中,时隙ALOHA的操作如下所示:
其中,以概率p重传,是指某结点有效地投掷一个有偏倚的硬币,硬币正面时间对应着重传,而重传出现的概率为p。 硬币反面事件对应着“跳过这个时隙,在下个时隙再掷硬币”
ALOHA
时隙ALOHA协议要求所有的结点同步他们的传输,以在每个时隙开始时开始传输。而ALOHA协议是非时隙、完全分散的协议。在纯ALOHA中,当一帧首次到达,结点立刻将该帧完整的传输进广播信道。如果一个传输的帧在一个或多个传输经历了碰撞,这个结点将立即(在完全传输完它的碰撞帧后)以概率p传输该帧,或者以概率1-p在另一个帧时间等待。
纯ALOHA协议的最大效率时隙ALOHA的一半。这就是完全分散的ALOHA协议所要付出的代价。
载波侦听多路访问协议(CSMA)
载波侦听:一个结点在传输前先听信道,如果来自另一个结点的帧正向信道上发送,结点则等待直到检测到一小段时间没有传输,然后开始传输
具有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)
碰撞检测:当一个传输结点在传输时一直在侦听此信道,如果它检测到另一个结点正在传输干扰帧,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。
发生碰撞时使用二进制指数后退算法可使碰撞结点数量较少时,时间间隔较短,当碰撞结点数量较大时,时间间隔较长。二进制指数后退算法是指当传输一个给定帧时,在该帧经历了一连串的n次碰撞后,结点随机地从中选择一个K值。因此,一个帧经历的碰撞越多,K的时间间隔越大。
CSMA/CD效率:当有大量结点,且每个结点有大量的帧要发送时,帧在信道中无碰撞地传输的那部分时间在长期运行时间中所占的份额。其中dprop表示信号能量在任意两个适配器之间传播所需的最大时间。dtrans表示传输一个最大长度的以太网帧的时间
轮流协议
多路访问协议的两个理想特性是:1.当只有一个结点活跃时,该结点具有R bps的吞吐量 2.当有M个结点活跃时,每个活跃结点的吞吐量接近R/M bps。ALOHA和CSMA只满足第一个特性。而轮流协议能够满足两个特性。轮流协议中比较重要的两个协议是轮询协议和令牌传递协议
轮询协议:要求这些结点之一要被指定为主结点。主结点以循环的方式轮询每个结点。特别是,主结点告诉每个结点能够传输的帧的最多数量。
轮询协议消除了困扰随机接入协议的碰撞和空时隙,这使得轮询取得的效率高得多。但是他也有一些缺点,第一个缺点是引入了轮询时延,即同时一个结点“它可以传输”所需的时间(只有一个结点时使得速率小于R bps)。第二个缺点是如果主结点故障,整个信道都变得不可操作。
令牌传递协议:一个称为令牌的小的特殊帧在结点之间以某种固定的次序传递。当一个结点收到令牌时,仅当它有一些帧要发送时,他才持有这个令牌。否则,他立即向下一个结点转发该令牌。
令牌传递是分散的,并有很高的效率,但是他也有一些问题。如果一个结点故障,则会导致整个信道崩溃。或者如果一个结点偶然网际了释放令牌,则必须调用某些恢复步骤使令牌返回到循环中来。