媒介访问控制—计算机网络技术应用

“媒介访问控制”是这样一个过程：网络逻辑拓扑结构使用某种特定的规则，控制网络上的设备在什么时间或在什么情况下使用媒介传送数据信号。

“媒介访问控制”是网络通信中最重要的过程之一。设备对媒介的使用方式决定了整个网络工作的原理，并且是保证网络正常通信的最基本规则。如果在一个网络中没有媒介访问控制规则，就像城市交通没有交通规则一样，交通事故将会频频发生，网络中的碰撞不断，不但阻碍了有效通信，破坏了网上正在传输的数据致使其丢失，最终还会使网络无法工作。为了消除网络中的碰撞，并控制网络中数据的传输，OSI数据链路层提出了争用（Contention）、令牌传递（Token passing）和轮询（Polling）三种媒介访问控制的方法。

在网络的应用中，具体采用哪一种方法实现对媒介访问的控制，需要从被数据传输的特点和应用的要求等多方面加以考虑，如数据传输的并发性、数据传输量、数据对时间敏感性以及网络设备的数量等。只有把上述因素与下面介绍的各种媒介访问方法的特点结合起来，才能做到科学决策，以决定究竟选用哪一种媒介访问方法用于所架构的网络。

1.争用（CSMA/CD与CSMA/CA）

争用（Contention）系统是建立在对媒介访问的控制允许先来先服务的原则基础上的媒介访问控制方法。在争用系统中，每个网络设备获得对媒介访问控制权的机会是均等的。现代计算机网络中广泛采用的以太网就是一个采用争用方式进行媒介访问的网络系统，因此有“百舸争流以太网”之说。

争用系统的一个基本特点就是网络上的所有设备在它想要发送数据时就能发送，只要网络媒介此时没有被其他设备使用。显然，争用系统并不能做到每个设备都能够即时发送数据，总会遇到媒介正在被其他设备使用的情况。若网络设备对媒介的访问不加控制，坚持在媒介有设备使用的情况下发送数据，从而导致网络中正在传输的数据丢失，这就是通常所说的“碰撞”或“冲突”。

在争用系统中，“碰撞”是不可避免的，并且当网络每增加一个新的设备，碰撞次数将会按几何级数增长。可见，如何减少“碰撞”是媒介访问的核心问题。

为减少碰撞次数，采用争用系统的网络协议，要求各设备在发送数据之前，首先对传输媒介信道进行侦听。如果检测到一个信号，说明有其他设备正在使用媒介，则该设备将延缓自己数据的发送。稍后，该设备将重新对信道进行侦听，直至可以发送数据为止。这种争用系统的机制实现被称为载波侦听/多重访问（CSMA）。实践证明，CSMA媒介访问机制极大地减少了碰撞，但不能消除碰撞。例如，当有两个设备对信道进行侦听时，均发现信道闲置，然后同时向媒介发送数据——导致碰撞的发生。可见，在争用系统中仅仅有CSMA是不够的，还同时需要另一个协议的支持，才能保证争用系统网络的正常通信。因此，争用系统通常使用下面两种类型的协议。

●载波侦听，多重访问/冲突检测（CSMA/CD）协议。

●载波侦听，多重访问/冲突避免（CSMA/CA）协议。

CSMA/CD协议：该协议不仅在传输前对电缆进行载波侦听（CS），同时检测多重访问（MA），也检测碰撞（CD）。若发生碰撞，可重传数据。在计算机网络协议中，应用CSMA/CD的协议相当多，所有的以太网协议都是应用CSMA/CD的典型范例。其中最著名的协议是IEEE 202.3x协议集，100/10Mbit/s快速以太网的协议IEEE 802.3z是其中之一。

CSMA/CA协议：该协议使用诸如分时访问（或请求发送）来获得对媒介访问的机制。LocalTalk TM协议是CSMA/CA协议的一个例子。

争用系统一般应用在通信负载低的网络上，最适用于突发性通信流（如间歇性的大文件传输）。对于计算机网络中，争用媒介访问控制方式（以太网）的优势与劣势如下所述。

优势：软件相对简单，处理开销小；只要无其他设备访问媒介，发送设备便能获得对媒介的及时和完全的控制。

劣势：访问时间不可预测；不能授予某些设备优先权；随新设备接入，碰撞现象呈几何级数增加。(www.xing528.com)

2.令牌传递（Token Passing）

令牌是一个将媒介控制权暂时交给网络某个设备的特定信息—一个小的数据帧。在令牌传递系统中，令牌以顺序方式从一台设备传到另一台设备，只有拿到令牌的设备才能获得对媒介的访问控制权。为了维持网络正常高效的运行，所有的令牌传递通信协议都对每台设备持有令牌的时间加以限制。

在令牌传递系统中，令牌传递意味着对媒介访问控制权的转移。每台设备都知道自己应从哪台设备接收令牌，然后应向哪一台设备传递令牌。每台设备都周期性地获取令牌，在完成了数据发送任务后，再将令牌传递给下一台设备。令牌传递系统的一个最大特点就是消除了碰撞和冲突。

在计算机局域网协议中，令牌传递的标准协议是IEEE 802.4（令牌总线）和802.5（令牌环）。令牌总线协议（IEEE 802.4）用于物理拓扑结构或逻辑拓扑结构为总线型的网络，而令牌环协议（IEEE802.5）用于物理上或逻辑上是环形拓扑结构的网络。此外，还有一个被广泛使用过的令牌传递标准协议FDDI。FDDI为分布式光纤数据接口协议。

对于令牌传递网络，适用于设置优先级的与对时间敏感应用的网络，如数字化声音或视频网络，或通信量负载重的网络。对于计算机网络的应用，采用令牌传递媒介访问相关协议的网络的优势和劣势如下所述。

优势：令牌传递可确定网络运行和延迟时间；对要求尽快并更可靠传递的数据可授予优先权；消除了碰撞，并在高数据传输量的情况下使网络具有最大的数据传输能力。

劣势：所有设备需要较复杂的交互式软件，设备需要适当的智能；设备软件参数在每次增加设备和拆卸媒介时都要调整；为确定故障并恢复需要增加中央控制器。

3.轮询

轮询（Polling）媒介访问控制方法在计算机网络中应用不多，但也是数据通信系统中的一种重要的访问方法。在轮询系统中，需要指定一台称为控制器的设备（又称原设备或主设备），由该控制器实现网络中设备对媒介访问的管理。

实际上，轮询系统的原理与OSI物理层的多重访问中的轮询设备原理是一致的。在轮询系统中，所有的设备通信均受控于控制器，由控制器事先规划好网络上每一个设备访问媒介的顺序，并轮流不断地询问每台设备是否需要发送数据，并取得对媒介的控制权。

在轮询系统中，控制器向下一个设备发出一个数据请求，并接收发来的数据，把接收到的数据发送给目的设备。然后，控制器再轮询下一个设备，并接收该设备发来的数据和转发。如此循环，实现网络多台设备对媒介的无冲突访问。

此外，所有轮询媒介访问的控制协议，均对每个设备在一次轮询后能传送多少数据有所限制。轮询系统对于时间敏感设备（如需要准确时间访问网络的自动化设备）及应用是一个理想的媒介访问控制系统。轮询媒介访问控制系统的优势与劣势如下所述。

优势：消除了碰撞，媒介容量可充分利用；可对较大型网络的访问进行集中管理；可预置媒介访问的最大和最小时间及数据传输速率；可分配快速访问优先权。

劣势：由于轮询，造成延迟，使一些应用进程只能等待；发送轮询询问、确认或侦听信息将占用一定带宽；比其他媒介访问方法需要更多的开销。