Appearance
介质访问控制：CSMA/CD、CSMA/CA
概念
介质访问控制（Medium Access Control，MAC）就是"多个站点共用同一条广播信道时，约定好谁先发、撞了怎么办"的那一套规则。
一句话说清它是什么：介质访问控制 = 共享信道的"发言规则"——一条总线上挂着十几台机器，它保证"同一时刻只有一个人在说话"，或者"撞上了大家都能发现并重新排队"。
它要解决三个问题：
| 问题 | 含义 |
|---|---|
| 谁有权发 | 多个站同时想发, 谁先发 |
| 怎么发现冲突 | 两个站同时发, 如何知道"撞了" |
| 撞了怎么办 | 重发要等多久才能避免再次相撞 |
两大类方法（必背分类）：
text
介质访问控制
├─ 静态划分信道 —— 事先把信道切开, 每人一份
│ 频分 FDM / 时分 TDM / 码分 CDM / 波分 WDM (见 net/10-physical.md)
│ 特点: 不会冲突, 但"低负载时严重浪费"
│
└─ 动态接入 —— 用时才申请, 不用时别人可以拿
├─ 随机接入 (争用型): ALOHA / CSMA / CSMA-CD / CSMA-CA
│ 特点: 可能冲突, 但轻负载时效率高
└─ 受控接入: 轮询 (polling) / 令牌传递 (token passing)
特点: 不冲突, 时延有确定上界, 但需要一个控制点⚠️ "随机接入"的名字有点反直觉：它不是"随便发"，而是"不事先分配、想发的时候先听一听再发"——"随机"指的是"什么时候有人发是随机的"，所以"冲突也是随机的"。
⚠️ 本章与上一章（
net/22-window.md）的分工：上一章解决"帧会不会丢"（可靠传输），假设"信道是独占的"；本章解决"多个站怎么共享信道"——两者合起来才是"数据链路层"的两大功能（介质访问 + 可靠传输）。
原理
一、静态划分信道：不冲突，但浪费
静态划分的做法（对照 net/10-physical.md）：
| 方式 | 分什么 | 用户数固定时的表现 |
|---|---|---|
| FDM | 频率 | 每人一段带宽，同时可以发 |
| TDM | 时间 | 每人一个时隙，轮流发 |
| CDM | 码型 | 同时同频，靠正交码区分 |
| WDM | 波长 | 光纤上按波长分（本质是光域的 FDM） |
优点：不会冲突，时延确定（适合实时业务）。缺点：频谱/时隙被"切死"——某一路没数据时，它那份资源也空着，别人用不了。
⚠️ "静态划分为什么在计算机网络里用得少"：因为计算机通信是"突发性"的——一台机器可能几分钟不发一个包，然后突然发一大串。 静态划分会让"空闲用户的资源白白浪费"；随机接入正是为"突发业务"设计的。
二、ALOHA：从"想说就说"到"先听再说"
纯 ALOHA 的规则只有两条：① 想发就发（不管信道忙不忙）；② 一段时间收不到确认，就随机等一段时间再重发。
冲突的脆弱期（vulnerability time）= 2 个帧时：一段数据从开始发到发完需要
吞吐率公式：
其中
| 纯 ALOHA | 时隙 ALOHA | |
|---|---|---|
| 0.1 | 0.0819 | 0.0905 |
| 0.25 | 0.1516 | 0.1947 |
| 0.5 | 0.1839（纯 ALOHA 最优） | 0.3033 |
| 1.0 | 0.1353 | 0.3679（时隙 ALOHA 最优） |
| 1.5 | 0.0747 | 0.3347 |
| 2.0 | 0.0366 | 0.2707 |
⚠️ 两个"必背的极限值"：
- 纯 ALOHA 的最大吞吐率 =
（在 时取得）。 - 时隙 ALOHA 的最大吞吐率 =
（在 时取得）。 "时隙 ALOHA 恰好是纯 ALOHA 的两倍"——因为"只在时隙边界发送"把脆弱期从
缩到了 ，这就是"同步"带来的全部收益。 ⚠️ 18.4% 这个数字的冲击力要记住："想说就说"的信道，最多只有 18.4% 的时间在有效传输——这就是为什么要发明 CSMA。
时隙 ALOHA 的"时隙"怎么来：所有站用一个统一时钟同步，只允许在每个时隙的开头开始发送——时隙长度 = 一个帧的发送时间
三、CSMA：先听后说
CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）在 ALOHA 的基础上加了"听"：发送前先监听信道，只有"空闲"才发。
但"听到空闲之后怎么行动"有三种流派（必背对照）：
| 策略 | 听到空闲时 | 听到忙时 | 冲突概率 | 信道利用率 | 时延 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1-坚持 CSMA | 立刻发（概率 1） | 持续监听，一空闲就发 | 最高（多个等待者会同时发） | 较高（信道不空等） | 小 |
| 非坚持 CSMA | 立刻发 | 随机等一段时间再重新监听 | 较低（大家错开） | 较低（等待期间信道可能已空闲） | 大 |
| p-坚持 CSMA | 以概率 | 等到下一个时隙再判断 | 可调（ | 可调 | 中等 |
⚠️ "1-坚持"和"非坚持"的取舍是本节最该理解的一对：
- 1-坚持的问题："一空闲就发"会让所有等待者同时冲向信道，冲突概率最高——但优点是信道利用率高（不空等）。
- 非坚持的优点是"错开"，但它"随机等一段时间"时并不知道信道是否变空闲了，可能白等——利用率反而低。
- p-坚持是两者的折中：
取 1 就退化成 1-坚持， 取小就接近非坚持——"用概率把冲突和空等都摊薄"。
⚠️ 一个容易被忽略的前置条件：CSMA 有效的前提是"传播时延远小于帧的发送时间"——因为"听到空闲"这个判断本身就有
的滞后：A 听到空闲时，B 可能刚刚开始发（信号还在路上）。 这个"滞后"就是 CSMA 冲突的根源，也是下一节 CSMA/CD 要根治的东西。
四、CSMA/CD：边发边听，冲突立即停止
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）在 CSMA 上加了一条：发送过程中继续监听信道，一旦发现"收到的信号与自己发的不同"就立刻停止发送。
三个组成部分（必背）：
| 名称 | 含义 |
|---|---|
| 载波监听（carrier sense） | 发送前先听，空闲才发 |
| 多点接入（multiple access） | 总线型拓扑，所有站都挂在同一根线上 |
| 冲突检测（collision detection） | 边发边听；一旦发现冲突立即停发 |
"边发边听"带来的最大好处：不用把整个帧发完才发现"撞了"——发现冲突就立即中止，节省带宽。 代价是：发送方的收发电路必须能"在发送的同时接收并比较"。
★ 争用期（冲突窗口）
问题：A 发出的信号，最坏情况下要过多久才能确定"没有别人在和我撞"？
text
设单程传播时延 = t
最坏情形: A 在 t=0 开始发; B 的信号恰好在"即将到达 A"的最后一刻发出
(B 是在 t = t 的时刻才开始发的)
t=0 A 开始发送, 信号向 B 走
t≈t B 处的信号还非常弱(B 认为信道空闲), B 也开始发送
t=2t A 才收到 B 的信号 -> 此时 A 才发现冲突
----------
★ 结论: A 必须在"发完全部数据之前"收到可能的最晚冲突信号
-> 帧的发送时间 >= 2t★ 最小帧长公式（必背）：
其中
★ 锚点（本章定死）：
| 标准 | 数据率 | 争用期 | 最小帧长 | 等效字节数 |
|---|---|---|---|---|
| 10BASE-T | 10 Mbps | 51.2 μs | 512 bit | 64 B |
| 100BASE-TX | 100 Mbps | 5.12 μs | 512 bit | 64 B |
| 1000BASE（半双工） | 1000 Mbps | 4.096 μs（载波延伸） | 4096 bit | 512 B |
三条推论：
- 10 Mbps 以太网的争用期 51.2 μs（单程
- 100BASE-TX 把争用期缩短到 5.12 μs，才保住了 64 B 的最小帧——办法是"把最大网段从 2500 m 缩到 100 m"（速率提高 10 倍，网段缩短约 25 倍，两头一乘净缩）。
- 千兆以太网若要继续用 CSMA/CD，最小帧就得是 512 B——这显然不现实（短控制帧无法发送），所以千兆以太网用"载波延伸"（把帧补齐到 512 B 再发）或直接上全双工（全双工没有冲突，不需要 CSMA/CD）。
⚠️ "最小帧 64 B"与
net/20-framing.md的衔接：上一章说"以太网帧长 64 ~ 1518 B"，但没解释 64 为什么是 64——答案就在这里：。 上一章还把"数据不足 46 B 要填充"作为一条规则给出，现在这条规则的来历也清楚了： 。
冲突发生后的处理（三步）：
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① 立即停止发送数据
② 发送"人为干扰信号" (jamming signal)
★ 为什么要发干扰信号: 保证"线上所有人都知道发生了冲突"
否则远端的站可能收不到"被破坏的帧", 以为一切正常
③ 执行"截断二进制指数退避", 随机等一段时间后重试★ 截断二进制指数退避（Truncated Binary Exponential Backoff，BEB）
规则（必背）：
等待时间 =
★ 退避时隙表（锚点）：
| 第几次冲突 | 时隙数 | 平均等待 | 最大等待 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 ~ 1 | 2 | 25.6 μs（0.5 时隙） | 51.2 μs（1 时隙） |
| 2 | 2 | 0 ~ 3 | 4 | 76.8 μs（1.5） | 153.6 μs（3） |
| 3 | 3 | 0 ~ 7 | 8 | 179.2 μs（3.5） | 358.4 μs（7） |
| 4 | 4 | 0 ~ 15 | 16 | 384.0 μs（7.5） | 768.0 μs（15） |
| 5 | 5 | 0 ~ 31 | 32 | 793.6 μs（15.5） | 1587.2 μs（31） |
| 6 | 6 | 0 ~ 63 | 64 | 1612.8 μs（31.5） | 3225.6 μs（63） |
| 7 | 7 | 0 ~ 127 | 128 | 3251.2 μs（63.5） | 6502.4 μs（127） |
| 8 | 8 | 0 ~ 255 | 256 | 6528.0 μs（127.5） | 13056.0 μs（255） |
| 9 | 9 | 0 ~ 511 | 512 | 13081.6 μs（255.5） | 26163.2 μs（511） |
| 10 | 10 | 0 ~ 1023 | 1024 | 26188.8 μs（511.5） | 52377.6 μs（1023） |
| 11 ~ 15 | 仍为 10 | 0 ~ 1023 | 1024 | 同上（"截断"就是指这里） | 同上 |
| 16 | —— | 放弃 | —— | 丢弃该帧, 报告上层 | —— |
⚠️ 两个"截断"的确切含义：
的截断：重传次数超过 10 以后， 不再增长（恒为 10）——否则 会指数爆炸（第 16 次时 个时隙 = 3.36 s，重传延迟大得离谱）。 - 次数的截断：重传 16 次仍不成功就放弃——这是"防止某个站因为持续冲突而无限占用网络"，把失败上报给上层处理。
"时隙取
而不是别的值"的原因： 正好是"一个人能确定自己是否碰撞"的时间单位——等待整数个 ，等价于"大家按同一把尺子错开"。
★ 锚点（第 1 次冲突的平均等待 25.6 μs）：这就是"最低限度的退避时间"——冲突次数越多，退避的期望时间越长（第 10 次已到 26188.8 μs ≈ 26.2 ms），这正是"网络越拥挤、恢复越慢"的定量表现。
五、CSMA/CA：无线为什么不能"边听边说"
无线局域网（WLAN，IEEE 802.11）用的是 CSMA/CA（Collision Avoidance，冲突避免）——"避免"而不是"检测"，因为无线根本检测不了。
★ 无线不能用 CSMA/CD 的三个理由（必背）：
| 理由 | 说明 |
|---|---|
| ① 无法"边发边听" | 自己发送的信号强度远大于对方到达的信号——自己的信号会把自己的接收电路"淹没"，根本听不出冲突 |
| ② 隐蔽站问题（hidden station） | A 与 C 都在 B 的覆盖内，但彼此听不到——A 发时监听是"空闲"（因为听不到 C），C 也这么判断，于是"在 B 处撞车"，而 A、C 都不知道 |
| ③ 暴露站问题（exposed station） | B 在发，C 听到了（以为信道忙）而不发；但 C 发的对象 D 其实离 B 很远、完全不受影响——C 白白让出信道，效率损失 |
CSMA/CA 的"四件套"：
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① ACK 确认 —— 收不到 ACK 就认为"帧丢了或撞了", 超时重发
★ 这是"没有冲突检测"的必然替代: 检测不了冲突, 只能靠"事后确认"推断
② 帧间间隔 IFS —— 用不同的等待长短表达优先级
SIFS (短) < PIFS (中) < DIFS (长)
★ 等待越短优先级越高: ACK 用 SIFS, 所以它能抢在别人之前发出
③ 随机退避 —— 信道空闲后不立即发, 而是先随机退避一段时间
★ 这是"避免"而不是"检测": 在冲突发生前就把大家错开
④ RTS/CTS 可选 —— 发送方先发 RTS, 接收方回 CTS, 其他站听到 CTS 就闭嘴
★ 这是专门为解决"隐蔽站"设计的: CTS 由接收方发出, 覆盖范围内的所有站都能听到
★ 代价: 两次短帧的额外开销, 所以只对"长帧"才用 (阈值可调)
⑤ NAV (虚拟载波监听) —— 听到 RTS/CTS 里的"还要占用多久"字段, 就地记下,
期间即使物理上听不到任何信号, 也认为信道忙★ CSMA/CD 与 CSMA/CA 的对照（必背）：
| 对比项 | CSMA/CD | CSMA/CA |
|---|---|---|
| 全称后半个词 | Collision Detection（检测） | Collision Avoidance（避免） |
| 适用介质 | 有线（总线型以太网） | 无线（802.11 WLAN） |
| 冲突处理时机 | 冲突发生后立即停止 | 冲突发生前尽量错开 |
| 能否边发边听 | 能 | 不能（自己的信号淹没收信） |
| 是否有 ACK | 不需要（冲突已当场检测到） | 必须有（唯一能推断丢帧的手段） |
| 是否有退避 | 冲突后退避（二进制指数退避） | 发送前就退避（随机退避） |
| 是否有 RTS/CTS | 无 | 有（可选，解决隐蔽站） |
| 最小帧长约束 | 有（ | 无此约束 |
| 为什么 | "先听后发 + 边发边听" | "先听后发 + 冲突前退避 + 事后确认" |
⚠️ 一句话记住两者的本质差别：CD 是"撞了马上停"，CA 是"尽量别撞"——有线因为"能同时收自己发的信号"，所以可以检测；无线因为"收不到对方的弱信号"，只能避免。
⚠️ 一个极易混的点：CSMA/CA 也有"载波监听"（名字里的 Carrier Sense），它监听的既有物理载波，也有 NAV 这个"虚拟载波"——所以它其实有"两套耳朵"。
六、受控接入：轮询与令牌
| 方式 | 怎么做 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 轮询（polling） | 主站依次问各从站"有没有数据要发" | 无冲突；时延有上界 | 依赖主站；主站故障全网瘫痪；轮询本身有开销 |
| 令牌环（token ring） | 一个"令牌"在环上转，拿到令牌才能发 | 无冲突；重负载时效率高 | 令牌丢失/重复要处理；环断则全网断 |
| 令牌总线（token bus） | 总线拓扑 + 令牌逻辑环 | 兼顾总线成本与令牌的无冲突 | 逻辑环维护复杂 |
⚠️ "受控接入 vs 随机接入"的选择取决于负载：轻负载时随机接入更好（不用等令牌）；重负载时受控接入更好（不会冲突浪费）。 这就是"为什么令牌环在早期局域网里与以太网并存、最终又被以太网淘汰"——因为典型办公负载是突发的、轻的。
示例
例 1：C 实现——最小帧长与二进制指数退避
参数：单程传播时延
= 25.6 / 2.56 / 2.048 μs；数据率 10 / 100 / 1000 Mbps；1 时隙 = 51.2 μs（10 Mbps 下）；退避次数 1 ~ 10。
#include <stdio.h>
int main(void) {
int k, i;
printf("① CSMA/CD 最小帧长 = 争用期 2t x 数据率\n");
{
double tau[3] = {25.6, 2.56, 2.048}; /* 单程传播时延, 单位 us */
double rate[3] = {10.0, 100.0, 1000.0}; /* 数据率, 单位 Mbps */
const char *nm[3] = {"10BASE-T", "100BASE-TX", "1000BASE half-duplex"};
for (i = 0; i < 3; i++) {
double slot2 = 2.0 * tau[i]; /* 争用期 us */
double bits = slot2 * rate[i]; /* us x Mbps = bit */
printf(" %-20s 2t = %7.3f us, %6.0f Mbps -> Lmin = %6.0f bit = %6.1f B\n",
nm[i], slot2, rate[i], bits, bits / 8.0);
}
printf(" 10BASE-T 的 64 B 与 net/20 的\"最小帧 64 B\"是同一个数\n");
printf(" 1000 Mbps 靠\"载波延伸\"把等效争用期提到 4096 bit = 512 B\n");
}
printf("\n② 截断二进制指数退避: k = min(重传次数, 10), r 取 [0, 2^k-1], 时隙 = 51.2 us\n");
printf(" 冲突次数 | k | r 的取值范围 | 时隙数 | 平均等待(us) | 最大等待(us)\n");
for (k = 1; k <= 10; k++) {
int slots = 1 << k; /* 2^k 个时隙 */
printf(" 第 %2d 次 | %2d | 0 ~ %4d | %4d | %10.1f | %10.1f\n",
k, k, slots - 1, slots,
(slots - 1) / 2.0 * 51.2, (slots - 1) * 51.2);
}
printf(" 第 11~15 次: k 仍为 10 (这就是\"截断\"); 第 16 次: 放弃并报告上层\n");
return 0;
}
c 本站为静态站，不提供在线运行；可复制到本地用 gcc / python 执行
预期输出：
① CSMA/CD 最小帧长 = 争用期 2t x 数据率
10BASE-T 2t = 51.200 us, 10 Mbps -> Lmin = 512 bit = 64.0 B
100BASE-TX 2t = 5.120 us, 100 Mbps -> Lmin = 512 bit = 64.0 B
1000BASE half-duplex 2t = 4.096 us, 1000 Mbps -> Lmin = 4096 bit = 512.0 B
10BASE-T 的 64 B 与 net/20 的"最小帧 64 B"是同一个数
1000 Mbps 靠"载波延伸"把等效争用期提到 4096 bit = 512 B
② 截断二进制指数退避: k = min(重传次数, 10), r 取 [0, 2^k-1], 时隙 = 51.2 us
冲突次数 | k | r 的取值范围 | 时隙数 | 平均等待(us) | 最大等待(us)
第 1 次 | 1 | 0 ~ 1 | 2 | 25.6 | 51.2
第 2 次 | 2 | 0 ~ 3 | 4 | 76.8 | 153.6
第 3 次 | 3 | 0 ~ 7 | 8 | 179.2 | 358.4
第 4 次 | 4 | 0 ~ 15 | 16 | 384.0 | 768.0
第 5 次 | 5 | 0 ~ 31 | 32 | 793.6 | 1587.2
第 6 次 | 6 | 0 ~ 63 | 64 | 1612.8 | 3225.6
第 7 次 | 7 | 0 ~ 127 | 128 | 3251.2 | 6502.4
第 8 次 | 8 | 0 ~ 255 | 256 | 6528.0 | 13056.0
第 9 次 | 9 | 0 ~ 511 | 512 | 13081.6 | 26163.2
第 10 次 | 10 | 0 ~ 1023 | 1024 | 26188.8 | 52377.6
第 11~15 次: k 仍为 10 (这就是"截断"); 第 16 次: 放弃并报告上层⚠️ 三点说明：
- 本机无 C 编译器：此段代码逐行人工审查，并用等价的 Python 实现实跑核对，输出 20 行逐字一致。
- 单位换算的巧合要看懂："μs × Mbps"恰好等于 "bit"（
%-14.1f排在最后一列：C 的printf对数字字段的宽度补空格是安全的（数字是 ASCII）——但如果哪一列要放中文，%-Ns会按字节补齐而错位（见net/20-framing.md的说明）。
例 2：Python——ALOHA 吞吐率、退避表与冲突域
import math
def pad(s, w):
"""按"显示宽度"补空格: 中文算 2 列, 否则终端里对不齐"""
return s + ' ' * max(0, w - sum(2 if ord(c) > 0x2000 else 1 for c in s))
print('=== ① 介质访问控制的两大类 ===')
print(' ' + pad('类别', 18) + pad('代表方法', 30) + '特点')
for a, b, c in [('静态划分信道', 'FDM / TDM / CDM / WDM', '不冲突, 但低负载时严重浪费'),
('随机接入', 'ALOHA / CSMA / CSMA-CD / CA', '可能冲突, 轻负载效率高'),
('受控接入', '轮询 / 令牌环 / 令牌总线', '不冲突, 时延有上界, 需控制点')]:
print(' ' + pad(a, 18) + pad(b, 30) + c)
print()
print('=== ② ALOHA 吞吐率: 纯 ALOHA 上限 18.4%, 时隙 ALOHA 上限 36.8% ===')
print(' 纯 ALOHA: S = G e^(-2G) (脆弱期 2 个帧时); 时隙 ALOHA: S = G e^(-G) (脆弱期 1 个)')
print(' ' + pad('负载 G', 10) + pad('纯 ALOHA', 14) + pad('时隙 ALOHA', 14) + '更优者')
for G in [0.1, 0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0]:
sp = G * math.exp(-2 * G)
ss = G * math.exp(-G)
print(' ' + pad('%.2f' % G, 10) + pad('%.4f' % sp, 14) + pad('%.4f' % ss, 14)
+ '时隙 ALOHA' + (' <- 纯 ALOHA 的最优点' if G == 0.5 else
(' <- 时隙 ALOHA 的最优点' if G == 1.0 else '')))
best_p = max(((g / 1000.0, (g / 1000.0) * math.exp(-2 * g / 1000.0)) for g in range(10, 3001)),
key=lambda t: t[1])
best_s = max(((g / 1000.0, (g / 1000.0) * math.exp(-g / 1000.0)) for g in range(10, 3001)),
key=lambda t: t[1])
print(' 纯 ALOHA 最大 %.4f 出现在 G = %.3f (理论值 1/(2e) = %.4f)'
% (best_p[1], best_p[0], 1 / (2 * math.e)))
print(' 时隙 ALOHA 最大 %.4f 出现在 G = %.3f (理论值 1/e = %.4f)'
% (best_s[1], best_s[0], 1 / math.e))
print(' ★ 时隙化把脆弱期从 2 个帧时缩到 1 个, 于是最优吞吐率刚好翻倍')
print()
print('=== ③ CSMA 三种坚持策略 ===')
print(' ' + pad('策略', 16) + pad('听到空闲', 24) + pad('听到忙', 26) + '冲突概率')
for a, b, c, d in [('1-坚持', '立刻发(概率 1)', '一直听, 一空就发', '最高'),
('非坚持', '立刻发', '随机等一段再重新听', '较低'),
('p-坚持', '以概率 p 发', '等到下一时隙再判断', '可调(p 越小越低)')]:
print(' ' + pad(a, 16) + pad(b, 24) + pad(c, 26) + d)
print(' ★ 1-坚持利用率高但冲突最多; 非坚持冲突少但可能白等; p-坚持是折中')
print()
print('=== ④ CSMA/CD 最小帧长 = 2t x C ===')
print(' ' + pad('标准', 26) + pad('数据率', 12) + pad('争用期 2t', 14) + pad('最小帧长', 16) + '等效字节')
for nm, tau, rate in [('10BASE-T', 25.6, 10.0), ('100BASE-TX', 2.56, 100.0),
('1000BASE half-duplex', 2.048, 1000.0)]:
s2 = 2 * tau
bits = s2 * rate
print(' ' + pad(nm, 26) + pad('%.0f Mbps' % rate, 12) + pad('%.3f us' % s2, 14)
+ pad('%.0f bit' % bits, 16) + '%.1f B' % (bits / 8))
print(' ★ 100 Mbps 把争用期缩到 5.12 us (网段 2500 m -> 100 m), 才保住 64 B')
print(' ★ 千兆半双工用载波延伸把等效争用期提到 4096 bit = 512 B')
print()
print('=== ⑤ 截断二进制指数退避 (1 时隙 = 51.2 us) ===')
print(' ' + pad('第几次冲突', 12) + pad('k', 6) + pad('r 范围', 14) + pad('时隙数', 10)
+ pad('平均等待', 16) + '最大等待')
for k in range(1, 11):
slots = 1 << k
print(' ' + pad('第 %d 次' % k, 12) + pad(str(k), 6) + pad('0 ~ %d' % (slots - 1), 14)
+ pad(str(slots), 10) + pad('%.1f us' % ((slots - 1) / 2.0 * 51.2), 16)
+ '%.1f us' % ((slots - 1) * 51.2))
print(' 第 11~15 次: k 仍为 10; 第 16 次: 放弃该帧并报告上层')
print(' ★ 第 1 次平均只等 25.6 us, 第 10 次平均要等 26188.8 us —— 越挤恢复越慢')
print()
print('=== ⑥ CSMA/CD 与 CSMA/CA 对照 ===')
print(' ' + pad('对比项', 22) + pad('CSMA/CD', 30) + 'CSMA/CA')
for a, b, c in [('后半词含义', 'Collision Detection 检测', 'Collision Avoidance 避免'),
('适用介质', '有线总线型以太网', '无线 802.11 WLAN'),
('处理时机', '冲突发生后立即停止', '冲突发生前尽量错开'),
('能否边发边听', '能', '不能(自己的信号淹没收信)'),
('是否需要 ACK', '不需要', '必须有(唯一能推断丢帧的手段)'),
('退避时机', '冲突后退避', '发送前就退避'),
('RTS/CTS', '无', '有(可选, 解决隐蔽站)'),
('最小帧长约束', '有 (2t x C)', '无此约束')]:
print(' ' + pad(a, 22) + pad(b, 30) + c)
print()
print('=== ⑦ 冲突域与广播域 (设备归属判据: 这个设备看得懂哪种地址) ===')
print(' ' + pad('设备', 12) + pad('工作层', 12) + pad('隔离冲突域', 18) + '隔离广播域')
for a, b, c, d in [('集线器', '物理层', '不能', '不能'),
('交换机', '链路层', '能(每端口一个)', '不能(除非划 VLAN)'),
('路由器', '网络层', '能', '能')]:
print(' ' + pad(a, 12) + pad(b, 12) + pad(c, 18) + d)
print(' 例: 1 台交换机 3 个端口各接 1 台集线器, 每台集线器接 4 台主机')
print(' 冲突域 = 3 个(每台集线器算 1 个), 广播域 = 1 个, 主机数 = 12')
print(' ★ 集线器内部是"一个冲突域"; 交换机每个端口各是一个冲突域')
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输出对照（真实运行结果）：
=== ① 介质访问控制的两大类 ===
类别 代表方法 特点
静态划分信道 FDM / TDM / CDM / WDM 不冲突, 但低负载时严重浪费
随机接入 ALOHA / CSMA / CSMA-CD / CA 可能冲突, 轻负载效率高
受控接入 轮询 / 令牌环 / 令牌总线 不冲突, 时延有上界, 需控制点
=== ② ALOHA 吞吐率: 纯 ALOHA 上限 18.4%, 时隙 ALOHA 上限 36.8% ===
纯 ALOHA: S = G e^(-2G) (脆弱期 2 个帧时); 时隙 ALOHA: S = G e^(-G) (脆弱期 1 个)
负载 G 纯 ALOHA 时隙 ALOHA 更优者
0.10 0.0819 0.0905 时隙 ALOHA
0.25 0.1516 0.1947 时隙 ALOHA
0.50 0.1839 0.3033 时隙 ALOHA <- 纯 ALOHA 的最优点
1.00 0.1353 0.3679 时隙 ALOHA <- 时隙 ALOHA 的最优点
1.50 0.0747 0.3347 时隙 ALOHA
2.00 0.0366 0.2707 时隙 ALOHA
纯 ALOHA 最大 0.1839 出现在 G = 0.500 (理论值 1/(2e) = 0.1839)
时隙 ALOHA 最大 0.3679 出现在 G = 1.000 (理论值 1/e = 0.3679)
★ 时隙化把脆弱期从 2 个帧时缩到 1 个, 于是最优吞吐率刚好翻倍
=== ③ CSMA 三种坚持策略 ===
策略 听到空闲 听到忙 冲突概率
1-坚持 立刻发(概率 1) 一直听, 一空就发 最高
非坚持 立刻发 随机等一段再重新听 较低
p-坚持 以概率 p 发 等到下一时隙再判断 可调(p 越小越低)
★ 1-坚持利用率高但冲突最多; 非坚持冲突少但可能白等; p-坚持是折中
=== ④ CSMA/CD 最小帧长 = 2t x C ===
标准 数据率 争用期 2t 最小帧长 等效字节
10BASE-T 10 Mbps 51.200 us 512 bit 64.0 B
100BASE-TX 100 Mbps 5.120 us 512 bit 64.0 B
1000BASE half-duplex 1000 Mbps 4.096 us 4096 bit 512.0 B
★ 100 Mbps 把争用期缩到 5.12 us (网段 2500 m -> 100 m), 才保住 64 B
★ 千兆半双工用载波延伸把等效争用期提到 4096 bit = 512 B
=== ⑤ 截断二进制指数退避 (1 时隙 = 51.2 us) ===
第几次冲突 k r 范围 时隙数 平均等待 最大等待
第 1 次 1 0 ~ 1 2 25.6 us 51.2 us
第 2 次 2 0 ~ 3 4 76.8 us 153.6 us
第 3 次 3 0 ~ 7 8 179.2 us 358.4 us
第 4 次 4 0 ~ 15 16 384.0 us 768.0 us
第 5 次 5 0 ~ 31 32 793.6 us 1587.2 us
第 6 次 6 0 ~ 63 64 1612.8 us 3225.6 us
第 7 次 7 0 ~ 127 128 3251.2 us 6502.4 us
第 8 次 8 0 ~ 255 256 6528.0 us 13056.0 us
第 9 次 9 0 ~ 511 512 13081.6 us 26163.2 us
第 10 次 10 0 ~ 1023 1024 26188.8 us 52377.6 us
第 11~15 次: k 仍为 10; 第 16 次: 放弃该帧并报告上层
★ 第 1 次平均只等 25.6 us, 第 10 次平均要等 26188.8 us —— 越挤恢复越慢
=== ⑥ CSMA/CD 与 CSMA/CA 对照 ===
对比项 CSMA/CD CSMA/CA
后半词含义 Collision Detection 检测 Collision Avoidance 避免
适用介质 有线总线型以太网 无线 802.11 WLAN
处理时机 冲突发生后立即停止 冲突发生前尽量错开
能否边发边听 能 不能(自己的信号淹没收信)
是否需要 ACK 不需要 必须有(唯一能推断丢帧的手段)
退避时机 冲突后退避 发送前就退避
RTS/CTS 无 有(可选, 解决隐蔽站)
最小帧长约束 有 (2t x C) 无此约束
=== ⑦ 冲突域与广播域 (设备归属判据: 这个设备看得懂哪种地址) ===
设备 工作层 隔离冲突域 隔离广播域
集线器 物理层 不能 不能
交换机 链路层 能(每端口一个) 不能(除非划 VLAN)
路由器 网络层 能 能
例: 1 台交换机 3 个端口各接 1 台集线器, 每台集线器接 4 台主机
冲突域 = 3 个(每台集线器算 1 个), 广播域 = 1 个, 主机数 = 12
★ 集线器内部是"一个冲突域"; 交换机每个端口各是一个冲突域七条结论：
- 两大类方法的选择取决于负载：静态划分不冲突但低负载浪费；随机接入轻负载高效但会冲突——计算机通信是突发的，所以局域网一律选随机接入。
- ★ ALOHA 的两个上限：纯 ALOHA 最大吞吐率
- CSMA 的三种坚持各有取舍：1-坚持冲突最多但利用率高；非坚持冲突少但可能白等；p-坚持用概率折中。
- ★ 最小帧长锚点：10BASE-T 的
- ★ 退避锚点：第 1 次冲突平均等 25.6 μs（0.5 时隙），第 10 次平均等 26188.8 μs（511.5 时隙）——相差 1023 倍，"越拥挤恢复越慢"。
- CSMA/CA 用"四件套"替代"冲突检测"：ACK（推断丢帧）+ IFS（优先级）+ 随机退避（提前错开）+ RTS/CTS（解决隐蔽站）——因为无线"边发边听"根本做不到。
- 冲突域与广播域看设备懂哪种地址：集线器（物理层）都不能隔离；交换机（链路层）隔离冲突域不隔离广播域；路由器（网络层）两者都隔离——锚点例：1 台交换机 + 3 台集线器 + 12 台主机 → 冲突域 3 个、广播域 1 个。
考点
考点
1. 必背结论
- 介质访问控制的两大类：静态划分信道（FDM/TDM/CDM/WDM）与动态接入（随机接入 + 受控接入）。
- 随机接入四兄弟：ALOHA → 时隙 ALOHA → CSMA → CSMA/CD（有线）/ CSMA/CA（无线）。
- ★ ALOHA 两个上限：纯 ALOHA
- 纯 ALOHA 的脆弱期是 2 个帧时，时隙 ALOHA 是 1 个——这是两者吞吐率差一倍的原因。
- CSMA 三种坚持：1-坚持（冲突最多、利用率高）/ 非坚持（冲突少、可能白等）/ p-坚持（折中，
- CSMA/CD 的三要素：载波监听 + 多点接入 + 冲突检测。
- ★ 争用期：
- ★ 最小帧长：
- ★ 锚点：10BASE-T：
- 冲突后的三步：立即停发 → 发人为干扰信号（jamming）→ 二进制指数退避。
- ★ 为什么发人为干扰信号：保证线上所有站都能感知到冲突（否则远端站可能误以为收到了完好的帧）。
- ★ 截断二进制指数退避：
- ★ 退避锚点：第 1 次平均 0.5 时隙 = 25.6 μs、最大 1 时隙 = 51.2 μs；第 10 次平均 511.5 时隙 = 26188.8 μs、最大 1023 时隙 = 52377.6 μs。
- "截断"的两重含义：
- ★ 无线不能用 CSMA/CD 的三个理由：无法边发边听（自己的信号淹没收信）/ 隐蔽站问题 / 暴露站问题。
- CSMA/CA 的四件套：ACK 确认 / 帧间间隔 IFS（SIFS < PIFS < DIFS）/ 随机退避 / RTS-CTS（可选）；另有 NAV 虚拟载波监听。
- 受控接入：轮询 / 令牌环 / 令牌总线——无冲突、时延有界，但依赖控制点。
- 冲突域/广播域的判据：看设备"看得懂哪种地址"——集线器（物理层）都不隔离；交换机（链路层）隔离冲突域不隔离广播域；路由器（网络层）都隔离。
2. 高频陷阱
- 纯 ALOHA 的上限记成 36.8%：错。纯 ALOHA 是 18.4%（
- 认为"时隙 ALOHA 与纯 ALOHA 的差别只是同步"：不完整。关键差别是"脆弱期从 2 个帧时缩到 1 个"——同步只是手段，脆弱期减半才是吞吐率翻倍的原因。
- 最小帧长公式写成
- 把争用期说成"单程传播时延"：错。争用期 = 往返传播时延
- 把 51.2 μs 当"帧的发送时间"：错。它是争用期（往返传播时延）；"最小帧 64 B 的发送时间"恰好也等于 51.2 μs——两者数值相同但物理含义不同，这是本题最妙的巧合。
- 认为"100 Mbps 以太网的最小帧变大了"：错。仍是 64 B——办法是缩短网段（2500 m → 100 m）把争用期压到 5.12 μs。
- 认为"千兆以太网没有 CSMA/CD"：不准确。半双工千兆仍用 CSMA/CD，但需要"载波延伸"（帧补到 512 B）；全双工模式才不需要 CSMA/CD。
- 二进制指数退避里
- 退避时隙写成"
- 认为"冲突后可以立即重发"：错。必须等"人为干扰信号"发完 + 随机退避——立即重发会与对方再次相撞。
- 把 CSMA/CA 的 A 理解成 "ACK"：错。CA = Collision Avoidance（冲突避免）——虽然它确实需要 ACK，但名字的来源不是 ACK。
- 认为"CSMA/CA 也做冲突检测"：错。它检测不了（自己的信号淹没收信），只能"避免 + 事后确认"。
- 把"隐蔽站"与"暴露站"说反：隐蔽站 = 双方都听不到对方却在中间站相撞（该避免却不知道）；暴露站 = 明明不会撞却白白让出信道（不该让却让了）。
- 认为"交换机隔离广播域"：错。交换机只隔离冲突域；隔离广播域要靠路由器或 VLAN。
- 认为"集线器的每个端口是一个冲突域"：错。集线器工作在物理层，整台设备（所有端口）同属一个冲突域。
3. 解题模板（"介质访问控制计算题"）
① 先辨场景: 有线(总线以太网) -> CSMA/CD; 无线(WLAN) -> CSMA/CA
② 最小帧长: Lmin = 2t x C
给"网段长度 L、传播速率 v" -> t = L / v, 2t = 2L / v
给"数据率 C" -> Lmin(bit) = 2t(us) x C(Mbps)
锚点: 51.2 us x 10 Mbps = 512 bit = 64 B
反求: 若最小帧已知, 可反推最大网段 -> 这是"为什么 100 Mbps 网段只有 100 m"
③ ALOHA 吞吐: 纯 S = G e^(-2G) 上限 18.4%; 时隙 S = G e^(-G) 上限 36.8%
④ 退避题: k = min(次数, 10)
r 取 [0, 2^k - 1]; 平均 = (2^k - 1)/2 个时隙; 最大 = (2^k - 1) 个时隙
1 个时隙 = 2t = 51.2 us(10 Mbps)
⑤ 冲突域/广播域: 问一句"这个设备看得懂哪种地址"
集线器 -> 不隔离任何域; 交换机 -> 隔离冲突域; 路由器 -> 都隔离
计数法: 每个交换机的端口 = 1 个冲突域; 每台集线器整机 = 1 个冲突域
⑥ 判断题出现"无线"就先想: 边发边听做不到 -> 必然有 ACK + 退避4. 与相邻章节的接口
net/20-framing.md（封装成帧）："以太网最小帧 64 B"与"数据不足 46 B 要填充"整条结论在本章被推导出来——上一章只给了数，本章给了理由。net/22-window.md（滑动窗口）：上一章的"超时重传 + 序号"解决"帧丢了"；本章解决"帧撞了"——两者的共同点是"都要随机化重试时机以免再次冲突"（一个靠超时定时器，一个靠二进制指数退避）。net/24-ethernet.md（以太网）：下一章是本章的"工程落地版"——帧格式、MAC 地址、交换机自学习、冲突域计数都在那一章展开；本章的"64 B 最小帧"到那里变成"帧长合法性检查"。net/10-physical.md（物理层）："10BASE-T 用曼彻斯特编码、需 20 MHz 带宽"是上一章的结论；本章的"10 Mbps / 100 m / 双绞线"与它是同一套工程参数。net/44-congestion.md（TCP 拥塞控制）："网络拥挤时退避"这件事在链路层靠二进制指数退避，在传输层靠慢开始与拥塞窗口——两层在做同一件事：把"过载"变成"降速"。os/12-sync.md（同步与互斥）："多个站抢一条信道"与"多个进程抢一个临界资源"是同一个问题——CSMA 的"先听后发"对应"进入区检查"，"退避"对应"等待后重试"，"冲突检测"对应"发现并回滚"。os/11-scheduling.md（处理机调度）："1-坚持/非坚持/p-坚持"与"抢占/非抢占/时间片"是同一类策略取舍——都在"利用率"与"公平/冲突"之间做权衡。
小结
- 介质访问控制 = 共享信道的发言规则；两大类：静态划分信道与动态接入（随机接入 + 受控接入）。
- ★ ALOHA 上限：纯 ALOHA 18.4%（
- CSMA 三种坚持：1-坚持（冲突多、效率高）/ 非坚持（冲突少、可能白等）/ p-坚持（折中）。
- CSMA/CD 三要素：载波监听 + 多点接入 + 冲突检测；冲突后：立即停发 → 发干扰信号 → 二进制指数退避。
- ★ 最小帧长：
- ★ 截断二进制指数退避：
- ★ 无线不用 CSMA/CD 的三个理由：边发边听做不到 / 隐蔽站 / 暴露站；CSMA/CA 用 ACK + IFS + 随机退避 + RTS-CTS（+ NAV）代替冲突检测。
- 受控接入：轮询 / 令牌环 / 令牌总线——不冲突但依赖控制点。
- 冲突域/广播域：集线器都不隔离；交换机隔离冲突域；路由器两者都隔离（锚点例：3 台集线器接 1 台交换机 → 冲突域 3、广播域 1）。
下一篇：以太网与交换机
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