【计算机网络】数据链路层 : 信道划分 介质访问控制 ( 数据链路 | 介质访问控制分类 | 频分多路复用 FDM | 时分多路复用 TDM | 波分复用 WDM | 码分多路复用 CDM 计算 )★

一、 传输数据的两种链路

传输数据的两种链路 :

① 点对点链路 : 两个 相邻 节点 , 通过 单一 链路 连接 , 第三方 无法收到任何信息 ;

• 应用场景 : PPP 协议 , 广域网 ;

② 广播式链路 : 链路上所有主机 共享 通信介质 ;

• 应用场景 : 局域网 ;
• 拓扑结构 : 总线型 , 星型 ;

链路层 解决 在 广播式链路中 , 两台主机之间的通信不会相互干扰 , 解决上述问题的机制就是 介质访问控制 ;

二、 介质访问控制

介质访问控制 : 使 广播网络 中 , 两个节点之间的通信不会发生干扰的措施 ; 可以划分为以下两种类型 :

• 静态划分信道
• 动态划分信道

静态划分信道 : 信道划分 介质访问控制 ;

① 频分多路复用 FDM ( Frequency )

② 时分多路复用 TDM ( Time )

③ 波分多路复用 WDM ( Wave )

④ 码分多路复用 CDM ( Code )

动态分配信道 :

① 轮询访问 介质访问控制 : 令牌环传递协议 ;

② 随机访问 介质访问控制 :

• ALOHA 协议
• CSMA 协议
• CSMA / CD 协议
• CSMA / CA 协议

三、 信道划分 介质访问控制

信道划分 介质访问控制 : 将 使用通信介质 的 每个设备 与 其它设备的通信隔离开 , 将 时域资源 和 频域资源 合理地 分配给网络上的设备 ;

多路复用技术 : 将 多个 信号 组合在一个 信道上进行传输 , 多个计算机共享信道资源 , 提高信道利用率 ;

将 广播信道 , 从哪个逻辑上划分成 若干条 两个节点之间通信的 互不干扰的 信道 ;

本质是 将 广播信道 转换为 点对点信道 ;

四、 频分多路复用 FDM

频分多路复用 FDM :

① 一直持有频带 : 用户 分配到 频带 后 , 通信过程中 一直占用该 频带 ;

② 频率带宽资源 ( Hz ) : 频分复用 所有用户 , 同样式样 占用 不同的 频率带宽 资源 , 频率带宽是 赫兹 单位 ;

频分多路复用 FDM 优点 :

① 效率高 : 充分利用 介质 带宽 , 传输 效率 较高 ;

② 实现简单 : 该技术比较成熟 , 实现简单 ;

五、 时分多路复用 TDM

时分多路复用 TDM :

① 划分等长帧 : 将 时间 划分为 若干 等长 的 时分复用帧 ( TDM 帧 ) ;

② TDM 帧 : 是在 物理层 传送的 比特流 所划分的帧 , 标志一个周期 ;

③ 固定时隙 : 每个 时分复用 用户 , 在每个 TDM 帧 中 , 占用 固定序号的时隙 ;

④ 轮流使用 : 所有用户 轮流 占用信道 ;

整个信道的速率是 8000 比特 / 秒 , 如果将信道划分为 4 4 4 个 TDM 帧 , 那么每个用户的速率最高是 2000 比特 / 秒 ;

六、 统计时分复用 STDM

统计时分复用 STDM :

① 划分不等长帧 : 将 时间 划分为 若干 不等长 的 统计时分复用帧 ( STDM 帧 ) ;

② STDM 帧 个数 : 每个 STDM 帧 时隙个数 小于 集中器上的用户数 ;

③ 输入缓存 : 用户需要 发送数据 时 , 将数据发送到 集中器的输入缓存 中 ;

④ 输入缓存 -> STDM 帧 : 集中器 按照 顺序 扫描 输入缓存 , 将 输入缓存 中的数据 , 输入到 STDM 帧中 ;

⑤ 发送时机 : STDM 帧 放满数据 , 就发送 ;

⑥ STDM 帧 分配时隙 机制 : STDM 帧 分配时隙 不是固定的 , 而是动态按序分配时隙 ;

七、 波分复用 WDM

波分复用 WDM :

① 本质 : 光的 频分多路复用 ;

② 不同波长光 : 在光纤中 , 传输 多种 不同 波长的 光信号 , 波长不同 , 各路光信号互不干扰 ;

③ 分离信号 : 使用 波长分解复用器 将 各路播放分解出来 ;

八、 码分多路复用 CDM

码分多址 ( CDMA ) 是 码分多路复用 CDM 的一种重要形式 ;

1 1 1 个 比特 分为 多个 码片 ( 芯片 ) , 每个站点被指定一个唯一的 m m m 位 芯片序列 ;

发送 1 1 1 时 , 站点发送 芯片序列 , 发送 0 0 0 时 , 站点发送 芯片序列 反码 ;

A , B A , B A,B 两个主机 , 发送数据到 C C C 主机 ;

主机 A A A 发送 0 0 0 数据 , 主机 B B B 发送 1 1 1 数据 , 其发送的每个 比特 , 都对应一个 m m m 位的 芯片序列 , 一般情况下 芯片序列的长度是 64 64 64 或 128 128 128 位 , 这里为了方便演示 , 设置芯片序列 长度为 8 8 8 位 ;

数据不冲突 前提 ( 芯片序列正交 ) : 多个站点 , 同时发出数据时 , 各个站点 , 芯片序列 必须满足 相互正交 的前提 ; 只要芯片正交 , 就不会出现冲突 ;

芯片序列正交 计算 : 芯片序列 对应位 相乘 , 然后相加 , 除以总位数 ;

数据合并 : 将信道中的 芯片序列 按位 线性相加 , 合并后的芯片序列位数相同 ;

数据分离 : 合并的数据 和 源站芯片序列 规格化内积 ;

规格化内积计算 : 合并后的数据 与 源站芯片序列 , 按位相乘 , 再相加 , 最后除以 芯片序列位数 , 如果得到 + 1 +1 +1 说明是数据 1 1 1 , 如果得到 − 1 -1 −1 说明是数据 0 0 0 ;

芯片序列 与 芯片序列 反码 :

A A A 主机中的 1 1 1 数据 , 对应 芯片序列 ( + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 , + 1 , − 1 ) ( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 ) (+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1) ; A A A 主机中的 0 0 0 数据 , 对应 芯片序列 ( − 1 , + 1 , + 1 , − 1 , − 1 , − 1 , − 1 , + 1 ) ( -1 , +1 , +1 , -1 , -1 , -1 , -1 , +1 ) (−1,+1,+1,−1,−1,−1,−1,+1) , 0 0 0 数据的芯片序列是 1 1 1 数据芯片序列的反码 ;

B B B 主机中的 1 1 1 数据 , 对应 芯片序列 ( − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 ) ( -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , +1 , +1 ) (−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1) ; B B B 主机中的 0 0 0 数据 , 对应 芯片序列 ( + 1 , − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) ( +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , -1 , -1 ) (+1,−1,+1,−1,+1,−1,−1,−1) , 0 0 0 数据的芯片序列是 1 1 1 数据芯片序列的反码 ;

芯片序列正交 验证 计算 : 如果 A , B A,B A,B 两台主机之间的芯片序列可以正交 , 那么其发送数据就不会冲突 ;

主机 A A A 的 1 1 1 数据 芯片序列 ( + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 , + 1 , − 1 ) ( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 ) (+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1) , 与 主机 B B B 中 1 1 1 数据 芯片序列 ( − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 ) ( -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , +1 , +1 ) (−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1) 正交 ;

正交计算 : 每个对应位 按位相乘 , 然后相加 , 除以位数 ; 如果为 0 0 0 , 说明两个芯片序列正交 ;

( + 1 × − 1 ) + ( − 1 × + 1 ) + ( − 1 × − 1 ) + ( + 1 × + 1 ) + ( + 1 × − 1 ) + ( + 1 × + 1 ) + ( + 1 × + 1 ) + ( − 1 × + 1 ) 8 = − 1 + ( − 1 ) + 1 + 1 + ( − 1 ) + 1 + 1 + ( − 1 ) 8 = 0 \begin{array}{lcl} \\\\ \cfrac{( +1 \times -1 ) + ( -1 \times +1 ) + ( -1 \times -1 ) + ( +1 \times +1 ) + ( +1 \times -1 ) + ( +1 \times +1 ) + ( +1 \times +1 ) + ( -1 \times +1 ) }{8} \\\\ =\cfrac{-1 + (-1) + 1 + 1 + (-1) + 1 + 1 + (-1)}{8} \\\\ = 0 \end{array} 8(+1×−1)+(−1×+1)+(−1×−1)+(+1×+1)+(+1×−1)+(+1×+1)+(+1×+1)+(−1×+1)​=8−1+(−1)+1+1+(−1)+1+1+(−1)​=0​

数据合并 : 将 芯片数据 线性相加即可 ;

A A A 主机发送 0 0 0 数据 , B B B 主机发送 1 1 1 数据 , 那么对应的合并的数据是 :

A A A 主机 0 0 0 数据对应芯片序列 ( − 1 , + 1 , + 1 , − 1 , − 1 , − 1 , − 1 , + 1 ) ( -1 , +1 , +1 , -1 , -1 , -1 , -1 , +1 ) (−1,+1,+1,−1,−1,−1,−1,+1) B B B 主机 1 1 1 数据对应芯片序列 ( − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 ) ( -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , +1 , +1 ) (−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1)

( − 1 − 1 , + 1 + 1 , + 1 − 1 , − 1 + 1 , − 1 − 1 , − 1 + 1 , − 1 + 1 , + 1 + 1 ) = ( − 2 , + 2 , 0 , 0 , − 2 , 0 , 0 , + 2 ) \begin{array}{lcl} \\\\ ( -1 -1 , +1 + 1, +1 - 1 , -1 + 1, -1 - 1, -1 + 1, -1 + 1 , +1 + 1) \\\\ =( -2 , +2 , 0, 0 , -2, 0 , 0 , +2) \end{array} (−1−1,+1+1,+1−1,−1+1,−1−1,−1+1,−1+1,+1+1)=(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)​

数据分离 :

C C C 设备收到 ( − 2 , + 2 , 0 , 0 , − 2 , 0 , 0 , + 2 ) ( -2 , +2 , 0, 0 , -2, 0 , 0 , +2) (−2,+2,0,0,−2,0,0,+2) 芯片序列 , 将该序列与 A A A 主机 芯片序列 进行 规格化内积 ;

规格化内积 : 对应位相乘 , 求总和 , 然后除以 芯片序列 总的位数 8 8 8 ;

规格化内积 计算过程 : 对应位相乘 , 然后将 8 8 8 个相乘结果相加 , 最后除以 8 8 8 ;

主机 A A A 芯片序列是 ( + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 , + 1 , − 1 ) ( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 ) (+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1) ;

规 格 化 内 积 = ( − 2 , + 2 , 0 , 0 , − 2 , 0 , 0 , + 2 ) ∙ ( + 1 , − 1 , − 1 , + 1 , + 1 , + 1 , + 1 , − 1 ) = ( − 2 × + 1 ) + ( + 2 × − 1 ) + ( 0 × − 1 ) + ( 0 × + 1 ) + ( − 2 × + 1 ) + ( 0 × + 1 ) + ( 0 × + 1 ) + ( + 2 × − 1 ) 8 = − 2 − 2 + 0 + 0 − 2 + 0 + 0 + − 2 8 = − 1 \begin{array}{lcl} \\\\ 规格化内积 = ( -2 , +2 , 0, 0 , -2, 0 , 0 , +2) \bullet ( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 ) \\\\ = \cfrac{ ( -2 \times +1) + ( +2 \times -1) + ( 0 \times -1) + ( 0 \times +1) + ( -2 \times +1) + ( 0 \times +1) + ( 0 \times +1) + ( +2 \times -1) }{8} \\\\ = \cfrac{ -2 - 2 + 0+0 - 2 +0 + 0+ - 2 }{8} \\\\ = -1 \end{array} 规格化内积=(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)∙(+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1)=8(−2×+1)+(+2×−1)+(0×−1)+(0×+1)+(−2×+1)+(0×+1)+(0×+1)+(+2×−1)​=8−2−2+0+0−2+0+0+−2​=−1​

计算结果是 − 1 -1 −1 , 说明 主机 A A A 发送的数据是 0 0 0 ;