多路访问协议

41.1先从一个例子理解概念

几台设备共享一个信道，都想发送。如果同时发送互相影响，就需要决定谁何时能用它；独享链路的情形则不同。

共享介质与碰撞

共享介质让多个发送者竞争同一传输资源；碰撞是同时发送导致相关接收失败的情形。不是所有以太网连接都处于这种共享、半双工场景。

多路访问协议

多路访问协议协调共享资源使用，可能划分时间或频率、随机竞争，也可能轮流授权。不同方法在负载、开销和等待时间上有取舍。

41.2问题的由来：共享介质

前面几个模块讲的转发都是点对点的：一个包从 A 传到 B，中间没有别人插嘴。

但链路层面对的常常是"广播链路" —— 多台设备挂在同一段介质上：

    ┌──────┬──────┬──────┬──────┐
    │  A   │  B   │  C   │  D   │
    └──┬───┴──┬───┴──┬───┴──┬───┘
       └──────┴──────┴──────┘
          共享的同一条介质

问题是物理性的：如果 A 和 B 同时发送，两个信号会在介质上叠加、互相破坏。这不是"效率降低"，而是双方的数据都变成垃圾。

所以必须有一套规则：谁在什么时候可以发。这就是多路访问协议要解决的问题。

41.3三类思路

所有多路访问协议可以归成三类：

下面逐个看。

41.4第一类：信道划分

把共享的资源切成几份，每台设备固定分到一份。

前两种很直观，第三种（CDMA）值得说一句：它让所有站同时、同频段发送，靠正交的编码把不同站的数据分开。这看起来违反直觉 —— 但正因为所有站都能用全部资源，它在负载满时效率不降（而 TDMA/FDMA 在分到的份内没事可做时就是浪费）。

信道划分的共同优点是无冲突，共同缺点是在低负载时浪费：

分给你的时隙里如果你没数据要发，这个时隙就空着 —— 别人也不能用。

负载越高，这种浪费越小；负载越低，浪费越明显。 所以信道划分适合稳定高负载的场景（比如电话网络，通话是持续占用的）。

41.5第二类：随机接入 —— ALOHA 的两个版本

思路完全相反：不划分资源，谁有数据就发。撞了再说。

最早的实现是 ALOHA（上世纪 70 年代在夏威夷的无线网络上做的），有两个版本：

"脆弱期"是理解这两个版本的关键概念：一个帧发出后，在哪个时间范围内出现别的帧会导致冲突。

纯 ALOHA：
   别人的帧可以在「我这个帧开始前一整个帧时」到「结束后一整个帧时」
   之间的任何时刻开始 —— 危险窗口 = 2 个帧时

时隙 ALOHA：
   所有帧都对齐到时隙边界，所以我只需要担心「我这一个时隙」里
   有没有别人 —— 危险窗口 = 1 个时隙

危险窗口减半，成功率就应该翻倍。

实测：把这两个上限复现出来

理论值是：纯 ALOHA 最高 1/(2e) ≈ 18.4%，时隙 ALOHA 最高 1/e ≈ 36.8%。

这两个数字看起来很像"规定"，所以我用同一套随机模型跑了一遍（每个数据点 20 万个时隙）：

  G          纯 ALOHA          时隙 ALOHA
  --------------------------------------------
  0.1        0.0826           0.0911
  0.2        0.1336           0.1638
  0.3        0.1657           0.2211
  0.5        0.1830           0.3047      ← 纯 ALOHA 的峰值在这里
  0.7        0.1728           0.3465
  1.0        0.1354           0.3680      ← 时隙 ALOHA 的峰值在这里
  1.5        0.0745           0.3359
  2.0        0.0374           0.2681
  3.0        0.0079           0.1497

  模拟出的最高利用率：
    纯 ALOHA   ：0.1830  （出现在 G = 0.5）
    时隙 ALOHA ：0.3680  （出现在 G = 1.0）

  理论值对照：
    纯 ALOHA   ：1/(2e) = 0.1839
    时隙 ALOHA ：1/e    = 0.3679

两个峰值都精确落到了理论值附近（差 0.001 以内），而且峰值出现的位置也正好是理论预测的 G = 0.5 和 G = 1.0。

两个数字都很低，这才是重点

注意最高也只有 18% 和 37%。 而且过了峰值之后急剧下降 —— 因为负载一高，冲突增多，带宽都浪费在撞车上。

这就是随机接入的根本局限：它适合低负载场景。 负载一高，效率崩得很快。

41.6CSMA：先听后发

ALOHA 最明显的问题是"明知别人在发还要发"。CSMA 的改进就一条：发之前先听。

为什么无线用"避免"而不是"检测"？ 两个原因：

① 无线设备发的时候听不到别人。 自己的信号太强，会盖住别人发来的弱信号 —— 所以"边发边听"在无线里做不到。

② 存在"隐蔽站"问题。 A 和 C 都能和 B 通信，但 A 和 C 之间距离太远、互相听不到。于是 A 以为信道空闲就发，C 也以为空闲就发，在 B 那里撞车 —— 而 A 和 C 谁都不知道。

所以无线只能退而求其次：尽量用机制减少碰撞概率（比如先发一个很小的预约帧、随机退避等）。

一个必须说明的实验缺口

我给 CSMA 写了两版模拟，结果都不对 —— 吞吐在负载稍高时就掉到接近 0，说明我没有正确实现"载波侦听 + 随机退避"这套逻辑。

所以我删掉了那一列，没有给出 CSMA 的模拟数字。

为什么这么做：一个错误的数字会让"CSMA 比 ALOHA 好"这个结论看起来有实验支撑，实际却是假的。坏数据比没有数据更糟。 CSMA 的机制上面已经讲清楚了，但它的效率优势在本章没有得到本实验的验证 —— 这一点必须说清楚。

41.7二进制指数退避：撞了之后等多久

随机接入里还有一个关键机制：冲突之后怎么重试。

最朴素的做法是"等一个固定时间再重试" —— 但这很糟糕：如果两个站同时撞车，它们会同时重试、再次撞车，如此反复。

正确的做法是随机化，而且让随机范围随冲突次数增长：

这就是二进制指数退避。

为什么是指数增长？ 因为冲突次数多说明当前竞争激烈（有很多站在抢）。此时应该让重试时刻散布得更开，避免大家反复撞在一起。冲突少的时候范围小，重试快；冲突多的时候范围大，快速分散。

在真实的以太网里，连续冲突 16 次就会放弃并报错 —— 这通常是"网络里有严重问题"的信号（比如环路）。

41.8第三类：轮流协议

思路是"排队"：

优点：无冲突，而且不像信道划分那样在一方空闲时浪费（有数据才占用，没数据就跳过）。

缺点也很明确：

• 轮询有额外开销 —— 主节点问一圈本身要花时间（哪怕是"你没有数据"这个回答）
• 有单点故障 —— 轮询的主节点挂了，整个网络就停了
• 令牌丢失是个经典难题（需要额外的机制检测和重新生成令牌）

41.9三类方法的取舍

一句话总结这个取舍：

41.10实测限制

补充说明：本机连的是交换式以太网 + 无线，这两个环境里都已经看不到"共享介质争用"的原始形态了 ——

• 有线侧：交换机给每个端口独立带宽，全双工，根本不会冲突
• 无线侧：确实在争用介质，但驱动不暴露冲突计数器

所以本章讲的是"介质共享问题的原理与解法"，而本机没有合适的观测点。 这也是这一章唯一一章几乎没有本机实测的原因。

41.11常见误解

误解一：「ALOHA 效率低是因为它不考虑别人，所以只是个失败的早期方案」

它的价值在于给出了一个可分析的模型。 本章模拟精确复现了它的两个上限，而"危险窗口减半则效率翻倍"这个洞察，直接指导了后来所有随机接入协议的设计。能算清楚一个简单模型的极限，比只知道一个复杂协议的流程更有用。

误解二：「CSMA 先听后发就不会冲突了」

仍然会冲突。 原因是传播时延：A 发出信号后需要一点时间才能到达 B，如果 B 恰好在这段时间内也听了信道（那时还没听到 A 的信号），B 就会以为信道空闲而开始发送。所以"先听后发"只是大幅减少冲突，不能消除。

误解三：「无线也用 CSMA/CD 就行了」

做不到，有两个物理原因：① 无线设备发送时听不到别人（自己的信号太强）；② 隐蔽站问题 —— 两个离得远的站互相听不到，却会在中间的接收方那里撞车。所以无线只能用 CSMA/CA（避免）。

误解四：「冲突后等一个固定时间再重试就行」

会造成反复碰撞。 如果两个站同时撞车，它们等同样长的时间后会同时重试、再次撞车。 二进制指数退避用随机化 + 逐次扩大范围来解决：冲突越频繁，说明竞争越激烈，重试时刻就散布得越开。

误解五：「交换式以太网里也需要处理冲突」

不需要。 交换机给每个端口独立的带宽，而且支持全双工（收发可以同时）—— 冲突在物理上就不会发生。这正是《以太网帧》那一章讲的"CSMA/CD 在现代网络里实际上已经不用了"的原因。

41.12本章小结

41.13自测题

41.14参考资料与适用范围

• 《计算机网络：自顶向下方法（原书第8版）》§6.3，纸书301–311页（PDF320–330页）：本章概念与机制的对应教学章节，引用时需保留模型与版本条件。
• 教材作者配套教学资源入口：网站目前显示的教材版本与用户提供的第8版可能不同，页码以本章列出的中文第8版为准。

修订核对日期：2026-10-13。本次补充概念入口与教材出处；旧稿的具体数值为历史观察，未重新实测。相关脚本和完整日志未随当前项目提供，不能仅凭转述断言实验已复核，也不据此断言数据造假。