【概述】
在随机访问介质访问控制中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有问题都可以根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率
在总线型局域网中，当有两个或更多用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突，从而导致所有冲突用户均发送失败
为解决随机接入产生的碰撞，每个用户按照一定规则反复重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过，常见的协议有：ALOHA 协议、CSMA 协议、CSMA/CD 协议、CSMA/CA 协议
这些协议的核心思想都是争用信道，争用成功者获得信道的使用权，独享信道所有资源
由于争用过程中可能出现失败，会使得所有结点进行重发，这就会造成冲突开销，降低信道利用率
【ALOHA 协议】
纯 ALOHA 协议
纯 ALOHA 的基本思想是：当网络中的任何一个站点需要发送数据时，不进行任何检测就发送数据，如果一段时间内没有收到确认，发送的站点就认为传输过程中发生冲突，之后依照概率 $p$，等待一随机时间后再次发送，直到发送成功
此外，在接收方收到数据后，会进行检错，若发现数据帧有错，则不予确认
综上，纯 ALOHA 协议的特点可概括为：不监听信道，随机发送
时隙 ALOHA 协议
采用纯 ALOHA 协议的网络的吞吐量很低，为克服这个缺点，在纯 ALOHA 协议的基础上有了时隙 ALOHA 协议
对于站点发送数据的随意性，时隙 ALOHA 协议将网络上各个站点的时间进行同步，将时间划分为一段段等长的时隙，规定只能在每个时隙开始时才可发送帧
可以发现时隙 ALOHA 协议避免了发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率
综上，时隙 ALOHA 协议的特点可概括为：不监听信道，按时隙发送
【CSMA 协议】
概述
时隙 ALOHA 协议虽然比纯 ALOHA 协议效率有了提高，但每个站点都是不监听信道就发送数据，因此出现碰撞的概率很大
载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）协议对上述情况作出了改进，设置了一个载波侦听装置，其在每个站点都在发送前侦听信道，若信道空闲则发送，若信道忙碌则等待，这大大减小了冲突的概率，提高了信道利用率
所谓载波侦听（Carrier Sense，CS），是指每个站发送数据前检测总线上是否有其他站在发送数据，在多个站发送数据时，总线信号电压会因信号叠加而增大，当某站检测到电压摆动值超过一定幅度后，就认为至少两个站在同时发送数据，产生了冲突
而多路访问（Multiple Access，MA），是指多个计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
CSMA 协议有三种不同类型，其特点如下：
归结来说，CSMA 的特点可以概括为：先听再发，空闲就发，忙则等待
1-坚持 CSMA
1-坚持 CSMA（1-persistent CSMA）的基本思想是：当一个结点要发送数据时，先侦听信道，若信道空闲，就立即发送数据；若信道忙，则等待，并继续侦听直到信道空闲，若发生冲突，则随机等待一段时间后，再重新开始侦听信道
1-坚持的含义是：当侦听到信道忙后，继续侦听信道，当侦听到信道空闲后，立即发送数据，即发送帧的概率为 $1$
传播时延对 1-坚持 CSMA 影响很大，举例来说，在某结点 $A$ 开始发送数据时，结点 $B$ 也要发送数据，但由于传播时延的问题，结点 $A$ 发出的信号距离结点 $B$ 有一定距离，此时结点 $B$ 侦听到信道空闲，于是立即发送数据，这必然导致信道冲突
此外，若不考虑传播时延，1-坚持 CSMA 也有较大可能产生冲突，举例来说，结点 $A$ 正在发送数据，此时结点 $B$、$C$ 正准备发送数据，他们均侦听到信道忙，于是继续侦听，当结点 $A$ 一发送完毕，$B$、$C$ 立即发送，这同样导致了信道冲突
非坚持 CSMA
非坚持 CSMA（Non-presistent CSMA）的基本思想是：当一个结点要发送数据时，先侦听信道，若信道空闲，就立即发送数据；若信道忙，就放弃侦听，等待一随机时间后再开始侦听
非坚持 CSMA 在侦听到信道忙后就放弃侦听，这减少了多个结点同时等待信道空闲后发送数据导致冲突的概率，但这却使得数据在网络中的平均时延增加了，即信道利用率的提高是以数据在网络中的时延为代价的
p-坚持 CSMA
p-坚持 CSMA（p-persistent CSMA）用于时分信道，其基本思想是：当一个结点要发送数据时，先侦听信道，若当前时隙内信道空闲，便以 $p$ 的概率发送数据，以 $1-p$ 的概率推迟到下一时隙；若信道忙，则等待下一时隙再侦听；之后重复上述过程，直到数据发送成功或因其他结点发送数据而检测到信道忙为止，若是后者，则会等待一个随机时间后再重新开始侦听
p-坚持的含义是：在检测到信道空闲后，以概率 $p$ 发送数据，以概率 $1-p$ 推迟到下一时隙
可以发现，p-坚持 CSMA 是 1-坚持 CSMA 与 非坚持 CSMA 的折中方案，其降低了 1-坚持 CSMA 中多个结点检测到信道空闲后同时发送数据的冲突概率，还克服了 非坚持 CSMA 中由于随机等待造成延迟较长的缺点，但其在发生冲突后仍要坚持发完数据，这无疑造成了资源浪费
【CSMA/CD 协议】
概述
载波侦听多路访问/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）协议，是 CSMA 的改进方案，常用于总线型局域网
CSMA/CD 是在 CSMA 的基础上加了碰撞检测（Collision Detection，CD），是指边发送边侦听，即载波侦听装置边发送边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时是否有其他站点也在发送数据
CSMA/CD 的基本思想是：当一个结点要发送数据时，先侦听信道，若信道空闲，则发送数据；若信道忙，则等待，直到信道空闲再重新发送
同时，在数据发送过程中，收发双方会一直侦听，若直到发送完毕没有侦听到其他信号，则该数据帧传输完毕；若发送过程中侦听到其他信号，则发生冲突，发送方会立即停止发送，并发送一个48 bit 的拥塞信号，之后，采用二进制指数退避算法，等待一段时间后继续开始侦听
归结来说，CSMA/CD 的特点可以概括为：先听再发，边听边发，冲突停发，随机再发
传播时延与争用期
设单程端到端传播时延为 $\tau$，在 $t=0$ 时站点 $A$ 发送数据，此时由于传播时延的存在，在 $t=\tau-\delta$ 时，站点 $B$ 检测到信道是空闲的，其发送数据
经过 $\frac{\delta}{2}$ 后，即在 $t=\tau-\frac{\delta}{2}$ 时，站点 $A$ 与站点 $B$ 发送的数据发送碰撞，但此时 $A$ 与 $B$ 均不知道
在 $t=\tau$ 时，$B$ 收到来自 $A$ 的数据，此时 $B$ 检测到碰撞，于是停发数据，之后发送一个 48 bit 的拥塞信号；在 $t=2\tau-\delta$ 时，$A$ 检测到 碰撞，也停发数据，并发送一个 48 bit 的拥塞信号
可以发现，在站 $A$ 发送帧后最多经过 $2\tau$ 的时间，即可知道所发送的帧是否经过碰撞，因此，常将以太网端到端的往返时间 $2\tau$ 称为争用期
进一步，可以断定，只要在 $2\tau$ 的时间内未检测到碰撞，则可认为肯定未发生碰撞
最小帧长
为确保发送方在发送数据的同时能够检测可能存在的冲突，需要在发送完帧前就能收到自己发送出去的数据，即帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延
因此，CSMA/CD 中的所有数据帧都要大于一个最小帧长，任何站点收到帧长小于该最小帧长的帧，就将其当做无效帧
最小帧长被定义为：
若要发送的数据帧小于最小帧长，会在数据字段后加入一个填充字段，以保证发送的数据帧不小于最小帧长
例如，以太网规定争用期为 $51.2 \mu s$，那么，对于 $10Mb/s$ 的以太网，在争用期内可发送 $512\: bit$ 即 $64B$ 的数据
如果前 $64B$ 没有发生冲突，那么就表明已经成功抢占信道，后续的数据不会发生冲突
因此，以太网规定最短帧长为 $64B$，凡是小于 $64B$ 的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧
二进制指数退避算法
在 CSMA/CD 中，除了上述的检测冲突外，CSMA/CD 还能从冲突中恢复，一旦发生冲突，参与冲突的两个站点立刻再次发送是无意义的，只会导致无休止的冲突
因此，CSMA/CD 中采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题，算法流程如下：
- 确定基本退避时间，一般取争用期 $2\tau$
- 设置参数 $k$，其值为重传次数，但不超过 $10$，即 $k=min[重传次数,10]$
- 在整数集合 $\{0,1,…,2^k-1\}$ 中随机取一个数 $r$，重传所需要退避时间为 $2r\tau$
- 当重传达到 $16$ 次仍不成功，说明网络拥挤，认为该帧永远无法正确发出，抛弃该帧并向高层报告出错
使用二进制指数退避算法，可以使重传需要推迟的平均时间随着重传次数的增大而增大，从而减小发生碰撞的概率，从而稳定整个系统
【CSMA/CA 协议】
概述
CSMA/CD 在有线局域网中得到有效应用，但在无线局域网中无法直接使用该协议，主要是由于以下两个原因：
- 接收信号强度小于发送信号强度，且在无线介质上信号强度动态变化范围很广，若要进行碰撞检测，硬件开销过大
- 在无线通信中，存在隐蔽站点问题，即并非所有站点都能听到对方（$A$、$C$ 互相检测不到，信道空闲同时向 $B$ 发送数据，导致冲突）
为此，在 IEEE 802.11 标准中，定义了载波侦听多路访问/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）协议，其用于无线局域网
碰撞避免（Collision Avoidance，CA），是指尽量降低碰撞发生的概率
CSMA/CA 的基本思想是：当一个结点要发送数据时，先侦听信道，若信道空闲，则发送数据；若信道忙，则等待，直到信道空闲再重新发送
同时，在发送数据时，若要发送的是第一个数据帧，则直接进行发送；若不是第一个数据帧，要采用二进制指数退避算法来计算随机退避时间，确定下一个帧要发送的时间
归结来说，CSMA/CA 的特点可以概括为：先听再发，忙则等待，预约信道，随机再发
碰撞避免
CSMA/CA 采用预约信道、ACK 帧、RTS/CTS 帧三种机制来实现碰撞避免，其中，前两者是 CSMA/CA 必选的机制，后者是可选的机制
预约信道，是指发送方在发送数据时，向其他站点通知自己传输数据所需的时间，以便令其他站点在这段时间内不发送数据，从而避免碰撞
ACK 帧，是指在站点正确接收到发送给自己的数据帧后，都要向发送方发回一个 ACK 帧，若接收失败，则不采取任何行动；同时，发送方在发送完数据帧后，若在规定时间内没有收到 ACK 帧，则认为发送失败，进行该数据帧的重发，直到收到 ACK 帧或达到规定最大重发次数为止
RTS/CTS 帧，主要用于解决无线局域网中的隐蔽站点问题，其中，RTS 帧为请求发送帧，其包含发送地址、接收地址、下一数据发送时间等，用于通知接收站要发送信息；CTS 帧为响应发送帧，用于对 RTS 帧做出回应，通知发送站可以发送信息
当采用 RTS/CTS 帧机制时，CSMA/CA 的工作流程如下：
- 检测信道是否空闲，若信道空闲，发送 RTS 帧；若信道忙，则等待
- 接收方收到 RTS 帧后，响应 CTS 帧给发送方，此时两站点建立一定关系，其他站再向接收方发送 RTS 帧会被拒绝
- 发送方收到响应的 CTS 帧后，开始发送数据帧，同时预约信道，告知其他站点自己要使用信道的时间
- 接收方收到数据帧后，通过差错控制机制来检测数据帧，若正确，则响应 ACK 帧，否则直接丢弃
- 发送方收到响应的 ACK 帧后，进行下一数据帧发送；若未收到，则采用指数二进制退避算法确定随机退避时间，根据时间进行重传
