信道分配策略多址协议课件(powerpoint 149页).pptx

第四章介质（媒体）访问控制子层Medium Access Control Sublayer本章主要内容z信道分配策略z多址协议z令牌环网z以太网：共享式以太网，交换式以太网，快速以太网，千兆位以太网z无线局域网z数据链路层交换：网桥，虚拟局域网几个术语zMultiaccess channel：多址信道zrandom access channel：随机访问信道zmedium：介质，媒体，信道zmedium access：使用信道发送数据zmedium access control（MAC）：决定谁可以使用信道发送数据1 信道分配策略z静态分配：y固定分配信道的方式，如FDM和同步TDM；y适用于用户数少且数量固定、每个用户通信量较大的情况，不会产生冲突z动态分配：y按需分配信道的方式，如异步TDM；y适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况信道分配策略（2）z动态分配的三种策略：y竞争方式：各个用户竞争使用信道，不需要取得发送权就可以发送数据，这种方式会产生冲突y无冲突方式：每个用户必须先获得发送权，然后才能发送数据，这种方式不会产生冲突，如预约或轮转方式y有限竞争方式：以上两种方式的折衷。

2 多址协议zALOHAz载波侦听多址协议（CSMA）z无冲突协议z有限竞争协议z无线局域网协议2.1 ALOHA系统（1）z纯ALOHA的基本思想：y任何节点有数据发送就可以发送；y每个节点通过监听信道判断是否发生了冲突；y一旦发现冲突，随机等待一段时间后重新发送z随机访问信道的效率：y当有大量的活动节点、每个节点总有大量的帧要发送时，长期运行过程中成功传输时间占总时间的份额几个概念z帧时（frame time）：发送一个标准长度的帧所需的时间zN：每帧时内系统产生的新帧数目（0N1)zG：每帧时内系统需要发送的总帧数（包括新帧和重发帧），这其实就是系统负载zP0：发送的帧不产生冲突的概率zS：系统吞吐量，指每帧时内系统能够成功传输的帧数，S = GP0纯ALOHA的易损时间区纯ALOHA系统的信道效率z假设G服从泊松分布，则：y在一个给定的帧时内，产生k个帧的概率为：Prk= Gke-G/k!y在一个给定的帧时内，没有帧出现的概率为：Pr0= e-Gy对于一个给定的帧，在两个帧时内没有其它帧的概率为：P0 = e-Ge-G = e-2GyS = GP0 = Ge-2Gy当G = 0.5时，S达到最大值，为0.184。

ALOHA系统（2）z时分ALOHA的基本思想y将时间分成离散的时间片（slot），每个时间片用来传输一个帧；y每个节点只能在一个时间片的开始传送帧，其它与纯ALOHA系统同z时分ALOHA系统要求全局时钟同步时隙ALOHA的易损时间区时分ALOHA系统的信道效率z与纯ALOHA相比，每个帧的易损时间区缩小了，冲突的概率随之减小，系统吞吐量随之提高zP0 = e-GzS = GP0 = Ge-Gz当G = 1时，S达到最大值，为0.368纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较2.2 载波侦听多址协议-Carrier Sense Multiple Access Protocolsz1-坚持CSMAy发送前先监听信道，信道忙则坚持监听直至发现信道空闲；若信道空闲立即（概率1）发送；发现冲突后随机等待一段时间，重新监听信道y影响协议性能的因素：信号传播延迟，1-坚持的策略y该协议适合于规模较小和负载较轻的网络CSMA协议（续）z非坚持CSMAy发送前先监听信道，信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，信道空闲则发送数据y信道利用率高于1-坚持CSMA，但延迟特性要差些 CSMA协议（续）zp-坚持CSMA，适用于时分信道：y发送前先监听信道，信道忙则等到下一个时间片再监听；信道空闲则以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时间片。

下一个时间片执行相同的操作直至发送成功或检测到信道忙y该协议试图在1-坚持CSMA和非坚持CSMA间取得性能折衷，影响协议性能的关键在于p的选择几个CSMA协议的性能比较2.3 CSMA/CD-CSMA with Collision Detectionz节点检测到冲突后立即停止冲突帧的发送，以节省时间和带宽z协议的状态周期：由竞争周期、传输周期和空闲周期交织而成z协议的效率近似为：= 1/（1+5tprop/ttrans），其中tprop为信号在任意两个节点之间传播的最大时间，ttrans为传输一个最大长度的帧所需的时间z该公式表明，当信道很长（即网络规模较大）或帧传输时间很短（帧很短或数据速率很高）时，协议的效率较低CSMA/CD的状态周期2.4 无冲突协议（1）z位图协议：y节点在发送前先预约，然后按预约的顺序发送该协议不会产生冲突y轻负载时，每个节点在发送前平均等待N比特；若帧长为d比特，不考虑其它开销，信道效率为：= d/(N + d)y重负载时，每帧的开销为1比特，不考虑其它开销，信道效率为：= d/(d+1) 位图协议无冲突协议（2）zBinary Countdown：y节点发送数据前先发送其二进制地址（长度相等），这些地址在信道中被线性相加，地址最高的节点胜出，可继续发送数据。

y不考虑其它开销，信道效率为：= d/(d+log2N)y若将地址作为帧的第一个字段，则信道效率：= 100%Binary Countdown图示无冲突协议（3）z令牌传递协议：y一个小的、称为令牌（token）的特殊帧在节点间按固定的次序巡游 y节点收到令牌后，若没有数据发送，就将令牌传给下一个节点；否则发送一定数量的帧，再把令牌传给下一个节点y网络中只有一个令牌，只有持有令牌的节点允许发送，所以不会有冲突发生2.5 有限竞争协议z竞争协议：轻负载下延迟特性好，重负载下信道利用率低z无冲突协议：重负载下信道利用率高，轻负载下延迟特性不好z有限竞争协议：结合以上两类协议的优点，克服各自的缺点，在轻负载下获得良好的延迟特性，而在重负载下获得较高的信道利用率协议基本思想z对节点分组，每个时隙（slot）内只允许一个组的节点竞争信道，目的是通过减少同一个时隙内的竞争节点数来提高发送成功的概率z组内节点数随系统负载的变化动态调整，负载轻则节点数多，负载重则节点数少，在两个极端上分别退化为竞争协议和无冲突协议z协议的关键在于如何根据系统负载自适应调整组的划分，将时隙分配给节点adaptive tree walk时间片0：A以下站点发送，冲突时间片1：B以下站点发送，冲突时间片2：D以下站点发送，无发送时间片3：E以下站点发送，冲突时间片4：2发送，成功时间片5：3发送，成功时间片6：C以下站点发送，无发送2.6 无线局域网协议z无线局域网的两种模式：（a） 有基站的无线局域网（b） 自组织网（ad hoc network）Ad Hoc模式的无线网络z单个节点的通信范围不能覆盖整个网络，即节点的活动不能被网络中所有节点检测到。

这种网络也称多跳无线网络z若节点位于两个发送节点的通信范围内，该节点接收失败为什么CSMA不适用于多跳无线网络？为什么CSMA不适用于多跳无线网络？z通过载波侦听，发送节点只能知道其周围是否有节点在发送；但真正影响此次通信的是接收节点周围是否有节点在发送z隐藏节点：不在发送节点的通信范围内、但在接收节点通信范围内的活跃节点z暴露节点：在发送节点的通信范围内、但不在接收节点通信范围内的活跃节点Multiple Access with Collision Avoidancez问题：y当节点A准备向节点B发送数据时，如何让节点B附近的节点保持沉默？zMACA的基本思想：y由发送方主动发起一次握手过程，引起接收方发送一个短的确认帧；接收端周围的节点检测到这个确认帧，并在随后的一段时间里保持沉默MACA协议图示(a) A sending an RTS to B. (b) B responding with a CTS to A.MACA协议过程zA向B发送一个RTS帧，帧中给出后继数据帧的长度zB收到后回复一个CTS帧，帧中也给出数据帧的长度zA收到CTS帧后就可以发送z在此过程中，若A周围的节点监听到了A的RTS帧，它们会在随后的一段时间内保持沉默，以便让A无冲突地收到CTS帧；而B周围的节点监听到B的CTS帧后，也会在随后的一段时间（由CTS帧中的数据长度决定）内保持沉默，从而让B能够无冲突地收到A发送的数据帧。

z若B和C同时向A发送RTS帧，则会产生冲突，这时不成功的发送方会随机等待一段时间后再重试MACA for Wireless（MACAW）zMACAW是对MACA的改进：y每当接收端正确收到一个帧后，发送一个确认帧；y发送端在发送RTS前，使用CSMA监听信道，避免两个节点同时向同一个接收节点发送RTS；y改进了冲突后的回退算法；y增加了节点间交换拥塞信息的机制3 局域网标准zIEEE于1980年2月成立局域网标准化委员会，形成的一系列标准统称为IEEE 802标准zIEEE 802标准于1984年3月被ISO采纳，作为局域网的国际标准，称为ISO 8802标准zIEEE 802标准主要涉及物理层、数据链路层、网络层的一部分；数据链路层又进一步分为介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层z将数据链路层分成两个子层的好处是，利用统一的LLC子层屏蔽物理网络的细节，使得网络层协议可以独立于物理介质及介质访问控制方法IEEE 802标准系列4 令牌环网z令牌环由环接口和环接口间的点到点链路组成，节点通过环接口连到网上z数据沿着一个固定的方向在环上流动，每个节点从上游节点接收数据，然后立即转发到下游节点（边收边发而不是存储转发）。

z目的节点将数据接收下来，同时仍向下游转发z数据返回到发送节点时，发送节点将其从环上取消令牌环的帧结构（1）令牌环的帧结构（2）zAC：格式为yT：令牌比特，令牌帧中T=0，数据帧中T=1当节点为发送数据而捕获到一个令牌帧后，将T翻转为1 yPPP：优先级比特，当节点想发送优先级为的数据帧时，必须捕获到优先级小于或等于的令牌才能发送yRRR：预约比特，节点在数据帧通过时，将自己想要发送的帧的优先级写到预约比特中（除非已有其它站预约了更高的优先级）当一帧数据发完后，新产生的令牌具有已预约的优先级yM：监控比特，监控站用来检测未被发送站取消的数据帧数据帧发送时M=0；第一次通过监控站时被置为1；第二次通过监控站时被检测到 PPPMTRRR令牌环的帧结构（3）zFS：格式为yA：地址识别比特数据帧发送时A=0；通过接收站时，接收站置A=1yC：帧复制比特数据帧发送时C=0，接收站将帧接收下来后，置C=1z数据帧返回发送站时，发送站检查A和C，有三种情况：A0，C0：接收站不存在或没加电；A1，C0：接收站存在，但没有接收帧；A1，C1：接收站存在，且接收了该帧ACrrACrr星型环结构5 以太网（Ethernet）z传统以太网z交换式以太网z快速以太网z千兆以太网5.1 传统以太网（Traditional Ethernet）z组网方式：y10Base-5（粗缆以太网）：x使用粗的基带同轴电缆作为传输介质，采用总线型拓扑；x数据速率10Mbps，每段电缆最大长度500米。

y10Base-2（细缆以太网）：x使用细的基带同轴电缆，采用总线型拓扑；x数据速率10Mbps，每段电缆最大长度约200米 *这两种以太网在新建的局域网中已很少使用图示Three kinds of Ethernet cabling. (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.传统以太网组网方式（2）y10Base-Tx使用3类双绞线和集线器（hub）连接计算机，物理上是星型拓扑，逻辑上是总线型拓扑；x数据速率10Mbps，双绞线最大长度100米；x使用RJ-45连接器，插拔非常方便；x双绞线以太网是连接桌面系统最流行。