ch41讲MAC(打印)

1第四章介质访问控制子层第1讲概述网络分类:点到点连接的网络广播信道的网络广播信道也称:多路访问信道(multi-accesschannel)随机访问信道(randomaccesschannel)广播式网络的关键问题:如何解决信道争用问题例子:电话会议争相发言问题确定多路访问信道的使用者协议数据链路层的一个子层,称为MAC子层(MediumAcc~Control).MAC子层在LAN中特别重要,因许多LAN以多路访问信道作为其通信基础.WAN中仅卫星网络不是点到点的链路.所以本章从总体上讨论LAN.MAC子层位于数据链路层的底下部分.4.1信道分配问题信道分配方法----静态分配-----FDM||----TDM||----WDM||----CDM|----动态分配-----随机接入----CSMAATDM||----CSMA/CD|----受控接入----集中控制----轮询|----分散控制----令牌（ATDM，AsynchronismTime-DivisionMultiplexing）为了提高设备的利用效率，可以设想使有大量数据要发送的用户占有较多的时间片，数据量小的用户少占用时间片，没有数据的用户就不再分配时间片。这时，为了区分哪一个时间片是哪一个用户的，必须在时间片上加上用户的标识。由于一个用户的数据并不按照固定的时间间隔发送，所以称为“异步”。这种方法叫做异步时分多路复用技术，也叫做统计时分多路复用技术（STDM，StatisticTime-DivisionMultiplexing）。这种方法提高了设备利用率，但是技术复杂性也比较高，所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中，例如，异步传输模式ATM。STDM，SynchronizationTime-DivisionMultiplexing）这种技术按照信号的路数划分时间片，每一路信号具有相同大小的时间片。时间片轮流分配给每路信号，该路信号在时间片使用完毕以后要停止通信，并把物理信道让给下一路信号使用。当其他各路信号把分配到的时间片都使用完以后，该路信号再次取得时间片进行数据传输。这种方法叫做同步时分多路复用技术。同步时分多路复用技术优点是控制简单，实现起来容易。缺点是如果某路信号没有足够多的数据，不能有效地使用它的时间片，则造成资源的浪费；而有大量数据要发送的信道又由于没有足够多的时间片可利用，所以要拖很长一段的时间，降低了设备的利用效率。静态分配-频分多路复用FDM（波分复用WDM）•原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户•优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况•缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化(突发性流量),浪费带宽-时分多路复用TDM•原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽•优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况2•缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化(突发性流量),浪费带宽可根据运筹学中的排队论(M/M/1模型)得出:把信道采用FDM,TDM的分配方法得到的传输平均延迟TFDM/TDM是将所有的帧都组织到一个大的中心队列的平均延迟T的N倍.(具体内容省略)动态分配-信道分配模型的五个基本假设：•站点模型：每个站点是独立的,并以固定的速率产生帧,一帧产生后到被发送走之前,站点被阻塞(封锁)；•单信道假设(核心假设)：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发数据(信息)•冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；•连续时间和时间分槽（确定何时发送）；•载波检测(监听sense)和非载波检测(监听)（确定能否发送）。4.2多路访问协议定义：控制多个用户共用一条信道的协议4.2.1.ALOHA协议70年代，NormanAbramson设计了ALOHA协议-目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；-分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议纯ALOHA协议-基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发-多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统；-信道效率•假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生新帧，平均每个帧时（frametime）产生S帧（0S1）；发生冲突重传，新旧帧共传k次，遵从泊松分布，平均每个帧时产生G帧；•吞吐率S=GP0，P0为发送一帧不受冲突影响的概率；•冲突危险区，Fig.4-2图4.2阴影帧的冲突危险周期•一个帧时内产生k帧的概率：Pr[k]=Gke-G/k!，两个帧时平均产生2G个帧，在冲突危险区内无其它帧产生的概率为：P0=e-2G，所以S=Ge-2G；•效率：信道利用率最高只有18.4%.3分槽ALOHA协议-基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。-信道效率•冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以P0=e-G，S=Ge-G；•与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。图4-3ALOHA系统中吞吐率与帧流量之间的关系图4.2.2载波检测多路访问协议CSMA（CarrierSenseMultipleAccessProtocols）•载波检测(监听)（CarrierSense）----站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先检测(监听)信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。•多路访问（MultipleAccess）----多个用户共用一条线路1-持续(坚持)型CSMA（1-persistentCSMA）原理若站点有数据发送，先检测(监听)信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续检测(监听)直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。优点：减少了信道空闲时间；缺点：增加了发生冲突的概率；广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。非持续(坚持)型CSMA（nonpersistentCSMA）原理若站点有数据发送，先检测(监听)信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。优点：减少了冲突的概率；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大信道效率比1-持续(坚持)CSMA高，传输延迟比1-持续(坚持)CSMA大。p-持续(坚持)型CSMA（p-persistentCSMA）适用于分槽信道原理若站点有数据发送，先检测(监听)信道；若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q=1-p延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍4空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送若产生冲突,等待一随机时间,然后重新开始发送五种多路访问协议性能比较图4-4各种随机访问协议的信道利用率与负载之间的比较带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD引入原因当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD原理站点使用CSMA协议进行数据发送；在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。工作状态-传输周期-竞争周期-空闲周期图4.5CSMA/CD可能处于三种状态之一:竞争,传输和空闲问题一个站点确定发生冲突要花多少时间？最坏情况下，2倍电缆传输时间DEL：4.2.3无冲突的协议4.2.4有限竞争协议4.2.5波分多路访问协议4.2.6无线LAN协议----MACA(CSMA/CA谢)(MultipleAccesswithCollisionAvoidance)无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议。这里主要有两个原因。CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。5即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。A的作用范围A的作用范围无线局域网的特殊问题C的作用范围C的作用范围ABCD当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hiddenstationproblem)B的作用范围B的作用范围C的作用范围C的作用范围ADCB？？B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题(exposedstationproblem)无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议----MACA。改进的办法是将CSMA增加一个碰撞避免(CollisionAvoidance)功能----MACA。基本思想是:发送方刺激一下接收方[RTSrequesttosend],让它输出一个短帧[CTScleartosend],因此,接收方附近的站可以检测到该帧,从而在接下去的数据帧(较大)传输过程中它们不再发送数据了.具体作法是:源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS(RequestToSend)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间.若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS(ClearToSend)，它包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中）。A的作用范围A的作用范围B的作用范围B的作用范围802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。ACBDERTSRTSRTSRTSRTSRTSRTSRTSA的作用范围A的作用范围B的作用范围B的作用范围802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。CTSCTSACBDECTSCTSA收到CTS帧后就可发送其数据帧。802.11就使用MACA协议。而在使用MACA的同时还增加使用确认机制(ack帧)----MACAW(MACAforWireless)。4.3以太网4.4无线LAN4.5宽带无线网络4.6蓝牙技术4.7数据链路层交换