第四章 信道共享技术定义：控制多个用户共用一条信道的协议

1 第四章信道共享技术定义 控制多个用户共用一条信道的协议 2 信道共享技术 1 信道分配计算机网络可以分成两类使用点到点连接的网络 广域网使用广播信道 多路访问信道 随机访问信道 的网络 局域网关键问题 如何解决对信道争用解决信道争用的协议称为介质访问控制协议MAC MediumAccessControl 是数据链路层协议的一部分 信道共享的目标 理想情况 信道容量为Cb s 一个用户 N各用户 控制协议简单 可靠 3 信道共享技术 2 信道分配方法有三种随机接入 所有用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息如 ALOHA CSAM CD受控接入 各用户不能任意接入信道 必须服从一定的控制集中式控制 多点线路轮询分散式控制 令牌环型网 4 信道共享技术 3 信道复用频分多路复用FDM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时分多路复用TDM和统计时分多路复用原理 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 缺点 无法灵活地适应站点数及其通信量的变化 波分复用码分复用 5 信道共享技术 4 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 并以统计固定的速率产生帧 一帧产生后到被发送走之前 站点被封锁 单信道假设 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 载波监听和非载波监听 确定能否发送 6 本章重点掌握 ALOHACSMA CD时延吞吐量 7 4 1随机接入 ALOHA 1 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协议和时隙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 冲传策略 直到成功 Fig 4 1 4 8 8 帧长度用发送该帧所需的时间表示 T0 ALOHA 2 9 10 ALOHA 3 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 性能分析 吞吐量 平均时延一个帧发送成功的条件Fig4 8 4 2一个帧如欲发送成功 必须在该帧发送时刻之前和之后隔一段时间T0内 2个间隔 没有其他帧发送一个帧发送成功的条件 该帧于该帧前后的两个帧的到达时间间隔均大于T0假设 帧长固定 无限个用户 按泊松分布产生新帧 发生冲突重传 新旧帧共传k次 遵从泊松分布 11 12 ALOHA 4 吞吐量S等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数 网络负载G等于在T0内总共发送的平均帧数 G S 13 ALOHA 5 吞吐率S 网络负载G吞吐率S GP 发送成功 P为发送一帧不受冲突影响的概率 冲突危险区 Fig 4 2P 发送成功 P 连续两个到达间隔 T0 P 到达间隔 T0 2一个帧时内产生k帧的概率 Pr 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 Fig 4 3效率 信道利用率只有18 4 14 Abramson公式 S Ge 2G 性能分析 吞吐量 15 16 D T0 1 R NR R K 1 2 NR e2G 1 ALOHA 6 17 ALOHA 7 时隙ALOHA协议基本思想 把信道时间分成离散的时隙 时间槽 时隙长为一个帧所需的发送时间 每个站点只能在时隙开始时才允许发送 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 18 时隙ALOHA S Ge GNR eG 1 19 ALOHA 8 有限站数的吞吐量 S G 1 G N N 1 20 载波监听多路访问协议CSMA CarrierSenseMultipleAccessProtocols CSMA与ALOHA的主要区别 CSMA多了一个载波监听装置载波监听 CarrierSense 查看信道上有无数据信号传输称为载波侦听 监测方法是判断基带上是否有脉冲二进制0或1多路访问 MultipleAccess 同时有多个结点在侦听信道是否空闲和发送数据 称为多路访问 4 2随机接入 CSMA和CSMA CD 1 21 22 CSMA和CSMA CD 2 ALOHA非坚持CSMAP坚持CSMA 23 CSMA和CSMA CD 3 CSMA类型 1 坚持型CSMA 1 persistentCSMA 原理若站点有数据发送 先监听信道 若站点发现信道空闲 则发送 若信道忙 则继续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 24 CSMA和CSMA CD 4 非坚持型CSMA nonpersistentCSMA 原理若站点有数据发送 先监听信道 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 坚持CSMA高 传输延迟比1 坚持CSMA大 25 CSMA和CSMA CD 5 p 坚持型CSMA p persistentCSMA 适用于分槽信道原理若站点有数据发送 先监听信道 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Fig 4 4 26 几种CSMA CD CSMA ALOHA的S G曲线 27 28 CSMA和CSMA CD 6 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 在重复上述过程 29 30 CSMA CD 等待 等10毫秒 等15毫秒 当某一个结点要发送数据时 它首先要侦听信道有无其它结点正在发送数据 若没有 则立即抢占信道发送数据 如果信道正忙 则需要等待直至信道空闲再发 三种冲突处理方式 1 1 坚持2 0 坚持3 P坚持 31 CSMA和CSMA CD 7 工作状态传输周期竞争周期空闲周期Fig 4 5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 32 33 几种CSMA CD CSMA ALOHA的S G曲线 34 多点接入网 多点线路 总线网 环形网 35 多点接入网 受控接入 各用户不能任意接入信道而要服从一定的控制 集中式控制 轮询polling 分散式控制 令牌环形网 随机接入所有的用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息ALOHA 20世纪70年代在夏威夷大学试验成功 CSMA CD 载波监听多点接入 冲突检测 现已成为总线式LAN的标准协议 36 复用技术 无线LAN中使用