《计算机通信网-》第4章-介质访问控制层汇总课件

第四章

介质访问控制层1背景2共享介质的信道分配3共享信道动态访问技术4以太网5无线局域网6网桥1

第四章

介质访问控制层1背景11背景计算机网络分为两类点到点信道的网络（点到点网络）共享信道的网络（广播式网络）广播信道也称为：多路访问信道或随机访问信道广播信道网络的特点所有站点共享同一信道一个站发送的数据将传遍整个网络同时发送会产生冲突需要某种信道访问机制——介质访问子层研究的问题2频率f★1背景计算机网络分为两类2频率f★1背景典型的广播信道网络卫星网络无线广域网（GSM、GPRS、WCDMA等）无线局域网WLAN（802.11）有线局域网共享式以太网，令牌环网光纤网络广播信道网络面临和需要解决的问题如何识别不同的站点站点何时如何使用信道——信道访问与分配问题上述问题由MAC子层协议解决（OSI参考模型）介质访问子层（mediumaccesscontrol）3★1背景典型的广播信道网络3★术语：多路复用与多路访问多路复用：Multiplex（信号）多个通信复用到一个信道上TDM、FDM通过划分子信道，实现多个一对一的通信多路（多址）访问：Multi-Access（用户）在一个信道上，实现多个站点间通信，一对多的通信TDMA，时分多路访问，TDM的联网通信方式FDMA，频分多路访问，FDM的联网通信方式CDMA，码分多路访问WDMA，波分多路访问CSMA，载波侦听多路访问4术语：多路复用与多路访问多路复用：Multiplex（信号）2共享介质的信道分配静态分配（无竞争）频分多路访问FDMA（各站使用独立频段传输）需要考虑频段间隔，以免相互干扰用户速率受限时分多路访问TDMA（各站使用独立时间段传输）需要考虑时间段（时隙）独立，以免干扰用户接入时延较大静态分配方式简单可靠，但信道利用率低，不适应突发的数据传送和用户数量变化的情况。5★2共享介质的信道分配静态分配（无竞争）5★2共享介质的信道分配动态分配不固定为每个站点分配信道需要时才分配或占用，空闲时可由其它站点使用动态分配需要考虑的要素如何发送任意，想发就发；得到许可再发送发送前是否侦听载波：盲目或等待信道空闲如何接收地址识别；是否检测冲突冲突怎样解决不使冲突出现减少冲突减少冲突影响6★STOPNOYESCollision2共享介质的信道分配动态分配6★STOPNOYESColl2共享介质的信道分配动态分配的方式集中仲裁的动态分配（需要管理站）向管理站预约：需要时申请，许可后发送数据（举手的方式）申请时可能冲突，许可后发送无冲突由管理站轮询(点名的方式)单播轮询方式：依次询问每个站，有数据发的站点发送，无冲突组播或广播轮询：可能有冲突分布仲裁的动态分配（无需管理站）允许竞争存在，尽量避免或减少冲突减少冲突的措施：发前侦听信道，检测冲突，冲突后随机后退等令牌控制信道的使用只有得到令牌的站，才能发送数据（无冲突方式）7★2共享介质的信道分配动态分配的方式7★本章重点－分布式随机竞争算法算法优点信道利用率高其它站点不发送时，可占用更多的信道资源联网通信方式简单不需要进行信道划分（随机信道）站点数可变发，或者不发(不存在子信道带来的复杂问题)适合于计算机间的组网通信（范围有限）通信的对象可变通信的数据量可变，通信能力强站点可自由上下网最大问题如何最大限度避免出现发送冲突8本章重点－分布式随机竞争算法算法优点83共享信道动态访问技术3.1随机竞争访问信道节点随机抢占信道，ALOHA、CSMA等允许冲突存在3.2无冲突访问信道（有序访问）控制节点访问信道次序，位图、令牌等无冲突3.3有限竞争访问信道结合竞争方式和无冲突方式轻负载时，使用竞争方式重负载时，使用无冲突方式93共享信道动态访问技术3.1随机竞争访问信道93共享信道动态访问技术3.4波分多路访问站点配置工作方式3.5蜂窝网络随机竞争按需分配103共享信道动态访问技术3.4波分多路访问103.1典型的随机竞争访问协议★

纯ALOHA协议各站想发就发，碰撞随时可能发生时槽ALOHA协议规定统一发送时刻，碰撞时帧完全重叠CSMA协议发前侦听信道，忙则随机后退有三种策略：0坚持、1坚持和P坚持CSMA/CD发前侦听信道，发送时同时检测信道检测到冲突立即停发，释放信道CSMA/CA：WLAN的MAC协议发前不听不看，冲突严重虽发前侦听信道，但冲突一旦发生不能立即停下，资源浪费冲突立即释放信道，提高信道利用率113.1典型的随机竞争访问协议★纯ALOHA协议发前不听不性能分析模型假设有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分析方便，假定：所有数据帧长度相同(Lbits)，信道速率为R(bits/s)每个数据帧持续时间为T=L/R，（帧时）信道帧速率为C=1/T=R/L123…C单位时间=CT123…g成功帧数s总帧数g站点通信模型：--N个站点按某种通信规则发送数据帧。--数据帧在信道上可能出现重叠(冲突)--只有未被冲突的帧才能成功传输三个重要分析参数：C：信道帧速率，单位时间内最大传输帧数g：信道负载，单位时间内所有站点传输帧总数s:有效传输，单位时间内成功传输帧总数12性能分析模型假设有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分归一化性能参数G=g/C信道负载率，信源帧速率数据帧总传输速率与信道帧速率之比也可理解为：帧数量/帧时,G=g/C=gT0<G<NN个站的帧传输在时间上可能(部分)重叠当G>1时，表明信道已达到满负荷G最大可达N(站点数)，表示每个站点都以信道帧速率发送S=s/C信道吞吐率，信道利用率成功帧速率占信道帧速率的比例0<S<1123…C单位时间=CT123…g成功帧数s总帧数g13归一化性能参数G=g/C信道负载率，信源帧速率123…信道竞争模型竞争模型N个独立工作的站点，随机地发送数据帧进入信道的帧速率是一个随机过程(设均值为G)某个帧成功传输的条件(不考虑误码)没有与其它帧在时间上有重叠进入信道(帧速率G)成功传输出信道（吞吐率S）冲突的帧（消失在信道上)显然：S≤G14信道竞争模型竞争模型进入信道成功传输出信道冲突的帧显然：S≤信道竞争模型帧速率（信道负载率）的概率分布在任意一个帧时T(帧长度/信道速率)内，生成k个帧的概率服从泊松分布其中G为平均帧速率（帧/帧时）典型值：T内生成0帧的概率为：pT(0)=e-GT内生成1帧的概率为：pT(1)=Ge-G2T内生成0帧的概率为：p2T(0)=e-2G15信道竞争模型帧速率（信道负载率）的概率分布15信道竞争模型背景知识：泊松(Poisson)分布无穷多个独立工作站点随机生成(发送)帧的概率分布设有一小的时间间隔dt，若在dt内生成一帧的概率为λdt(λdt<<1)当dt足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量概率结构与时间位置无关则可推出在t时间内生成n个帧的概率为均值为方差为λ为帧的平均生成速率(研究表明：当站点数超过20个时,其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）16信道竞争模型背景知识：泊松(Poisson)分布λ为帧的平均信道竞争模型竞争模型的性能特性吞吐率S与帧速率G的关系：S=GP0（P0成功传输概率）帧的数量少－冲突概率小－传输成功率高－吞吐率升高帧的数量多－冲突概率大－传输成功率低－吞吐率降低帧速率小帧速率适中帧速率过大G(帧速率)S(吞吐率)G小G适中G过大G小：吞吐率随帧速率的增加而增加(成功传输的帧增多)G过大：吞吐率随帧速率的增加反而下降(更多的冲突)理想情况1117信道竞争模型竞争模型的性能特性帧速率小帧速率适中帧速率过大G3.1.1PureALOHA竞争方式工作原理站点只要有数据就可以直接占用信道，启动发送不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，“想发就发”帧速率较大时，冲突会急剧上升G越大帧越多冲突越严重何种帧速率适合PureALOHAPureALOHA所能达到的吞吐率GN70年代，夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来，NormanAbramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（orpureALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代183.1.1PureALOHA竞争方式工作原理GN70年代PureALOHA的性能为简单起见，假定所有站点发送的帧是等长的，占用信道的时间为T（帧时）设某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：在t-T~t+T的2T间隔内没有其它站点发送(如图所示)即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布)为P0=P{2T内无帧产生}=P2T(0)=e-2G由S=GP0，可得PureALOHA的吞吐率S=Ge-2G站1站2…tt+Tt-T站N19PureALOHA的性能为简单起见，假定所有站点发送的帧PureALOHA性能曲线性能描述当帧速率G小于信道容量的50%时，发送帧产生的冲突较少，吞吐率随帧速率而增加当帧速率G大于信道容量的50%后，发送帧产生的冲突急剧上升，吞吐率下降PureALOHA的最佳性能出现在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率为信道容量的18.4%)S=Ge-2G理想吞吐率信道利用率(吞吐率)低的原因是站点的无序竞争帧发送成功率成功发送帧数/总共传输帧20PureALOHA性能曲线性能描述S=Ge-2G理想吞吐3.1.2SlotALOHA减轻PureALOHA的无序竞争，改进其性能改进方法将信道划分成长度为T的时隙，站点只能在时隙开始位置发送帧没有冲突、或完全冲突，减少冲突帧的持续时间改进的代价是所有站点实现时隙的同步(增加了实现难度)谁负责时隙管理，管理者出故障怎么办等改进后，性能提高多少？213.1.2SlotALOHA减轻PureALOHA的无SlotALOHA性能描述某站点t时刻成功发送一个帧的概率P0={T内没有新帧产生}=pT(0)=e-GSlotALOHA吞吐率为S=GP0=Ge-G

或S=pT(1)=Ge-G最大吞吐率Smax=Ge-G|G=1=1/e=0.368PureALOHA的2倍帧丢失率?Slot-alohaPure-aloha22SlotALOHA性能描述Slot-alohaPure-a3.1.3CSMA假设站点可以“听”到信道上是否有站点在发送准备发送时，若“听到”信道上有站点发送，就推迟发送，直到信道“空闲”为止，再启动发送，从而主动避免了冲突。CarrierSenseMulti-Access(CSMA)若有两个以上站点都在等，一旦信道空闲就会同时发送而冲突。因此，需要错开各站点启动发送的时间。如果有多个站点在T内产生了新帧，必然在此处开始冲突。在G比较小时，冲突概率才会小T站点s准备发送开始发送推迟预防多个站点在T内产生新帧，继续后退一个随机长度的时间后，再“听”信道，若信道闲才发送。在G比较小时，可能是多余的后退或者发送(概率p)，或者后退(随机时间长度)后再“听信道”通过调整p来配合G的大小站点s准备发送开始发送推迟随机后退站点s准备发送开始发送推迟随机后退233.1.3CSMA假设站点可以“听”到信道上是否有站点在发CSMA发送策略1坚持CSMA：等待信道闲后立即发送(p=1)0坚持CSMA：等待信道闲后再等待一段随机长度(p=0)p坚持CSMA：等待信道闲后可能发送(概率p)，可能随机后退(概率1-p)随机后退情况下，都需要重新侦听信道信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响随机后退24CSMA发送策略随机后退24CSMA载波侦听动画连续（一）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达B处B侦听信道，抑制发送AB25CSMA载波侦听动画连续（一）t信道空闲A侦听信道，立即发送CSMA载波侦听动画（二）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达B处，产生冲突B侦听信道，立即发送AB信号传播延时CSMA降低了冲突概率因为信号传播延时是很短的－－以2/3光速传播26CSMA载波侦听动画（二）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据CSMA发送流程信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送准备发送信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到R<pR=rand()是准备发送1坚持CSMA0坚持CSMAp坚持CSMA27CSMA发送流程信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送准备发送1坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率p=1准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，持续侦听信道直到信道闲，启动发送前一发送完成，后面很容易产生冲突下一帧不冲突的概率

p=PT(0)+PT(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G站A站B站C站D侦听侦听信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送1坚持CSMA281坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率p=1站A站B站C站D0坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率(p=0)再等待一段时间后决定是否发准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，等到信道闲，再等待一随机时间后在尝试发送降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突站A站B站C站D随机延时后侦听侦听随机延时后侦听准备发送信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到0坚持CSMA290坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率(p=0)站A站B站Cp坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率为p准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，等到信道闲，以概率p启动发送，以概率1-p继续等待降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突最佳方案：调整概率p，使得发送的站点数=1站A站B站C站DA计算概率为可以发送D计算概率为不能发送侦听侦听延时后侦听信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到R<pR=rand()是准备发送p坚持CSMA30p坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率为p站A站B站C站DA几种竞争协议的效率轻负载下，1-坚持的性能好，0-坚持差，p-坚持中等重负载下，1-坚持的性能差，0-坚持好，p-坚持中等31几种竞争协议的效率31G-S图的理解G大于1，意味着发送量大于信道容量G大于1，对流量出现瞬时过载能力的分析很重要当出现G>1情况时，如果S很快就下降到零，即使以后G又回落到小于1情况，由于堆积在站点上等待发送的帧太多，进入信道的G也降不下来，网络恢复正常通信需要很长时间，或者无法恢复正常因此，过载情况下(G>1)仍能有较高的S，是网络抗过载能力强的体现抗过载能力0坚持CSMA具有最强的抗过载能力Slot-aloha与1坚持CSMA在G>4时的抗过载能力相当t流量信道容量GS1S232G-S图的理解G大于1，意味着发送量大于信道容量t流量信道容CSMA的几个说明随机后退各个站点选择的后退时间是随机、各不相同后退后重新“侦听”信道，若发现“忙”，只有再后退！最坏情况：一直都在后退，站点的帧总发送不出去因此，要规定后退次数上限，后退达到上限放弃发送该帧发送概率p，例取随机数(0-100),小于5就发送(p=0.05)τ选择随机变量x[0~1]后退时间=x*τ33CSMA的几个说明随机后退τ选择随机变量x[0~1]33CSMA的冲突问题信道有长度，信号有限传播速度(v<C)，因此，信号从一端传播到另一端需要一定的时间考虑两个端点上的站点A和B当A在t0时刻开始发送数据，信号要在t0+τ才到达B因此，B在t0~t0+τ内侦听信道都是“空闲”的。这个时间是发生冲突的危险时间段而且，τ越大，产生更多新帧概率越高，出现冲突概率更大减小τ，意味着减小信道长度因此CSMA不能再长信道上应用τ=d/vABt0t0+τ300米信道，τ>300/3*108=1us3Km信道，τ>10us30Km信道，τ>100us100Mbps信道：100us*100*106=10000bits34CSMA的冲突问题信道有长度，信号有限传播速度(v<C)，因CSMA后退算法连续后退问题若连续多次都发现信道忙，说明信道确实很忙，应该加大后退长度让站点在[1..W]区间内随机选择一个后退值W称为后退窗口，后退时间单位=τ二进制指数后退算法若节点在第k次准备发送时，仍发现信道忙，则W=2k站点在[1..W]区间中随机选择一个后退值N后退时间T=N*τ若k达到规定值(如15)，则放弃发送该帧，转而发送下一帧35CSMA后退算法连续后退问题353.1.4CSMA/CD（结合P216、P233）载波侦听多路访问/冲突检测改进CSMA性能CSMA仍有少量冲突存在，继续发送，浪费信道资源引入条件：发送后，如果能够发现冲突，就立即停止发送有线信道上：发送的信号能量与接收的信号能量相当冲突检测有线信道上，可以检测信号的能量，以发现是否冲突检测到冲突后，立即停止发送，让信道空闲站A站B站C冲突减少信道浪费成功发送363.1.4CSMA/CD（结合P216、P233）载波侦听

冲突检测方法电平判断冲突信号相互叠加，总电平将超过额定值逻辑判断发送的数据与同时收回来的数据不一致+=超高收发冲突信道37冲突检测方法电平判断+=超高收发冲突信道37冲突检测时间最坏情况站点A发送数据帧后在τ-ε时到达最远端的站点B，而B恰好在此时开始发送。ε接近于0，但不等于0站点B马上可以检测到冲突站点A要再经过τ后，才可能检测到冲突实际上，站点还需要用若干bit的来验证是否冲突故：冲突检测时间≥2τ，即发送超过2τ时间后不需要再检测冲突38★冲突检测时间最坏情况38★冲突检测后的处理检测到冲突后立即停止传输，停止传输后，随机延迟一段时间再尝试发送延迟时间以时间片为单位一个时间片=最大冲突检测时间(2τ)随机延时算法－－截断二进制指数回退算法最大重试次数attempt_limit，当attempts≥10时，退避窗口W维持210不变r为计算的延时时间片whileattempts<attempt_limitk=min(attempts,10);r=random(0,2k);attempts=attempts+1;endofwhile39冲突检测后的处理检测到冲突后立即停止传输，停止传输后，随机延3.1.5CSMA/CA无线局域网所有站点工作在相同的无线信道上无线信道构成一个空中共享总线与有线网不同之处收发不能同时(无法实现CD)传输距离有限，（新冲突）B不能检测到A的载波，在C处产生冲突B称为A的“隐藏终端”发送40mW接收40mW*10-7发送时需要关闭接收机，否则泄漏来的信号都会使接收机过载ACB隐藏终端问题403.1.5CSMA/CA无线局域网发送接收发送时需要关闭接RTS/CTS机制解决隐藏站点冲突A欲向B发送数据，先发送RTS帧提醒BB应答CTS，阻止在B覆盖范围内的其他所有站点发送数据（不包括A）C收到CTS后，不向B发送数据而避免了冲突（在B周围的所有站点中只有A能发送数据）ABCRTSCTS41RTS/CTS机制解决隐藏站点冲突ABCRTSCTS41CSMA/CA“暴露终端”问题在A向B发送报文的同时，C应该可以向D发送报文C不会干扰B的接收，A也不会干扰D的接收但C在A的范围内，A的发送抑制了C的发送C暴露在A的范围中而被禁止发送解决暴露终端思路C收不到B的CTS，证明不会干扰B的接收设计节点的发送算法！AC暴露终端问题BD42CSMA/CA“暴露终端”问题AC暴露终端问题BD42RTS/CTS机制解决暴露终端的方法C收不到A发出的CTS－－发送抑制帧C可以在B向A发送数据的同时向D发送数据新的问题RTS、CTS帧的冲突ABCDCTS43RTS/CTS机制解决暴露终端的方法ABCDCTS43CSMA/CA(CollusionAvoidance)要求A发送时，A周围的站点侦听到载波，不会发送A发送数据到C时，C的附近不能有其它站点发送（不使C的接收受到冲突）CSMA/CA工作方式A先向C发送“请求发送”短报文:RTS(持续时间)C应答“允许发送”短报文:CTS(持续时间)产生抑制周围站点发送的效果A收到CTS后发送数据帧AC44CSMA/CA(CollusionAvoidance)CSMA/CA大规模通信范围外，信道可重复使用，从而增大了信道的利用效率45CSMA/CA大规模通信范围外，信道可重复使用，从而增大3.1随机竞争访问信道（小结）竞争访问信道面临的问题及解决方案有冲突出现尽量减少冲突－降低冲突概率监听载波随机后退P-坚持尽量减小冲突带来影响－减小冲突窗口分时槽监听载波冲突检测减小冲突持续时间463.1随机竞争访问信道（小结）竞争访问信道面临的问题及解决3.2无冲突协议★

控制节点访问信道次序预定协议位图方法自定方式地址信息用特定信息指挥发送令牌473.2无冲突协议★控制节点访问信道次序47无冲突协议预定协议－位图方法在信道访问前先申请（预定）信道，然后按序访问争用时隙的作用发送站在自己的争用时隙中置位在争用时隙结束后，各发送站按顺序发送基本位图：建立争用时隙与站点的映射48无冲突协议预定协议－位图方法48无冲突协议自定方式不预定信道，而是利用站点自带的信息（地址）决定使用信道的顺序二进制倒计数法各发送站发送自己的地址，同时监听自己发出的地址是否改变地址发完后，没有发现地址改变的发送站继续发送数据49无冲突协议自定方式49无冲突协议二进制倒计数法例站A、B、C、D地址分别为0010、0100、1001、1010，假设四个站点同时希望发送，它们将自己的地址送出，并同时监听网络上的数据。0010010010011010ABCD发送顺序先后00111111D站可以发送数据发送站中地址最高的可以发送数据高地址站具有高优先级地址动态变化，以保证公平性50无冲突协议二进制倒计数法例001001001无冲突协议用特定信息指挥发送令牌环轮询方式TCUSDACED令牌TCUTCU主从从从从51无冲突协议用特定信息指挥发送TCUSDACED令牌TCUTC3.3有限竞争协议产生背景竞争协议与无冲突协议在轻载和重载下的不同特性－－各有优劣轻载时，竞争协议具有低发送延时特性重载时，无冲突协议具有高信道利用率的特性优优523.3有限竞争协议产生背景优优523.3有限竞争协议★

分组分时隙法分组：组数－－N组内成员数－－M组间用无冲突方式（固定时隙），组内用竞争方式轻载时，增加减少重载时，增加减少组的数量组内成员数量组的数量组内成员数量533.3有限竞争协议★分组分时隙法组的数量组内成员数量组的有限竞争协议自适应树搜索协议－－利用树来分组快速定位有数据需要发送的站54有限竞争协议自适应树搜索协议－－利用树来分组543.4波分多路访问协议应用环境无源光柱－－共享信道接收器发送器553.4波分多路访问协议应用环境无源光柱－－共享信道接收器发波分多路复用波分利用不同的波长作为不同的信道（类似FDM）每个节点具有各自的发送信道、接收信道一个波长固定的接收端，收控制信息一个波长可调的发送端，发控制信息一个波长固定的发送端，发送数据一个波长可调的接收端，接收数据控制数据接收控制数据发送波长固定波长可调56波分多路复用波分控制数据接收控制数据发送波长固定波长可调5657波分多路复用协议过程

A向B发送数据B在数据信道定期发送信道状态信息（控制信道、数据信道何时空闲）A调整接收数据信道，监听B的状态通告A调整发送控制信息的波长，向B发出请求信息：“请在某时接收我发送的数据”B接受请求后，在议定的时候将接收数据波长调整与A的数据发送波长一致，接收数据类似：广播节目预告57波分多路复用协议过程类似：广播节目预告58波分多路复用数据发送AB数据发送数据接收控制接收控制发送控制接收控制发送数据接收λA1λA2λB1λB2SSSSSreqDatatoB58波分多路复用数据发送AB数据发送数据接收控制接收控制发送59波分多路复用DatatoB数据发送AB数据发送数据接收控制接收控制发送控制接收控制发送数据接收λA1λA2λB1λB2SSSSDatatoBDatatoCSDatatoDDatatoBDatatoBDatatoB59波分多路复用DatatoB数据发送AB数据发送数据接波分多路复用小结波分复用与纯广播式通信不同，各节点有自己的信道与FDM方式的信道固定分配不同，带有动态分配的思想，具有统计复用的特点，信道利用率高数据发送信道波长虽然固定，但并不限制只能将数据发送给一个站点当多个站点同时请求向一个站点发送数据时，也会出现冲突60波分多路复用小结603.5数字蜂窝GSM数字数据与数字信号数字数据：集成、压缩、纠错、加密数字信号：抗干扰、高数据传输速率、可再生GSM的信道分配FDM＋TDM静态＋动态分配GSM的公共信道呼叫信道－－下行信道随机访问信道－－上行信道 存在多路访问冲突问题，用slottedALOHA解决访问授权信道－－下行信道用于连接的建立613.5数字蜂窝GSM用于连接的建立61数字蜂窝CDMACDMA既是一种编码方式，也是一种信道分配方法。每一个扩频码（伪码）代表一个逻辑信道扩频码是一个比特序列，数据1对应为扩频码，数据0对应扩频码的补码扩频码之间是正交的可同时发送多个扩频码，信道利用率获得提高。受噪声的影响，扩频码的个数是有限的，扩频码的分配方法将影响系统利用率数据扩频码011001100111001100110062数字蜂窝CDMA数据扩频码011001100111001104以太网采用了CSMA/CD技术的局域网范围小、数传速率高，共享介质一根电缆连接所有的站点背景IEEE802委员会IEEE802.3MAC媒体访问控制层PHY物理层LLC逻辑链路控制层高层数据链路层634以太网采用了CSMA/CD技术的局域网MAC媒体访问控制层4.1以太网物理层接口BNC－－同轴电缆接口RJ45－－双绞线接口SC－－光纤接口644.1以太网物理层接口64以太网物理层曼彻斯特编码归零较多跳变有违例编码效率较低65以太网物理层曼彻斯特编码654.2以太网MAC层MediaAccessControlsub-layer物理层Init空闲侦听发送后退信道闲以太帧冲突jam信道忙后退结束Jam后发送完成过滤以太帧MII封装解封装IEEE802.3介质访问控制子层(MAC)MACLLC源地址、目的地址，类型，待发数据块源地址、目的地址，类型，数据块IEEE802.2逻辑链路控制子层(LLC)664.2以太网MAC层MediaAccessControl以太网MAC层媒体访问技术－－CSMA/CD传输前侦听载波信道空闲立即发送信道忙则一直侦听，直到信道空闲，然后立即发送发送过程中同时检测冲突发现冲突立即停止传输，并在随机延时后尝试发送停止传输后，用二进制指数回退算法计算延时一些重要的规定最小帧长64字节，最大帧长1518字节最多连续冲突次数：16次帧间间隔12字节67以太网MAC层媒体访问技术－－CSMA/CD67以太网MAC层以太网帧结构DstAddrSrcAddrTypeorLenDataUnitFCS6B6B2B46～1500B4B地址域，指明发送方和接收方身份类型/长度域，说明数据域的类型或数据长度数据域，该帧传递的数据单元校验域，检查该帧是否出错(物理层处理)前导码8B用于同步的’01’序列ifsifsifspreamblepreamblepreambleifs(inter-framespace)=至少12字节信号长度Preamble(前导码)=8字节’01’序列68以太网MAC层以太网帧结构DstAddrSrcAddrT以太网帧结构目的地址：6字节，包括3种形式广播地址：代表全体站点(只能作目的地址使用)单播地址：代表个别站点(可作源和目的地址)多播地址：代表一组站点(只能作目的地址使用)第一字节，最低位为0表示单播地址0x00900A270B0C为1表示多播地址0x01005E730C01全部为1表示广播地址0xFFFFFFFFFFFF69以太网帧结构目的地址：6字节，包括3种形式69以太网帧结构类型/长度字段（2字节）0～1500保留为长度域值，1536～65535保留为类型域值(0x0600～0xFFFF)小于等于1500表示数据域的字节长度数据内容是变长的，最大为1500大于等于1536则表示帧类型－数据域封装的协议类型0x800：表示数据内容是IP分组0x806：ARP分组实现两种格式的统一。Type的其它定义见RFC1700目的地址源地址0x800IP分组70以太网帧结构类型/长度字段（2字节）目的地址源地址0x800以太网帧格式帧校验字段32位CRC校验MAC层发现帧错误后，仅向上层报告而不进行差错控制LLC子层应用现状目前大多数网络协议(例如IP协议)抛开了LLC子层，直接通过MAC实现与其它站点通信PhyMAC…71以太网帧格式帧校验字段PhyMAC…714.3快速以太网(FastEthernet)数传速率为100Mbps的以太网802.3u与10Mbps的以太网兼容－－10/100M自适应电缆：5类双绞线接口：RJ45编码：8B/6T（3类UTP）、4B/5B（5类UTP）MAC层：CSMA/CD（半双工-集线器）全双工（交换式）下不用724.3快速以太网(FastEthernet)数传速率为14.4千兆以太网数传速率为1000Mbps的以太网802.3z，802.3ab等“电”缆：802.3z－－光纤，802.3ab－－双绞线编码：8B/10BMAC层：CSMA/CD（半双工-集线器）全双工（交换式）下不用帧扩充（载荷扩充）技术，将小于64字节的帧扩充到512字节发送帧突发（帧串）技术，一次可连续发送多个小于512字节的帧，直到8K字节734.4千兆以太网数传速率为1000Mbps的以太网73共享式与交换式以太网共享式以太网一根电缆(或HUB)连接所有的站点站点采用CSMA/CD竞争信道HUB模拟共享信道HUB74共享式与交换式以太网共享式以太网HUB模拟共享信道HUB74共享式与交换式以太网交换式以太网交换机端口与站点采用全双工通信，每个端口只接一台计算机共享缓冲区、交换矩阵、CrossBar等在端口间转发数据帧所有端口并行工作没有信道竞争，关闭了CSMA/CDMACMACMACMAC帧缓冲区转发根据目的MAC向相应端口转发帧以太网交换机75共享式与交换式以太网交换式以太网MACMACMACMAC帧缓5无线局域网协议标准IEEE802.11系列协议11b11g11a11n11i……无线的“以太网”希望像以太网那样普及、方便、易用MAC技术CSMA/CA高层LLC802.3MAC802.3PHY802.11MAC802.11PHY765无线局域网协议标准高层LLC802.3802.3802.1WLAN标准物理层802.11b－－11Mbps802.11g－－54Mbps802.11a－－54Mbps802.11n－－将超过100Mbps其他802.11e－－Qos，提高可靠性802.11f－－站点在AP间的“漫游”802.11p－－在车里和车辆之间实现WLAN802.11s－－AP之间用无线形成多跳网77WLAN标准物理层775.1WLAN的组网结构对等结构－－无中心结构基础架构－－有中心结构(APAccessPoint)AP无线网卡785.1WLAN的组网结构对等结构－－无中心结构AP无线网卡5.2WLAN物理层红外线IR1Mbps或2Mbps的数传速率光波长：850nm没有穿越性，较少使用跳频扩频FHSS2Mbps2.4GHz抗干扰性好较少使用不同时隙工作在不同频率上795.2WLAN物理层红外线IR不同时隙工作在不同频率上79WLAN物理层（续）直接序列扩频DSSS2Mbps、11Mbps，2.4GHz类似CDMA应用较为广泛正交频分多路复用OFDM54Mbps，2.4GHz、5GHz分割子频率复杂的编码技术80WLAN物理层（续）直接序列扩频DSSS805.3WLAN的MAC层协议操作模式DCF与PCF，DCF是对CSMA技术的继承更常用CSMA/CA技术载波侦听多路访问/冲突避免逻辑载波侦听根据侦长度字段判断信道空闲的时刻RTS/CTS技术避免冲突815.3WLAN的MAC层协议操作模式81CSMA/CA（802.11）82CSMA/CA（802.11）82802.11四种IFS（InterframeSpacing）83802.11四种IFS（InterframeSpacin5.4WLAN帧格式帧控制中含有帧类型管理帧、控制帧（RTS、CTS）、数据帧比以太网复杂地址字段：四地址结构根据不同组网模式分别使用：2地址、3地址、4地址未用的地址域从帧中去除ABAP1AP2BAAP2AP1845.4WLAN帧格式ABAP1AP2BAAP2AP1845.5WLAN组网模式BSS：BasicServiceSet基本服务模式（3地址帧结构）有中心结构，AP(AccessPoint)无线站点间不直接通信，而是通过AP的中继实现无线站点通过AP实现与有线网络通信AP以太网ADSDataBSS-ID(6字节地址格式)ADSDataDSDataSDDBSSADSDataA站点S：指明目的站、关联的AP站点D：获知源站、发送的AP85A5.5WLAN组网模式BSS：BasicServiceBSS组网服务AP周期性发送信标(Beacon)供无线站点识别和实现关联关联(Association)无线站点关联到指定的AP通信的数据收发都通过关联的AP中继实现beaconbeaconbeaconAssociation_ReqAssociation_ACKAP无线站点RTSCTSDataACK86BSS组网服务AP周期性发送信标(Beacon)beacoESS(ExtendedServiceSet)扩展服务模式多个BSS的分布式扩展分布式系统(DS)连接各个BSS中的AP不同BSS间的站点也可以实现通信BSS2BSS1BSS3DSADSDataSDDSDataDSDataDSDataBAB87ESS(ExtendedServiceSet)扩展服务IBSS：IndependentBSS独立基本服务模式(2地址帧)无中心结构(无中继的AP)站点间直接通信（直接的无线覆盖范围）共享的空中总线又称：单跳无线AdHoc网络目前研究的重点多跳AdHoc网络IBSSDSData多跳AdHoc88IBSS：IndependentBSS独立基本服务模式6网桥★

网桥又称MAC桥，是一种L2中继设备网桥通过多个端口互连不同的LAN多种LAN技术的发展催生了网桥各个LAN的MAC技术、速率均可不同网桥的应用需求不同的LAN需要连接调节载荷，减轻主干负担可靠性Vs广播性，限制故障范围安全性需要，将局域网隔离“合”与“分”的问题896网桥★网桥又称MAC桥，是一种L2中继设备89网桥的结构中继转发功能转发广播、多播或目的地址在对端的数据帧MAC(CSMA/CD)MAC(CSMA/CD)M1M2M3M4网桥通信状况M1向M3发送帧，网桥也能收到，但网桥不转发该帧M1向M2发送帧，网桥收到并转发该帧到M2所在网络上网桥特性网桥一侧网络的竞争通信，不会影响另一侧网络的竞争通信网桥可以缓存数据帧，在另一侧竞争到信道后再发送目的地址为广播/多播？或在另一侧？信道帧情况1、本地通信帧2、远端到本地的帧3、本地到远端的帧信道帧情况1、本地通信帧2、远端到本地的帧3、本地到远端的帧90网桥的结构中继转发功能MACMACM1M2M3M4网桥通信状网桥的特点隔离冲突域网桥各端口具有独立的MAC实体各端口为独立的冲突域隔离流量只有必要的帧才被网桥中继宿地址与源地址同端口的帧，不转发网桥各端口的流量相对隔离可靠性，限制故障范围安全性需要，将局域网隔离特点的应用网桥可以用于互连（对于不同类型的LAN）网桥更可用于分段！（对于相同的LAN）91网桥的特点隔离冲突域91网桥-选择性多路中继如果帧头中含有地址信息(源地址、目的地址)就可实现多条链路上的、链路（端口）选择性中继系统选择性多路中继中继系统记录了所有站点的地址以及所在的链路（端口）对收到的数据帧，根据目的地址，从对应的链路转发出去中继系统Phy-1信道1Link-1Phy-2Link-2Phy-nLink-n信道2信道nOnRecv(…)OnRecv(inIF,Frm){outIF=SelectIF(Frm->dAddr)sendto(outIF,Frm)}92网桥-选择性多路中继如果帧头中含有地址信息(源地址、目的地址网桥隔离冲突域网桥隔离冲突域，但不隔离广播域网桥隔离冲突域将网络分隔成两个冲突域每一个端口及其相连的站点位于同一冲突域A站B站C站D站A站B站C站D站网桥冲突域1冲突域2所有站点位于同一冲突域93网桥隔离冲突域网桥隔离冲突域，但不隔离广播域ABCDABCD网桥连接局域网网桥互连多个不同的LAN各个局域网MAC技术和速率均可不同－－存储转发网桥可能需要做协议转换（现在较少使用）网桥分割同类型LAN为不同LAN段隔离冲突域、扩大LAN的范围、提高整体性能网桥对站点透明桥接局域网上的各站点不知道网桥的存在各站点认为所有站在同一个LAN或LAN段上网桥站站站站分割不同的LAN段网桥站站站站互连不同的LAN94网桥连接局域网网桥互连多个不同的LAN网桥站站站站分割不同的网桥的协议模型网桥工作在对应OSI模型的第二层，在MAC子层增加中继软件存储转发95网桥的协议模型网桥工作在对应OSI模型的第二层，在MAC子层互联不同LAN面临的技术难题帧格式不同，需要“翻译”数据传输速率不同缓冲区的溢出帧的最大长度不同802.3:1500字节；802.4:8191字节;802.5:无上限地址转换以太网地址-------令牌环地址96互联不同LAN面临的技术难题帧格式不同，需要“翻译”96技术难题示例97技术难题示例97网桥的类型远程网桥：已退出市场使用点到点协议源路由网桥：较少使用桥将接收所有的数据帧由源端在数据帧中指明发送路由，即经过的桥的序列协议转换网桥：较少使用透明网桥（目前的产品主要是交换机）以太网交换机的原理就是采用透明网桥的原理接收所有的数据帧根据帧的目的MAC地址，查地址表转发生成树网桥98网桥的类型远程网桥：已退出市场98透明网桥工作原理网桥采用存储转发方式各端口独立工作，速率可不同网桥的转发策略接收所有帧，根据目的地址决定转发策路对广播帧，从网桥所有端口扩散出去对单播帧，查MAC表，如表中有目的地址项，则按表中端口转发（若目的站与源站同端口，不转发），否则向所有端口扩散转发网桥逆向学习建立MAC表对接收到的帧，将帧中的源MAC地址和端口记录到MAC表中，下次作为目的站时，可以及时找到转发端口根据站点活动情况，刷新生命期删除长期不活动的站点记录长度/类型载荷校验宿地址源地址MAC地址端口号生命期MAC11XXX99透明网桥工作原理网桥采用存储转发方式长度/载荷校宿源MAC地网桥的冗余性网桥环路问题冗余的网桥能克服链路/网桥故障带来的通信中断问题但网桥不能构成有环路形式的组网结构描述网桥的环路问题生成树算法与协议生成树算法在有环路出现的情况下，生成树状“工作”拓扑结构生成树协议工作中监测链路/网桥故障，一旦出现，更新树状结构，保持网间的连通网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥100网桥的冗余性网桥环路问题网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥网桥生成树网桥（转发表的维护）生成树算法反向地址学习容易形成环路环路造成转发的无限循环生成树就是在环路的情况下裁减部分分支，变成一颗树型拓扑没有环路101生成树网桥（转发表的维护）生成树算法101其它网桥技术源路由网桥桥将接收所有的数据帧由源端在数据帧中指明发送路由，即经过的桥的序列网桥只关心自己是否在桥的序列中，若是，按照路径要求转发到下一个网桥不是，则不予理睬102其它网桥技术源路由网桥102网桥技术远程网桥网桥之间采用点到点连接，使用点到点协议MAC1MAC2DSBodyB1B2DSBodyPDSBodyPPPHeaderPPPBMAC3103网桥技术远程网桥MAC1MAC2DSBodyB1B2DSBo网桥技术小结网桥是一个链路层的中继转发设备使其连接的站点能够互联互通网桥的加入对站点无影响（除稍有延迟外）站点不知道网桥的存在（透明性）站点之间感觉就好像是直接互连通信的网桥对帧的转发完全透明转发帧时，对帧不做任何改变只是按照帧中的目的地址转发到合适的端口网桥隔离了冲突域存储转发的机制使桥两端可以同时有数据在线★104网桥技术小结网桥是一个链路层的中继转发设备★104网桥技术小结无论如何，网桥在数据链路层互连，其结果就是实现所有的站点“直接相连”。其互连规模有限，隔离性也有限传统网桥基于软件、性能不高、市场并不大交换机就是硬件化的多端口网桥，目前以太网的主要设备105网桥技术小结无论如何，网桥在数据链路层互连，其结果就是实现所几类连接器－功能定义106几类连接器－功能定义106公共信道分配基本方法107公共信道分配基本方法107作业1、p286,第5、12题2、广播信道的网络，需要特别解决哪些点到点信道网络不需要考虑的问题？面对这些问题，解决的措施有哪些？3、网桥是在哪一层转发的设备？网桥的加入对站点通信有何影响？网桥的主要任务是什么？有何局限性？4、假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbps，设信号在网络上的传播速率为200,000km/s，求能够使用此协议的最短帧长。108作业1、p286,第5、12题108协议侦听载波信道访问冲突检测P冲T冲D纯ALOHA时槽ALOHA1-坚持CSMA非坚持CSMAP坚持CSMACSMA/CD在同等条件下：为各协议给出等级分，如P冲=1表示该协议在几种协议中冲突概率最小备选答案不侦听一直侦听跳跃式侦听随意发送信道空闲就发送信道空闲不立即发送不检测检测P冲：冲突发生的概率T冲：碰撞窗口－－冲突持续的时间D：发送的延迟－－从准备到正确发送109协议侦听载波信道访问冲突检测P冲T冲D纯ALOHA时槽ALO

第四章

介质访问控制层1背景2共享介质的信道分配3共享信道动态访问技术4以太网5无线局域网6网桥110

第四章

介质访问控制层1背景11背景计算机网络分为两类点到点信道的网络（点到点网络）共享信道的网络（广播式网络）广播信道也称为：多路访问信道或随机访问信道广播信道网络的特点所有站点共享同一信道一个站发送的数据将传遍整个网络同时发送会产生冲突需要某种信道访问机制——介质访问子层研究的问题111频率f★1背景计算机网络分为两类2频率f★1背景典型的广播信道网络卫星网络无线广域网（GSM、GPRS、WCDMA等）无线局域网WLAN（802.11）有线局域网共享式以太网，令牌环网光纤网络广播信道网络面临和需要解决的问题如何识别不同的站点站点何时如何使用信道——信道访问与分配问题上述问题由MAC子层协议解决（OSI参考模型）介质访问子层（mediumaccesscontrol）112★1背景典型的广播信道网络3★术语：多路复用与多路访问多路复用：Multiplex（信号）多个通信复用到一个信道上TDM、FDM通过划分子信道，实现多个一对一的通信多路（多址）访问：Multi-Access（用户）在一个信道上，实现多个站点间通信，一对多的通信TDMA，时分多路访问，TDM的联网通信方式FDMA，频分多路访问，FDM的联网通信方式CDMA，码分多路访问WDMA，波分多路访问CSMA，载波侦听多路访问113术语：多路复用与多路访问多路复用：Multiplex（信号）2共享介质的信道分配静态分配（无竞争）频分多路访问FDMA（各站使用独立频段传输）需要考虑频段间隔，以免相互干扰用户速率受限时分多路访问TDMA（各站使用独立时间段传输）需要考虑时间段（时隙）独立，以免干扰用户接入时延较大静态分配方式简单可靠，但信道利用率低，不适应突发的数据传送和用户数量变化的情况。114★2共享介质的信道分配静态分配（无竞争）5★2共享介质的信道分配动态分配不固定为每个站点分配信道需要时才分配或占用，空闲时可由其它站点使用动态分配需要考虑的要素如何发送任意，想发就发；得到许可再发送发送前是否侦听载波：盲目或等待信道空闲如何接收地址识别；是否检测冲突冲突怎样解决不使冲突出现减少冲突减少冲突影响115★STOPNOYESCollision2共享介质的信道分配动态分配6★STOPNOYESColl2共享介质的信道分配动态分配的方式集中仲裁的动态分配（需要管理站）向管理站预约：需要时申请，许可后发送数据（举手的方式）申请时可能冲突，许可后发送无冲突由管理站轮询(点名的方式)单播轮询方式：依次询问每个站，有数据发的站点发送，无冲突组播或广播轮询：可能有冲突分布仲裁的动态分配（无需管理站）允许竞争存在，尽量避免或减少冲突减少冲突的措施：发前侦听信道，检测冲突，冲突后随机后退等令牌控制信道的使用只有得到令牌的站，才能发送数据（无冲突方式）116★2共享介质的信道分配动态分配的方式7★本章重点－分布式随机竞争算法算法优点信道利用率高其它站点不发送时，可占用更多的信道资源联网通信方式简单不需要进行信道划分（随机信道）站点数可变发，或者不发(不存在子信道带来的复杂问题)适合于计算机间的组网通信（范围有限）通信的对象可变通信的数据量可变，通信能力强站点可自由上下网最大问题如何最大限度避免出现发送冲突117本章重点－分布式随机竞争算法算法优点83共享信道动态访问技术3.1随机竞争访问信道节点随机抢占信道，ALOHA、CSMA等允许冲突存在3.2无冲突访问信道（有序访问）控制节点访问信道次序，位图、令牌等无冲突3.3有限竞争访问信道结合竞争方式和无冲突方式轻负载时，使用竞争方式重负载时，使用无冲突方式1183共享信道动态访问技术3.1随机竞争访问信道93共享信道动态访问技术3.4波分多路访问站点配置工作方式3.5蜂窝网络随机竞争按需分配1193共享信道动态访问技术3.4波分多路访问103.1典型的随机竞争访问协议★

纯ALOHA协议各站想发就发，碰撞随时可能发生时槽ALOHA协议规定统一发送时刻，碰撞时帧完全重叠CSMA协议发前侦听信道，忙则随机后退有三种策略：0坚持、1坚持和P坚持CSMA/CD发前侦听信道，发送时同时检测信道检测到冲突立即停发，释放信道CSMA/CA：WLAN的MAC协议发前不听不看，冲突严重虽发前侦听信道，但冲突一旦发生不能立即停下，资源浪费冲突立即释放信道，提高信道利用率1203.1典型的随机竞争访问协议★纯ALOHA协议发前不听不性能分析模型假设有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分析方便，假定：所有数据帧长度相同(Lbits)，信道速率为R(bits/s)每个数据帧持续时间为T=L/R，（帧时）信道帧速率为C=1/T=R/L123…C单位时间=CT123…g成功帧数s总帧数g站点通信模型：--N个站点按某种通信规则发送数据帧。--数据帧在信道上可能出现重叠(冲突)--只有未被冲突的帧才能成功传输三个重要分析参数：C：信道帧速率，单位时间内最大传输帧数g：信道负载，单位时间内所有站点传输帧总数s:有效传输，单位时间内成功传输帧总数121性能分析模型假设有N个站点，每个站点随时都有数据帧可发。为分归一化性能参数G=g/C信道负载率，信源帧速率数据帧总传输速率与信道帧速率之比也可理解为：帧数量/帧时,G=g/C=gT0<G<NN个站的帧传输在时间上可能(部分)重叠当G>1时，表明信道已达到满负荷G最大可达N(站点数)，表示每个站点都以信道帧速率发送S=s/C信道吞吐率，信道利用率成功帧速率占信道帧速率的比例0<S<1123…C单位时间=CT123…g成功帧数s总帧数g122归一化性能参数G=g/C信道负载率，信源帧速率123…信道竞争模型竞争模型N个独立工作的站点，随机地发送数据帧进入信道的帧速率是一个随机过程(设均值为G)某个帧成功传输的条件(不考虑误码)没有与其它帧在时间上有重叠进入信道(帧速率G)成功传输出信道（吞吐率S）冲突的帧（消失在信道上)显然：S≤G123信道竞争模型竞争模型进入信道成功传输出信道冲突的帧显然：S≤信道竞争模型帧速率（信道负载率）的概率分布在任意一个帧时T(帧长度/信道速率)内，生成k个帧的概率服从泊松分布其中G为平均帧速率（帧/帧时）典型值：T内生成0帧的概率为：pT(0)=e-GT内生成1帧的概率为：pT(1)=Ge-G2T内生成0帧的概率为：p2T(0)=e-2G124信道竞争模型帧速率（信道负载率）的概率分布15信道竞争模型背景知识：泊松(Poisson)分布无穷多个独立工作站点随机生成(发送)帧的概率分布设有一小的时间间隔dt，若在dt内生成一帧的概率为λdt(λdt<<1)当dt足够小时，生成多于1帧的概率可忽略不计在各不重叠的时间间隔，生成的帧数是独立的随机变量概率结构与时间位置无关则可推出在t时间内生成n个帧的概率为均值为方差为λ为帧的平均生成速率(研究表明：当站点数超过20个时,其生成帧的概率分布已非常接近泊松分布）125信道竞争模型背景知识：泊松(Poisson)分布λ为帧的平均信道竞争模型竞争模型的性能特性吞吐率S与帧速率G的关系：S=GP0（P0成功传输概率）帧的数量少－冲突概率小－传输成功率高－吞吐率升高帧的数量多－冲突概率大－传输成功率低－吞吐率降低帧速率小帧速率适中帧速率过大G(帧速率)S(吞吐率)G小G适中G过大G小：吞吐率随帧速率的增加而增加(成功传输的帧增多)G过大：吞吐率随帧速率的增加反而下降(更多的冲突)理想情况11126信道竞争模型竞争模型的性能特性帧速率小帧速率适中帧速率过大G3.1.1PureALOHA竞争方式工作原理站点只要有数据就可以直接占用信道，启动发送不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争，“想发就发”帧速率较大时，冲突会急剧上升G越大帧越多冲突越严重何种帧速率适合PureALOHAPureALOHA所能达到的吞吐率GN70年代，夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来，NormanAbramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法，称为ALOHA（orpureALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代1273.1.1PureALOHA竞争方式工作原理GN70年代PureALOHA的性能为简单起见，假定所有站点发送的帧是等长的，占用信道的时间为T（帧时）设某个站点在t时刻发送一个帧，该帧成功发送的条件是：在t-T~t+T的2T间隔内没有其它站点发送(如图所示)即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布)为P0=P{2T内无帧产生}=P2T(0)=e-2G由S=GP0，可得PureALOHA的吞吐率S=Ge-2G站1站2…tt+Tt-T站N128PureALOHA的性能为简单起见，假定所有站点发送的帧PureALOHA性能曲线性能描述当帧速率G小于信道容量的50%时，发送帧产生的冲突较少，吞吐率随帧速率而增加当帧速率G大于信道容量的50%后，发送帧产生的冲突急剧上升，吞吐率下降PureALOHA的最佳性能出现在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率为信道容量的18.4%)S=Ge-2G理想吞吐率信道利用率(吞吐率)低的原因是站点的无序竞争帧发送成功率成功发送帧数/总共传输帧129PureALOHA性能曲线性能描述S=Ge-2G理想吞吐3.1.2SlotALOHA减轻PureALOHA的无序竞争，改进其性能改进方法将信道划分成长度为T的时隙，站点只能在时隙开始位置发送帧没有冲突、或完全冲突，减少冲突帧的持续时间改进的代价是所有站点实现时隙的同步(增加了实现难度)谁负责时隙管理，管理者出故障怎么办等改进后，性能提高多少？1303.1.2SlotALOHA减轻PureALOHA的无SlotALOHA性能描述某站点t时刻成功发送一个帧的概率P0={T内没有新帧产生}=pT(0)=e-GSlotALOHA吞吐率为S=GP0=Ge-G

或S=pT(1)=Ge-G最大吞吐率Smax=Ge-G|G=1=1/e=0.368PureALOHA的2倍帧丢失率?Slot-alohaPure-aloha131SlotALOHA性能描述Slot-alohaPure-a3.1.3CSMA假设站点可以“听”到信道上是否有站点在发送准备发送时，若“听到”信道上有站点发送，就推迟发送，直到信道“空闲”为止，再启动发送，从而主动避免了冲突。CarrierSenseMulti-Access(CSMA)若有两个以上站点都在等，一旦信道空闲就会同时发送而冲突。因此，需要错开各站点启动发送的时间。如果有多个站点在T内产生了新帧，必然在此处开始冲突。在G比较小时，冲突概率才会小T站点s准备发送开始发送推迟预防多个站点在T内产生新帧，继续后退一个随机长度的时间后，再“听”信道，若信道闲才发送。在G比较小时，可能是多余的后退或者发送(概率p)，或者后退(随机时间长度)后再“听信道”通过调整p来配合G的大小站点s准备发送开始发送推迟随机后退站点s准备发送开始发送推迟随机后退1323.1.3CSMA假设站点可以“听”到信道上是否有站点在发CSMA发送策略1坚持CSMA：等待信道闲后立即发送(p=1)0坚持CSMA：等待信道闲后再等待一段随机长度(p=0)p坚持CSMA：等待信道闲后可能发送(概率p)，可能随机后退(概率1-p)随机后退情况下，都需要重新侦听信道信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响随机后退133CSMA发送策略随机后退24CSMA载波侦听动画连续（一）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达B处B侦听信道，抑制发送AB134CSMA载波侦听动画连续（一）t信道空闲A侦听信道，立即发送CSMA载波侦听动画（二）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据信号到达B处，产生冲突B侦听信道，立即发送AB信号传播延时CSMA降低了冲突概率因为信号传播延时是很短的－－以2/3光速传播135CSMA载波侦听动画（二）t信道空闲A侦听信道，立即发送数据CSMA发送流程信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送准备发送信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到信道忙否侦听完成是信道闲发送后退时间到R<pR=rand()是准备发送1坚持CSMA0坚持CSMAp坚持CSMA136CSMA发送流程信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送准备发送1坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率p=1准备发送：侦听信道若信道闲，启动发送否则，持续侦听信道直到信道闲，启动发送前一发送完成，后面很容易产生冲突下一帧不冲突的概率

p=PT(0)+PT(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G站A站B站C站D侦听侦听信道忙否侦听是信道闲准备发送完成发送1坚持CSMA1371坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率p=1站A站B站C站D0坚持CSMA信道闲后，启动发送的概率(p=0)再等待一段时间后决定是否发