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第四章 信道共享技术

第四章 信道共享技术. 多个用户(计算机或终端)要同时与一个主机相连，本章所讨论的多点接入技术属于数据链路层中的媒体接入控制 MAC 子层。 主要内容： 随机接入 ALOHA 随机接入 CSMA 和 CSMA/CD 受控接入 信道复用. 4.1 概述. 广播网络的媒体访问控制 1）广播网络需要解决的问题 2）局域网的数据链路层模型(第5章) 3）多路访问协议 4） IEEE802.3 和 以太网. 信道共享技术. 按照多个用户与一个主机连接的方法来划分，主要有以下两大类方法： 通过集中器或复用器与主机相连 使用多点接入技术 受控接入

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第四章 信道共享技术

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  1. 第四章 信道共享技术 多个用户(计算机或终端)要同时与一个主机相连，本章所讨论的多点接入技术属于数据链路层中的媒体接入控制MAC子层。 主要内容： • 随机接入ALOHA • 随机接入CSMA 和CSMA/CD • 受控接入 • 信道复用 1

  2. 4.1 概述 广播网络的媒体访问控制 1）广播网络需要解决的问题 2）局域网的数据链路层模型(第5章) 3）多路访问协议 4）IEEE802.3和以太网 2

  3. 信道共享技术 按照多个用户与一个主机连接的方法来划分，主要有以下两大类方法： • 通过集中器或复用器与主机相连 • 使用多点接入技术 • 受控接入 • 集中式控制:轮叫轮询;传递轮询 • 分散式控制:令牌环网，传递令牌，获得令牌才有权发送数据 • 随机接入 • 所有的站点可随时发送数据，争用信道，易冲突 3

  4. 点到点网络 • 一个发送者（sender）/一个接收者（receiver） • 主要用于广域网WAN的主干网 A B 4

  5. 广播网络 • 许多发送者/许多接收者 • 访问共享媒体（media） • 需要寻址 • 主要用于局域网LAN A B C D E F 5

  6. 媒体的多路访问控制 • 共享式广播信道提出的问题 • 可能两个（或更多）站点同时请求占用信道 • 解决办法：信道分配 • 信道的静态分配 • 信道的动态分配 多路访问信道multiaccess channel 6

  7. 信道的静态分配 • 将信道资源N等分 • 例如电话干线的频分复用FDM • 适于用户数量少且数目固定、通信量大情况 • 问题 • 资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不同需求 • 有资源浪费，效率低 7

  8. 信道的动态分配 • 通过多路访问协议（ Multiple Access Protocol ）动态分配信道资源，提高信道利用率 • 基本概念 • 信道争用模型 • 帧的发送方式 • 信道的状态与检测 8

  9. 信道争用模型 • 站点 • 连接到广播网络中的每一台独立的设备，能够产生待发送帧，具有占用信道的平等权利。 • 单一信道 • 所有站点都通过同一信道发送/接收帧，某一特定时刻只允许一个站点使用信道。 站点1 站点2 站点3 …... 站点N 9

  10. 帧的发送方式 • 连续时间 • 帧允许在任意时刻 t0发送。 • 时间片（时隙） • 将时间用时钟分离为片段，帧只允许在每个片段的开始瞬间发送。 t t0 t0 t 10

  11. 信道的状态与检测 • 信道的状态 • 状态检测方式 • 载波侦听（carrier sense） • 非载波侦听 传输 空闲 竞争 轮巡 冲突 两个站点同时争用信道发送帧，帧被破坏 11

  12. 局域网的数据链路层模型 网络层 Logical Link Control 向上层提供 连接环境 逻辑链路控制LLC 数据链路层 媒体访问控制MAC 对下层提供 媒体访问方法 物理层 Media Access Control 12

  13. 多路访问协议 • 协议分类 • IEEE802标准系列 13

  14. 多路访问协议分类 • 随机访问协议 • 特点 • 站点争用信道，可能出现站点之间的冲突 • 受控访问协议 • 特点 • 站点被分配占用信道，无冲突 14

  15. 典型随机访问协议 • 随机访问(Random Access ) • Aloha • 站点可在任意时刻发送帧 • 检测到冲突，等待一个随机时间后重发 • Slotted Aloha • 站点只在时间片到来的瞬间发送帧 • 信道利用率提高一倍 • CSMA(IEEE 802.3 和Ethernet) • 站点通过载波侦听信道的情况确定发送帧的策略 15

  16. 典型受控访问协议 • 受控访问（Controlled Access） • Demand Adaptive ：Token Passing • Bus • IEEE802.4 • Ring • IEEE802.5 • IEEE802.7 （FDDI） 16

  17. IEEE802标准系列 802.10 安 全 和 保 密 17

  18. 信道共享方法（一） • 1.通过集中器(或复用器) • 频分复用（FDM） • 时分复用（TDM） • 码分复用 CDMA无线网)P86 • 波分复用（WDM） • 统计时分复用（STDM）P84 • 原理:集中器按顺序不断扫描个端口,或采用中 断技术来接受用户信息或转发。 • 应用：比较成熟 18

  19. 信道共享方法（二） 2.使用多点接入技术 原理:通过一个专用信道将所有的用户连接起来. 1）受控接入: 集中式控制:轮叫轮询。主机按顺序逐个询问各站是否有数据要发送. 分散式控制:令牌环网。在环路中有一个特殊的帧，叫“令牌”。 令牌沿环路逐站传递。只有获得令牌的站才有权发送信息。 2）随机接入：总线型。所有站点可随时发送数据，争用信道， 易冲突。 ALOHA , CSMA和CSMA/CD 19

  20. 信道共享 TDM FDM 静态分配 CATV STDM ATDM CBX 随机接入 受控接入 动态分配 CSMA CSMA/CD 集中控制 分散控制 轮询 令牌 信道共享技术分类 20

  21. 静态分配信道的缺点： • 仅适用于站点较少、站点数目相对固定且 每个站点通信量均较大的情形，不适于突发性数据。 • 若采用静态分配方式，将信道分为N个独立的子信道，每个子信道的数据率为C/N bps. 21

  22. 动态分配的前提：5个假定 1. 站模型假定：各站独立，且以固定速率 产生帧。在成功发送 一帧之前，站点不会产生新帧（单用户系统） 2. 单信道假定：只有一个信道，各站平等共享该信道 3. 冲突假定： 若有冲突（两帧有重叠），必须重发 4. 时间假定 连续时间：帧可以在任何时刻发送 时 隙：帧必须在时隙开始时发送 5. 载波假定 有载波：站点可以检测到信道是否空闲 无载波：站点在发送之前无法判断信道是否空闲 { { 22

  23. 4.2节 受控多点接入—轮询（一） 一.轮叫轮询 主机轮流查询个站点,问有无数据要发送. 如图: ... N N-1 2 1 收 主机 发 23

  24. （1）原理： N N-1 2 1 收 主机 发 4.2节 受控多点接入—轮询（二） 二.传递轮询 1.问题提出 轮叫轮询的缺点：轮询帧在多点线路上不停的循环往返，形成了相当大的开销，增加了帧的等待时延。 2.传递轮询 24

  25. 4.2节 受控多点接入—轮询（三） 三、传递轮询与轮叫轮询的比较 （1）帧延时总是小于同样条件下轮叫轮询 （2）站间的距离越大，传递轮询的效果比轮叫 轮询越好。 （3）站间的距离小，且信息较大时，二者的好 处不明显。 应用： 传递轮询的技术教复杂，代价较高。 目前应用的轮询——轮叫轮询。 25

  26. N N-1 2 1 总线信道 接口 ALOHA系统的一般模型 4.3节 随机多点接入—纯ALOHA协议  工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功；否则重发  重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止  缺点：极容易冲突  性能：网络负载 0. 5 吞吐量 0. 184 26

  27. 重发 冲突 站1 发送成功 6 1 t T0 冲突 再重发 冲突 2 5 站2 t 冲突 重发 发送成功 7 3 站n-1 t 发送成功 4 站n t 1 2 4 5 7 3 6 t T0 T0 T0 T0 一、纯ALOHA系统的工作原理（一） 27

  28. 一、纯ALOHA系统的工作原理（二） （1）每个站均可自由的发送数据帧。 （2）发送一帧用时T0，且发送帧都是定长。 （3）当站1发送帧1时，其他的站都未发送数据，所以发 送成功。 （4）站2和站N－1发送帧2，帧3在时间上重叠了一些，这 就产生“冲突”。 （5）设双方发送数据出错，都必须“重发”。 （6）注意：发生冲突的各站不能马上进行重发， 否则，这样会产生新的冲突。 重发策略：让各站等待一随机的时间，然后再进行重发。 再冲突，再等待重发，知道重发成功为止。 28

  29. 一、纯ALOHA系统的工作原理（三） 2.性能分析 如果帧发送成功，前后各一段时间内T0,没有其他帧发送,否则就产生冲突。 1）2帧、3帧的时间间隔不足，产生冲突。 2）4帧、3帧之间有足够的时间间隔，不产生冲 突。因此，发送成功。 条件： 该帧与该帧前后的二个帧的到达时间间隔均大于T0。 29

  30. 一、纯ALOHA系统的工作原理（四） （1）吞吐量S(又称吞吐率） 等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。 显然0≦S≦1 而S＝1是极限情况，表明帧一个接一个地发送出去，帧与帧之间 没有空隙。由于用户随机发送，所以不可能实现。 （2）网络负载 G 从网络地角度看，G等于在T0内总共发送的平均帧数(包括重传的帧数)。 G＝发送成功＋未成功 注意：1、这里包括发送成功的帧和因冲突未发送成功而重发的帧。 2、显然 G≧S 而只有在不发生冲突时，G=S。 3、G可以远大于1。例如，G＝10，表示在T0时间内网络共发送了10 帧，这当然会导致很多的冲突。 30

  31. 一、纯ALOHA系统的工作原理（五） （3）S与G的关系 在稳定状态下： S=G*P [发送成功] 因为假定帧的到达服从泊松分布，所以到达时间 间隔的概率密度为 其中 a(t)=λe-λt λ=G/T0 于是可以求得 P=∫T∞ a(t)dt= ∫T∞ G/ T0 e-Gt/T0dt =e-G 再求得吞吐量公式： S=Ge-2G 这就是Abramson与1970年首次导出得著名公式。 31

  32. 0.2 不稳定区域 0.184 (G’,S’) 0.1 G 0 0.5 1.0 1.5 2.0 一、纯ALOHA系统的工作原理（六） 32

  33. 一、纯ALOHA系统的工作原理（七） 当G＝0.5时，S＝0.5/e 这是吞吐量S可能达到得极大值。 不稳定区： （1）当G增大，S减小。 （2) 这就引起更多得重发，使得G进一步增大。 （3）这样的恶性循环，使得S 降为0。 结论： （1）在纯ALOHA系统中，网络负载G一定，不能超过0.5。 （2）在纯ALOHA系统中，吞吐量得极大值为18.4％，实际 上，一般S不超过10％。（为了安全起见） 33

  34. 一、纯ALOHA系统的工作原理（八） 例：线路数据率为4800b/s。设每份报文有60个字符，而用户用键盘输入一份报文需2分钟。设每个字符用10bit进行编码。采用ALOHA方式，信道利用率为10％，问最多可容纳多少个交互式用户？ 每个终端平均数据率为 60×10bit ＝5b/s 2分钟 信道利用率为10％表示：信道的总数据率为480b/s 最多可容纳交互式用户：480/5＝96个 34

  35. 冲突重发 发送成功 t T0 冲突重发 帧到达 帧到达 发送成功 t 帧到达 帧到达 二.时隙ALOHA（S-ALOHA)（一） 1.原理 其思想是：将时间划分成为一个个等长的时隙（SLOT)， 记为T0，同时规定，不论帧在何时产生，它只能在每个时隙的开始时才能发送出去。如图： Tx T0 35

  36. 二.时隙ALOHA（S-SLOHA)（二） 2. S-ALOHA的S,G （1）吞吐量S，网络负载G的定义与纯ALOHA相同。 （2）成功的条件是没有其他的帧在时隙内到达。 因此： P[发送成功]＝ ∫ T0-TX∞a(t)dt ∫ TX∞a(t)dt 进而有 P[发送成功]＝e-G 于是，得出吞吐量 S=Ge-G 此公式为Roberts在1972年推导出来的。 36

  37. 时隙ALOHA 0.368 0.40 S=Ge^-G 0.30 纯ALOHA 0.184 0.20 S=Ge^-2G 0.10 G 1.0 0 0.5 1.5 2.0 2.5 3.0 二.时隙ALOHA（S-SLOHA)（三） 结论：（1）S-ALOHA的不稳定区位于G的部分。 （2） S-ALOHA的最大吞吐量为0.368。 37

  38. 4.4节 随机接入技术：CSMA和CSMA/CD 一.CSMA的几种类型 1.什么是CSMA？ 就是载波监听(CS)多点接入(MA)。 方法： 采用了附加的硬件装置，每个站在发送数据 前监听信道上其他站点是否在发送数据。 2. CSMA的类型 CSMA与ALOHA的主要区别:多了一个监听装置。 38

  39. 载波侦听多路访问协议概述 • 载波侦听（Carrier Sense） • 每个站点在使用信道前，需检测信道是否已被其他站点占用 • CSMA协议分类 • 非坚持CSMA • 坚持CSMA • P坚持CSMA • CSMA/CD 39

  40. 非坚持CSMA • 侦听/发送策略 • 非坚持CSMA • 站点发现信道忙则不再侦听，等待一个随机时间再开始侦听/发送过程 40

  41. 坚持CSMA（1坚持CSMA ） • 侦听/发送策略 • 1-坚持CSMA • 发现信道空闲后发送数据（概率为1） • 发现信道忙则持续等待，直至信道空闲 41

  42. P-坚持CSMA P-坚持CSMA： 听到信道空闲时，以概率p发送数据，即以概率1-p延迟一段时间后再发送。 42

  43. CSMA随机接入过程流程图  性能：轻载时，1坚持CSMA吞吐量最大； 重载时，非坚持CSMA吞吐量最大。  缺点：由于传播时延的存在，冲突不可避免 43

  44. 1km B A t A这时发现冲突 B这时发现冲突 传输延时对载波的影响 如图： 44

  45. CSMA/CD • 对冲突的解决方法 • 方法1（坚持与非坚持CSMA） • 继续完成已经发送的冲突帧的传送过程 • 方法2（CSMA/CD） • 尽快终止已经破坏的冲突帧的发送过程 45

  46. to 争用时间片 时间 CSMA/CD概念模型 • 信道的三种状态： • 传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用 • 竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片 • 空闲周期：所有站点都不使用信道 46

  47. CSMA/CD：带冲突检测的载波监听多点访问 工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。 1-坚持的CSMA/CD：监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送。  冲突检测方法：  比较接收到的信号电压的大小  检测曼彻斯特编码的过零点  比较接收到的信号与刚发出的信号  站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点。 47

  48. CSMA/CD的工作流程 如图： 48

  49. CSMA/CD产生冲突对信道占用时间的影响 49

  50. 几种多路接入的比较图 50

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