五 光分組交換網(wǎng)絡(luò)

1、1第五講第五講 光分組交換網(wǎng)絡(luò)光分組交換網(wǎng)絡(luò)u介紹u光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、性能、關(guān)鍵技術(shù)uMAC協(xié)議u規(guī)模和業(yè)務(wù)類型u光時(shí)分復(fù)用(OTDM)分組網(wǎng)2介紹介紹u光分組交換網(wǎng)絡(luò)(photonic packet-switching PPS )研究在光層 能夠提供分組交換業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)。是光交換的理想模式， 也是公認(rèn)的光交換結(jié)構(gòu)的終極發(fā)展目標(biāo)。uIP網(wǎng)和以太網(wǎng)是利用電交換方式提供了分組交換業(yè)務(wù)，目 前感興趣的是分組交換功能在光域?qū)崿F(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)。u主要優(yōu)點(diǎn)是帶寬利用效率高，能提供各種服務(wù)，滿足客戶 的需求。目的是把大量的交換業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到光域?qū)崿F(xiàn)，從而 實(shí)現(xiàn)交換容量與波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸容量相匹配。3介紹介紹u提供電

2、路交換業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)提供了按需建立和拆除的光路。提供電路交換業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)提供了按需建立和拆除的光路。在這些網(wǎng)絡(luò)在這些網(wǎng)絡(luò) 中，光節(jié)點(diǎn)不在數(shù)據(jù)包至數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上交換信號，而只是在建立或拆除中，光節(jié)點(diǎn)不在數(shù)據(jù)包至數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上交換信號，而只是在建立或拆除 電路的時(shí)間實(shí)行交換。電路的時(shí)間實(shí)行交換。u分組交換只是在電域通過其他一些設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如分組交換只是在電域通過其他一些設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如IP路由器或以太網(wǎng)交換路由器或以太網(wǎng)交換 機(jī)機(jī)等。這些路由器和交換機(jī)利用光層提供的光路在它們之間按需建立鏈路。等。這些路由器和交換機(jī)利用光層提供的光路在它們之間按需建立鏈路。u為了交換數(shù)據(jù)包，路由器和交換機(jī)使用復(fù)雜的軟件和硬

3、件來執(zhí)行分組交換為了交換數(shù)據(jù)包，路由器和交換機(jī)使用復(fù)雜的軟件和硬件來執(zhí)行分組交換 網(wǎng)絡(luò)所需的控制功能。網(wǎng)絡(luò)所需的控制功能。4n光分組交換網(wǎng)絡(luò)可分為單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)。n單跳網(wǎng)絡(luò)指源結(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息不經(jīng)過中間結(jié)點(diǎn)直接到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)，單跳網(wǎng)絡(luò)是指像廣播式網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、FDDI等，可以利用無源星型耦合器之類的共享媒質(zhì)方便地構(gòu)建，單跳網(wǎng)提供大的吞吐量和小的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。因?yàn)榉纸M不經(jīng)過中間結(jié)點(diǎn)直接送到目的結(jié)點(diǎn)。n多跳網(wǎng)絡(luò)分組在到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)需經(jīng)中間結(jié)點(diǎn)，因而有小的吞吐量和大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。多跳網(wǎng)絡(luò)利用空分交換可以更有效地使用網(wǎng)絡(luò)可用帶寬資源，也適應(yīng)分散的機(jī)算機(jī)資源和一些業(yè)務(wù)類型(如突發(fā)性隨機(jī)業(yè)務(wù))，允許用戶隨機(jī)接

4、入，在LAN和MAN中很有發(fā)展前途。介紹介紹5光分組交換網(wǎng)光分組交換網(wǎng)波長路由光網(wǎng)絡(luò)的限制因波長路由光網(wǎng)絡(luò)的限制因素：素：l波長資源有限l路徑建立時(shí)間長l可管理的帶寬粒度太粗光分組交換網(wǎng)：光分組交換網(wǎng)：l通過信頭路由，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源l路徑建立時(shí)間短l可管理的帶寬粒度可調(diào)整、優(yōu)化l路徑保護(hù)與恢復(fù)靈活l傳送IP業(yè)務(wù)效率高6對于專用連接或按需連接完成的共享信道系統(tǒng)中的容量分配問題，集中在面向連接的傳輸而且在連接建立期間，容量的分配也是固定的。這種類型的服務(wù)適用于那些需要帶寬保證的業(yè)務(wù)，它包括所有的同步數(shù)字流應(yīng)用(典型的SDH同步流)和些異步(如ATM分組)流量的應(yīng)用，它不適合于那些包含有大量低吞吐

5、量突發(fā)業(yè)務(wù)的用戶環(huán)境，這些用戶通常都需要很強(qiáng)的邏輯連接能力。在這種情況下分組交換就很自然地成了攜帶流量的首選方案。在光網(wǎng)絡(luò)中完成分組交換功能的最有效的方式是向下層擴(kuò)展以延伸到邏輯層和光層。共享信道的廣播媒質(zhì)所具有的特性使它為光層完成分組交換提供了一個(gè)很好的支持。光分組交換網(wǎng)光分組交換網(wǎng)7光分組交換網(wǎng)絡(luò)性能光分組交換網(wǎng)絡(luò)性能v 交換效率高v 支持高速數(shù)據(jù)流v 透明度高v 結(jié)構(gòu)簡單8光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光節(jié)點(diǎn)(光路由器/光交換機(jī))、光纖鏈路、網(wǎng)絡(luò)管理9光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)1.光分組技術(shù)2.光開關(guān)和波長變換3.光分組路由4.光存儲(chǔ)和光邏輯器件10A到到F為

6、交換為交換/路由結(jié)點(diǎn)，路由結(jié)點(diǎn)，1到到6為分組數(shù)據(jù)的為分組數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，分組為固定長度，端結(jié)分組為固定長度，端結(jié)點(diǎn)發(fā)出經(jīng)歷多個(gè)鏈路和多個(gè)選路結(jié)點(diǎn)最后到點(diǎn)發(fā)出經(jīng)歷多個(gè)鏈路和多個(gè)選路結(jié)點(diǎn)最后到達(dá)目的端結(jié)點(diǎn)。達(dá)目的端結(jié)點(diǎn)。如結(jié)點(diǎn)如結(jié)點(diǎn)1發(fā)送分組到結(jié)點(diǎn)發(fā)送分組到結(jié)點(diǎn)6，有幾種可能的，有幾種可能的路線路線(由由)，每一個(gè)路線均包括多個(gè)鏈路和多，每一個(gè)路線均包括多個(gè)鏈路和多個(gè)結(jié)點(diǎn)，如選擇個(gè)結(jié)點(diǎn)，如選擇1一一ABDF一一6，則分，則分組經(jīng)歷組經(jīng)歷1一一A，AB，BD，DF，F(xiàn)一一6鏈路和鏈路和A，B，D，F(xiàn)選路結(jié)點(diǎn)。選路結(jié)點(diǎn)。一個(gè)普通的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)普通的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)光分組

7、交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)11光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)一般情況下，用一條鏈路將路由節(jié)點(diǎn)和一般情況下，用一條鏈路將路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的輸入端和輸出端相互連接起終端節(jié)點(diǎn)的輸入端和輸出端相互連接起來。來。如圖，路由節(jié)點(diǎn)如圖，路由節(jié)點(diǎn)A有三個(gè)輸入端口和輸有三個(gè)輸入端口和輸出端口與路由節(jié)點(diǎn)出端口與路由節(jié)點(diǎn)B、路由節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)C和終和終端節(jié)點(diǎn)端節(jié)點(diǎn)1相互連接。同樣節(jié)點(diǎn)相互連接。同樣節(jié)點(diǎn)C有有5個(gè)輸個(gè)輸入端口和輸出端口。入端口和輸出端口。一個(gè)普通的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)普通的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)12光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)

8、點(diǎn)路由：路由：路由器保持最新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰＰ畔⒁月酚杀淼男问酱鎯?chǔ)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中。路由器保持最新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。信息以路由表的形式存?chǔ)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中。轉(zhuǎn)發(fā)：轉(zhuǎn)發(fā)：對于每個(gè)輸入的數(shù)據(jù)包，路由器處理數(shù)據(jù)包信頭并查找其路由表，以確定對于每個(gè)輸入的數(shù)據(jù)包，路由器處理數(shù)據(jù)包信頭并查找其路由表，以確定該數(shù)據(jù)包的輸出端口。該數(shù)據(jù)包的輸出端口。也可能對信頭本身做一些改變，再在輸出時(shí)將改變后的信也可能對信頭本身做一些改變，再在輸出時(shí)將改變后的信頭重新插入到數(shù)據(jù)包中。頭重新插入到數(shù)據(jù)包中。交換：交換：將輸入數(shù)據(jù)包交換至適當(dāng)?shù)妮敵龆丝诘膶?shí)際進(jìn)程，該輸出端口由轉(zhuǎn)發(fā)過程將輸入數(shù)據(jù)包交換至適當(dāng)?shù)妮敵龆丝诘膶?shí)際進(jìn)程，該輸出端口

9、由轉(zhuǎn)發(fā)過程確定。確定。13光開關(guān)和波長變換光開關(guān)和波長變換u光開關(guān)是任何光交換網(wǎng)的核心功能器件，完成信號的交換和路由功能。u波長變換用于解決網(wǎng)絡(luò)中的波長沖突，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。14光存儲(chǔ)器件和光邏輯器件光存儲(chǔ)器件和光邏輯器件緩存：緩存：路由器中需要緩存的原因有很多。如多個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)路由器中需要緩存的原因有很多。如多個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí) 到達(dá)路由器的不同輸入端。其中有一些數(shù)據(jù)包可能是到達(dá)路由器的不同輸入端。其中有一些數(shù)據(jù)包可能是 交換到同一個(gè)輸出端口。在任意時(shí)刻，只有一個(gè)數(shù)據(jù)交換到同一個(gè)輸出端口。在任意時(shí)刻，只有一個(gè)數(shù)據(jù) 包可以交換到任一給定的輸出端口。所以，路由器不包可以交換到任一給定的輸出端口。所以，

10、路由器不 得不緩存其他的數(shù)據(jù)包，直到輪到它們輸出。得不緩存其他的數(shù)據(jù)包，直到輪到它們輸出。緩存器也可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級或業(yè)務(wù)類型用于這些單獨(dú)緩存器也可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級或業(yè)務(wù)類型用于這些單獨(dú)的數(shù)據(jù)包。的數(shù)據(jù)包。15光存儲(chǔ)器件和光邏輯器件光存儲(chǔ)器件和光邏輯器件光存儲(chǔ)器件 PPS網(wǎng)絡(luò)必須的器件，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)功能，解決信號時(shí)間上的沖突。1.光纖固定延時(shí)線緩存器16可調(diào)光纖延時(shí)線緩存器i. 并行結(jié)構(gòu)光存儲(chǔ)器件光存儲(chǔ)器件17ii. 串行結(jié)構(gòu)iii. 多數(shù)量級結(jié)構(gòu)光存儲(chǔ)器件光存儲(chǔ)器件18光邏輯器件完成信頭檢測處理重寫等功能，用以實(shí)現(xiàn)未來的光控光交換。19選路結(jié)點(diǎn)n選路結(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖所示，完

11、成的主要功能有分組同步、分組頭識別、分組的緩存。20u 緩存緩存的理由：的理由： 以便進(jìn)行頭識別決定分組選路：以便進(jìn)行頭識別決定分組選路： 所有的輸入輸出端口沒有釋放，引起分組排隊(duì)；所有的輸入輸出端口沒有釋放，引起分組排隊(duì)； 當(dāng)分組切換到所需的輸出端口，而輸出端口正在發(fā)送分組。當(dāng)分組切換到所需的輸出端口，而輸出端口正在發(fā)送分組。u OTDM網(wǎng)絡(luò)需要將光脈沖數(shù)據(jù)保持并以總線的數(shù)據(jù)速率保存，因而需要網(wǎng)絡(luò)需要將光脈沖數(shù)據(jù)保持并以總線的數(shù)據(jù)速率保存，因而需要光緩光緩 存器存器，當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)，當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)100 Gbs時(shí)，電的方法已不能提供解決方案，必須采用時(shí)，電的方法已不能提供解決方案，必須采用 光的

12、實(shí)現(xiàn)方法，甚至有的用戶連總線速率也無法處理，因而還需要光的實(shí)現(xiàn)方法，甚至有的用戶連總線速率也無法處理，因而還需要速率變換速率變換 器器，分組的緩存除了采用光纖延遲線外還可以來用光脈沖儲(chǔ)存環(huán)，分組的緩存除了采用光纖延遲線外還可以來用光脈沖儲(chǔ)存環(huán)(光緩存器光緩存器)， 這可以通過光緩存和光開關(guān)的組合來實(shí)現(xiàn)。這可以通過光緩存和光開關(guān)的組合來實(shí)現(xiàn)。分組緩存21分組頭識別 頭的識別，分組的頭含有目的地址等信息，因而在結(jié)點(diǎn)需處頭的識別，分組的頭含有目的地址等信息，因而在結(jié)點(diǎn)需處理以決定分組的去向。理以決定分組的去向。分組頭的識別與分組頭采用的傳送方式有關(guān)，分組頭的識別與分組頭采用的傳送方式有關(guān)，一種傳送方

13、一種傳送方 式是分組的頭與分組一起高速傳送式是分組的頭與分組一起高速傳送( (隨路隨路) )；另一種方法，分；另一種方法，分組的頭以低速獨(dú)立的方式與分組分開分別傳送組的頭以低速獨(dú)立的方式與分組分開分別傳送( (共路共路) )，這樣這樣分組的頭可以在一個(gè)與分組不同的波長上傳送，或者采用副分組的頭可以在一個(gè)與分組不同的波長上傳送，或者采用副載波方式以與分組同一波長上傳送，因而分組頭的識別相對載波方式以與分組同一波長上傳送，因而分組頭的識別相對簡單，并且成本低。簡單，并且成本低。22分組頭識別對于定長的分組頭，分組的解復(fù)用和處理的對于定長的分組頭，分組的解復(fù)用和處理的時(shí)間也是固定的。分組可以采用時(shí)間

14、也是固定的。分組可以采用光纖延遲線光纖延遲線或光脈沖鎖存環(huán)或光脈沖鎖存環(huán)來緩存。來緩存。分組的處理根據(jù)所使用的開關(guān)是電控還是光分組的處理根據(jù)所使用的開關(guān)是電控還是光控，而相應(yīng)采用電的或光信號處理方式?？?，而相應(yīng)采用電的或光信號處理方式。23專用或按需連接專門連接和按需連接可選用兩種模型：n固定業(yè)務(wù)矩陣 n統(tǒng)計(jì)模型 固定業(yè)務(wù)矩陣該模型反映了網(wǎng)絡(luò)在初始建設(shè)時(shí)網(wǎng) 絡(luò)所需建立的光通道，但不能反映網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)營過 程中的光通道建立和拆除，其優(yōu)化目標(biāo)是盡量減 少網(wǎng)絡(luò)資源如光波長和調(diào)諧發(fā)送機(jī)以及調(diào)諧接收 機(jī)等，來滿足所需業(yè)務(wù)，這是一個(gè)無阻塞的模型。 統(tǒng)計(jì)模型需要有關(guān)光通道的建立和釋放需求的統(tǒng)計(jì)特性。24與專用或

15、按需連接的容量分配相反，分組的尋址、調(diào)度、容量分配都在分組到分組的基礎(chǔ)上完成。這樣就能夠完成廣泛的通信、控制和處理能力。這些在專用連接或電路交換的情形中是沒有的。不但如此，額外的通信和處理負(fù)荷還帶來了很多的好處，其中最重要的兩個(gè)好處是：利用路由表中分組頭的信息可以完成強(qiáng)大的連接能力。利用動(dòng)態(tài)的容量分配完成高吞吐量和低延遲。光分組光分組25 對于光分組廣播選擇網(wǎng)，最有優(yōu)勢的是其的廣播功能。廣播功能：允許在所有的發(fā)射站和接收站通信隊(duì)之間建立完全的光連接（光通 道），因?yàn)槊恳粋€(gè)接收機(jī)都可以通過星形耦合器“看到”另一端的任一個(gè) 發(fā)射機(jī)。不利的一面：當(dāng)兩個(gè)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送光信號時(shí)，這些信號就必須在不同的波

16、長信 道上傳輸，如果他們使用同樣的波長，那么在接收端他們將互相干 擾，破壞有用的信息流。當(dāng)多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)向同一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí) 出現(xiàn)的分組之間的競爭，需要一種協(xié)調(diào)機(jī)制來控制競爭站之間的分 組傳送，以便系統(tǒng)能正常運(yùn)行。這種控制多個(gè)競爭站之間的分組傳輸 策略就是MAC協(xié)議。光分組廣播選擇網(wǎng)26MAC（Media Access Control）媒體訪問控制子層協(xié)議）媒體訪問控制子層協(xié)議 該協(xié)議位于OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的下半部分，主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送

17、到物理層；在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，如果沒有錯(cuò)誤，則去掉控制信息發(fā)送至LLC層。 27MAC協(xié)議一個(gè)好的MAC協(xié)議要在性能開銷硬件成本和處理復(fù)雜性方面進(jìn)行均衡。為了動(dòng)態(tài)地分配分組，實(shí)際上M個(gè)站點(diǎn)的系統(tǒng)通常需要從任意一處的一個(gè)站點(diǎn)到M個(gè)站點(diǎn)之間有分立的控制信道。這就表明需要很大一部分的帶寬之外的通信開銷和收發(fā)機(jī)硬件。此外分組的安排方案也需要相當(dāng)?shù)囊徊糠值膶?shí)時(shí)處理。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增加時(shí)，站點(diǎn)數(shù)目及其地理位置都在拓展，這時(shí)信道沖突、接收機(jī)沖突、信令開銷、傳輸延遲以及信號的處理開銷都會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行的效率、增加延遲和丟失的概率并減少吞吐量。尋找一組有代表性的協(xié)議，能反映

18、系統(tǒng)在成本性能之間的平衡以及如何隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化而變化。 28MAC協(xié)議u好的MAC協(xié)議要達(dá)到兩個(gè)目的，即強(qiáng)大的邏輯連接能力和可靠的性能。并通過動(dòng)態(tài)的集中分配流量完成信息交換。u當(dāng)對分組流量使用固定容量分配時(shí)，從連接建立開始到產(chǎn)生一個(gè)具有所需容量的固定幀方案期間，在每個(gè)LC上都需要估計(jì)平均的流量需求。固定容量系統(tǒng)的性能對于不可預(yù)言的流量波動(dòng)以及當(dāng)估計(jì)需求發(fā)生錯(cuò)誤這些方面幾乎是無能為力。u在動(dòng)態(tài)的情況中通過了解信息傳輸實(shí)際的容量，可望能夠獲得更好的性能和效率。理想情況下，這種“先知”可以用來立刻分配信道時(shí)隙，同時(shí)與所有站點(diǎn)之間的傳輸相協(xié)作以解決資源的競爭問題。u在固定和動(dòng)態(tài)的容量分配情形下，基

19、本的差別就是對于前者來說，在連接建立時(shí)該方案就固定了，但對后者只在信息傳輸期間連接是固定的。很明顯，在每一個(gè)站點(diǎn)能及時(shí)地了解其他站點(diǎn)上的整個(gè)流量狀態(tài)的情況越多，則流量分配的越有效。29MAC協(xié)議n假設(shè)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)(或站)有兩根光纖(光纖對)與網(wǎng)絡(luò)相連，一根用于發(fā)送信號，另一根用于從網(wǎng)上接收信號，發(fā)送時(shí)是向全網(wǎng)的所有結(jié)點(diǎn)發(fā)送即廣播(也包括發(fā)送信號的結(jié)點(diǎn))。n假設(shè)每個(gè)信號使用W個(gè)波長中的一個(gè)，具體的波長值根據(jù)ITU-T標(biāo)椎的規(guī)定，由網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)決定。如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)使用同一個(gè)波長向同一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送信號，由于廣播的特性，信號會(huì)發(fā)生碰撞，兩個(gè)信號均丟失；如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)雖向同一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送信號但使用不同的波

20、長，在這種情況下，接收機(jī)是一個(gè)單調(diào)諧的就會(huì)接收其中的一個(gè)信號丟失另一個(gè)，這就是傳輸競爭。n為了解決競爭和避免或盡量減少碰撞，網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點(diǎn)之間需要一種協(xié)調(diào)機(jī)制，能夠提供這種協(xié)調(diào)作用的就是所謂的MAC。 30MAC協(xié)議u對于共享介質(zhì)可以做些什么？ (1)信道分割，按時(shí)間、頻率或編碼 時(shí)分、碼分、頻分 (2)隨機(jī)分割（動(dòng)態(tài)） （ALOHA CSMA CSMA/CD）31MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題u空閑監(jiān)聽：因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)何時(shí)到來，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，造成了不必要的能量損耗。u沖突（碰撞）：如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，則它們的傳輸都將失敗

21、，發(fā)送包被丟棄。此時(shí)用于發(fā)送這些數(shù)據(jù)包所消耗的能量就浪費(fèi)掉。32MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的問題u控制開銷： 為了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組，如 RTS/CTS，雖然沒有數(shù)據(jù)在其中，但是我們必須消耗 一定的能量來發(fā)送它們；u串?dāng)_（串音）： 出于無線信道為共享介質(zhì)，因此，節(jié)點(diǎn)也可以接收 到不是到達(dá)自己的數(shù)據(jù)包，然后再將其丟棄，此 時(shí)，也會(huì)造成能量的耗費(fèi)。33信道接入機(jī)制分類n可以根據(jù)MAC協(xié)議使用的信道數(shù)目分為基于單信道、基于雙信道和基于多信道三類；n可以根據(jù)MAC協(xié)議分配信道方式分為按需分配型、固定分配型以及混合型；n可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型是同步網(wǎng)絡(luò)還是異步網(wǎng)絡(luò)，將MAC協(xié)議分為同步、異步兩類。3

22、4信道接入機(jī)制分類35各種MAC協(xié)議方案的比較協(xié)議方案出現(xiàn)時(shí)間類型需要精確同步信道接入機(jī)制SMAC2002競爭型否CSMATMAC2003競爭型否CSMAPMAC2005競爭型否CSMAWiseMAC2004競爭型否CSMASift2003競爭型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/Sloted ALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA36u基于競爭的MAC協(xié)議有如下優(yōu)點(diǎn)： 由于基于競爭的MAC協(xié)議是根據(jù)需要分配信道，所 以這種協(xié)議能較好地滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變 化； 基于競爭的MAC

23、協(xié)議能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?基于競爭的MAC協(xié)議不需要復(fù)雜的時(shí)間同步或集中控 制調(diào)度算法。各種MAC協(xié)議方案的比較37單波長通道和多通道網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 n當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)使用單個(gè)固定調(diào)諧的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)，當(dāng)它們都調(diào)諧到同一波長時(shí)就是單波長通道網(wǎng)絡(luò)，有關(guān)單波長通道網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議目前最流行的是以太網(wǎng)，如令牌環(huán)和FDDI，F(xiàn)DDI是專為光纖設(shè)計(jì)的。n討論星型網(wǎng)絡(luò)的多通道MAC協(xié)議時(shí)，假設(shè)所有的結(jié)點(diǎn)既是可調(diào)諧的發(fā)送機(jī)又是可調(diào)諧的接收機(jī)，以便網(wǎng)絡(luò)中任意結(jié)點(diǎn)對之間直接連接。38網(wǎng)絡(luò)性能衡量標(biāo)準(zhǔn)n網(wǎng)絡(luò)的性能是由分組時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量來量度的。n在任一廣播網(wǎng)中，由于碰撞或競爭，一些發(fā)送的分組被丟失，

24、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量小于網(wǎng)絡(luò)所能傳送數(shù)據(jù)的容量，即有些分組沒有被希望的結(jié)點(diǎn)(站)收到。通常要在網(wǎng)絡(luò)的性能和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，包括結(jié)點(diǎn)所需的硬件功能之間折中。n本章討論的MAC協(xié)議對硬件的功能適應(yīng)很廣。這些MAC協(xié)議采用獨(dú)立波長(或通道)，稱為控制通道來發(fā)送有關(guān)分組的信息，分組在數(shù)據(jù)通道發(fā)送，最好將控制通道與數(shù)據(jù)通道分開即單獨(dú)占據(jù)一個(gè)波長來理解，盡管許多情況下采用時(shí)分復(fù)用方式時(shí)，控制通道和數(shù)據(jù)通道共享同一個(gè)波長。39基于調(diào)度的MAC協(xié)議協(xié)議n調(diào)度協(xié)議通常以TDMA協(xié)議為主，也可采用FDMA或CDMA的信道訪問方式，考慮到硬件成本和計(jì)算復(fù)雜度，后兩種方式MAC協(xié)議較少。n調(diào)度協(xié)議基本思想是: 采用某種調(diào)度算

25、法將時(shí)槽/頻率/正交碼映射為節(jié)點(diǎn)，這種映射導(dǎo)致一個(gè)調(diào)度決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能使用其特定的時(shí)槽/頻率/正交碼(1個(gè)或多個(gè))無沖突訪問信道。因此，調(diào)度協(xié)議也可稱作無沖突MAC協(xié)議或無競爭MAC協(xié)議。n調(diào)度可靜態(tài)分配，也可動(dòng)態(tài)分配。為提高協(xié)議可擴(kuò)展性和信道利用率，往往采用分布式算法實(shí)現(xiàn)信道重用。40基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議u時(shí)分復(fù)用是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡單成熟的機(jī)制，比如藍(lán)牙網(wǎng) 絡(luò)。TDMA機(jī)制，就是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送和 接收的時(shí)槽，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)槽內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。uTDMA機(jī)制的一些特點(diǎn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需 求： TDMA機(jī)制沒有競爭機(jī)制的碰撞重傳問題； 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過多

26、的控制信息； 節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)槽能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。41基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議uTDMA機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步。 多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都使用了偵聽/睡眠的能量喚醒 機(jī)制，利用時(shí)間同步來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)化； 節(jié)點(diǎn)之間為了完成任務(wù)需要協(xié)同工作，這同樣不可 避免的需要時(shí)間的同步。42基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議nTDMA機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在不足：n很難調(diào)整時(shí)間幀的長度和時(shí)槽的分配；n對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)失效等動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差；n對于節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化也不敏感。43規(guī)模和業(yè)務(wù)類型n以上協(xié)議有個(gè)共同的缺點(diǎn)：控制信息向所有結(jié)點(diǎn)廣播。由于每個(gè)結(jié)點(diǎn)要處理所有的控制包，這樣將

27、導(dǎo)致不必要的計(jì)算負(fù)擔(dān)，在大的網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)形成瓶頸，即協(xié)議在運(yùn)用時(shí)沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。n可以設(shè)想網(wǎng)絡(luò)支持三種不同業(yè)務(wù)類型： 一：有帶寬保證的連接。一些對時(shí)延很敏感而不能忍受重傳 的應(yīng)用中的業(yè)務(wù)屬于這一類，如電視會(huì)議。 二：無帶寬保證的連接。一此對時(shí)延敏感的有連接的業(yè)務(wù)屬 于這一類，如文件傳輸。 三：無連接。對應(yīng)于如Email或控制信息等應(yīng)用中的業(yè)務(wù)， 常稱之為數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)。44光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)nOTDM分組交換網(wǎng)絡(luò)有兩種應(yīng)用類型，即單跳OTDM和多跳OTDM網(wǎng)絡(luò)。 n單跳單跳OTDMOTDM網(wǎng)絡(luò)一般是指廣播式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)一般是指廣播式網(wǎng)絡(luò)，可以利用無源星型n 耦合器之類的共享媒質(zhì)方便地構(gòu)建

28、，單跳網(wǎng)提供大的吞葉n 量和小的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，因?yàn)榉纸M不經(jīng)過中間結(jié)點(diǎn)直接送到目n 的結(jié)點(diǎn)。n多跳網(wǎng)分組在到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)需經(jīng)中間結(jié)點(diǎn)。多跳網(wǎng)分組在到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)需經(jīng)中間結(jié)點(diǎn)。因而有小的n 吞吐量和大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。多跳OTDM網(wǎng)利用空分交換可以n 更有效地使用網(wǎng)絡(luò)可用帶寬資源，也適應(yīng)分散的計(jì)算機(jī)資n 源和一些業(yè)務(wù)類型(如突發(fā)隨機(jī)性業(yè)務(wù))，允許用戶隨機(jī)接n 入，因而即使在LAN和MAN中也很有發(fā)展前途。45光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)uOTDM: optical time-division multiplexingu在網(wǎng)絡(luò)的輸入端，較低比特率的數(shù)據(jù)流在光域被復(fù)用到高比在網(wǎng)絡(luò)的輸入端，較低比特率的數(shù)據(jù)流在光

29、域被復(fù)用到高比 特率的數(shù)據(jù)流，而在網(wǎng)絡(luò)的輸出端，低比特率的數(shù)據(jù)流必特率的數(shù)據(jù)流，而在網(wǎng)絡(luò)的輸出端，低比特率的數(shù)據(jù)流必 須在光域通過解復(fù)用功能從高比特率的數(shù)據(jù)流中提取出來。須在光域通過解復(fù)用功能從高比特率的數(shù)據(jù)流中提取出來。u就功能而言，光時(shí)分復(fù)用與電時(shí)分復(fù)用是一致的，只是復(fù)用就功能而言，光時(shí)分復(fù)用與電時(shí)分復(fù)用是一致的，只是復(fù)用 和解復(fù)用在高比特率下完全在光域進(jìn)行。和解復(fù)用在高比特率下完全在光域進(jìn)行。46光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)OTDM系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理將多個(gè)將多個(gè)高速調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換為等速率光信號高速調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換為等速率光信號，然后放在光發(fā)射器里利，然后放在光發(fā)射器里利用用超窄光脈沖超窄光脈

30、沖進(jìn)行時(shí)域復(fù)用，將其調(diào)制為進(jìn)行時(shí)域復(fù)用，將其調(diào)制為更高速率的光信號更高速率的光信號然后再放到然后再放到光纖里進(jìn)行傳輸。經(jīng)此整合，光纖里進(jìn)行傳輸。經(jīng)此整合，限制傳輸速率容量的電子瓶頸就得到了有限制傳輸速率容量的電子瓶頸就得到了有效的解決。效的解決。 47光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)Mod 1Mod 2Mod n合合路路器器光光分分路路器器T(n1)T超短脈沖超短脈沖發(fā)生器發(fā)生器幀同步時(shí)鐘幀同步時(shí)鐘E/OMUX接收機(jī)接收機(jī)誤碼檢測誤碼檢測光帶通濾波器光帶通濾波器全 光 開全 光 開關(guān)關(guān)DEMUX光波時(shí)鐘光波時(shí)鐘產(chǎn)生產(chǎn)生時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取電路電路EDFA延遲線陣列延遲線陣列待傳數(shù)據(jù)輸入待傳數(shù)據(jù)輸入光時(shí)

31、分復(fù)用系統(tǒng)框圖光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖系統(tǒng)光源是系統(tǒng)光源是超短光脈沖光源超短光脈沖光源，由光分路器分成由光分路器分成N N束，各支路束，各支路電信號分別被電信號分別被調(diào)制調(diào)制到各束超到各束超短光脈沖上，然后通過短光脈沖上，然后通過光延光延遲線遲線陣列，使各支路光脈沖陣列，使各支路光脈沖精確地按預(yù)定要求在時(shí)間上精確地按預(yù)定要求在時(shí)間上錯(cuò)開，再由錯(cuò)開，再由合路器合路器將這些支將這些支路光脈沖復(fù)接在一起，于是路光脈沖復(fù)接在一起，于是便完成了在光時(shí)域上的間插便完成了在光時(shí)域上的間插復(fù)用。復(fù)用。接收端的光解復(fù)用器接收端的光解復(fù)用器是一個(gè)是一個(gè)光控高速開關(guān)，光控高速開關(guān)， 在時(shí)域上將在時(shí)域上將各支路光信號分開。

32、各支路光信號分開。48光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng) 如今如今WDM技術(shù)研究非常熱，其技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)用化；而技術(shù)研究非常熱，其技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)用化；而OTDM技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。OTDM是在光域上進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用，是在光域上進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用， 一般有兩種復(fù)用方式：一般有兩種復(fù)用方式： 比特間插比特間插(Bitinterleaving) 包間插包間插(Packetinterleaving)比特間插是目前廣泛被使用的方式。比特間插是目前廣泛被使用的方式。49光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)來自多個(gè)源的數(shù)據(jù)流的光信號在時(shí)間上間插

33、產(chǎn)生一條單一的數(shù)據(jù)流?？梢宰龅街饋碜远鄠€(gè)源的數(shù)據(jù)流的光信號在時(shí)間上間插產(chǎn)生一條單一的數(shù)據(jù)流。可以做到逐個(gè)個(gè)比特間的間插比特間的間插。若數(shù)據(jù)流以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，可以做到逐個(gè)。若數(shù)據(jù)流以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，可以做到逐個(gè)數(shù)據(jù)包之間的間數(shù)據(jù)包之間的間插。插。比特間插時(shí)分光復(fù)用器的功能比特間插時(shí)分光復(fù)用器的功能包間插時(shí)分光復(fù)用器的功能包間插時(shí)分光復(fù)用器的功能50光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)比特間插比特間插由鎖模激光產(chǎn)生的周期性脈沖序列被分束，為每條將被復(fù)用的數(shù)據(jù)流創(chuàng)建一個(gè)副本。供第i條數(shù)據(jù)流使用的脈沖序列，i=1,2,3,n，被延遲 時(shí)間。讓該脈沖序列傳輸通過適當(dāng)長度的光纖，可以實(shí)現(xiàn)這種延遲。i51光時(shí)分復(fù)用（OTDM）分組網(wǎng)延遲后的脈沖流在時(shí)間上不會(huì)重疊。沒有延時(shí)的脈沖流用于延遲后的脈沖流在時(shí)間上不會(huì)重疊。沒有延時(shí)的脈沖流用于成幀脈沖