《計算機通信網-》第4章-介質訪問控制層匯總課件

第四章

介質訪問控制層1背景2共享介質的信道分配3共享信道動態(tài)訪問技術4以太網5無線局域網6網橋1

第四章

介質訪問控制層1背景11背景計算機網絡分為兩類點到點信道的網絡（點到點網絡）共享信道的網絡（廣播式網絡）廣播信道也稱為：多路訪問信道或隨機訪問信道廣播信道網絡的特點所有站點共享同一信道一個站發(fā)送的數(shù)據將傳遍整個網絡同時發(fā)送會產生沖突需要某種信道訪問機制——介質訪問子層研究的問題2頻率f★1背景計算機網絡分為兩類2頻率f★1背景典型的廣播信道網絡衛(wèi)星網絡無線廣域網（GSM、GPRS、WCDMA等）無線局域網WLAN（802.11）有線局域網共享式以太網，令牌環(huán)網光纖網絡廣播信道網絡面臨和需要解決的問題如何識別不同的站點站點何時如何使用信道——信道訪問與分配問題上述問題由MAC子層協(xié)議解決（OSI參考模型）介質訪問子層（mediumaccesscontrol）3★1背景典型的廣播信道網絡3★術語：多路復用與多路訪問多路復用：Multiplex（信號）多個通信復用到一個信道上TDM、FDM通過劃分子信道，實現(xiàn)多個一對一的通信多路（多址）訪問：Multi-Access（用戶）在一個信道上，實現(xiàn)多個站點間通信，一對多的通信TDMA，時分多路訪問，TDM的聯(lián)網通信方式FDMA，頻分多路訪問，F(xiàn)DM的聯(lián)網通信方式CDMA，碼分多路訪問WDMA，波分多路訪問CSMA，載波偵聽多路訪問4術語：多路復用與多路訪問多路復用：Multiplex（信號）2共享介質的信道分配靜態(tài)分配（無競爭）頻分多路訪問FDMA（各站使用獨立頻段傳輸）需要考慮頻段間隔，以免相互干擾用戶速率受限時分多路訪問TDMA（各站使用獨立時間段傳輸）需要考慮時間段（時隙）獨立，以免干擾用戶接入時延較大靜態(tài)分配方式簡單可靠，但信道利用率低，不適應突發(fā)的數(shù)據傳送和用戶數(shù)量變化的情況。5★2共享介質的信道分配靜態(tài)分配（無競爭）5★2共享介質的信道分配動態(tài)分配不固定為每個站點分配信道需要時才分配或占用，空閑時可由其它站點使用動態(tài)分配需要考慮的要素如何發(fā)送任意，想發(fā)就發(fā)；得到許可再發(fā)送發(fā)送前是否偵聽載波：盲目或等待信道空閑如何接收地址識別；是否檢測沖突沖突怎樣解決不使沖突出現(xiàn)減少沖突減少沖突影響6★STOPNOYESCollision2共享介質的信道分配動態(tài)分配6★STOPNOYESColl2共享介質的信道分配動態(tài)分配的方式集中仲裁的動態(tài)分配（需要管理站）向管理站預約：需要時申請，許可后發(fā)送數(shù)據（舉手的方式）申請時可能沖突，許可后發(fā)送無沖突由管理站輪詢(點名的方式)單播輪詢方式：依次詢問每個站，有數(shù)據發(fā)的站點發(fā)送，無沖突組播或廣播輪詢：可能有沖突分布仲裁的動態(tài)分配（無需管理站）允許競爭存在，盡量避免或減少沖突減少沖突的措施：發(fā)前偵聽信道，檢測沖突，沖突后隨機后退等令牌控制信道的使用只有得到令牌的站，才能發(fā)送數(shù)據（無沖突方式）7★2共享介質的信道分配動態(tài)分配的方式7★本章重點－分布式隨機競爭算法算法優(yōu)點信道利用率高其它站點不發(fā)送時，可占用更多的信道資源聯(lián)網通信方式簡單不需要進行信道劃分（隨機信道）站點數(shù)可變發(fā)，或者不發(fā)(不存在子信道帶來的復雜問題)適合于計算機間的組網通信（范圍有限）通信的對象可變通信的數(shù)據量可變，通信能力強站點可自由上下網最大問題如何最大限度避免出現(xiàn)發(fā)送沖突8本章重點－分布式隨機競爭算法算法優(yōu)點83共享信道動態(tài)訪問技術3.1隨機競爭訪問信道節(jié)點隨機搶占信道，ALOHA、CSMA等允許沖突存在3.2無沖突訪問信道（有序訪問）控制節(jié)點訪問信道次序，位圖、令牌等無沖突3.3有限競爭訪問信道結合競爭方式和無沖突方式輕負載時，使用競爭方式重負載時，使用無沖突方式93共享信道動態(tài)訪問技術3.1隨機競爭訪問信道93共享信道動態(tài)訪問技術3.4波分多路訪問站點配置工作方式3.5蜂窩網絡隨機競爭按需分配103共享信道動態(tài)訪問技術3.4波分多路訪問103.1典型的隨機競爭訪問協(xié)議★

純ALOHA協(xié)議各站想發(fā)就發(fā)，碰撞隨時可能發(fā)生時槽ALOHA協(xié)議規(guī)定統(tǒng)一發(fā)送時刻，碰撞時幀完全重疊CSMA協(xié)議發(fā)前偵聽信道，忙則隨機后退有三種策略：0堅持、1堅持和P堅持CSMA/CD發(fā)前偵聽信道，發(fā)送時同時檢測信道檢測到沖突立即停發(fā)，釋放信道CSMA/CA：WLAN的MAC協(xié)議發(fā)前不聽不看，沖突嚴重雖發(fā)前偵聽信道，但沖突一旦發(fā)生不能立即停下，資源浪費沖突立即釋放信道，提高信道利用率113.1典型的隨機競爭訪問協(xié)議★純ALOHA協(xié)議發(fā)前不聽不性能分析模型假設有N個站點，每個站點隨時都有數(shù)據幀可發(fā)。為分析方便，假定：所有數(shù)據幀長度相同(Lbits)，信道速率為R(bits/s)每個數(shù)據幀持續(xù)時間為T=L/R，（幀時）信道幀速率為C=1/T=R/L123…C單位時間=CT123…g成功幀數(shù)s總幀數(shù)g站點通信模型：--N個站點按某種通信規(guī)則發(fā)送數(shù)據幀。--數(shù)據幀在信道上可能出現(xiàn)重疊(沖突)--只有未被沖突的幀才能成功傳輸三個重要分析參數(shù)：C：信道幀速率，單位時間內最大傳輸幀數(shù)g：信道負載，單位時間內所有站點傳輸幀總數(shù)s:有效傳輸，單位時間內成功傳輸幀總數(shù)12性能分析模型假設有N個站點，每個站點隨時都有數(shù)據幀可發(fā)。為分歸一化性能參數(shù)G=g/C信道負載率，信源幀速率數(shù)據幀總傳輸速率與信道幀速率之比也可理解為：幀數(shù)量/幀時,G=g/C=gT0<G<NN個站的幀傳輸在時間上可能(部分)重疊當G>1時，表明信道已達到滿負荷G最大可達N(站點數(shù))，表示每個站點都以信道幀速率發(fā)送S=s/C信道吞吐率，信道利用率成功幀速率占信道幀速率的比例0<S<1123…C單位時間=CT123…g成功幀數(shù)s總幀數(shù)g13歸一化性能參數(shù)G=g/C信道負載率，信源幀速率123…信道競爭模型競爭模型N個獨立工作的站點，隨機地發(fā)送數(shù)據幀進入信道的幀速率是一個隨機過程(設均值為G)某個幀成功傳輸?shù)臈l件(不考慮誤碼)沒有與其它幀在時間上有重疊進入信道(幀速率G)成功傳輸出信道（吞吐率S）沖突的幀（消失在信道上)顯然：S≤G14信道競爭模型競爭模型進入信道成功傳輸出信道沖突的幀顯然：S≤信道競爭模型幀速率（信道負載率）的概率分布在任意一個幀時T(幀長度/信道速率)內，生成k個幀的概率服從泊松分布其中G為平均幀速率（幀/幀時）典型值：T內生成0幀的概率為：pT(0)=e-GT內生成1幀的概率為：pT(1)=Ge-G2T內生成0幀的概率為：p2T(0)=e-2G15信道競爭模型幀速率（信道負載率）的概率分布15信道競爭模型背景知識：泊松(Poisson)分布無窮多個獨立工作站點隨機生成(發(fā)送)幀的概率分布設有一小的時間間隔dt，若在dt內生成一幀的概率為λdt(λdt<<1)當dt足夠小時，生成多于1幀的概率可忽略不計在各不重疊的時間間隔，生成的幀數(shù)是獨立的隨機變量概率結構與時間位置無關則可推出在t時間內生成n個幀的概率為均值為方差為λ為幀的平均生成速率(研究表明：當站點數(shù)超過20個時,其生成幀的概率分布已非常接近泊松分布）16信道競爭模型背景知識：泊松(Poisson)分布λ為幀的平均信道競爭模型競爭模型的性能特性吞吐率S與幀速率G的關系：S=GP0（P0成功傳輸概率）幀的數(shù)量少－沖突概率小－傳輸成功率高－吞吐率升高幀的數(shù)量多－沖突概率大－傳輸成功率低－吞吐率降低幀速率小幀速率適中幀速率過大G(幀速率)S(吞吐率)G小G適中G過大G?。和掏侣孰S幀速率的增加而增加(成功傳輸?shù)膸龆?G過大：吞吐率隨幀速率的增加反而下降(更多的沖突)理想情況1117信道競爭模型競爭模型的性能特性幀速率小幀速率適中幀速率過大G3.1.1PureALOHA競爭方式工作原理站點只要有數(shù)據就可以直接占用信道，啟動發(fā)送不考慮與別的站點是否沖突的無序競爭，“想發(fā)就發(fā)”幀速率較大時，沖突會急劇上升G越大幀越多沖突越嚴重何種幀速率適合PureALOHAPureALOHA所能達到的吞吐率GN70年代，夏威夷大學為了用無線電將分散在各個島嶼的計算機連接起來，NormanAbramson等人設計了一種巧妙地解決信道分配問題的新算法，稱為ALOHA（orpureALOHA)。該協(xié)議開創(chuàng)了通信介質共享領域的新時代183.1.1PureALOHA競爭方式工作原理GN70年代PureALOHA的性能為簡單起見，假定所有站點發(fā)送的幀是等長的，占用信道的時間為T（幀時）設某個站點在t時刻發(fā)送一個幀，該幀成功發(fā)送的條件是：在t-T~t+T的2T間隔內沒有其它站點發(fā)送(如圖所示)即成功發(fā)送概率P0(根據幀速率的泊松分布)為P0=P{2T內無幀產生}=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的性能為簡單起見，假定所有站點發(fā)送的幀PureALOHA性能曲線性能描述當幀速率G小于信道容量的50%時，發(fā)送幀產生的沖突較少，吞吐率隨幀速率而增加當幀速率G大于信道容量的50%后，發(fā)送幀產生的沖突急劇上升，吞吐率下降PureALOHA的最佳性能出現(xiàn)在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率為信道容量的18.4%)S=Ge-2G理想吞吐率信道利用率(吞吐率)低的原因是站點的無序競爭幀發(fā)送成功率成功發(fā)送幀數(shù)/總共傳輸幀20PureALOHA性能曲線性能描述S=Ge-2G理想吞吐3.1.2SlotALOHA減輕PureALOHA的無序競爭，改進其性能改進方法將信道劃分成長度為T的時隙，站點只能在時隙開始位置發(fā)送幀沒有沖突、或完全沖突，減少沖突幀的持續(xù)時間改進的代價是所有站點實現(xiàn)時隙的同步(增加了實現(xiàn)難度)誰負責時隙管理，管理者出故障怎么辦等改進后，性能提高多少？213.1.2SlotALOHA減輕PureALOHA的無SlotALOHA性能描述某站點t時刻成功發(fā)送一個幀的概率P0={T內沒有新幀產生}=pT(0)=e-GSlotALOHA吞吐率為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倍幀丟失率?Slot-alohaPure-aloha22SlotALOHA性能描述Slot-alohaPure-a3.1.3CSMA假設站點可以“聽”到信道上是否有站點在發(fā)送準備發(fā)送時，若“聽到”信道上有站點發(fā)送，就推遲發(fā)送，直到信道“空閑”為止，再啟動發(fā)送，從而主動避免了沖突。CarrierSenseMulti-Access(CSMA)若有兩個以上站點都在等，一旦信道空閑就會同時發(fā)送而沖突。因此，需要錯開各站點啟動發(fā)送的時間。如果有多個站點在T內產生了新幀，必然在此處開始沖突。在G比較小時，沖突概率才會小T站點s準備發(fā)送開始發(fā)送推遲預防多個站點在T內產生新幀，繼續(xù)后退一個隨機長度的時間后，再“聽”信道，若信道閑才發(fā)送。在G比較小時，可能是多余的后退或者發(fā)送(概率p)，或者后退(隨機時間長度)后再“聽信道”通過調整p來配合G的大小站點s準備發(fā)送開始發(fā)送推遲隨機后退站點s準備發(fā)送開始發(fā)送推遲隨機后退233.1.3CSMA假設站點可以“聽”到信道上是否有站點在發(fā)CSMA發(fā)送策略1堅持CSMA：等待信道閑后立即發(fā)送(p=1)0堅持CSMA：等待信道閑后再等待一段隨機長度(p=0)p堅持CSMA：等待信道閑后可能發(fā)送(概率p)，可能隨機后退(概率1-p)隨機后退情況下，都需要重新偵聽信道信道上的傳播延時會對站點的載波偵聽帶來不利影響隨機后退24CSMA發(fā)送策略隨機后退24CSMA載波偵聽動畫連續(xù)（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據信號到達B處B偵聽信道，抑制發(fā)送AB25CSMA載波偵聽動畫連續(xù)（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送CSMA載波偵聽動畫（二）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據信號到達B處，產生沖突B偵聽信道，立即發(fā)送AB信號傳播延時CSMA降低了沖突概率因為信號傳播延時是很短的－－以2/3光速傳播26CSMA載波偵聽動畫（二）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據CSMA發(fā)送流程信道忙否偵聽是信道閑準備發(fā)送完成發(fā)送準備發(fā)送信道忙否偵聽完成是信道閑發(fā)送后退時間到信道忙否偵聽完成是信道閑發(fā)送后退時間到R<pR=rand()是準備發(fā)送1堅持CSMA0堅持CSMAp堅持CSMA27CSMA發(fā)送流程信道忙否偵聽是信道閑準備發(fā)送完成發(fā)送準備發(fā)送1堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率p=1準備發(fā)送：偵聽信道若信道閑，啟動發(fā)送否則，持續(xù)偵聽信道直到信道閑，啟動發(fā)送前一發(fā)送完成，后面很容易產生沖突下一幀不沖突的概率

p=PT(0)+PT(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G站A站B站C站D偵聽偵聽信道忙否偵聽是信道閑準備發(fā)送完成發(fā)送1堅持CSMA281堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率p=1站A站B站C站D0堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率(p=0)再等待一段時間后決定是否發(fā)準備發(fā)送：偵聽信道若信道閑，啟動發(fā)送否則，等到信道閑，再等待一隨機時間后在嘗試發(fā)送降低多個站同時偵聽信道時可能出現(xiàn)的沖突站A站B站C站D隨機延時后偵聽偵聽隨機延時后偵聽準備發(fā)送信道忙否偵聽完成是信道閑發(fā)送后退時間到0堅持CSMA290堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率(p=0)站A站B站Cp堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率為p準備發(fā)送：偵聽信道若信道閑，啟動發(fā)送否則，等到信道閑，以概率p啟動發(fā)送，以概率1-p繼續(xù)等待降低多個站同時偵聽信道時可能出現(xiàn)的沖突最佳方案：調整概率p，使得發(fā)送的站點數(shù)=1站A站B站C站DA計算概率為可以發(fā)送D計算概率為不能發(fā)送偵聽偵聽延時后偵聽信道忙否偵聽完成是信道閑發(fā)送后退時間到R<pR=rand()是準備發(fā)送p堅持CSMA30p堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率為p站A站B站C站DA幾種競爭協(xié)議的效率輕負載下，1-堅持的性能好，0-堅持差，p-堅持中等重負載下，1-堅持的性能差，0-堅持好，p-堅持中等31幾種競爭協(xié)議的效率31G-S圖的理解G大于1，意味著發(fā)送量大于信道容量G大于1，對流量出現(xiàn)瞬時過載能力的分析很重要當出現(xiàn)G>1情況時，如果S很快就下降到零，即使以后G又回落到小于1情況，由于堆積在站點上等待發(fā)送的幀太多，進入信道的G也降不下來，網絡恢復正常通信需要很長時間，或者無法恢復正常因此，過載情況下(G>1)仍能有較高的S，是網絡抗過載能力強的體現(xiàn)抗過載能力0堅持CSMA具有最強的抗過載能力Slot-aloha與1堅持CSMA在G>4時的抗過載能力相當t流量信道容量GS1S232G-S圖的理解G大于1，意味著發(fā)送量大于信道容量t流量信道容CSMA的幾個說明隨機后退各個站點選擇的后退時間是隨機、各不相同后退后重新“偵聽”信道，若發(fā)現(xiàn)“忙”，只有再后退！最壞情況：一直都在后退，站點的幀總發(fā)送不出去因此，要規(guī)定后退次數(shù)上限，后退達到上限放棄發(fā)送該幀發(fā)送概率p，例取隨機數(shù)(0-100),小于5就發(fā)送(p=0.05)τ選擇隨機變量x[0~1]后退時間=x*τ33CSMA的幾個說明隨機后退τ選擇隨機變量x[0~1]33CSMA的沖突問題信道有長度，信號有限傳播速度(v<C)，因此，信號從一端傳播到另一端需要一定的時間考慮兩個端點上的站點A和B當A在t0時刻開始發(fā)送數(shù)據，信號要在t0+τ才到達B因此，B在t0~t0+τ內偵聽信道都是“空閑”的。這個時間是發(fā)生沖突的危險時間段而且，τ越大，產生更多新幀概率越高，出現(xiàn)沖突概率更大減小τ，意味著減小信道長度因此CSMA不能再長信道上應用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的沖突問題信道有長度，信號有限傳播速度(v<C)，因CSMA后退算法連續(xù)后退問題若連續(xù)多次都發(fā)現(xiàn)信道忙，說明信道確實很忙，應該加大后退長度讓站點在[1..W]區(qū)間內隨機選擇一個后退值W稱為后退窗口，后退時間單位=τ二進制指數(shù)后退算法若節(jié)點在第k次準備發(fā)送時，仍發(fā)現(xiàn)信道忙，則W=2k站點在[1..W]區(qū)間中隨機選擇一個后退值N后退時間T=N*τ若k達到規(guī)定值(如15)，則放棄發(fā)送該幀，轉而發(fā)送下一幀35CSMA后退算法連續(xù)后退問題353.1.4CSMA/CD（結合P216、P233）載波偵聽多路訪問/沖突檢測改進CSMA性能CSMA仍有少量沖突存在，繼續(xù)發(fā)送，浪費信道資源引入條件：發(fā)送后，如果能夠發(fā)現(xiàn)沖突，就立即停止發(fā)送有線信道上：發(fā)送的信號能量與接收的信號能量相當沖突檢測有線信道上，可以檢測信號的能量，以發(fā)現(xiàn)是否沖突檢測到沖突后，立即停止發(fā)送，讓信道空閑站A站B站C沖突減少信道浪費成功發(fā)送363.1.4CSMA/CD（結合P216、P233）載波偵聽

沖突檢測方法電平判斷沖突信號相互疊加，總電平將超過額定值邏輯判斷發(fā)送的數(shù)據與同時收回來的數(shù)據不一致+=超高收發(fā)沖突信道37沖突檢測方法電平判斷+=超高收發(fā)沖突信道37沖突檢測時間最壞情況站點A發(fā)送數(shù)據幀后在τ-ε時到達最遠端的站點B，而B恰好在此時開始發(fā)送。ε接近于0，但不等于0站點B馬上可以檢測到沖突站點A要再經過τ后，才可能檢測到沖突實際上，站點還需要用若干bit的來驗證是否沖突故：沖突檢測時間≥2τ，即發(fā)送超過2τ時間后不需要再檢測沖突38★沖突檢測時間最壞情況38★沖突檢測后的處理檢測到沖突后立即停止傳輸，停止傳輸后，隨機延遲一段時間再嘗試發(fā)送延遲時間以時間片為單位一個時間片=最大沖突檢測時間(2τ)隨機延時算法－－截斷二進制指數(shù)回退算法最大重試次數(shù)attempt_limit，當attempts≥10時，退避窗口W維持210不變r為計算的延時時間片whileattempts<attempt_limitk=min(attempts,10);r=random(0,2k);attempts=attempts+1;endofwhile39沖突檢測后的處理檢測到沖突后立即停止傳輸，停止傳輸后，隨機延3.1.5CSMA/CA無線局域網所有站點工作在相同的無線信道上無線信道構成一個空中共享總線與有線網不同之處收發(fā)不能同時(無法實現(xiàn)CD)傳輸距離有限，（新沖突）B不能檢測到A的載波，在C處產生沖突B稱為A的“隱藏終端”發(fā)送40mW接收40mW*10-7發(fā)送時需要關閉接收機，否則泄漏來的信號都會使接收機過載ACB隱藏終端問題403.1.5CSMA/CA無線局域網發(fā)送接收發(fā)送時需要關閉接RTS/CTS機制解決隱藏站點沖突A欲向B發(fā)送數(shù)據，先發(fā)送RTS幀提醒BB應答CTS，阻止在B覆蓋范圍內的其他所有站點發(fā)送數(shù)據（不包括A）C收到CTS后，不向B發(fā)送數(shù)據而避免了沖突（在B周圍的所有站點中只有A能發(fā)送數(shù)據）ABCRTSCTS41RTS/CTS機制解決隱藏站點沖突ABCRTSCTS41CSMA/CA“暴露終端”問題在A向B發(fā)送報文的同時，C應該可以向D發(fā)送報文C不會干擾B的接收，A也不會干擾D的接收但C在A的范圍內，A的發(fā)送抑制了C的發(fā)送C暴露在A的范圍中而被禁止發(fā)送解決暴露終端思路C收不到B的CTS，證明不會干擾B的接收設計節(jié)點的發(fā)送算法！AC暴露終端問題BD42CSMA/CA“暴露終端”問題AC暴露終端問題BD42RTS/CTS機制解決暴露終端的方法C收不到A發(fā)出的CTS－－發(fā)送抑制幀C可以在B向A發(fā)送數(shù)據的同時向D發(fā)送數(shù)據新的問題RTS、CTS幀的沖突ABCDCTS43RTS/CTS機制解決暴露終端的方法ABCDCTS43CSMA/CA(CollusionAvoidance)要求A發(fā)送時，A周圍的站點偵聽到載波，不會發(fā)送A發(fā)送數(shù)據到C時，C的附近不能有其它站點發(fā)送（不使C的接收受到沖突）CSMA/CA工作方式A先向C發(fā)送“請求發(fā)送”短報文:RTS(持續(xù)時間)C應答“允許發(fā)送”短報文:CTS(持續(xù)時間)產生抑制周圍站點發(fā)送的效果A收到CTS后發(fā)送數(shù)據幀AC44CSMA/CA(CollusionAvoidance)CSMA/CA大規(guī)模通信范圍外，信道可重復使用，從而增大了信道的利用效率45CSMA/CA大規(guī)模通信范圍外，信道可重復使用，從而增大3.1隨機競爭訪問信道（小結）競爭訪問信道面臨的問題及解決方案有沖突出現(xiàn)盡量減少沖突－降低沖突概率監(jiān)聽載波隨機后退P-堅持盡量減小沖突帶來影響－減小沖突窗口分時槽監(jiān)聽載波沖突檢測減小沖突持續(xù)時間463.1隨機競爭訪問信道（小結）競爭訪問信道面臨的問題及解決3.2無沖突協(xié)議★

控制節(jié)點訪問信道次序預定協(xié)議位圖方法自定方式地址信息用特定信息指揮發(fā)送令牌473.2無沖突協(xié)議★控制節(jié)點訪問信道次序47無沖突協(xié)議預定協(xié)議－位圖方法在信道訪問前先申請（預定）信道，然后按序訪問爭用時隙的作用發(fā)送站在自己的爭用時隙中置位在爭用時隙結束后，各發(fā)送站按順序發(fā)送基本位圖：建立爭用時隙與站點的映射48無沖突協(xié)議預定協(xié)議－位圖方法48無沖突協(xié)議自定方式不預定信道，而是利用站點自帶的信息（地址）決定使用信道的順序二進制倒計數(shù)法各發(fā)送站發(fā)送自己的地址，同時監(jiān)聽自己發(fā)出的地址是否改變地址發(fā)完后，沒有發(fā)現(xiàn)地址改變的發(fā)送站繼續(xù)發(fā)送數(shù)據49無沖突協(xié)議自定方式49無沖突協(xié)議二進制倒計數(shù)法例站A、B、C、D地址分別為0010、0100、1001、1010，假設四個站點同時希望發(fā)送，它們將自己的地址送出，并同時監(jiān)聽網絡上的數(shù)據。0010010010011010ABCD發(fā)送順序先后00111111D站可以發(fā)送數(shù)據發(fā)送站中地址最高的可以發(fā)送數(shù)據高地址站具有高優(yōu)先級地址動態(tài)變化，以保證公平性50無沖突協(xié)議二進制倒計數(shù)法例001001001無沖突協(xié)議用特定信息指揮發(fā)送令牌環(huán)輪詢方式TCUSDACED令牌TCUTCU主從從從從51無沖突協(xié)議用特定信息指揮發(fā)送TCUSDACED令牌TCUTC3.3有限競爭協(xié)議產生背景競爭協(xié)議與無沖突協(xié)議在輕載和重載下的不同特性－－各有優(yōu)劣輕載時，競爭協(xié)議具有低發(fā)送延時特性重載時，無沖突協(xié)議具有高信道利用率的特性優(yōu)優(yōu)523.3有限競爭協(xié)議產生背景優(yōu)優(yōu)523.3有限競爭協(xié)議★

分組分時隙法分組：組數(shù)－－N組內成員數(shù)－－M組間用無沖突方式（固定時隙），組內用競爭方式輕載時，增加減少重載時，增加減少組的數(shù)量組內成員數(shù)量組的數(shù)量組內成員數(shù)量533.3有限競爭協(xié)議★分組分時隙法組的數(shù)量組內成員數(shù)量組的有限競爭協(xié)議自適應樹搜索協(xié)議－－利用樹來分組快速定位有數(shù)據需要發(fā)送的站54有限競爭協(xié)議自適應樹搜索協(xié)議－－利用樹來分組543.4波分多路訪問協(xié)議應用環(huán)境無源光柱－－共享信道接收器發(fā)送器553.4波分多路訪問協(xié)議應用環(huán)境無源光柱－－共享信道接收器發(fā)波分多路復用波分利用不同的波長作為不同的信道（類似FDM）每個節(jié)點具有各自的發(fā)送信道、接收信道一個波長固定的接收端，收控制信息一個波長可調的發(fā)送端，發(fā)控制信息一個波長固定的發(fā)送端，發(fā)送數(shù)據一個波長可調的接收端，接收數(shù)據控制數(shù)據接收控制數(shù)據發(fā)送波長固定波長可調56波分多路復用波分控制數(shù)據接收控制數(shù)據發(fā)送波長固定波長可調5657波分多路復用協(xié)議過程

A向B發(fā)送數(shù)據B在數(shù)據信道定期發(fā)送信道狀態(tài)信息（控制信道、數(shù)據信道何時空閑）A調整接收數(shù)據信道，監(jiān)聽B的狀態(tài)通告A調整發(fā)送控制信息的波長，向B發(fā)出請求信息：“請在某時接收我發(fā)送的數(shù)據”B接受請求后，在議定的時候將接收數(shù)據波長調整與A的數(shù)據發(fā)送波長一致，接收數(shù)據類似：廣播節(jié)目預告57波分多路復用協(xié)議過程類似：廣播節(jié)目預告58波分多路復用數(shù)據發(fā)送AB數(shù)據發(fā)送數(shù)據接收控制接收控制發(fā)送控制接收控制發(fā)送數(shù)據接收λA1λA2λB1λB2SSSSSreqDatatoB58波分多路復用數(shù)據發(fā)送AB數(shù)據發(fā)送數(shù)據接收控制接收控制發(fā)送59波分多路復用DatatoB數(shù)據發(fā)送AB數(shù)據發(fā)送數(shù)據接收控制接收控制發(fā)送控制接收控制發(fā)送數(shù)據接收λA1λA2λB1λB2SSSSDatatoBDatatoCSDatatoDDatatoBDatatoBDatatoB59波分多路復用DatatoB數(shù)據發(fā)送AB數(shù)據發(fā)送數(shù)據接波分多路復用小結波分復用與純廣播式通信不同，各節(jié)點有自己的信道與FDM方式的信道固定分配不同，帶有動態(tài)分配的思想，具有統(tǒng)計復用的特點，信道利用率高數(shù)據發(fā)送信道波長雖然固定，但并不限制只能將數(shù)據發(fā)送給一個站點當多個站點同時請求向一個站點發(fā)送數(shù)據時，也會出現(xiàn)沖突60波分多路復用小結603.5數(shù)字蜂窩GSM數(shù)字數(shù)據與數(shù)字信號數(shù)字數(shù)據：集成、壓縮、糾錯、加密數(shù)字信號：抗干擾、高數(shù)據傳輸速率、可再生GSM的信道分配FDM＋TDM靜態(tài)＋動態(tài)分配GSM的公共信道呼叫信道－－下行信道隨機訪問信道－－上行信道 存在多路訪問沖突問題，用slottedALOHA解決訪問授權信道－－下行信道用于連接的建立613.5數(shù)字蜂窩GSM用于連接的建立61數(shù)字蜂窩CDMACDMA既是一種編碼方式，也是一種信道分配方法。每一個擴頻碼（偽碼）代表一個邏輯信道擴頻碼是一個比特序列，數(shù)據1對應為擴頻碼，數(shù)據0對應擴頻碼的補碼擴頻碼之間是正交的可同時發(fā)送多個擴頻碼，信道利用率獲得提高。受噪聲的影響，擴頻碼的個數(shù)是有限的，擴頻碼的分配方法將影響系統(tǒng)利用率數(shù)據擴頻碼011001100111001100110062數(shù)字蜂窩CDMA數(shù)據擴頻碼011001100111001104以太網采用了CSMA/CD技術的局域網范圍小、數(shù)傳速率高，共享介質一根電纜連接所有的站點背景IEEE802委員會IEEE802.3MAC媒體訪問控制層PHY物理層LLC邏輯鏈路控制層高層數(shù)據鏈路層634以太網采用了CSMA/CD技術的局域網MAC媒體訪問控制層4.1以太網物理層接口BNC－－同軸電纜接口RJ45－－雙絞線接口SC－－光纖接口644.1以太網物理層接口64以太網物理層曼徹斯特編碼歸零較多跳變有違例編碼效率較低65以太網物理層曼徹斯特編碼654.2以太網MAC層MediaAccessControlsub-layer物理層Init空閑偵聽發(fā)送后退信道閑以太幀沖突jam信道忙后退結束Jam后發(fā)送完成過濾以太幀MII封裝解封裝IEEE802.3介質訪問控制子層(MAC)MACLLC源地址、目的地址，類型，待發(fā)數(shù)據塊源地址、目的地址，類型，數(shù)據塊IEEE802.2邏輯鏈路控制子層(LLC)664.2以太網MAC層MediaAccessControl以太網MAC層媒體訪問技術－－CSMA/CD傳輸前偵聽載波信道空閑立即發(fā)送信道忙則一直偵聽，直到信道空閑，然后立即發(fā)送發(fā)送過程中同時檢測沖突發(fā)現(xiàn)沖突立即停止傳輸，并在隨機延時后嘗試發(fā)送停止傳輸后，用二進制指數(shù)回退算法計算延時一些重要的規(guī)定最小幀長64字節(jié)，最大幀長1518字節(jié)最多連續(xù)沖突次數(shù)：16次幀間間隔12字節(jié)67以太網MAC層媒體訪問技術－－CSMA/CD67以太網MAC層以太網幀結構DstAddrSrcAddrTypeorLenDataUnitFCS6B6B2B46～1500B4B地址域，指明發(fā)送方和接收方身份類型/長度域，說明數(shù)據域的類型或數(shù)據長度數(shù)據域，該幀傳遞的數(shù)據單元校驗域，檢查該幀是否出錯(物理層處理)前導碼8B用于同步的’01’序列ifsifsifspreamblepreamblepreambleifs(inter-framespace)=至少12字節(jié)信號長度Preamble(前導碼)=8字節(jié)’01’序列68以太網MAC層以太網幀結構DstAddrSrcAddrT以太網幀結構目的地址：6字節(jié)，包括3種形式廣播地址：代表全體站點(只能作目的地址使用)單播地址：代表個別站點(可作源和目的地址)多播地址：代表一組站點(只能作目的地址使用)第一字節(jié)，最低位為0表示單播地址0x00900A270B0C為1表示多播地址0x01005E730C01全部為1表示廣播地址0xFFFFFFFFFFFF69以太網幀結構目的地址：6字節(jié)，包括3種形式69以太網幀結構類型/長度字段（2字節(jié)）0～1500保留為長度域值，1536～65535保留為類型域值(0x0600～0xFFFF)小于等于1500表示數(shù)據域的字節(jié)長度數(shù)據內容是變長的，最大為1500大于等于1536則表示幀類型－數(shù)據域封裝的協(xié)議類型0x800：表示數(shù)據內容是IP分組0x806：ARP分組實現(xiàn)兩種格式的統(tǒng)一。Type的其它定義見RFC1700目的地址源地址0x800IP分組70以太網幀結構類型/長度字段（2字節(jié)）目的地址源地址0x800以太網幀格式幀校驗字段32位CRC校驗MAC層發(fā)現(xiàn)幀錯誤后，僅向上層報告而不進行差錯控制LLC子層應用現(xiàn)狀目前大多數(shù)網絡協(xié)議(例如IP協(xié)議)拋開了LLC子層，直接通過MAC實現(xiàn)與其它站點通信PhyMAC…71以太網幀格式幀校驗字段PhyMAC…714.3快速以太網(FastEthernet)數(shù)傳速率為100Mbps的以太網802.3u與10Mbps的以太網兼容－－10/100M自適應電纜：5類雙絞線接口：RJ45編碼：8B/6T（3類UTP）、4B/5B（5類UTP）MAC層：CSMA/CD（半雙工-集線器）全雙工（交換式）下不用724.3快速以太網(FastEthernet)數(shù)傳速率為14.4千兆以太網數(shù)傳速率為1000Mbps的以太網802.3z，802.3ab等“電”纜：802.3z－－光纖，802.3ab－－雙絞線編碼：8B/10BMAC層：CSMA/CD（半雙工-集線器）全雙工（交換式）下不用幀擴充（載荷擴充）技術，將小于64字節(jié)的幀擴充到512字節(jié)發(fā)送幀突發(fā)（幀串）技術，一次可連續(xù)發(fā)送多個小于512字節(jié)的幀，直到8K字節(jié)734.4千兆以太網數(shù)傳速率為1000Mbps的以太網73共享式與交換式以太網共享式以太網一根電纜(或HUB)連接所有的站點站點采用CSMA/CD競爭信道HUB模擬共享信道HUB74共享式與交換式以太網共享式以太網HUB模擬共享信道HUB74共享式與交換式以太網交換式以太網交換機端口與站點采用全雙工通信，每個端口只接一臺計算機共享緩沖區(qū)、交換矩陣、CrossBar等在端口間轉發(fā)數(shù)據幀所有端口并行工作沒有信道競爭，關閉了CSMA/CDMACMACMACMAC幀緩沖區(qū)轉發(fā)根據目的MAC向相應端口轉發(fā)幀以太網交換機75共享式與交換式以太網交換式以太網MACMACMACMAC幀緩5無線局域網協(xié)議標準IEEE802.11系列協(xié)議11b11g11a11n11i……無線的“以太網”希望像以太網那樣普及、方便、易用MAC技術CSMA/CA高層LLC802.3MAC802.3PHY802.11MAC802.11PHY765無線局域網協(xié)議標準高層LLC802.3802.3802.1WLAN標準物理層802.11b－－11Mbps802.11g－－54Mbps802.11a－－54Mbps802.11n－－將超過100Mbps其他802.11e－－Qos，提高可靠性802.11f－－站點在AP間的“漫游”802.11p－－在車里和車輛之間實現(xiàn)WLAN802.11s－－AP之間用無線形成多跳網77WLAN標準物理層775.1WLAN的組網結構對等結構－－無中心結構基礎架構－－有中心結構(APAccessPoint)AP無線網卡785.1WLAN的組網結構對等結構－－無中心結構AP無線網卡5.2WLAN物理層紅外線IR1Mbps或2Mbps的數(shù)傳速率光波長：850nm沒有穿越性，較少使用跳頻擴頻FHSS2Mbps2.4GHz抗干擾性好較少使用不同時隙工作在不同頻率上795.2WLAN物理層紅外線IR不同時隙工作在不同頻率上79WLAN物理層（續(xù)）直接序列擴頻DSSS2Mbps、11Mbps，2.4GHz類似CDMA應用較為廣泛正交頻分多路復用OFDM54Mbps，2.4GHz、5GHz分割子頻率復雜的編碼技術80WLAN物理層（續(xù)）直接序列擴頻DSSS805.3WLAN的MAC層協(xié)議操作模式DCF與PCF，DCF是對CSMA技術的繼承更常用CSMA/CA技術載波偵聽多路訪問/沖突避免邏輯載波偵聽根據偵長度字段判斷信道空閑的時刻RTS/CTS技術避免沖突815.3WLAN的MAC層協(xié)議操作模式81CSMA/CA（802.11）82CSMA/CA（802.11）82802.11四種IFS（InterframeSpacing）83802.11四種IFS（InterframeSpacin5.4WLAN幀格式幀控制中含有幀類型管理幀、控制幀（RTS、CTS）、數(shù)據幀比以太網復雜地址字段：四地址結構根據不同組網模式分別使用：2地址、3地址、4地址未用的地址域從幀中去除ABAP1AP2BAAP2AP1845.4WLAN幀格式ABAP1AP2BAAP2AP1845.5WLAN組網模式BSS：BasicServiceSet基本服務模式（3地址幀結構）有中心結構，AP(AccessPoint)無線站點間不直接通信，而是通過AP的中繼實現(xiàn)無線站點通過AP實現(xiàn)與有線網絡通信AP以太網ADSDataBSS-ID(6字節(jié)地址格式)ADSDataDSDataSDDBSSADSDataA站點S：指明目的站、關聯(lián)的AP站點D：獲知源站、發(fā)送的AP85A5.5WLAN組網模式BSS：BasicServiceBSS組網服務AP周期性發(fā)送信標(Beacon)供無線站點識別和實現(xiàn)關聯(lián)關聯(lián)(Association)無線站點關聯(lián)到指定的AP通信的數(shù)據收發(fā)都通過關聯(lián)的AP中繼實現(xiàn)beaconbeaconbeaconAssociation_ReqAssociation_ACKAP無線站點RTSCTSDataACK86BSS組網服務AP周期性發(fā)送信標(Beacon)beacoESS(ExtendedServiceSet)擴展服務模式多個BSS的分布式擴展分布式系統(tǒng)(DS)連接各個BSS中的AP不同BSS間的站點也可以實現(xiàn)通信BSS2BSS1BSS3DSADSDataSDDSDataDSDataDSDataBAB87ESS(ExtendedServiceSet)擴展服務IBSS：IndependentBSS獨立基本服務模式(2地址幀)無中心結構(無中繼的AP)站點間直接通信（直接的無線覆蓋范圍）共享的空中總線又稱：單跳無線AdHoc網絡目前研究的重點多跳AdHoc網絡IBSSDSData多跳AdHoc88IBSS：IndependentBSS獨立基本服務模式6網橋★

網橋又稱MAC橋，是一種L2中繼設備網橋通過多個端口互連不同的LAN多種LAN技術的發(fā)展催生了網橋各個LAN的MAC技術、速率均可不同網橋的應用需求不同的LAN需要連接調節(jié)載荷，減輕主干負擔可靠性Vs廣播性，限制故障范圍安全性需要，將局域網隔離“合”與“分”的問題896網橋★網橋又稱MAC橋，是一種L2中繼設備89網橋的結構中繼轉發(fā)功能轉發(fā)廣播、多播或目的地址在對端的數(shù)據幀MAC(CSMA/CD)MAC(CSMA/CD)M1M2M3M4網橋通信狀況M1向M3發(fā)送幀，網橋也能收到，但網橋不轉發(fā)該幀M1向M2發(fā)送幀，網橋收到并轉發(fā)該幀到M2所在網絡上網橋特性網橋一側網絡的競爭通信，不會影響另一側網絡的競爭通信網橋可以緩存數(shù)據幀，在另一側競爭到信道后再發(fā)送目的地址為廣播/多播？或在另一側？信道幀情況1、本地通信幀2、遠端到本地的幀3、本地到遠端的幀信道幀情況1、本地通信幀2、遠端到本地的幀3、本地到遠端的幀90網橋的結構中繼轉發(fā)功能MACMACM1M2M3M4網橋通信狀網橋的特點隔離沖突域網橋各端口具有獨立的MAC實體各端口為獨立的沖突域隔離流量只有必要的幀才被網橋中繼宿地址與源地址同端口的幀，不轉發(fā)網橋各端口的流量相對隔離可靠性，限制故障范圍安全性需要，將局域網隔離特點的應用網橋可以用于互連（對于不同類型的LAN）網橋更可用于分段！（對于相同的LAN）91網橋的特點隔離沖突域91網橋-選擇性多路中繼如果幀頭中含有地址信息(源地址、目的地址)就可實現(xiàn)多條鏈路上的、鏈路（端口）選擇性中繼系統(tǒng)選擇性多路中繼中繼系統(tǒng)記錄了所有站點的地址以及所在的鏈路（端口）對收到的數(shù)據幀，根據目的地址，從對應的鏈路轉發(fā)出去中繼系統(tǒng)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網橋-選擇性多路中繼如果幀頭中含有地址信息(源地址、目的地址網橋隔離沖突域網橋隔離沖突域，但不隔離廣播域網橋隔離沖突域將網絡分隔成兩個沖突域每一個端口及其相連的站點位于同一沖突域A站B站C站D站A站B站C站D站網橋沖突域1沖突域2所有站點位于同一沖突域93網橋隔離沖突域網橋隔離沖突域，但不隔離廣播域ABCDABCD網橋連接局域網網橋互連多個不同的LAN各個局域網MAC技術和速率均可不同－－存儲轉發(fā)網橋可能需要做協(xié)議轉換（現(xiàn)在較少使用）網橋分割同類型LAN為不同LAN段隔離沖突域、擴大LAN的范圍、提高整體性能網橋對站點透明橋接局域網上的各站點不知道網橋的存在各站點認為所有站在同一個LAN或LAN段上網橋站站站站分割不同的LAN段網橋站站站站互連不同的LAN94網橋連接局域網網橋互連多個不同的LAN網橋站站站站分割不同的網橋的協(xié)議模型網橋工作在對應OSI模型的第二層，在MAC子層增加中繼軟件存儲轉發(fā)95網橋的協(xié)議模型網橋工作在對應OSI模型的第二層，在MAC子層互聯(lián)不同LAN面臨的技術難題幀格式不同，需要“翻譯”數(shù)據傳輸速率不同緩沖區(qū)的溢出幀的最大長度不同802.3:1500字節(jié)；802.4:8191字節(jié);802.5:無上限地址轉換以太網地址-------令牌環(huán)地址96互聯(lián)不同LAN面臨的技術難題幀格式不同，需要“翻譯”96技術難題示例97技術難題示例97網橋的類型遠程網橋：已退出市場使用點到點協(xié)議源路由網橋：較少使用橋將接收所有的數(shù)據幀由源端在數(shù)據幀中指明發(fā)送路由，即經過的橋的序列協(xié)議轉換網橋：較少使用透明網橋（目前的產品主要是交換機）以太網交換機的原理就是采用透明網橋的原理接收所有的數(shù)據幀根據幀的目的MAC地址，查地址表轉發(fā)生成樹網橋98網橋的類型遠程網橋：已退出市場98透明網橋工作原理網橋采用存儲轉發(fā)方式各端口獨立工作，速率可不同網橋的轉發(fā)策略接收所有幀，根據目的地址決定轉發(fā)策路對廣播幀，從網橋所有端口擴散出去對單播幀，查MAC表，如表中有目的地址項，則按表中端口轉發(fā)（若目的站與源站同端口，不轉發(fā)），否則向所有端口擴散轉發(fā)網橋逆向學習建立MAC表對接收到的幀，將幀中的源MAC地址和端口記錄到MAC表中，下次作為目的站時，可以及時找到轉發(fā)端口根據站點活動情況，刷新生命期刪除長期不活動的站點記錄長度/類型載荷校驗宿地址源地址MAC地址端口號生命期MAC11XXX99透明網橋工作原理網橋采用存儲轉發(fā)方式長度/載荷校宿源MAC地網橋的冗余性網橋環(huán)路問題冗余的網橋能克服鏈路/網橋故障帶來的通信中斷問題但網橋不能構成有環(huán)路形式的組網結構描述網橋的環(huán)路問題生成樹算法與協(xié)議生成樹算法在有環(huán)路出現(xiàn)的情況下，生成樹狀“工作”拓撲結構生成樹協(xié)議工作中監(jiān)測鏈路/網橋故障，一旦出現(xiàn)，更新樹狀結構，保持網間的連通網橋網橋網橋網橋網橋網橋網橋網橋網橋100網橋的冗余性網橋環(huán)路問題網橋網橋網橋網橋網橋網橋網橋網橋網橋生成樹網橋（轉發(fā)表的維護）生成樹算法反向地址學習容易形成環(huán)路環(huán)路造成轉發(fā)的無限循環(huán)生成樹就是在環(huán)路的情況下裁減部分分支，變成一顆樹型拓撲沒有環(huán)路101生成樹網橋（轉發(fā)表的維護）生成樹算法101其它網橋技術源路由網橋橋將接收所有的數(shù)據幀由源端在數(shù)據幀中指明發(fā)送路由，即經過的橋的序列網橋只關心自己是否在橋的序列中，若是，按照路徑要求轉發(fā)到下一個網橋不是，則不予理睬102其它網橋技術源路由網橋102網橋技術遠程網橋網橋之間采用點到點連接，使用點到點協(xié)議MAC1MAC2DSBodyB1B2DSBodyPDSBodyPPPHeaderPPPBMAC3103網橋技術遠程網橋MAC1MAC2DSBodyB1B2DSBo網橋技術小結網橋是一個鏈路層的中繼轉發(fā)設備使其連接的站點能夠互聯(lián)互通網橋的加入對站點無影響（除稍有延遲外）站點不知道網橋的存在（透明性）站點之間感覺就好像是直接互連通信的網橋對幀的轉發(fā)完全透明轉發(fā)幀時，對幀不做任何改變只是按照幀中的目的地址轉發(fā)到合適的端口網橋隔離了沖突域存儲轉發(fā)的機制使橋兩端可以同時有數(shù)據在線★104網橋技術小結網橋是一個鏈路層的中繼轉發(fā)設備★104網橋技術小結無論如何，網橋在數(shù)據鏈路層互連，其結果就是實現(xiàn)所有的站點“直接相連”。其互連規(guī)模有限，隔離性也有限傳統(tǒng)網橋基于軟件、性能不高、市場并不大交換機就是硬件化的多端口網橋，目前以太網的主要設備105網橋技術小結無論如何，網橋在數(shù)據鏈路層互連，其結果就是實現(xiàn)所幾類連接器－功能定義106幾類連接器－功能定義106公共信道分配基本方法107公共信道分配基本方法107作業(yè)1、p286,第5、12題2、廣播信道的網絡，需要特別解決哪些點到點信道網絡不需要考慮的問題？面對這些問題，解決的措施有哪些？3、網橋是在哪一層轉發(fā)的設備？網橋的加入對站點通信有何影響？網橋的主要任務是什么？有何局限性？4、假定1km長的CSMA/CD網絡的數(shù)據率為1Gbps，設信號在網絡上的傳播速率為200,000km/s，求能夠使用此協(xié)議的最短幀長。108作業(yè)1、p286,第5、12題108協(xié)議偵聽載波信道訪問沖突檢測P沖T沖D純ALOHA時槽ALOHA1-堅持CSMA非堅持CSMAP堅持CSMACSMA/CD在同等條件下：為各協(xié)議給出等級分，如P沖=1表示該協(xié)議在幾種協(xié)議中沖突概率最小備選答案不偵聽一直偵聽跳躍式偵聽隨意發(fā)送信道空閑就發(fā)送信道空閑不立即發(fā)送不檢測檢測P沖：沖突發(fā)生的概率T沖：碰撞窗口－－沖突持續(xù)的時間D：發(fā)送的延遲－－從準備到正確發(fā)送109協(xié)議偵聽載波信道訪問沖突檢測P沖T沖D純ALOHA時槽ALO

第四章

介質訪問控制層1背景2共享介質的信道分配3共享信道動態(tài)訪問技術4以太網5無線局域網6網橋110

第四章

介質訪問控制層1背景11背景計算機網絡分為兩類點到點信道的網絡（點到點網絡）共享信道的網絡（廣播式網絡）廣播信道也稱為：多路訪問信道或隨機訪問信道廣播信道網絡的特點所有站點共享同一信道一個站發(fā)送的數(shù)據將傳遍整個網絡同時發(fā)送會產生沖突需要某種信道訪問機制——介質訪問子層研究的問題111頻率f★1背景計算機網絡分為兩類2頻率f★1背景典型的廣播信道網絡衛(wèi)星網絡無線廣域網（GSM、GPRS、WCDMA等）無線局域網WLAN（802.11）有線局域網共享式以太網，令牌環(huán)網光纖網絡廣播信道網絡面臨和需要解決的問題如何識別不同的站點站點何時如何使用信道——信道訪問與分配問題上述問題由MAC子層協(xié)議解決（OSI參考模型）介質訪問子層（mediumaccesscontrol）112★1背景典型的廣播信道網絡3★術語：多路復用與多路訪問多路復用：Multiplex（信號）多個通信復用到一個信道上TDM、FDM通過劃分子信道，實現(xiàn)多個一對一的通信多路（多址）訪問：Multi-Access（用戶）在一個信道上，實現(xiàn)多個站點間通信，一對多的通信TDMA，時分多路訪問，TDM的聯(lián)網通信方式FDMA，頻分多路訪問，F(xiàn)DM的聯(lián)網通信方式CDMA，碼分多路訪問WDMA，波分多路訪問CSMA，載波偵聽多路訪問113術語：多路復用與多路訪問多路復用：Multiplex（信號）2共享介質的信道分配靜態(tài)分配（無競爭）頻分多路訪問FDMA（各站使用獨立頻段傳輸）需要考慮頻段間隔，以免相互干擾用戶速率受限時分多路訪問TDMA（各站使用獨立時間段傳輸）需要考慮時間段（時隙）獨立，以免干擾用戶接入時延較大靜態(tài)分配方式簡單可靠，但信道利用率低，不適應突發(fā)的數(shù)據傳送和用戶數(shù)量變化的情況。114★2共享介質的信道分配靜態(tài)分配（無競爭）5★2共享介質的信道分配動態(tài)分配不固定為每個站點分配信道需要時才分配或占用，空閑時可由其它站點使用動態(tài)分配需要考慮的要素如何發(fā)送任意，想發(fā)就發(fā)；得到許可再發(fā)送發(fā)送前是否偵聽載波：盲目或等待信道空閑如何接收地址識別；是否檢測沖突沖突怎樣解決不使沖突出現(xiàn)減少沖突減少沖突影響115★STOPNOYESCollision2共享介質的信道分配動態(tài)分配6★STOPNOYESColl2共享介質的信道分配動態(tài)分配的方式集中仲裁的動態(tài)分配（需要管理站）向管理站預約：需要時申請，許可后發(fā)送數(shù)據（舉手的方式）申請時可能沖突，許可后發(fā)送無沖突由管理站輪詢(點名的方式)單播輪詢方式：依次詢問每個站，有數(shù)據發(fā)的站點發(fā)送，無沖突組播或廣播輪詢：可能有沖突分布仲裁的動態(tài)分配（無需管理站）允許競爭存在，盡量避免或減少沖突減少沖突的措施：發(fā)前偵聽信道，檢測沖突，沖突后隨機后退等令牌控制信道的使用只有得到令牌的站，才能發(fā)送數(shù)據（無沖突方式）116★2共享介質的信道分配動態(tài)分配的方式7★本章重點－分布式隨機競爭算法算法優(yōu)點信道利用率高其它站點不發(fā)送時，可占用更多的信道資源聯(lián)網通信方式簡單不需要進行信道劃分（隨機信道）站點數(shù)可變發(fā)，或者不發(fā)(不存在子信道帶來的復雜問題)適合于計算機間的組網通信（范圍有限）通信的對象可變通信的數(shù)據量可變，通信能力強站點可自由上下網最大問題如何最大限度避免出現(xiàn)發(fā)送沖突117本章重點－分布式隨機競爭算法算法優(yōu)點83共享信道動態(tài)訪問技術3.1隨機競爭訪問信道節(jié)點隨機搶占信道，ALOHA、CSMA等允許沖突存在3.2無沖突訪問信道（有序訪問）控制節(jié)點訪問信道次序，位圖、令牌等無沖突3.3有限競爭訪問信道結合競爭方式和無沖突方式輕負載時，使用競爭方式重負載時，使用無沖突方式1183共享信道動態(tài)訪問技術3.1隨機競爭訪問信道93共享信道動態(tài)訪問技術3.4波分多路訪問站點配置工作方式3.5蜂窩網絡隨機競爭按需分配1193共享信道動態(tài)訪問技術3.4波分多路訪問103.1典型的隨機競爭訪問協(xié)議★

純ALOHA協(xié)議各站想發(fā)就發(fā)，碰撞隨時可能發(fā)生時槽ALOHA協(xié)議規(guī)定統(tǒng)一發(fā)送時刻，碰撞時幀完全重疊CSMA協(xié)議發(fā)前偵聽信道，忙則隨機后退有三種策略：0堅持、1堅持和P堅持CSMA/CD發(fā)前偵聽信道，發(fā)送時同時檢測信道檢測到沖突立即停發(fā)，釋放信道CSMA/CA：WLAN的MAC協(xié)議發(fā)前不聽不看，沖突嚴重雖發(fā)前偵聽信道，但沖突一旦發(fā)生不能立即停下，資源浪費沖突立即釋放信道，提高信道利用率1203.1典型的隨機競爭訪問協(xié)議★純ALOHA協(xié)議發(fā)前不聽不性能分析模型假設有N個站點，每個站點隨時都有數(shù)據幀可發(fā)。為分析方便，假定：所有數(shù)據幀長度相同(Lbits)，信道速率為R(bits/s)每個數(shù)據幀持續(xù)時間為T=L/R，（幀時）信道幀速率為C=1/T=R/L123…C單位時間=CT123…g成功幀數(shù)s總幀數(shù)g站點通信模型：--N個站點按某種通信規(guī)則發(fā)送數(shù)據幀。--數(shù)據幀在信道上可能出現(xiàn)重疊(沖突)--只有未被沖突的幀才能成功傳輸三個重要分析參數(shù)：C：信道幀速率，單位時間內最大傳輸幀數(shù)g：信道負載，單位時間內所有站點傳輸幀總數(shù)s:有效傳輸，單位時間內成功傳輸幀總數(shù)121性能分析模型假設有N個站點，每個站點隨時都有數(shù)據幀可發(fā)。為分歸一化性能參數(shù)G=g/C信道負載率，信源幀速率數(shù)據幀總傳輸速率與信道幀速率之比也可理解為：幀數(shù)量/幀時,G=g/C=gT0<G<NN個站的幀傳輸在時間上可能(部分)重疊當G>1時，表明信道已達到滿負荷G最大可達N(站點數(shù))，表示每個站點都以信道幀速率發(fā)送S=s/C信道吞吐率，信道利用率成功幀速率占信道幀速率的比例0<S<1123…C單位時間=CT123…g成功幀數(shù)s總幀數(shù)g122歸一化性能參數(shù)G=g/C信道負載率，信源幀速率123…信道競爭模型競爭模型N個獨立工作的站點，隨機地發(fā)送數(shù)據幀進入信道的幀速率是一個隨機過程(設均值為G)某個幀成功傳輸?shù)臈l件(不考慮誤碼)沒有與其它幀在時間上有重疊進入信道(幀速率G)成功傳輸出信道（吞吐率S）沖突的幀（消失在信道上)顯然：S≤G123信道競爭模型競爭模型進入信道成功傳輸出信道沖突的幀顯然：S≤信道競爭模型幀速率（信道負載率）的概率分布在任意一個幀時T(幀長度/信道速率)內，生成k個幀的概率服從泊松分布其中G為平均幀速率（幀/幀時）典型值：T內生成0幀的概率為：pT(0)=e-GT內生成1幀的概率為：pT(1)=Ge-G2T內生成0幀的概率為：p2T(0)=e-2G124信道競爭模型幀速率（信道負載率）的概率分布15信道競爭模型背景知識：泊松(Poisson)分布無窮多個獨立工作站點隨機生成(發(fā)送)幀的概率分布設有一小的時間間隔dt，若在dt內生成一幀的概率為λdt(λdt<<1)當dt足夠小時，生成多于1幀的概率可忽略不計在各不重疊的時間間隔，生成的幀數(shù)是獨立的隨機變量概率結構與時間位置無關則可推出在t時間內生成n個幀的概率為均值為方差為λ為幀的平均生成速率(研究表明：當站點數(shù)超過20個時,其生成幀的概率分布已非常接近泊松分布）125信道競爭模型背景知識：泊松(Poisson)分布λ為幀的平均信道競爭模型競爭模型的性能特性吞吐率S與幀速率G的關系：S=GP0（P0成功傳輸概率）幀的數(shù)量少－沖突概率?。瓊鬏敵晒β矢撸掏侣噬邘臄?shù)量多－沖突概率大－傳輸成功率低－吞吐率降低幀速率小幀速率適中幀速率過大G(幀速率)S(吞吐率)G小G適中G過大G?。和掏侣孰S幀速率的增加而增加(成功傳輸?shù)膸龆?G過大：吞吐率隨幀速率的增加反而下降(更多的沖突)理想情況11126信道競爭模型競爭模型的性能特性幀速率小幀速率適中幀速率過大G3.1.1PureALOHA競爭方式工作原理站點只要有數(shù)據就可以直接占用信道，啟動發(fā)送不考慮與別的站點是否沖突的無序競爭，“想發(fā)就發(fā)”幀速率較大時，沖突會急劇上升G越大幀越多沖突越嚴重何種幀速率適合PureALOHAPureALOHA所能達到的吞吐率GN70年代，夏威夷大學為了用無線電將分散在各個島嶼的計算機連接起來，NormanAbramson等人設計了一種巧妙地解決信道分配問題的新算法，稱為ALOHA（orpureALOHA)。該協(xié)議開創(chuàng)了通信介質共享領域的新時代1273.1.1PureALOHA競爭方式工作原理GN70年代PureALOHA的性能為簡單起見，假定所有站點發(fā)送的幀是等長的，占用信道的時間為T（幀時）設某個站點在t時刻發(fā)送一個幀，該幀成功發(fā)送的條件是：在t-T~t+T的2T間隔內沒有其它站點發(fā)送(如圖所示)即成功發(fā)送概率P0(根據幀速率的泊松分布)為P0=P{2T內無幀產生}=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的性能為簡單起見，假定所有站點發(fā)送的幀PureALOHA性能曲線性能描述當幀速率G小于信道容量的50%時，發(fā)送幀產生的沖突較少，吞吐率隨幀速率而增加當幀速率G大于信道容量的50%后，發(fā)送幀產生的沖突急劇上升，吞吐率下降PureALOHA的最佳性能出現(xiàn)在G=0.5，S=1/2e=0.184（吞吐率為信道容量的18.4%)S=Ge-2G理想吞吐率信道利用率(吞吐率)低的原因是站點的無序競爭幀發(fā)送成功率成功發(fā)送幀數(shù)/總共傳輸幀129PureALOHA性能曲線性能描述S=Ge-2G理想吞吐3.1.2SlotALOHA減輕PureALOHA的無序競爭，改進其性能改進方法將信道劃分成長度為T的時隙，站點只能在時隙開始位置發(fā)送幀沒有沖突、或完全沖突，減少沖突幀的持續(xù)時間改進的代價是所有站點實現(xiàn)時隙的同步(增加了實現(xiàn)難度)誰負責時隙管理，管理者出故障怎么辦等改進后，性能提高多少？1303.1.2SlotALOHA減輕PureALOHA的無SlotALOHA性能描述某站點t時刻成功發(fā)送一個幀的概率P0={T內沒有新幀產生}=pT(0)=e-GSlotALOHA吞吐率為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倍幀丟失率?Slot-alohaPure-aloha131SlotALOHA性能描述Slot-alohaPure-a3.1.3CSMA假設站點可以“聽”到信道上是否有站點在發(fā)送準備發(fā)送時，若“聽到”信道上有站點發(fā)送，就推遲發(fā)送，直到信道“空閑”為止，再啟動發(fā)送，從而主動避免了沖突。CarrierSenseMulti-Access(CSMA)若有兩個以上站點都在等，一旦信道空閑就會同時發(fā)送而沖突。因此，需要錯開各站點啟動發(fā)送的時間。如果有多個站點在T內產生了新幀，必然在此處開始沖突。在G比較小時，沖突概率才會小T站點s準備發(fā)送開始發(fā)送推遲預防多個站點在T內產生新幀，繼續(xù)后退一個隨機長度的時間后，再“聽”信道，若信道閑才發(fā)送。在G比較小時，可能是多余的后退或者發(fā)送(概率p)，或者后退(隨機時間長度)后再“聽信道”通過調整p來配合G的大小站點s準備發(fā)送開始發(fā)送推遲隨機后退站點s準備發(fā)送開始發(fā)送推遲隨機后退1323.1.3CSMA假設站點可以“聽”到信道上是否有站點在發(fā)CSMA發(fā)送策略1堅持CSMA：等待信道閑后立即發(fā)送(p=1)0堅持CSMA：等待信道閑后再等待一段隨機長度(p=0)p堅持CSMA：等待信道閑后可能發(fā)送(概率p)，可能隨機后退(概率1-p)隨機后退情況下，都需要重新偵聽信道信道上的傳播延時會對站點的載波偵聽帶來不利影響隨機后退133CSMA發(fā)送策略隨機后退24CSMA載波偵聽動畫連續(xù)（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據信號到達B處B偵聽信道，抑制發(fā)送AB134CSMA載波偵聽動畫連續(xù)（一）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送CSMA載波偵聽動畫（二）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據信號到達B處，產生沖突B偵聽信道，立即發(fā)送AB信號傳播延時CSMA降低了沖突概率因為信號傳播延時是很短的－－以2/3光速傳播135CSMA載波偵聽動畫（二）t信道空閑A偵聽信道，立即發(fā)送數(shù)據CSMA發(fā)送流程信道忙否偵聽是信道閑準備發(fā)送完成發(fā)送準備發(fā)送信道忙否偵聽完成是信道閑發(fā)送后退時間到信道忙否偵聽完成是信道閑發(fā)送后退時間到R<pR=rand()是準備發(fā)送1堅持CSMA0堅持CSMAp堅持CSMA136CSMA發(fā)送流程信道忙否偵聽是信道閑準備發(fā)送完成發(fā)送準備發(fā)送1堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率p=1準備發(fā)送：偵聽信道若信道閑，啟動發(fā)送否則，持續(xù)偵聽信道直到信道閑，啟動發(fā)送前一發(fā)送完成，后面很容易產生沖突下一幀不沖突的概率

p=PT(0)+PT(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G站A站B站C站D偵聽偵聽信道忙否偵聽是信道閑準備發(fā)送完成發(fā)送1堅持CSMA1371堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率p=1站A站B站C站D0堅持CSMA信道閑后，啟動發(fā)送的概率(p=0)再等待一段時間后決定是否發(fā)