信道分配策略多址协议

Ad Hoc模式的无线网络
单个节点的通信范围不能覆盖整个网络，即节点的活动不能 被网络中所有节点检测到。这种网络也称多跳无线网络。 若节点位于两个发送节点的通信范围内，该节点接收失败。
为什么CSMA不适用于多跳无线网络？
C的传输半径 B的传输半径
A
B
C C正在发送
D
A
B B正在发送
C
D
(a)隐藏节点
图4-5 令牌环网
B
B
令牌 A C A C
D (a) 等待令牌 B
D (b) A 获得令牌后将令 牌销毁并发送数据 B
A
C
A 令牌
C
D (c) D只是简单地转发数据，接收站C 复制发送给它的数据，同时向下转发 图4－19 令牌环的工作原理
D (d) A从环上删除数据， 并产生出新的令牌
令牌环的帧结构（1）
2 多址协议
ALOHA 载波侦听多址协议（CSMA） 无冲突协议 有限竞争协议 无线局域网协议
2.1 ALOHA系统（1）
纯ALOHA的基本思想：
任何节点有数据发送就可以发送； 每个节点通过监听信道判断是否发生了冲突； 一旦发现冲突，随机等待一段时间后重新发送。
随机访问信道的效率：
组内节点数随系统负载的变化动态调整，负载 轻则节点数多，负载重则节点数少，在两个极 端上分别退化为竞争协议和无冲突协议。
协议的关键在于如何根据系统负载自适应调整 组的划分，将时隙分配给节点。
adaptive tree walk
A B D E F C G ã ² 2 1 2 3 4 5 6 7 ã ² 3 ã ² 0 ã ² 1
若B和C同时向A发送RTS帧，则会产生冲突，这时不成功的 发送方会随机等待一段时间后再重试。
MACA for Wireless（MACAW）
MACAW是对MACA的改进：
每当接收端正确收到一个帧后，发送一个确认帧；
发送端在发送RTS前，使用CSMA监听信道，避 免两个节点同时向同一个接收节点发送RTS；
Multiple Access with Collision Avoidance
问题：
当节点A准备向节点B发送数据时，如何让节点 B附近的节点保持沉默？
MACA的基本思想：
由发送方主动发起一次握手过程，引起接收方 发送一个短的确认帧；接收端周围的节点检测 到这个确认帧，并在随后的一段时间里保持沉 默。
Binary Countdown图示
无冲突协议（3）
令牌传递协议：
一个小的、称为令牌（token）的特殊帧在节 点间按固定的次序巡游。 节点收到令牌后，若没有数据发送，就将令牌 传给下一个节点；否则发送一定数量的帧，再 把令牌传给下一个节点。 网络中只有一个令牌，只有持有令牌的节点允 许发送，所以不会有冲突发生。
(b)暴露节点
图4-17 无线通信中的隐藏节点问题和暴露节点问题
为什么CSMA不适用于多跳无线网络？
通过载波侦听，发送节点只能知道其周围 是否有节点在发送；但真正影响此次通信 的是接收节点周围是否有节点在发送。
隐藏节点：不在发送节点的通信范围内、 但在接收节点通信范围内的活跃节点。
暴露节点：在发送节点的通信范围内、但不 在接收节点通信范围内的活跃节点。
CSMA/CD的状态周期
2.4 无冲突协议（1）
位图协议：
节点在发送前先预约，然后按预约的顺序发送。 该协议不会产生冲突。 轻负载时，每个节点在发送前平均等待N比特； 若帧长为d比特，不考虑其它开销，信道效率为： η= d/(N + d)。 重负载时，每帧的开销为1比特，不考虑其它开 销，信道效率为：η= d/(d+1) 。
改进了冲突后的回退算法；
增加了节点间交换拥塞信息的机制。
3 局域网标准
IEEE于1980年2月成立局域网标准化委员会，形成 的一系列标准统称为IEEE 802标准。 IEEE 802标准于1984年3月被ISO采纳，作为局域网 的国际标准，称为ISO 8802标准。 IEEE 802标准主要涉及物理层、数据链路层、网络 层的一部分；数据链路层又进一步分为介质访问控 制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。 将数据链路层分成两个子层的好处是，利用统一的 LLC子层屏蔽物理网络的细节，使得网络层协议可 以独立于物理介质及介质访问控制方法。
纯ALOHA的易损时间区
纯ALOHA系统的信道效率
假设G服从泊松分布，则：
在一个给定的帧时内，产生k个帧的概率为： Pr[k]= Gke-G/k! 在一个给定的帧时内，没有帧出现的概率为： Pr[0]= e-G 对于一个给定的帧，在两个帧时内没有其它帧 的概率为：P0 = e-G×e-G = e-2G S = GP0 = Ge-2G 当G = 0.5时，S达到最大值，为0.184。
第四章
介质（媒体）访问控制子层
Medium Access Control Sublayer
本章主要内容
信道分配策略 多址协议 令牌环网 以太网：共享式以太网，交换式以太网， 快速以太网，千兆位以太网 无线局域网 数据链路层交换：网桥，虚拟局域网
几个术语
Multiaccess channel：多址信道 random access channel：随机访问信道 medium：介质，媒体，信道 medium access：使用信道发送数据 medium access control（MAC）：决定谁可 以使用信道发送数据
1-坚持CSMA
发送前先监听信道，信道忙则坚持监听直至 发现信道空闲；若信道空闲立即（概率1）发 送；发现冲突后随机等待一段时间，重新监 听信道。 影响协议性能的因素：信号传播延迟，1-坚 持的策略。 该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。
CSMA协议（续）
非坚持CSMA
发送前先监听信道，信道忙则放弃监听， 等待一个随机时间后再监听，信道空闲 则发送数据。 信道利用率高于1-坚持CSMA，但延迟 特性要差些 。
当有大量的活动节点、每个节点总有大量的帧要 发送时，长期运行过程中成功传输时间占总时间 的份额。
几个概念
帧时（frame time）：发送一个标准长度的 帧所需的时间。 N：每帧时内系统产生的新帧数目（0<N<1) G：每帧时内系统需要发送的总帧数（包括 新帧和重发帧），这其实就是系统负载。 P0：发送的帧不产生冲突的概率。 S：系统吞吐量，指每帧时内系统能够成功 传输的帧数，S = GP0。
时分ALOHA系统的易损时间区
时分ALOHA系统的信道效率
与纯ALOHA相比，每个帧的易损时间区缩 小了，冲突的概率随之减小，系统吞吐量 随之提高。
P0 = e-G S = GP0 = Ge-G
当G = 1时，S达到最大值，为0.368。
纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较
2.2 载波侦听多址协议 --Carrier Sense Multiple Access Protocols
1 信道分配策略
静态分配：
固定分配信道的方式，如FDM和同步TDM； 适用于用户数少且数量固定、每个用户通信量较大的情 况，不会产生冲突。
动态分配：
按需分配信道的方式，如异步TDM；
适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况。
信道分配策略（2）
动态分配的三种策略：
竞争方式：各个用户竞争使用信道，不需要取得 发送权就可以发送数据，这种方式会产生冲突。 无冲突方式：每个用户必须先获得发送权，然后 才能发送数据，这种方式不会产生冲突，如预约 或轮转方式。 有限竞争方式：以上两种方式的折衷。
CSMA协议（续）
p-坚持CSMA，适用于时分信道：
发送前先监听信道，信道忙则等到下一个时 间片再监听；信道空闲则以概率p发送数据， 以概率1-p推迟到下一个时间片。下一个时间 片执行相同的操作直至发送成功或检测到信 道忙。 该协议试图在1-坚持CSMA和非坚持CSMA 间取得性能折衷，影响协议性能的关键在于p 的选择。
0
时间片0：A以下站点发送，冲突 时间片1：B以下站点发送，冲突 时间片2：D以下站点发送，无发送 时间片3：E以下站点发送，冲突 时间片4：2发送，成功 时间片5：3发送，成功 时间片6：C以下站点发送，无发送
2.6 无线局域网协议
无线局域网的两种模式：
（a） 有基站的无线局域网 （b） 自组织网（ad hoc network）
物理层
物理层
物理层
物理层 802.7 宽带技术 802.8光纤技术
物理层
图4-1 IEEE 802 各分委员会结构关系与局域网标准图
4 令牌环网
令牌环由环接口和环接口间的点 到点链路组成，节点通过环接口 连到网上。 数据沿着一个固定的方向在环上 流动，每个节点从上游节点接收 数据，然后立即转发到下游节点 （边收边发而不是存储转发）。 目的节点将数据接收下来，同时 仍向下游转发。 数据返回到发送节点时，发送节 点将其从环上取消。
字节： (a) 1 1 1 SD AC ED 字节： (b) 1 1 1 2或6 DA 2或6 SA ≥0 INFO 4 1 1
SD AC FC
FCS ED FS
SD：起始定界符 AC：访问控制 ED：结束定界符
FC：帧控制 DA：目的地址 SA：源地址
INFO：信息 FCS：帧校验 FS：帧状态
MACA协议图示
(a) A sending an RTS to B.
(b) B responding with a CTS to A.
MACA协议过程
A向B发送一个RTS帧，帧中给出后继数据帧的长度。
B收到后回复一个CTS帧，帧中也给出数据帧的长度。 A收到CTS帧后就可以发送。
在此过程中，若A周围的节点监听到了A的RTS帧，它们会在 随后的一段时间内保持沉默，以便让A无冲突地收到CTS帧； 而B周围的节点监听到B的CTS帧后，也会在随后的一段时间 （由CTS帧中的数据长度决定）内保持沉默，从而让B能够 无冲突地收到A发送的数据帧。