第4章 局域网(1)

CSMA/CD原理
Q2 争用时间Leabharlann Baidu长度和最短帧长
争用期长度 • 以太网IEEE802.3取 51.2 s 为争用期的长度。 • 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit， 即 64 字节。 • 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突， 则后续的数据就不会发生冲突。 为什么需要规定最短有效帧的长度？ 为了保证帧的正确传输，必须保证冲突信号返回时数据 帧还没有发送完毕。 • 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 • 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出 去的数据一定小于 64 字节。 • 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
截止二进制指数后退延迟算法
• 截止二进制指数后退延迟算法 τ＝2k· a R· 其中：τ为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为 争用期值，R为随机数; • 限定k的范围,k=min（n，10）; 如果重发次数n<10，则取k=n ； 如果重发次数n≥10时，则k取值为10; • 第n次重发延迟是分布在0与[2min（n，10）-1]个时间片之 间，最大可能延迟时间为1023 个时间片（时隙＝争用 期时间）; • 在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲 状态，重复发送流程; • 当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。
Q1 最大冲突检测时间
• 冲突检测时间是指某一站从开始发送一帧开始到发现 有冲突发生的一段时间。网络的最大冲突检测时间通 常是网络端到端传播时延的两倍（2 ）。
• 原理： 1）站点使用CSMA协议进行数据发送（以太网采用1坚持 型） 2）站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发 送 3）在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出 一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突 4）在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述 过程
时隙ALOHA协议的信道利用率
• 吞吐率S：在帧时T内成功发送的平均帧数（新帧） • 网络负载G：在帧时T内总共发送的平均帧数（包含发 送成功和由于冲突需要重发的帧） • 轻负载时S约等于G，重负载时G要远远大于S • 冲突危险区是纯ALOHA的一半 • 与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利 用率最高为36.8%，纯ALOHA最大吞吐率为0.184
冲突检测方法
1）信号电平法 基于基带传输，两个帧信号叠加后，电压大一倍 2）过零点检测法
用曼彻斯特编码时，零点在每个比特的正中央，有干扰 时，可能偏移 3）自收发检测法 在发送数据时也在接收，并逐比特比较
CSMA/CD工作状态
• 传输周期、竞争周期、空闲周期
• 问题：一个站点确定发生冲突要花多少时间？ 将竞争周期分成若干个时隙，在一个时隙内侦听都没有冲突， 那么就进入了一个传输周期
例题1
• 某CSMA/CD基带总线网长度为1000m，信号传播速度为 200m/μs,假如位于总线两端的站点在发送数据帧时发 生了冲突,试问: ①该两站间信号传播延迟时间是多少? ②最多经过多长时间才能检测到冲突?
解答： ①该两站间时延a =1000m/200(m/μS)=5μS ②冲突检测时间=2a=2×5μs=10μs
p-坚持型CSMA
• 适用于分隙信道 • 以概率为P的可能性发送数据，以概率1－p延迟下一个 时隙 • 可以根据信道上通信量的多少设定不同的p值，因而可 以提高信道利用率
5种多路访问协议性能比较
带冲突检测的CSMA－－CSMA/CD
• 引入原因： 1）传播时延使得CSMA仍会产生冲突 • 电磁波在1km同轴电缆的传播时延约为5us • 当侦听到闲时，可能其它站已在发送信息而信号在介质 上还未传到本站的物理位置，此时站点误认为“闲” • 传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差
非-坚持型CSMA
• 非坚持：一旦监听到信道忙，就不再监听下去，而是 延迟一段随机时间后重新再监听
• 优点：减少了冲突的概率 • 缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大
1-坚持型CSMA
• 坚持：在监听到信道忙时，仍坚持听下去，一直监听 到信道空闲，立即以1概率发送
• 优点：减少了信道空闲时间 • 缺点：增加了发生冲突的概率
退避算法的不公平竞争
• 比如总线上只有A和B两个站点发送大量数据，第一次竞争， A和B都可以在0，1时隙选择发送，若A选择0，B选择1，则 B回退，A成功发送。 • 第二次A,B一起发送数据，又冲突，由于A是第一次冲突， 时隙选择0，1，而B是第二次发送，时隙可选择0，1，2， 3 ，A成功捕获总线的机率大 1）使用CSMA/CD协议，一个站不可能同时进行发送和接收， 只能采用半双工通信 2）高速局域网中取向不使用CSMA/CD的全双工方式
以太网：CSMA和CSMA/CD
• 载波监听多路访问协议CSMA：carrier sense multiple access protocols,是在ALOHA协议的基础上 提出来 • 主要区别：增加了一个载波监听协议（发送前监听） 站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有 无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不 发送帧以避免冲突。 • 根据载波监听策略的不同，主要分为： 非坚持型CSMA 1－坚持型CSMA P-坚持型CSMA
• 多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统 称为竞争系统 • 关键问题：如何解决对信道争用 • 随机访问技术的发展：ALOHA---CSMA(增加载波监听)--CSMA/CD（增加冲突检测） • ALOHA协议：70年代涉及了ALOHA协议。 目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协 调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统 分类：纯ALLOHA协议和时隙ALOHA协议
例题2
• 长2Km、10Mbps的基带总线LAN,信号传播速度为 200m/μs,试计算: ①128个字节的帧从发送开始到接收结束的最大时间是 多少? ②若两相距最远的站点在同一时刻发送数据,则经过多 长时间两站发现冲突?
解答： ① 128×8bit/10Mbps+2000m/200(m/μs)=102.4μs+10μ s=112.4μs ②2000m/200(m/μs)=10μs
4.1.1 共享信道的访问控制分类
1、静态分配 • 频分多路复用FDM 原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户 • 时分多路复用TDM 原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽 • 静态分配的优缺点 优点：适合用户少，数目基本固定，各用户的通信量比 较大的情况 缺点：无法灵活的适应站点数及其通信量的变化
时隙ALOHA协议
• 72年Robert提出 • 基本思想：把信道时间划分成离散的时间隙，隙长为 一帧所需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时才 允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同 • 若在一个时隙内只产生一个新帧，不会冲突，但是若 一个时隙内产生一个以上的新帧，那么将可以产生冲 突。冲突主要发生在时隙起点，一旦发送成功，则不 会出现冲突
Q3 发现冲突后的随机等待时间
以太网检测到冲突并发送玩冲突信号后要回避等待一段随 机时间，然后进行重试 • 如果限定值太大，随机等待的时间也会很长，从而导致 过长的空闲时间 • 如果限定值太小，发生冲突的站点不会等待很长的时间， 但由于可供选择的时隙次数少了，再次冲突的几率也将 随之增大 如何确定理想的等待时间呢？IEEE802.3--截止二进制指 数退避算法
第4章 局域网
信道分配，MAC子层
本章节主要知识点
• 介质访问控制（信道共享） • 传统局域网 以太网 • 高速以太网 快速以太网，千兆以太网，交换式以太网 • 数据链路层交换 1) 网桥 2) 网络互联设备 3）虚拟局域网VLAN
4.1 信道共享技术
计算机网络分类：点到点网络（point to point)和广播 网络(broadcasting) • 点到点网络 一个发送者（sender）/一个接收者（receiver） 主要用于广域网 • 广播网络(传统的以太网） 又称为(多路访问信道，随机访问信道，共享信道）的网 络 多用于局域网。有许多发送者和接收者；访问共同 媒体；需要寻址 广播网络的关键问题：如何解决对信道争用 共享信道举例：卫星信道，多点电话，无线电，传统以 太网
例题3
• 1km的基带以太网,速率达1Gbps,为保证冲突的可靠检 测,需保证最起码的帧长度为多少?(设传播时延为 5μs/km)
解答： 最短数据帧长=2*任意两站间的最大距离 (m)/200(m/μs)*数据传输速率 (Mbps)=2×1000/200×1000=10000bit
纯ALOHA协议
• 70年美国夏威夷大学提出的单接收端，多发送端。用 于卫星系统，无线电传输 • 基本思想： 每个站可随时发送数据帧，然后监听信道看是否产生冲 突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发，直到 重传成功为止。
一个帧发送成功的条件
• 设发送一帧所需时间为T，且帧长固定。必须在该帧发 送前后各一段时间T内（一共有2T的时间间隔）没有其 它帧发送
举例
在一个时间片的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个 帧，求前4次竞争都冲突的概率？ • 第一次竞争冲突的概率为1，因为A,B都要在0时间片发 送 • 第一次冲突后，A,B都将等带0个或1个时间片选择。选 择组合为：00，01，10，11共4种，00和11将再次冲突， 所以第二次竞争时，冲突概率为0.5 • 第二次冲突后，A,B都将在0，1，2，3之间选择，选择 组合有00，01，02，03，10，11，12，13，20，21， 22，23，30，31，32，33共16种，其中00，11，22， 33将再次冲突，所以第三次竞争，冲突概率为0.25 • 第三次冲突，将有64种组合，其中8种将再次冲突，冲 突概率为0.125。 • 前四次竞争都冲突的概率为 1×0.5*0.25*0.125=0.015625
共享信道的访问控制分类
2、动态分配（多点访问）
• 随机访问：网上各站点都可以根据自己的意愿随机的访 问信道，两个或两个以上站点同时发送信息会产生冲突 典型网络：以太网
• 受控访问：每个时刻网上只有一个站点发送信息 集中式控制（多点轮询polling），分散式控制（令牌 环网）
4.1.2 以太网的信道共享技术