04第四章 信道共享技术

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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。
t T0
帧到达
帧到达 发送成功 冲突重发
t
帧到达Tx T0 帧到达
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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]= ∫ T -T ∞a(t)dt ∫ T ∞a(t)dt
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。
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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]
• 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
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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
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 受控接入 信道复用
和CSMA/CD
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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
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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 2分钟 =5b/s
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
a(t)=λ e-λ t 其中 λ =G/T0 于是可以求得 P=∫T∞ a(t)dt= ∫T∞ G/ T0 e-Gt/T0 dt =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。
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一、纯ALOHA系统的工作原理(六)
28
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。
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24

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。
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4.3节 随机多点接入—纯ALOHA协议
ALOHA系统的一般模型
26
一、纯ALOHA系统的工作原理(一)
站1 发送成功 冲突 重发
1 T0
站2 站n-1
6
冲突 冲突 再重发
t
2
冲突
5
重发
发送成功
t
3
发送成功
7
t
7 t t
站n
4 1 2 3 T0 T0 T0
27
4 T0
5 6
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。
2
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
点到点网络
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
0 X X
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。
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二.时隙ALOHA(S-SLOHA)(三)
0.40 0.30
0.184 纯ALOHA S=Ge^-2G 0.368
时隙ALOHA
S=Ge^-G
0.20
0.10 G
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。
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
{

隙:帧必须在时隙开始时发送 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
5. 载波假定
{
22
4.2节 受控多点接入—轮询(一)
0.2 0.184
不稳定区域
(G’,S’)
0.1
G 0 0.5 1.0
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1.5
2.0
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)
CSMA Token /CD Bus
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802.2
逻辑链路控制
Token DQDB Ring MAN
IIS LAN
无线 LAN
DPAM
信道共享方法(一)
1.通过集中器(或复用器) 1) 频分复用(FDM) 2) 时分复用(TDM) 3) 码分复用 CDMA无线网)P86 4) 波分复用(WDM) 5) 统计时分复用(STDM)P84
– 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
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典型受控访问协议
受控访问(Controlled Access) • Demand Adaptive :Token Passing – Bus
• 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
9Hale Waihona Puke Baidu
站点N
帧的发送方式
• 连续时间
– 帧允许在任意时刻 t0 发送。
t
• 时间片(时隙)
t0
– 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。
t0
10
t
信道的状态与检测
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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.
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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)
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
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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”。
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
N N-1 总线信道 2 1 接口
吞吐量 0. 184
• 信道的状态
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
• 状态检测方式
– 载波侦听(carrier sense) – 非载波侦听
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局域网的数据链路层模型
网络层 Logical Link Control
逻辑链路控制LLC
数据链路层 媒体访问控制MAC 物理层 Media Access Control
A B
• 一个发送者(sender)/一个接收者(receiver) • 主要用于广域网WAN的主干网
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广播网络
A
B
C
D
E
F
• • • •
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
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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
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
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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 (1)原理: N N-1 2 1 收 主机
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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
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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。
向上层提供 连接环境 对下层提供 媒体访问方法
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多路访问协议
• 协议分类 • IEEE802标准系列
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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
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典型随机访问协议
随机访问(Random Access ) • Aloha
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
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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:
发送成功
冲突重发
• IEEE802.4
– Ring
• IEEE802.5 • IEEE802.7 (FDDI)
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IEEE802标准系列
802.10 安 全 和 保 密
802 802.1 桥接 概 述 802.3 802.4 802.5 802.6 802.9 802.11 802.12 及 802.1 其 管理 体 MAC MAC MAC MAC MAC MAC MAC 系 结 Phy Phy Phy Phy Phy Phy Phy 构
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。
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ALOHA , CSMA和CSMA/CD
信道共享技术分类
信道共享
TDM
FDM CATV
静态分配
STDM CBX
ATDM
随机接入
受控接入
动态分配
CSMA CSMA/CD 集中控制 轮询 分散控制 令牌
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