信道共享技术

计算机网络概论
4.5 码分复用


码分复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的 一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了 各种接入技术，包括无线和有线接入。 为了使若干个独立信号能在一条信道上传输，将 它们配置成某些正交信号的复用。
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4.1 时分复用


时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占 有不同时间间隙进行通信。 抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变 成时间上离散的信号，就是把时间分成一些均匀 的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同 的间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。
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4.2 统计时分复用
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P-坚持算法

P-坚持算法 ⑴监听总线，如果信道是空闲的，则以P的概率 发送，而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一 个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。 ⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。 ⑶如果信道是忙的，继续监听直至信道空闲并 重复步骤⑴。
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P值的选择


P-坚持算法既能像非坚持算法那样减少冲突，又 能像1-坚持算法那样减少信道空闲时间。 选择P值要能避免重负载下系统处于的不稳定状 态。假如有N个站待发送，一旦பைடு நூலகம்前的发送完成， 将试图传输的站的总期望数为NP。如果选择P过 大，使NP＞1，表明有多个站点试图发送，冲突 就不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不 断增大，而使吞吐量降低到零。必须选择适当P 值使NP＜1。P值选得过小，信道利用率又会降低。
接口
信道总线
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2.1 纯ALOHA



用发送一个帧所需的时间T0而不是比特来表示帧 长度。 一个帧发送成功的条件是该帧与其前后的两个 帧的到达时间间隔均大于T0。 纯ALOHA处理冲突的方法是让各站等待一段随机 的时间，再进行重传。若仍发生冲突，则再等 待一段随机的时间，直到重传成功为止。
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2.2 时隙ALOHA


纯ALOHA简单便宜，适合进行突发性的交互性的 数据通信。但其重传次数NR=e2G-1，即网络负载 增大时，重传次数将按指数规律增长，而且吞 吐量较小。 时隙ALOHA：为提高吞吐量，可以将各站的时间 同步，并划分成一段段等长的时隙T0，不论帧何 时到达，只能在一个时隙开始时发送。
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4.3 频分复用


频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽资源。 频分复用的优点是信道复用率高，容许复用的路数 多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中 最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信 系统中应用十分广泛。 频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会 因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产 生路间干扰。
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时隙ALOHA性能分析

吞吐量S=G(1-G/N)N-1，当N→∞时，S=Ge-G 时隙ALOHA的最大吞吐量与站数的关系
N 1 1 2 0.5 3 0.44 4 5 10 20 100 ∞ 0.41 0.38 0.37 0 7 7 0.37 0.36 0 8
SMAX
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4.4 波分复用


在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法 提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源。 同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复 用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用 解复用器将各信号光载波分开。 由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采 用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波 分复用 ，本质上是光频上的频分复用技术。
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3.1 CSMA


CSMA的每个站都能在发送数据前监听信道上其他 站是否在发送数据，如在发送，则该站就暂时不 发送，从而减少发送冲突的可能，提高吞吐量。 发送数据前监听信道上其他站在发送数据，站点 将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退 避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非 坚持、1－坚持、P－坚持三种。
轮叫轮询和传递轮询的比较


传递轮询的帧时延总是小于同样条件下的轮叫 轮询的时延，如果站间的距离越大，传递轮询 的效果就比轮叫轮询的越好。但当站间距离较 小且通信量较大时，传递轮询带来的好处不明 显。 传递轮询实现起来技术上比较复杂，代价也较 高。
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2 随机接入：ALOHA


随机接入的特点是所有用户可以随机的发送信息。 当多个用户同时在共享的信道上发送信息时，会 发生冲突。 ALOHA系统的一般模型： 站1 站2 站N-1 站N … … …
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1-坚持算法


1-坚持算法 ⑴如果信道空闲的，则可以立即发送。 ⑵如果信道是忙的，则继续监听，直至检测到信 道是空闲，立即发送。 ⑶如果有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复)， 则等待一随机量的时间，重复步骤⑴～⑵。 优点：只要信道空闲，站点就立即可发送，避免 了信道利用率的损失；缺点：假若有两个或两个 以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。
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纯ALOHA性能分析



吞吐量S：在帧的发送时间T0内成功发送的平均 帧数。0≤ S≤ 1 网络负载G：在帧的发送时间T0内总共发送的平 均帧数。S≤G S=Ge-2G，重传次数NR=e2G-1 G=0.5，S≈0.184。这是S的极大值。G＞0.5时 发生冲突的帧增加，而这又会引起更多重传， 使S下降。

G=1，S≈0.368，G＞1时，进入不稳定区域 重传次数NR=eG-1
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吞吐量曲线
S
0.4 0.3 0.2 0.1
时隙ALOHA
纯ALOHA
0.5 1.0
1.5
2.0
G
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ALOHA和轮询的比较（1）


站数较少，纯ALOHA时延较小，而站数较多时，轮 询时延较小。而站数适中，二者的时延差不多。 纯ALOHA所受约束较少(除了重发要服从一定的算 法外)，可以在通信量强度较小时获得最小的时延。 轮询系统地每个站的发送时机有严格的限制，因 而当通信量强度增大时各站不会互相干扰，仍像 轻载时那样一个站一个站地发送数据，不会发送 冲突，这样可得到良好的时延特性。
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三种算法特性比较


非坚持算法：可以大大减少冲突机会，但对帧的传 输的响应时间长，也即时延-吞吐量特性较差。 1-坚持算法：通信量很小时，帧的发送机会多，响 应快，但站点或通信量较多时，冲突急剧增加，吞 吐量和时延特性急剧变坏。 P-坚持算法，折中于前两者的改进方案。但难于选 择一个能用于各种通信量强度的P值。 在实用网络中常选择1坚持。1坚持比p坚持在实现 时要更简单些。

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信道共享举例
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1 受控接入

在受控接入中用户不能任意接入信道而必须服从一 定的控制。这又分为集中式控制和分散式控制。 分散式控制如令牌环形网。使用一个称为令牌 （Token）的特殊帧，使其沿着环路循环。只有获 得令牌的站点才有权发送数据帧，完成发送后立即 释放令牌供其它站点使用。环路中只有一个令牌， 因此任何时刻至多只有一个站点发送数据，不会产 生冲突。令牌环上各站点均有相同的机会公平地获 取令牌。

统计时分复用的用户不是固定地对应于信道中的 某一个时隙，而是动态地按需分配信道中的时隙。 也就是说，只把需要传送信息的站接入信道，把 信道的时隙实行按需分配。这样就使所有的时隙 都能饱满地得到使用，从而提高了线路的利用率， 起到复用的作用。统计表明，统计复用可比传统 的时分复用提高传输效率2～4倍。
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ALOHA和轮询的比较（2）



轮询帧来回不断地在路线上传递，增加了开销，使 得轮询系统在通信量强度较小时的时延要比 ALOHA系统的大。 当多点接入系统中的站数不断增多时，轮询系统不 会出现不稳定现象，而两种ALOHA系统在吞吐量超 过一定数值时，都有一个不稳定的工作区域。 在采用卫星通信的计算机网络中，由于传播时延太 大，轮询方式不宜采用。这时主要采用ALOHA系统 以及各种派生出来的ALOHA系统。
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冲突检测方法



比较接收到的信号的电压的大小。两个帧的信号迭 加时，电压的摆动值要比正常值大一倍。若站离得 很远，可能使冲突迭加信号摆动值在传播时衰减， 无法判断冲突，所以对站间的最大距离有限制。 采用曼彻斯特编码时，电压的过零点是在每一比特 的正中央。当发生冲突时，迭加的过零点将在其他 地方出现。根据过零点位置的变化判断冲突。 在发送帧时也同时进行接收，将收到的信号逐比特 地与发送的比特相比较。若有不符合的，就说明有 冲突存在。
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信道共享技术

概述 受控接入 随机接入ALOHA 随机接入：CSMA和CSMA/CD 信道复用
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信道共享技术概述
信道共享技术又称多点接入技术，指多个计算机用 户共享一个公共信道的问题。 多个用户共享一个C b/s的信道，希望可以做到： （1）只有一个用户接入此信道时，该用户可获得整 个信道的吞吐量C b/s 。 （2）若同时有N个用户接入此信道，每个用户可获 得整个信道的吞吐量C/N b/s 。 （3）控制信道共享的协议简单、可靠。用户之间不 会互相干扰，最好是分布式的协议。
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非坚持算法


非坚持算法 ⑴如果信道是空闲的，则可以立即发送。 ⑵如果信道是忙的，则等待一个由概率分布决 定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。 非坚持算法采用随机的重发延迟时间可以减少 冲突发生的可能性。其缺点是：即使有几个站 都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过 程中，致使信道仍可能处于空闲状态，使用率 降低。
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轮询


轮询属于集中式控制，主机按顺序逐个询问用 户有无信息发送。如有，被询问用户立即将信 息发给主机，如无，再询问下一站。 轮询分为轮叫轮询和传递轮询两种。
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1
主机 收 发
2
N-1
N
… … 轮叫轮询多点线路
1 2 N-1 N
主机 收 发
… …
传递轮询的工作原理
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检测冲突所需时间
TB是A站从发送数据开始到发现有了冲突的时间间 隔，其最大值为2t。发送数据后经过往返时延即 可知是否发生冲突，这段时间称为争用期。 总线被占用 时间为 TB+TJ+t。
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4 信道复用


复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一 个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。 当信号单元在一条公共信道上传输时，虽然它们 在时间上和频率上可能有所重叠，但采用适当的 处理就能容易地识别和分离开来。 有三种基本的复用方法：按频率区分信号的方法 叫频分复用，按时间区分信号的方法叫时分复用， 而按扩频码区分信号的方式称为码分复用。
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3 随机接入：CSMA和CSMA/CD


载波监听随机接入CSMA，又称载波侦听多点访 问，和具有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD是从ALOHA演变出的改进协议。 CSMA和CSMA/CD是用争用的方法来决定对信道访 问权的协议，这种争用协议只适用于逻辑上属 于总线拓扑结构的网络。在总线网络中，每个 站点都能独立地决定帧的发送。
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3.2载波监听多路访问/冲突检测协议 CSMA/CD


CSMA由于存在传播时延，仍会发生冲突。而CSMA 没有冲突检测功能，即使冲突已发生，仍然将已 破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。 CSMA/CD的站点在传输过程中继续监听媒体，以 检测冲突。如发生冲突，立即停止发送，并向总 线上发一串阻塞信号，通知总线上其它有关站点。 这样，通道容量就不因传送已受损的帧而浪费， 可以提高总线的利用率。
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站点要求发送
Y
有载波？ N 发送一帧信息 延时处理
有冲突？ N
Y
发出阻塞信号
冲突 >1 6？ Y 放弃发送 另作处理
N
一次发送结束
图4.3 CSMA/CD发送过程流程图 CSMA/CD 的流程图
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争用期


使用CSMA/CD协议时，在每个站发送数据刚刚开 始的一个很短的时间内，由于电磁波在网络上传 播需要时间，因此冲突仍可能发生。这段可能发 生冲突的时间间隔称为争用期。 CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。 最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两 个站之间传播时延的两倍。