《计算机网络第三章》PPT课件

二、信道分配问题
动态分配
适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况。 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（低负载和高 负载）。
系统吞吐量（系统的利用率）：每帧时内系统能够成功 传输的帧数。
纯ALOHA系统利用率最高只有18.4%
如何提高系统利用率？
如何提高系统利用率？
➢ 根据上面的分析，纯ALOHA系统的特点是：站点只要有 帧就发送。它的易破坏区间为两个单位时间。
➢ 如果我们缩小易破坏区间，就可以减少帧碰撞的概率， 提高系统的利用率。
纯ALOHA系统的工作原理图
站A 站B
A1 帧产生
随机时间
t1
t3
A2
A2
A2
冲突
t2
t4
B1
B1
B2
A3
B2
Hale Waihona Puke B3信道上的A1
总效应
B1
A2
B2
在什么情况下数据帧可以不受任何干扰（不发生碰撞）的发送呢？
很显然，在纯ALOHA协议中，只有在数据帧的易破坏区间内没有 其它的帧传输，该帧才可以成功的传输。所以，一个帧成功传输的概 率，就是在其产生时刻前、后各一个时间单位内没有帧到达的概率。
用户数较多且数量经常变化，业务量具有突发性
存在问题： • 实际用户数少于已经划分的频道数时，造成频道资源的浪费； • 当网络中的频道已经分配完毕，即使已经被分配到频道的用户
没有通信，其他一些没有被分配到频道的用户也不能通信
时分多址－Time Division Multiple Access（TDMA）
CSMA/CD的状态周期：由传输周期、竞争周期和空闲周期交织而成。
CSMA/CD的要点
如果两个站点在时刻t0发送数据，它们需要多长时间 才能意识到已经发生冲突了？－－即一个站点在开始 传送数据之后多长时间，才可以认为它已经“抓住” 电缆了？
站点从开始传送至检测到冲突，所需的最长时间等于信号在相 距最远的两个站之间的来回传输时间（2τ）。
主要内容
一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例
二、信道分配问题
静态分配
动态分配
二、信道分配问题
静态分配(固定多址接入协议) 指在用户接入信道时，专门为其分配一定的信道 资源（如频率、时隙、码字和空间），用户独享 该资源，直至通信结束
典型的固定多址接入协议有： FDMA、TDMA CDMA、SDMA
1-持续CSMA（1-persistent CSMA） – 原理
• 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则持续 监听直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即（概 率1）发送数据，发现冲突后随机等待一段时间， 然后重新开始监听信道。
– 优点：减少了信道空闲时间；
缺点：增加了发生冲突的概率；
– 该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。
t=0 A
1 km
t A 检测到发生碰撞
碰撞
t = 2
B 检测到发生碰撞
B B 发送数据
t= t=
单程端到端
传播时延记为
t=0 A
1 km
t A 检测到发生碰撞
碰撞
t = 2
t=0
A 检测到 信道空闲
A
发送数据
A
B 检测到发生碰撞
A
t = 2 A 检测到 发生碰撞
A
STOP A
STOP
主要内容
一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例
p-持续CSMA（p-persistent CSMA）
- 适用于时分信道。
- 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则等到下一个 时间片再监听，若信道空闲则以概率p发送数据，以概率 1-p将发送推迟到下一个时间片。如果下一个时间片信道 仍然空闲，则仍以概率p发送，以概率1-p将发送推迟到
下一个时间片。此过程一直重复，直至发送成功或另一 个用户开始发送（检测到信道忙）。若发生后一种情况，
频分多址－Frequency Division Multiple Access（FDMA）
把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的、互不重叠的 频道（或称信道），并将这些频道分配给不同的用户使 用
FDMA 的优点：相互之间不会产生干扰 用户较少且数量大致固定，每个用户的业务量都较大时（如在
电话交换网中） 缺点：频道资源的浪费
非持续CSMA（nonpersistent CSMA）
– 原理
• 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监 听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲则发 送数据。
– 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
– 信道效率比 1-持续CSMA高，传输延迟比 1-持续CSMA 大。
➢ CSMA/CD协议的“边讲边听”可对CSMA作进一步的改进。 发送过程中，仍然监听信道，通过检测回复信号的能量或脉 冲宽度并将其与发送的信号作比较，就可判断是否发生冲突。 一旦发生冲突，立即取消发送，等待一随机时间后再重新尝 试发送。
三、多路访问协议
• ALOHA • 载波检测多路访问协议 • 无冲突的协议 • 有限竞争协议 • 无线LAN协议
将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙 （无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙 分配原则，使每个用户只能在指定的时隙内发送。
二、信道分配问题
静态分配
动态分配
动态分配
信道分配模型的五个基本假设： ➢ 站点模型：每个站点是独立的,并以统计固定的速率产生帧, 一帧产生后到被成功发送之前,站点被封锁（即不再会有新 帧产生）； ➢ 单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的， 各个站点都是平等的，都可以从信道上收发信息 ➢ 冲突假设：若两站点同时发送帧，会相互重叠，结果使信 号无法辨认，称为冲突。所有的站点都能检测到冲突，冲 突帧必须重发； ➢ 时间假设：连续时间和时间分时隙（确定何时发送）； ➢ 监听假设：载波监听和非载波监听（确定能否发送）。
第三章（第二部分）
介质访问控制子层 MAC
（Medium Access Control）
主要内容
一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例
一、介质访问控制子层的的概念
数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。 —— 广域网 广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比 较复杂。广播信道上连接的主机很多，必须使用专用的共享信 道协议来协调这些主机的数据发送。 ——局域网 • 关键问题：如何解决对共享信道的分配问题
2 时隙ALOHA协议
把时间轴划分为若干个时隙，各个站点只能在时隙的开始时 刻进行传输，时隙宽度等于一个帧的传输时间。当一个帧 到达某时隙后，它将在下一时隙开始传输，并期望不会与 其它站点发生碰撞。
正常 时隙 传输
碰撞 重传
重传
分组到达
分组到达
碰撞后重传
时间
冲突危险期
系统的最大利用率：36.8%
纯ALOHA和时隙ALOHA的比较
B B 发送数据
t= t=
单程端到端
传播时延记为
B
t=
B
B 检测到信道空闲 发送数据
t= /2 B 发生碰撞
t= B B 检测到发生碰撞
停止发送
B
站点从开始传送至检测到冲突，所需的最长时间等于信号在相 距最远的两个站之间的来回传输时间（2τ）。
CSMA/CD协议的工作过程
初始化
CSMA/CD协议的工作过 程通常可以概括为：
因此，站点从准备发送数据到成功发送数据的时间是 不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性 数据。
网络在轻负载（站点数较少）的情况下效率较高。但 是随着网络中站点数量的增加，传递信息量增大，即 在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明 显下降。
CSMA 与 CSMA/CD
➢ CSMA协议（持续和非持续）的“讲前先听”对ALOHA系统 进行了有效的改进，但在发送过程中若发生冲突，仍要将剩 余的无效数据发送完，既浪费了时间又浪费了带宽。
基本思想：若一个空闲的站点上有一个帧到达，则立刻 发送该帧，并期望不会和其他站点发生碰撞（冲突）。
纯 ALOHA 协议
时隙 ALOHA 协议
在信道上，有两 个帧同时发送
1 纯ALOHA协议
➢ 最基本的ALOHA协议
➢ 基本思想：只要有新的帧到达，就立即被发送并期望不 与别的帧发生碰撞。如果帧发生碰撞，则随机退避一段 时间后进行重传。
➢ 多路访问（Multiple Access） ✓ 多个用户共用一条线路
常见的四种CSMA协议：
持续和非持续：
– 1-持续CSMA（1-persistent CSMA） – 非持续CSMA（non-persistent） – p-持续CSMA（p-persistent CSMA）
冲突检测
– 带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection）
先听后发、 边听边发、 冲突停发、 随机重发。
载波帧听
发送数据
是否出现 冲突?
冲突检测
放弃发送数据 强化冲突
是否发送 完毕?
延迟一个随机时间准备 重新发送数据
结束
CSMA/CD协议的特点
在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各站点通过竞 争的方法强占对介质的访问权利，出现冲突后，必须 延迟重发。
ALOHA协议
载波检测多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple
Access Protocols）
➢ 载波检测（Carrier Sense）
✓ 站点在发送帧之前，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。
✓ 各工作站不断地监视电缆段上的载波， “载波” 是指电缆上的信号，通常由表明电缆正在使用的 电压来识别。
– 带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection）
CSMA不能避免冲突
带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD 引入原因
➢ 当两个帧发生冲突时，总线上传输的信号产生了严 重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
➢ 两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被 其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的 浪费。
该站的动作与发生冲突时一样，即等待一个随机时间后 重新开始。
- 该协议试图在1-持续CSMA和非持续CSMA间取得性能的 折衷，影响协议性能的关键在于p的选择。
几个CSMA协议的性能比较
常见的四种CSMA协议：
持续和非持续：
– 1-持续CSMA（1-persistent CSMA） – 非持续CSMA（non-persistent） – p-持续CSMA（p-persistent CSMA） 冲突检测
主要内容
一、介质访问控制子层的概念 二、信道分配问题 三、多路访问协议 四、局域网 五、数据链路层设备举例
三、多路访问协议
• ALOHA • 载波检测多路访问协议 • 无冲突的协议 • 有限竞争协议 • 无线LAN协议
ALOHA协议
ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及 其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的 争用问题，在多个数据终端和计算中心之间的通信网络 中使用。
➢ 解决方法：如果站点边发送边监听，并在监听到冲 突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率。
CSMA/CD
CSMA/CD的要点
在一帧传输完成以后的时刻t0，任何需要发送数据的 站点都可以尝试发送； 如果两个或两个以上的站点同时发送，则发生冲突； 判断出发生冲突以后，立即停止发送，并等待一个随 机的时隙后，再继续发送。
纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，不管是否有 用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着整个发送过 程；
时隙ALOHA中，发送行为必须在时隙的开始，一旦在发 送开始时没有冲突，则该帧将成功发送。
纯ALOHA和时隙ALOHA的性能比较
三、多路访问协议
• ALOHA • 载波检测多路访问协议 • 无冲突的协议 • 有限竞争协议 • 无线LAN协议
介质访问控制子层（MAC）：它是数据链路层上特 有的一个子层，用于解决共享信道的分配问题
典型的共享信道的网络有： 卫星通信系统、移动通信系统、局域网
介质访问控制子层在网络协议中的位置
从分层的角度来看，介质访问控制层（MAC）是数据链路层 的一个子层。它处于数据链路逻辑控制层LLC (Logical Link Control) 的下方，物理层的上方。