《计算机通信网-》第4章-介质访问控制层汇总课件.ppt
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- 计算机通信网- 计算机 通信网 介质 访问 控制 汇总 课件
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1、1 背景背景2 共享介质的信道分配共享介质的信道分配3 共享信道动态访问技术共享信道动态访问技术4 以太网以太网5 无线局域网无线局域网6 网桥网桥1l计算机网络分为两类计算机网络分为两类点到点信道的网络(点到点网络)点到点信道的网络(点到点网络)共享信道的网络(广播式网络)共享信道的网络(广播式网络)l广播信道也称为:广播信道也称为:多路访问信道或随机访问信道多路访问信道或随机访问信道l广播信道网络的特点广播信道网络的特点所有站点共享同一信道所有站点共享同一信道一个站发送的数据将传遍整个网络一个站发送的数据将传遍整个网络同时发送会产生冲突同时发送会产生冲突需要某种信道访问机制需要某种信道访问
2、机制介质访问子层研究的问题介质访问子层研究的问题2频率fl典型的广播信道网络典型的广播信道网络卫星网络卫星网络无线广域网(无线广域网(GSM、GPRS、WCDMA等)等)无线局域网无线局域网WLAN(802.11)有线局域网有线局域网共享式以太网,令牌环网共享式以太网,令牌环网光纤网络光纤网络l广播信道网络面临和需要解决的问题广播信道网络面临和需要解决的问题如何识别不同的站点如何识别不同的站点站点何时如何使用信道站点何时如何使用信道信道访问与分配问题信道访问与分配问题l上述问题由上述问题由MAC子层协议解决(子层协议解决(OSI参考模型)参考模型)介质访问子层(介质访问子层(medium ac
3、cess control)3l多路复用:多路复用:Multiplex(信号)(信号)多个通信复用到一个信道上多个通信复用到一个信道上TDM、FDM通过划分子信道,实现多个一对一的通信通过划分子信道,实现多个一对一的通信l多路(多址)访问:多路(多址)访问:Multi-Access(用户)(用户)在一个信道上,实现多个站点间通信,一对多的通信在一个信道上,实现多个站点间通信,一对多的通信TDMA,时分多路访问,时分多路访问,TDM的联网通信方式的联网通信方式FDMA,频分多路访问,频分多路访问,FDM的联网通信方式的联网通信方式CDMA,码分多路访问,码分多路访问WDMA,波分多路访问,波分多路
4、访问CSMA,载波侦听多路访问,载波侦听多路访问4l静态分配(无竞争)静态分配(无竞争)频分多路访问频分多路访问FDMA(各站使用独立频段传输)(各站使用独立频段传输)需要考虑频段间隔,以免相互干扰需要考虑频段间隔,以免相互干扰用户速率受限用户速率受限时分多路访问时分多路访问TDMA(各站使用独立时间段传输)(各站使用独立时间段传输)需要考虑时间段(时隙)独立,以免干扰需要考虑时间段(时隙)独立,以免干扰用户接入时延较大用户接入时延较大静态分配方式简单可靠,但信道利用率低,不适应突静态分配方式简单可靠,但信道利用率低,不适应突发的数据传送和用户数量变化的情况。发的数据传送和用户数量变化的情况。
5、5l动态分配动态分配不固定为每个站点分配信道不固定为每个站点分配信道需要时才分配或占用,空闲时可由其它站点使用需要时才分配或占用,空闲时可由其它站点使用动态分配需要考虑的要素动态分配需要考虑的要素如何发送如何发送任意,想发就发;得到许可再发送发送前是否侦听载波:盲目 或 等待信道空闲如何接收如何接收地址识别;是否检测冲突冲突怎样解决冲突怎样解决不使冲突出现减少冲突减少冲突影响6STOPNOYESCollisionl动态分配的方式动态分配的方式集中仲裁的动态分配(需要管理站)集中仲裁的动态分配(需要管理站)向管理站预约:需要时申请,许可后发送数据(举手的向管理站预约:需要时申请,许可后发送数据(
6、举手的方式)方式)申请时可能冲突,许可后发送无冲突由管理站轮询由管理站轮询 (点名的方式点名的方式)单播轮询方式:依次询问每个站,有数据发的站点发送,无冲突组播或广播轮询:可能有冲突分布仲裁的动态分配(无需管理站)分布仲裁的动态分配(无需管理站)允许竞争存在,尽量避免或减少冲突允许竞争存在,尽量避免或减少冲突减少冲突的措施:发前侦听信道,检测冲突,冲突后随减少冲突的措施:发前侦听信道,检测冲突,冲突后随机后退等机后退等令牌控制信道的使用令牌控制信道的使用只有得到令牌的站,才能发送数据(无冲突方式)只有得到令牌的站,才能发送数据(无冲突方式)7l算法优点算法优点信道利用率高信道利用率高其它站点不
7、发送时,可占用更多的信道资源其它站点不发送时,可占用更多的信道资源联网通信方式简单联网通信方式简单不需要进行信道划分(随机信道)不需要进行信道划分(随机信道)站点数可变站点数可变发,或者不发发,或者不发(不存在子信道带来的复杂问题不存在子信道带来的复杂问题)适合于计算机间的组网通信(范围有限)适合于计算机间的组网通信(范围有限)通信的对象可变通信的对象可变通信的数据量可变,通信能力强通信的数据量可变,通信能力强站点可自由上下网站点可自由上下网l最大问题最大问题如何最大限度避免出现发送冲突如何最大限度避免出现发送冲突83.1随机竞争访问信道随机竞争访问信道节点随机抢占信道,节点随机抢占信道,AL
8、OHA、CSMA等等允许冲突存在允许冲突存在3.2 无冲突访问信道(有序访问)无冲突访问信道(有序访问)控制节点访问信道次序,位图、令牌等控制节点访问信道次序,位图、令牌等无冲突无冲突3.3 有限竞争访问信道有限竞争访问信道结合竞争方式和无冲突方式结合竞争方式和无冲突方式轻负载时,使用竞争方式轻负载时,使用竞争方式重负载时,使用无冲突方式重负载时,使用无冲突方式93.4 波分多路访问波分多路访问站点配置站点配置工作方式工作方式3.5 蜂窝网络蜂窝网络随机竞争随机竞争按需分配按需分配10竞争访问协议竞争访问协议l纯纯ALOHA协议协议各站想发就发,碰撞随时可能发生各站想发就发,碰撞随时可能发生l
9、时槽时槽ALOHA协议协议规定统一发送时刻,碰撞时帧完全重叠规定统一发送时刻,碰撞时帧完全重叠lCSMA协议协议发前侦听信道,忙则随机后退发前侦听信道,忙则随机后退有三种策略:有三种策略:0坚持、坚持、1坚持和坚持和P坚持坚持lCSMA/CD发前侦听信道,发送时同时检测信道发前侦听信道,发送时同时检测信道检测到冲突立即停发,释放信道检测到冲突立即停发,释放信道lCSMA/CA:WLAN的的MAC协议协议发前不听不看,冲突严重虽发前侦听信道,但冲突一旦发生不能立即停下,资源浪费冲突立即释放信道,提高信道利用率11l假设有假设有N个站点,每个站点随时都有数据帧可发。为分析方个站点,每个站点随时都有
10、数据帧可发。为分析方便,假定:便,假定:所有数据帧长度相同所有数据帧长度相同(L bits),信道速率为,信道速率为R(bits/s)每个数据帧持续时间为每个数据帧持续时间为T=L/R,(帧时),(帧时)信道帧速率为信道帧速率为C=1/T = R/L123C单位时间单位时间=CT123g成功帧数成功帧数s总帧数总帧数g站点通信模型:站点通信模型:-N个站点按某种通信规则发送数据帧。个站点按某种通信规则发送数据帧。-数据帧在信道上可能出现重叠数据帧在信道上可能出现重叠(冲突冲突)-只有未被冲突的帧才能成功传输只有未被冲突的帧才能成功传输三个重要分析参数:三个重要分析参数: C:信道帧速率,单位时
11、间内最大传输帧数:信道帧速率,单位时间内最大传输帧数 g:信道负载,单位时间内所有站点传输帧总数:信道负载,单位时间内所有站点传输帧总数 s: 有效传输,单位时间内成功传输帧总数有效传输,单位时间内成功传输帧总数12lG = g/C 信道负载率,信源帧速率信道负载率,信源帧速率数据帧总传输速率与信道帧速率之比数据帧总传输速率与信道帧速率之比也可理解为:也可理解为: 帧帧数量数量/帧帧时时, G = g/C = gT 0 G 1时,表明信道已达到满负荷时,表明信道已达到满负荷G最大可达最大可达N(站点数站点数),表示每个站点都以信道帧速率发送,表示每个站点都以信道帧速率发送lS = s/C 信道
12、吞吐率,信道利用率信道吞吐率,信道利用率成功帧速率占信道帧速率的比例成功帧速率占信道帧速率的比例0 S 1123C单位时间单位时间=CT123g成功帧数成功帧数s总帧数总帧数g13l竞争模型竞争模型N个独立工作的站点,随机地发送数据帧个独立工作的站点,随机地发送数据帧进入信道的帧速率是一个随机过程进入信道的帧速率是一个随机过程(设均值为设均值为G)某个帧成功传输的条件某个帧成功传输的条件(不考虑误码不考虑误码)没有与其它帧在时间上有重叠没有与其它帧在时间上有重叠进入信道(帧速率G)成功传输出信道(吞吐率S)冲突的帧(消失在信道上)显然:SG14l帧速率(信道负载率)的概率分布帧速率(信道负载率
13、)的概率分布在任意一个帧时在任意一个帧时T(帧长度帧长度/信道速率信道速率)内,生成内,生成k个帧的个帧的概率服从泊松分布概率服从泊松分布其中其中G为平均帧速率(帧为平均帧速率(帧/帧时)帧时)典型值:典型值:T内生成内生成0帧的概率为:帧的概率为:pT(0)=e-GT内生成内生成1帧的概率为:帧的概率为:pT(1)=Ge-G2T内生成内生成0帧的概率为:帧的概率为:p2T(0)=e-2G( )!kGTG eP kk15l背景知识:泊松背景知识:泊松(Poisson)分布分布无穷多个独立工作站点随机生成无穷多个独立工作站点随机生成(发送发送)帧的概率分布帧的概率分布设有一小的时间间隔设有一小的
14、时间间隔dt,若,若在在dt内生成一帧的概率为内生成一帧的概率为dt(dt1)当当dt足够小时,生成多于足够小时,生成多于1帧的概率可忽略不计帧的概率可忽略不计在各不重叠的时间间隔,生成的帧数是独立的随机变量在各不重叠的时间间隔,生成的帧数是独立的随机变量概率结构与时间位置无关概率结构与时间位置无关则可推出在则可推出在t时间内生成时间内生成n个帧的概率为个帧的概率为均值为均值为方差为方差为!)(),(nettnptnttnp),(E(ttnpD),( 为帧的平均生成速率为帧的平均生成速率( (研究表明:当站点数超过研究表明:当站点数超过2020个时个时, ,其生成帧的概率分布已非常接近其生成帧
15、的概率分布已非常接近泊松分布)泊松分布)16l竞争模型的性能特性竞争模型的性能特性吞吐率吞吐率S与帧速率与帧速率G的关系:的关系:S=GP0(P0成功传输概率)成功传输概率)帧的数量少冲突概率小传输成功率高吞吐率升高帧的数量少冲突概率小传输成功率高吞吐率升高帧的数量多冲突概率大传输成功率低吞吐率降低帧的数量多冲突概率大传输成功率低吞吐率降低帧速率小帧速率适中帧速率过大G(帧速率)S(吞吐率)G小G适中G过大G小:吞吐率随帧速率的增加而增加(成功传输的帧增多)G过大:吞吐率随帧速率的增加反而下降(更多的冲突)理想情况1117l工作原理工作原理站点只要有数据就可以直接占用信道,启动发送站点只要有数
16、据就可以直接占用信道,启动发送不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争,不考虑与别的站点是否冲突的无序竞争,“想发就发想发就发”帧速率较大时,冲突会急剧上升帧速率较大时,冲突会急剧上升G越大越大帧越多帧越多冲突越严重冲突越严重l何种帧速率适合何种帧速率适合Pure ALOHAPure ALOHA所能达到的吞吐率所能达到的吞吐率GN70年代,夏威夷大学为了用无线电将分散在各个岛屿的计算机连接起来,Norman Abramson等人设计了一种巧妙地解决信道分配问题的新算法,称为ALOHA(or pure ALOHA)。该协议开创了通信介质共享领域的新时代18l为简单起见,假定所有站点发送的帧是等长的,占
17、为简单起见,假定所有站点发送的帧是等长的,占用信道的时间为用信道的时间为T(帧时)(帧时)l设某个站点在设某个站点在t时刻发送一个帧,该帧成功发送的条时刻发送一个帧,该帧成功发送的条件是:件是:在在t-Tt+T的的2T间隔内没有其它站点发送间隔内没有其它站点发送(如图所示如图所示)即成功发送概率即成功发送概率P0(根据帧速率的泊松分布根据帧速率的泊松分布)为为P0=P2T内无帧产生=P2T(0) =e-2G由由S=GP0,可得,可得Pure ALOHA的吞吐率的吞吐率S=Ge-2G站1站2tt+Tt -T站N19l性能描述性能描述当帧速率当帧速率G小于信道容量的小于信道容量的 50%时,发送帧
18、产生的冲突较时,发送帧产生的冲突较少,吞吐率随帧速率而增加少,吞吐率随帧速率而增加当帧速率当帧速率G大于信道容量的大于信道容量的 50%后,发送帧产生的冲突急后,发送帧产生的冲突急剧上升,吞吐率下降剧上升,吞吐率下降Pure ALOHA的最佳性能出现在的最佳性能出现在G=0.5,S=1/2e=0.184(吞吐率为信道容量的吞吐率为信道容量的18.4%)S=Ge-2G理想吞吐率信道利用率信道利用率(吞吐率吞吐率)低的原因是站点的无序竞争低的原因是站点的无序竞争帧发送成功率帧发送成功率成功发送帧数成功发送帧数/总共传输帧总共传输帧20l减轻减轻Pure ALOHA的无序竞争,改进其性能的无序竞争,
19、改进其性能l改进方法改进方法将信道划分成长度为将信道划分成长度为T的时隙,站点只能在时隙开始位的时隙,站点只能在时隙开始位置发送帧置发送帧没有冲突、或完全冲突,减少冲突帧的持续时间没有冲突、或完全冲突,减少冲突帧的持续时间改进的代价是所有站点实现时隙的同步改进的代价是所有站点实现时隙的同步(增加了实现难度增加了实现难度)谁负责时隙管理,管理者出故障怎么办等改进后,性能提高多少?改进后,性能提高多少?21l性能描述性能描述某站点某站点t时刻成功发送一个帧的概率时刻成功发送一个帧的概率P0 = T内没有新帧产生内没有新帧产生 = pT(0) = e-GSlot ALOHA吞吐率为吞吐率为S=GP0
20、=Ge-G 或或 S = pT(1) = Ge-G最大吞吐率最大吞吐率Smax=Ge-G|G=1=1/e=0.368Pure ALOHA的的2倍倍帧丢失率帧丢失率?Slot-alohaPure-aloha22l假设站点可以假设站点可以“听听”到信道上是否有站点在发送到信道上是否有站点在发送准备发送时,若准备发送时,若“听到听到”信道上有站点发送,就推迟发信道上有站点发送,就推迟发送,直到信道送,直到信道“空闲空闲”为止,再启动发送,从而主动避为止,再启动发送,从而主动避免了冲突。免了冲突。Carrier Sense Multi-Access (CSMA)若有两个以上站点都在等,一旦信道空闲就会
21、同时发送若有两个以上站点都在等,一旦信道空闲就会同时发送而冲突。因此,需要错开各站点启动发送的时间。而冲突。因此,需要错开各站点启动发送的时间。如果有多个站点在如果有多个站点在T内产生了新帧,内产生了新帧,必然在此处开始冲突。必然在此处开始冲突。在在G比较小时,冲突概率才会小比较小时,冲突概率才会小T站点站点s准备发送准备发送开始发送开始发送推迟推迟预防多个站点在预防多个站点在T内产生新帧,继续内产生新帧,继续后退一个随机长度的时间后,再后退一个随机长度的时间后,再“听听”信道,若信道闲才发送。信道,若信道闲才发送。在在G比较小时,可能是多余的后退比较小时,可能是多余的后退或者发送或者发送(概
22、率概率p),或者后退,或者后退(随机时随机时间长度间长度)后再后再“听信道听信道”通过调整通过调整p来配合来配合G的大小的大小站点站点s准备发送准备发送开始发送开始发送推迟推迟随机随机后退后退站点站点s准备发送准备发送开始发送开始发送推迟推迟随机随机后退后退23l发送策略发送策略1坚持坚持CSMA:等待信道闲后立即发送:等待信道闲后立即发送(p=1)0坚持坚持CSMA:等待信道闲后再等待一段随机长度:等待信道闲后再等待一段随机长度(p=0)p坚持坚持CSMA:等待信道闲后可能发送:等待信道闲后可能发送(概率概率p),可能随机,可能随机后退后退(概率概率1-p)随机后退情况下,都需要重新侦听信道
23、随机后退情况下,都需要重新侦听信道信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响信道上的传播延时会对站点的载波侦听带来不利影响随机后退随机后退24信道空闲信道空闲A侦听信道,立即发送数据侦听信道,立即发送数据信号到达信号到达B处处B侦听信道,抑制发送侦听信道,抑制发送25A信号传播延时lCSMA降低了冲突概率降低了冲突概率因为信号传播延时是很短的以因为信号传播延时是很短的以2/3光速传播光速传播26信道忙否否侦听是是信道闲信道闲准备发送完成发送发送准备发送信道忙否否侦听完成是是信道闲信道闲发送发送后退时间到时间到信道忙否否侦听完成是是信道闲信道闲发送发送后退时间到时间到RpR=rand()是是
24、准备发送1坚持坚持CSMA0坚持坚持CSMAp坚持坚持CSMA27l信道闲后,启动发送的概率信道闲后,启动发送的概率p=1l准备发送:侦听信道准备发送:侦听信道若信道闲,启动发送若信道闲,启动发送否则,持续侦听信道直到信道闲,启动发送否则,持续侦听信道直到信道闲,启动发送l前一发送完成,后面很容易产生冲突前一发送完成,后面很容易产生冲突下一帧不冲突的概率下一帧不冲突的概率 p=PT(0)+PT(1)=e-G+Ge-G=(1+G)e-G站A站B站C站D侦听侦听侦听侦听信道忙否否侦听是是信道闲信道闲准备发送完成发送发送1坚持坚持CSMA28l信道闲后,启动发送的概率信道闲后,启动发送的概率(p=0
25、)再等待一段时间后决定是否发再等待一段时间后决定是否发l准备发送:侦听信道准备发送:侦听信道若信道闲,启动发送若信道闲,启动发送否则,等到信道闲,再等待一随机时间否则,等到信道闲,再等待一随机时间后在尝试发送后在尝试发送l降低多个站同时侦听信道时可能出现降低多个站同时侦听信道时可能出现的冲突的冲突站A站B站C站D随机延时后侦听随机延时后侦听侦听侦听随机延时后侦听随机延时后侦听准备发送信道忙否否侦听完成是是信道闲信道闲发送发送后退时间到时间到0坚持坚持CSMA29l信道闲后,启动发送的概率为信道闲后,启动发送的概率为pl准备发送:侦听信道准备发送:侦听信道若信道闲,启动发送若信道闲,启动发送否则
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