计算机网络授课老师：安 莹第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术n介质访问控制技术n局域网的参考模型及协议n以太网n局域网连网及网络互联设备n虚拟局域网n高速局域网第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术多路复用是一种将若干彼此无关的信号合并成一路复合信号并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的 方法。它包含信号复合、传输和分离三个方面的内容。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 频分多路复用FDMA频分多路复用技术将具有一定带宽的信道在逻辑上划分为n个较小带宽的子信道，选择n路信号，根据各自不同的 调制器，对各路频率不同的载波进行调制，这种技术叫做 频谱搬移技术。从而在每路子信道传输一路调制信号，达 到信道复用的目的。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 频分多路复用FDMA为了使n路信号各不相干扰覆盖，在每路信号的频段之间增加防护频带，即是使各路子信道的带宽大于各路信号 的带宽。在接收端，增加不同频段的接收滤波器，从而将 各路信号恢复出来。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 频分多路复用FDMA第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 频分多路复用FDMA主要优点主要优点在于实现相对简单，技术成熟，能较充 分地利用信道频带，因而系统效率较高。主要缺点主要缺点： 保护频带的存在大大地降低了FDM技术的效率； 信道的非线性失真改变了它的实际频带特性，易 造成串音和互调噪声干扰； 所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型 化；频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于 性能监测。因此，在实际应用中，FDMA正在被时分 多路复用所替代。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 时分多路复用TDMA时分多路复用通信是指各路信号在同一信道上占有不同 时间间隙进行通信。具体地说，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时间间隙， 以达到互相分开、互不干扰的目的。目前常用的TDMA有两种：同步时分多路复用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）统计时分多路复用（Asynchronous Time Division Multiplexing，ATDM） 第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 时分多路复用TDMA 同步时分多路复用（STDM）同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信 号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期 ），再将每个时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙 以固定的方式分配给各路信号，各路信号在每一时间段都 顺序分配到一个时隙。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 时分多路复用TDMA 同步时分多路复用（STDM）由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都拥有一定时隙，这就 造成时隙浪费，其时隙的利用率很低，为了克服STDM的缺 点，引入了异步时分复用技术。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 时分多路复用TDMA 异步时分多路复用（ATDM）异步时分多路复用又称统计时分复用技术，它能动态 地按需分配时隙(不需要发送数据的用户不分给时间片)， 以避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一 路用户有数据要发送时才把时隙分配给它；当用户暂停发 送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲可用于其他用 户的数据传输。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 时分多路复用TDMA 异步时分多路复用（ATDM）第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 时分多路复用TDMA 异步时分多路复用（ATDM）ATDM存在的一些潜在的技术缺陷：时延问题。ATDM常用的三种缓冲控制技术： 同信道信号传输 异信道信号传输 降低时钟，减缓数据吞吐量。 前两种技术可用于控制异步终端的数据流，而 后一种技 术适用于同步终端。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 波分多路复用WDMA 波分多路复用在概念上与频分多路复用相似，因此也称 其为光的频分复用。所不同的是波分多路复用技术应用于全 光纤组成的网络中，传输的是光信号，并按照光的波长区分 信号。WDM技术的工作原理如图所示。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 码分多路复用CDMA 码分多路复用也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的 分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互 不重叠，通信各方之间不会互相干扰，且抗干扰能力强(手 机通信就是码分多路复用 )。第四章 多路复用、信道共享与局域网n多路复用技术 空分多路复用SDMA 空分复用(SDM)是利用空间分割构成不同信道的一种多路复用方法。比如较常用的适用于100 Mb/s的高速数据传输的5类线 。第四章多路复用、信道共享与局域网n局域网概述产生原因：80年代以来，微型机发展迅速 ，彼此间需要相互通信（近距离），共享资源定义：是一种将小区域内的各种通信设备 互连在一起的通信网络三个属性n局域网是一种通信网络n通信设备是广义的n在一个小区域内基本特点n高数据传输率（10 1000 Mbps）n短距离（0.01 10 km）n低出错率（10-8 10-11）4.1 介质访问控制技术n计算机网络可以分成两类广域网使用点到点连接的网络 局域网使用广播信道（多路访问信道 ，随机访问信道）的网络n关键问题：如何解决对信道争用n介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control）用来解决信道的争用问题，是数 据链路层协议的一部分4.1 介质访问控制技术n两种信道分配方法静态分配n频分多路复用 FDM（波分复用WDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通 信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固 定，各用户的通信量都较大的情况缺点：无法灵活地适应站点数及其通信 量的变化n时分多路复用 TDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时 槽动态分配：争用协议4.1 介质访问控制技术n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，并以一定 的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前， 站点被封锁单信道假设：所有的通信都是通过公用信 道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信 息冲突假设：若两帧同时发出，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，冲突帧必须重发确定何时发送（连续时间和时间分槽）确定能否发送（载波监听和非载波监听）4.1.1 争用协议nALOHA协议70年代，美国夏威夷大学Norman Abramson 设计了ALOHA协议目的：解决竞争系统的信道动态分配问题n竞争系统：多个用户以某种可能导致冲突的方 式共享公用信道的系统分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议4.1.1 争用协议n纯ALOHA协议基本思想：用户有数据要发送时，可以 直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲 突，若产生冲突，则等待一段随机时间重发使用纯ALOHA，用户可以在任意时间任意发送数据帧与阴影帧的 开始碰撞与阴影帧的 结尾碰撞易发生冲突区阴影帧的冲突危险区示意图4.1.1 争用协议nALOHA协议4.1.1 争用协议n分槽ALOHA协议基本思想：把信道时间分成离散的时间槽 ，槽长为一个帧所需的发送时间；每个站点只 能在时槽开始时才允许发送信道效率冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以信 道利用率提升为纯ALOHA的一倍4.1.1 争用协议n纯ALOHA与分槽ALOHA最大吞吐率的比较G(帧产生率)(系统吞吐率)S分槽ALOHA：S=Ge-G纯ALOHA：S=Ge-2GALOHA系统中吞吐率与帧产生率之间的关系4.1.1 争用协议n载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）n多路访问（Multiple Access）多个用户共用一条线路n载波监听（Carrier Sense）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4.1.1 争用协议n1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）工作过程n若站点有数据发送，先监听信道n若站点发现信道空闲，则发送n若信道忙，则持续监听直至发现信道空 闲，并完成发送n若产生冲突，等待一随机时间，然后重 新开始发送过程优点：减少了信道空闲时间缺点：增加了发生冲突的概率n非坚持型CSMA（non-persistent CSMA）工作过程n若站点有数据发送，先监听信道n若站点发现信道空闲，则发送n若信道忙，等待一随机时间，重新开始发送 过程n若产生冲突，等待一随机时间，重新开始发 送过程优点：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-坚持CSMA高，传输延迟比 1- 坚持CSMA大4.1.1 争用协议4.1.1 争用协议np-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）工作过程n若站点有数据发送，先监听信道n若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据 ，以概率q =1- p 延迟至下一个时槽发送。若下一 个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽 被其他站点所占用n若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始 发送n若产生冲突，等待一随机时间，重新开始 发送是一种折中方案，既能像非坚持型CSMA 那样减少冲突，又能像1-坚持型CSMA那样减 少信道的空闲时间，适用于分槽信道4.1.1 争用协议n三种CSMA协议的发送过程五种多路访问协议性能比较(系统吞吐率)SG(帧产生率)分槽ALOHA纯ALOHA1持续CSMA0.5持续CSMA0.1持续CSMA0.01持续CSMA 非持续CSMA4.1.1 争用协议4.1.1 争用协议n带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CDn引入原因当两个帧发生冲突时，两个被损坏的帧继续传送 毫无意义，且信道无法被其他站点使用；若站点一边 发送一边监听，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，因此产生了CSMA/CDn工作过程站点使用CSMA协议进行数据发送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 冲突在发出干扰信号后，等待一段随机时间，重复上 述过程4.1.1 争用协议n工作状态传输周期、竞争周期、空闲周期n问题：一个站点确定发生冲突要花多少时间？最坏情况下，2倍电缆传输时间nCSMA/CD功能流程图4.1.1 争用协议先听再说，边说边听一旦冲突，立即停说等待时机，然后再说4.1.1 争用协议nCSMA/CD二进制指数退避算法当站点发生第1次冲突，等待0211个时 间片当站点发生第2次冲突，等待0221个时 间片依此类推，当站点发生第n次冲突，若 n10时，等待02n1个时间片；若n10，等 待0210个时间片当站点发生冲突的次数达到第16次时，将 放弃该数据帧的发送4.1.2 令牌环介质访问控制技术nIBM选择Token Ring作为它的LAN技术nIEEE802.5标准定义了令牌环介质访问控制 协议n环中各个站点是平等的n站点获得信道的时间有上限n令牌环可以避免冲突发生4.1.2 令牌环介质访问控制技术n令牌环的组成由一系列环接口和这些接口间的点到点链路构 成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上4.1.2 令牌环介质访问控制技术n环接口的两种操作模式侦听模式传输模式4.1.2 令牌环介质访问控制技术n令牌环介质访问控制的工作过程