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第四章介质(媒体)访问控制子层Medium Access Control Sublayer本章主要内容z信道分配策略 z多址协议 z令牌环网 z以太网:共享式以太网,交换式以太网, 快速以太网,千兆位以太网 z无线局域网 z数据链路层交换:网桥,虚拟局域网几个术语zMultiaccess channel:多址信道 zrandom access channel:随机访问信道 zmedium:介质,媒体,信道 zmedium access:使用信道发送数据 zmedium access control(MAC):决定谁可 以使用信道发送数据1 信道分配策略z静态分配:y固定分配信道的方式,如FDM和同步TDM;y适用于用户数少且数量固定、每个用户通信量较大的情 况,不会产生冲突。z动态分配:y按需分配信道的方式,如异步TDM;y适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况。信道分配策略(2)z动态分配的三种策略:y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。y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。y有限竞争方式:以上两种方式的折衷。2 多址协议zALOHA z载波侦听多址协议(CSMA)z无冲突协议 z有限竞争协议 z无线局域网协议2.1 ALOHA系统(1)z纯ALOHA的基本思想:y任何节点有数据发送就可以发送; y每个节点通过监听信道判断是否发生了冲突; y一旦发现冲突,随机等待一段时间后重新发送。 z随机访问信道的效率: y当有大量的活动节点、每个节点总有大量的帧要 发送时,长期运行过程中成功传输时间占总时间 的份额。几个概念z帧时(frame time):发送一个标准长度的 帧所需的时间。 zN:每帧时内系统产生的新帧数目(0N1) zG:每帧时内系统需要发送的总帧数(包括 新帧和重发帧),这其实就是系统负载。 zP0:发送的帧不产生冲突的概率。 zS:系统吞吐量,指每帧时内系统能够成功 传输的帧数,S = GP0。纯ALOHA的易损时间区纯ALOHA系统的信道效率z假设G服从泊松分布,则: y在一个给定的帧时内,产生k个帧的概率为: Prk= Gke-G/k! y在一个给定的帧时内,没有帧出现的概率为: Pr0= e-G y对于一个给定的帧,在两个帧时内没有其它帧 的概率为:P0 = e-Ge-G = e-2G yS = GP0 = Ge-2G y当G = 0.5时,S达到最大值,为0.184。ALOHA系统(2)z时分ALOHA的基本思想y将时间分成离散的时间片(slot),每个时间片 用来传输一个帧;y每个节点只能在一个时间片的开始传送帧,其 它与纯ALOHA系统同。z时分ALOHA系统要求全局时钟同步。时隙ALOHA的易损时间区时分ALOHA系统的信道效率z与纯ALOHA相比,每个帧的易损时间区缩 小了,冲突的概率随之减小,系统吞吐量 随之提高。 zP0 = e-GzS = GP0 = Ge-Gz当G = 1时,S达到最大值,为0.368。纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较2.2 载波侦听多址协议 -Carrier Sense Multiple Access Protocolsz1-坚持CSMAy发送前先监听信道,信道忙则坚持监听直至 发现信道空闲;若信道空闲立即(概率1)发 送;发现冲突后随机等待一段时间,重新监 听信道。 y影响协议性能的因素:信号传播延迟,1-坚 持的策略。 y该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。CSMA协议(续)z非坚持CSMAy发送前先监听信道,信道忙则放弃监听 ,等待一个随机时间后再监听,信道空 闲则发送数据。y信道利用率高于1-坚持CSMA,但延迟特性要差些 。CSMA协议(续)zp-坚持CSMA,适用于时分信道:y发送前先监听信道,信道忙则等到下一个时 间片再监听;信道空闲则以概率p发送数据, 以概率1-p推迟到下一个时间片。下一个时间 片执行相同的操作直至发送成功或检测到信 道忙。 y该协议试图在1-坚持CSMA和非坚持CSMA 间取得性能折衷,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2.3 CSMA/CD -CSMA with Collision Detectionz节点检测到冲突后立即停止冲突帧的发送,以节省 时间和带宽。 z协议的状态周期:由竞争周期、传输周期和空闲周 期交织而成。 z协议的效率近似为:= 1/(1+5tprop/ttrans),其中tprop 为信号在任意两个节点之间传播的最大时间,ttrans为 传输一个最大长度的帧所需的时间。 z该公式表明,当信道很长(即网络规模较大)或帧 传输时间很短(帧很短或数据速率很高)时,协议 的效率较低。CSMA/CD的状态周期2.4 无冲突协议(1)z位图协议:y节点在发送前先预约,然后按预约的顺序发送 。该协议不会产生冲突。 y轻负载时,每个节点在发送前平均等待N比特 ;若帧长为d比特,不考虑其它开销,信道效率 为:= d/(N + d)。y重负载时,每帧的开销为1比特,不考虑其它开 销,信道效率为:= d/(d+1) 。位图协议无冲突协议(2)zBinary Countdown:y节点发送数据前先发送其二进制地址(长度 相等),这些地址在信道中被线性相加,地 址最高的节点胜出,可继续发送数据。 y不考虑其它开销,信道效率为: = d/(d+log2N)。y若将地址作为帧的第一个字段,则信道效率 := 100%。Binary Countdown图示无冲突协议(3)z令牌传递协议: y一个小的、称为令牌(token)的特殊帧在节 点间按固定的次序巡游。 y节点收到令牌后,若没有数据发送,就将令牌 传给下一个节点;否则发送一定数量的帧,再 把令牌传给下一个节点。 y网络中只有一个令牌,只有持有令牌的节点允 许发送,所以不会有冲突发生。2.5 有限竞争协议z竞争协议:轻负载下延迟特性好,重负载下信 道利用率低。z无冲突协议:重负载下信道利用率高,轻负载 下延迟特性不好。z有限竞争协议:结合以上两类协议的优点,克 服各自的缺点,在轻负载下获得良好的延迟特 性,而在重负载下获得较高的信道利用率。协议基本思想z对节点分组,每个时隙(slot)内只允许一个 组的节点竞争信道,目的是通过减少同一个时 隙内的竞争节点数来提高发送成功的概率。z组内节点数随系统负载的变化动态调整,负载 轻则节点数多,负载重则节点数少,在两个极 端上分别退化为竞争协议和无冲突协议。z协议的关键在于如何根据系统负载自适应调整 组的划分,将时隙分配给节点。adaptive tree walk时间片0:A以下站点发送,冲突 时间片1:B以下站点发送,冲突 时间片2:D以下站点发送,无发送 时间片3:E以下站点发送,冲突 时间片4:2发送,成功 时间片5:3发送,成功 时间片6:C以下站点发送,无发送2.6 无线局域网协议z无线局域网的两种模式: (a) 有基站的无线局域网 (b) 自组织网(ad hoc network)Ad Hoc模式的无线网络z 单个节点的通信范围不能覆盖整个网络,即节点的活动不能 被网络中所有节点检测到。这种网络也称多跳无线网络。z 若节点位于两个发送节点的通信范围内,该节点接收失败。为什么CSMA不适用于多跳无线网络?为什么CSMA不适用于多跳无线网络?z通过载波侦听,发送节点只能知道其周围 是否有节点在发送;但真正影响此次通信 的是接收节点周围是否有节点在发送。z隐藏节点:不在发送节点的通信范围内、 但在接收节点通信范围内的活跃节点。z暴露节点:在发送节点的通信范围内、但不 在接收节点通信范围内的活跃节点。Multiple Access with Collision Avoidancez问题: y当节点A准备向节点B发送数据时,如何让节点 B附近的节点保持沉默? zMACA的基本思想:y由发送方主动发起一次握手过程,引起接收方 发送一个短的确认帧;接收端周围的节点检测 到这个确认帧,并在随后的一段时间里保持沉 默。MACA协议图示(a) A sending an RTS to B. (b) B responding with a CTS to A.MACA协议过程z A向B发送一个RTS帧,帧中给出后继数据帧的长度。z B收到后回复一个CTS帧,帧中也给出数据帧的长度。z A收到CTS帧后就可以发送。z 在此过程中,若A周围的节点监听到了A的RTS帧,它们会在 随后的一段时间内保持沉默,以便让A无冲突地收到CTS帧 ;而B周围的节点监听到B的CTS帧后,也会在随后的一段时 间(由CTS帧中的数据长度决定)内保持沉默,从而让B能 够无冲突地收到A发送的数据帧。z 若B和C同时向A发送RTS帧,则会产生冲突,这时不成功的 发送方会随机等待一段时间后再重试。MACA for Wireless(MACAW)zMACAW是对MACA的改进:y每当接收端正确收到一个帧后,发送一个确认帧 ; y发送端在发送RTS前,使用CSMA监听信道,避 免两个节点同时向同一个接收节点发送RTS;y改进了冲突后的回退算法;y增加了节点间交换拥塞信息的机制。3 局域网标准zIEEE于1980年2月成立局域网标准化委员会,形成 的一系列标准统称为IEEE 802标准。 zIEEE 802标准于1984年3月被ISO采纳,作为局域网 的国际标准,称为ISO 8802标准。 zIEEE 802标准主要涉及物理层、数据链路层、网络 层的一部分;数据链路层又进一步分为介质访问控 制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层。 z将数据链路层分成两个子层的好处是,利用统一的 LLC子层屏蔽物理网络的细节,使得网络层协议可 以独立于物理介质及介质访问控制方法。IEEE 802标准系列4 令牌环网z令牌环由环接口和环接口间的点 到点链路组成,节点通过环接口 连到网上。 z数据沿着一个固定的方向在环上 流动,每个节点从上游节点接收 数据,然后立即转发到下游节点 (边收边发而不是存储转发)。 z目的节点将数据接收下来,同时 仍向下游转发。 z数据返回到发送节点时,发送节 点将其从环上取消。令牌环的帧结构(1)令牌环的帧结构(2)zAC:格式为yT:令牌比特,令牌帧中T=0,数据帧中T=1。当节点为发送数据而 捕获到一个令牌帧后,将T翻转为1。 yPPP:优先级比特,当节点想发送优先级为的数据帧时,必须捕获到优先级小于或等于的令牌才能发送。yRRR:预约比特,节点在数据帧通过时,将自己想要发送的帧的优先级写到预约比特中(除非已有其它站预约了更高的优先级)。当 一帧数据发完后,新产生的令牌具有已预约的优先级。yM:监控比特,监控站用来检测未被发送站取消的数据帧。数据帧 发送时M=0;第一次通过监控站时被置为1;第二次通过监控站时被 检测到。 PPPMTRRR令牌环的帧结构(3)zFS:格式为yA:地址识别比特。数据帧发送时A=0;通过接收站时 ,接收站置A=1。yC:帧复制比特。数据帧发送时C=0,接收站将帧接收 下来后,置C=1。z 数据帧返回发送站时,发送站检查A和C,有三种情况:A0,C0:接收站不存在或没加电;A1,C0:接收站存在,但没有接收帧;A1,C1:接收站存在,且接收了该帧。ACrrACrr星型环结构5 以太网(Ethernet)z传统以太网 z交换式以太网 z快速以太网 z千兆以太网5.1 传统以太网(Traditional Ethernet)z组网方式: y10Base-5(粗缆以太网):x使用粗的基带同轴电缆作为传输介质,采用总线型 拓扑; x数据速率10Mbps,每段电缆最大长度500米。 y10Base-2(细缆以太网):x使用细的基带同轴电缆,采用总线型拓扑; x数据速率10Mbps,每段电缆最大长度约200米。*这两种以太网在新建的局域网
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