信道共享技術(shù)定義：控制多個(gè)用戶(hù)共用一條信道的協(xié)議.ppt

1、1,第四章 信道共享技術(shù) 定義：控制多個(gè)用戶(hù)共用一條信道的協(xié)議,2,信道共享技術(shù)(1),信道分配 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以分成兩類(lèi) 使用點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò) 廣域網(wǎng) 使用廣播信道（多路訪(fǎng)問(wèn)信道，隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)信道）的網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng) 關(guān)鍵問(wèn)題：如何解決對(duì)信道爭(zhēng)用 解決信道爭(zhēng)用的協(xié)議稱(chēng)為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議 MAC（Medium Access Control），是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的一部分。 信道共享的目標(biāo)：理想情況（信道容量為C b/s) 一個(gè)用戶(hù)，N各用戶(hù)；控制協(xié)議簡(jiǎn)單、可靠。,3,信道共享技術(shù)(2),信道分配方法有三種 隨機(jī)接入：所有用戶(hù)都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)地發(fā)送信息 如：ALOHA. CSAM/CD 受控接入:各用戶(hù)

2、不能任意接入信道，必須服從一定的控制 集中式控制：多點(diǎn)線(xiàn)路輪詢(xún) 分散式控制：令牌環(huán)型網(wǎng),4,信道共享技術(shù)（3）,信道復(fù)用 頻分多路復(fù)用 FDM 原理：將頻帶平均分配給每個(gè)要參與通信的用戶(hù)； 優(yōu)點(diǎn)：適合于用戶(hù)較少，數(shù)目基本固定，各用戶(hù)的通信量都較大的情況； 缺點(diǎn)：無(wú)法靈活地適應(yīng)站點(diǎn)數(shù)及其通信量的變化 時(shí)分多路復(fù)用 TDM和統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用 原理：每個(gè)用戶(hù)擁有固定的信道傳送時(shí)槽； 優(yōu)點(diǎn)：適合于用戶(hù)較少，數(shù)目基本固定，各用戶(hù)的通信量都較大的情況； 缺點(diǎn)：無(wú)法靈活地適應(yīng)站點(diǎn)數(shù)及其通信量的變化。 波分復(fù)用 碼分復(fù)用,5,信道共享技術(shù)(4),信道分配模型的五個(gè)基本假設(shè)： 站點(diǎn)模型：每個(gè)站點(diǎn)是獨(dú)立的，并以統(tǒng)

3、計(jì)固定的速率產(chǎn)生幀，一幀產(chǎn)生后到被發(fā)送走之前，站點(diǎn)被封鎖； 單信道假設(shè)：所有的通信都是通過(guò)單一的信道來(lái)完成的，各個(gè)站點(diǎn)都可以從信道上收發(fā)信息； 沖突假設(shè)：若兩幀同時(shí)發(fā)出，會(huì)相互重疊，結(jié)果使信號(hào)無(wú)法辨認(rèn)，稱(chēng)為沖突。所有的站點(diǎn)都能檢測(cè)到?jīng)_突，沖突幀必須重發(fā)； 連續(xù)時(shí)間和時(shí)間分槽（確定何時(shí)發(fā)送）； 載波監(jiān)聽(tīng)和非載波監(jiān)聽(tīng)（確定能否發(fā)送）。,6,本章重點(diǎn)掌握,ALOHA CSMA/CD 時(shí)延 吞吐量,7,4.1 隨機(jī)接入：ALOHA（1）,70年代，Norman Abramson設(shè)計(jì)了ALOHA協(xié)議 目的：解決信道的動(dòng)態(tài)分配，基本思想可用于任何無(wú)協(xié)調(diào)關(guān)系的用戶(hù)爭(zhēng)用單一共享信道使用權(quán)的系統(tǒng)； 分類(lèi)：純AL

4、OHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA協(xié)議 純ALOHA協(xié)議 基本思想：用戶(hù)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，可以直接發(fā)至信道；然后監(jiān)聽(tīng)信道看是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機(jī)的時(shí)間重發(fā)(沖傳策略），直到成功; Fig. 4-1,4-8,8,幀長(zhǎng)度用發(fā)送該幀所需的時(shí)間表示，T0,ALOHA (2),9,10,ALOHA ( 3),多用戶(hù)共享單一信道，并由此產(chǎn)生沖突，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)； 性能分析: 吞吐量、 平均時(shí)延 一個(gè)幀發(fā)送成功的條件 Fig4-8, 4-2 一個(gè)幀如欲發(fā)送成功，必須在該幀發(fā)送時(shí)刻之前和之后隔一段時(shí)間T0內(nèi)（2個(gè)間隔），沒(méi)有其他幀發(fā)送 一個(gè)幀發(fā)送成功的條件：該幀于該幀前后的兩個(gè)幀的到達(dá)時(shí)間間隔

5、均大于T0 假設(shè)：幀長(zhǎng)固定，無(wú)限個(gè)用戶(hù)，按泊松分布產(chǎn)生新幀；發(fā)生沖突重傳，新舊幀共傳k次，遵從泊松分布；,11,12,ALOHA (4),吞吐量S等于在幀的發(fā)送時(shí)間T0內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)。 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G等于在T0內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)。 GS,13,ALOHA (5),吞吐率 S, 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G 吞吐率 S = GP發(fā)送成功，P為發(fā)送一幀不受沖突影響的概率； 沖突危險(xiǎn)區(qū)，F(xiàn)ig. 4-2 P發(fā)送成功=P連續(xù)兩個(gè)到達(dá)間隔T0=(P到達(dá)間隔T0) 2 一個(gè)幀時(shí)內(nèi)產(chǎn)生k幀的概率：Prk = ，兩個(gè)幀時(shí)平均產(chǎn)生2G個(gè)幀，在沖突危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)無(wú)其它幀產(chǎn)生的概率為：P0 = e-2G，所以 S = Ge-2G； F

6、ig. 4-3 效率：信道利用率只有18.4%.,14,Abramson公式：S=Ge-2G,性能分析（吞吐量）,15,16,D=T01+R+NR(R+(K+1)/2) NR=e2G-1,ALOHA (6),17,ALOHA (7),時(shí)隙ALOHA協(xié)議 基本思想：把信道時(shí)間分成離散的時(shí)隙（時(shí)間槽），時(shí)隙長(zhǎng)為一個(gè)幀所需的發(fā)送時(shí)間。每個(gè)站點(diǎn)只能在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)才允許發(fā)送。其他過(guò)程與純ALOHA協(xié)議相同。 信道效率 沖突危險(xiǎn)區(qū)是純ALOHA的一半，所以P0 = e-G，S = Ge-G； 與純ALOHA協(xié)議相比，降低了產(chǎn)生沖突的概率，信道利用率最高為36.8%。,18,時(shí)隙ALOHA,S=Ge-G NR

7、=eG-1,19,ALOHA (8),有限站數(shù)的吞吐量： S=G(1-G/N)N-1,20,載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols） CSMA與ALOHA的主要區(qū)別：CSMA多了一個(gè)載波監(jiān)聽(tīng)裝置 載波監(jiān)聽(tīng)（Carrier Sense） 查看信道上有無(wú)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸稱(chēng)為載波偵聽(tīng)，監(jiān)測(cè)方法是判斷基帶上是否有脈沖二進(jìn)制0或1 多路訪(fǎng)問(wèn)（Multiple Access） 同時(shí)有多個(gè)結(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)信道是否空閑和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱(chēng)為多路訪(fǎng)問(wèn)。,4.2 隨機(jī)接入： CSMA和CSMA/CD （1）,21,22,CSMA和CSMA/CD （2）,ALO

8、HA 非堅(jiān)持CSMA P堅(jiān)持CSMA,23,CSMA和CSMA/CD （3）,CSMA類(lèi)型：1-堅(jiān)持型CSMA（1-persistent CSMA） 原理 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽(tīng)信道； 若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送； 若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后完成發(fā)送； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送過(guò)程。 優(yōu)點(diǎn)：減少了信道空閑時(shí)間； 缺點(diǎn)：增加了發(fā)生沖突的概率； 廣播延遲對(duì)協(xié)議性能的影響：廣播延遲越大，發(fā)生沖突的可能性越大，協(xié)議性能越差；,24,CSMA和CSMA/CD （4）,非堅(jiān)持型CSMA（nonpersistent CSMA） 原理 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽(tīng)信道； 若站

9、點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送； 若信道忙，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送過(guò)程； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送過(guò)程。 優(yōu)點(diǎn)：減少了沖突的概率； 缺點(diǎn)：增加了信道空閑時(shí)間，數(shù)據(jù)發(fā)送延遲增大； 信道效率比 1-堅(jiān)持CSMA高，傳輸延遲比 1-堅(jiān)持CSMA大。,25,CSMA和CSMA/CD （5）,p-堅(jiān)持型CSMA（p-persistent CSMA） 適用于分槽信道 原理 若站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽(tīng)信道； 若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率q =1- p 延遲至下一個(gè)時(shí)槽發(fā)送。若下一個(gè)時(shí)槽仍空閑，重復(fù)此過(guò)程，直至數(shù)據(jù)發(fā)出或時(shí)槽被其他站點(diǎn)所占用； 若信道忙，則等待下一個(gè)時(shí)槽，

10、重新開(kāi)始發(fā)送； 若產(chǎn)生沖突，等待一隨機(jī)時(shí)間，然后重新開(kāi)始發(fā)送。 五種多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議性能比較 Fig. 4-4,26,幾種CSMA/CD，CSMA，ALOHA的S-G曲線(xiàn),27,28,CSMA和CSMA/CD （6）,帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議CSMA/CD 引入原因 當(dāng)兩個(gè)幀發(fā)生沖突時(shí)，兩個(gè)被損壞幀繼續(xù)傳送毫無(wú)意義，而且信道無(wú)法被其他站點(diǎn)使用，對(duì)于有限的信道來(lái)講，這是很大的浪費(fèi)。如果站點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)，并在監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突之后立即停止發(fā)送，可以提高信道的利用率，因此產(chǎn)生了CSMA/CD 原理 站點(diǎn)使用CSMA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送； 在發(fā)送期間如果檢測(cè)到?jīng)_突，立即終止發(fā)送，并發(fā)出一個(gè)瞬間干擾信號(hào)，使所有

11、的站點(diǎn)都知道發(fā)生了沖突； 在發(fā)出干擾信號(hào)后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，在重復(fù)上述過(guò)程。,29,30,CSMA/CD,等待,等10毫秒,等15毫秒,當(dāng)某一個(gè)結(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先要偵聽(tīng)信道有無(wú)其它結(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，若沒(méi)有，則立即搶占信道發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道正忙，則需要等待直至信道空閑再發(fā),三種沖突處理方式： 1：1-堅(jiān)持 2：0-堅(jiān)持 3：P堅(jiān)持,31,CSMA和CSMA/CD （7）,工作狀態(tài) 傳輸周期 競(jìng)爭(zhēng)周期 空閑周期 Fig. 4-5 問(wèn)題 一個(gè)站點(diǎn)確定發(fā)生沖突要花多少時(shí)間？（最壞情況下，2倍電纜傳輸時(shí)間）,32,33,幾種CSMA/CD，CSMA，ALOHA的S-G曲線(xiàn),34,多點(diǎn)接入網(wǎng)：多點(diǎn)線(xiàn)路、總線(xiàn)網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng),35,多點(diǎn)接入網(wǎng)：,受控接入：各用戶(hù)不能任意接入信道而要服從一定的控制。集中式控制（輪詢(xún)polling)分散式控制（令牌環(huán)形網(wǎng)） 隨機(jī)接入所有的用戶(hù)都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)地發(fā)送信息ALOHA（20世紀(jì)70年代在夏威夷大學(xué)試驗(yàn)成功）CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突檢測(cè)）：現(xiàn)已成為總線(xiàn)式LAN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。,36,復(fù)用技術(shù),無(wú)線(xiàn)L