4MAC层和局域网.ppt

第四章 MAC子层和局域网 局域网大多采用广播传输技术。 广播信道（broadcast channel）或多重访问信道（multiaccess channel）或随机访问信道（random access channel）中，所有站点共享一个传输信道，任何时候只允许一个站点使用信道（向信道上发送数据）。若有两个或多个站点同时发送数据，则信号在信道上就会发生碰撞或冲突（collision），导致数据发送失败。 解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来控制各个站点如何使用信道，即介质（信道）访问（使用）控制MAC（Medium Access Control）。 由于网络中使用的传输介质及拓扑结构的不同，使得介质访问控制的策略也不相同，因此在局域网的数据链路层底部特别设置一个介质访问控制子层来专门负责信道分配的问题。 信道分配的策略 信道分配策略可分为两大类： 静态分配：如传统的FDM和TDM，将频带或时间片固定地分配给各个站点。适用于站点数量少且固定的场所，控制简单，效率高。 动态分配：异步时分多路复用。分为两种： 随机访问（争用，contention）：只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。 控制访问：发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。主要有轮转（round-robin）和预约（reservation）两种方式。 争用协议一：ALOHA协议 20世纪70年代，美国夏威夷大学的ALOHA网通过无线广播信道将分散在各个岛屿上的远程终端连接到本部的主机上，是最早采用争用协议的网络。 有两个版本： 纯ALOHA协议（Pure ALOHA）：时间是连续的，不需要时间同步。 时隙ALOHA协议（Slotted ALOHA）：时间是离散的，需要时间同步。 纯ALOHA协议 每个站点只要有数据就可发送；通过监听信道来发现是否发生冲突；若冲突，则等待一段随机时间，再重新发送。 研究发现，各个帧的长度相同，就可获得最大的吞吐量（单位时间内能够成功发送的数据帧的平均数量）。 纯ALOHA信道的分析 一个争用系统一方面不断生成新的数据帧发送，两一方面由于冲突造成老的数据帧的重发。 若在一个帧时Tframe（frame time，一个数据帧占有的时间长度）内平均有S个新帧生成，再加上一些重发的老帧，该时间内实际发送的帧的平均数为G。显然必须满足0S1。 当负载很小时，几乎不发生冲突，可认为S≈G。 当负载增大而产生冲突时，GS。 在各种负荷下，设传送成功的概率为P0，则存在S=GP0的关系，这里S即为吞吐量， G为网络负载。 在任一帧时内生成 k 帧的概率服从泊松分布（Poisson distributed）： 纯ALOHA系统中的易损时间区 在下图中可看出，在时间区t0 ~ t0+2t内，除阴影帧外只要有其它数据帧开始发送，都会产生冲突，这个时间区（即2t，两个帧时）称为易损时间区（vulnerable period）。 纯ALOHA信道的效率 生成0帧的概率=G0e-G/0!=e-G 由于两个帧时内产生的帧数平均为2G，则在易损时间区内只有一个数据帧（无任何其它帧产生）的概率为：P0=e-2G 代入S=GP0可得：S=Ge-2G 当G=0.5时，可获得最大的吞吐量Smax=1/2e≈18.4% 时隙ALOHA协议 1972年提出了可将纯ALOHA的利用率提高一倍的方法，即时隙ALOHA系统。 将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧。一个站点有数据发送时，必须等到下个时间片的开始才能发送。 这种时间的同步是通过设置一个可定时发送信号的特殊站点来实现的。 时隙ALOHA的易损时间区是纯ALOHA的一半（即t，一个帧时），因此可得：S=Ge-G 当G=1时，可获得最大的吞吐量Smax=1/e≈36.8% 争用协议二：CSMA协议 载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access）协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即“讲前先听” 可大大减少冲突，获得远大于1/e的利用率，广泛应用于LAN中。 常见的四种CSMA协议： 1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA） 非坚持式CSMA（non-persistent） p-坚持式CSMA（p-persistent CSMA） 带有冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection） 1-坚持式CSMA 当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就坚持监听，一旦发现信道空闲，就立即发送数据（发送数据的概率为1）。若发生冲突，就