1、第1頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊第4講數(shù)據(jù)鏈路層(媒體訪問控制子層)第2頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊4.1介質(zhì)訪問控制技術(shù)一種常用介質(zhì)訪問技術(shù)分類方法點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)廣播網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)可以劃分為兩大類在廣播網(wǎng)絡(luò)中，由于所有信道的使用者都是共享一個(gè)信道，就存在了一個(gè)如何確定信道使用者的問題，而解決這個(gè)問題的技術(shù)就被稱為介質(zhì)訪問控制技術(shù)。頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiplex）時(shí)分多路復(fù)用（Time Division Multiplex）介質(zhì)訪問技術(shù)靜態(tài)FDM動(dòng)態(tài)FDM同步TDM異步TDM波分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用第3頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊異步TDM由于對(duì)時(shí)間片的使用不是固定的，因此必須在時(shí)間片中添加用

2、戶標(biāo)記。異步TDM隨機(jī)訪問爭(zhēng)用控制訪問輪轉(zhuǎn)預(yù)約第4頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊課本上的介質(zhì)訪問技術(shù)分類方法靜態(tài)劃分信道頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用波分復(fù)用碼分復(fù)用 動(dòng)態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入或多路訪問）隨機(jī)接入受控接入 ，如多點(diǎn)線路探詢(polling)，或輪詢。 注：本章按這種分類方法進(jìn)行組織，靜態(tài)的內(nèi)容已經(jīng)在第一章中介紹。第5頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊4.2時(shí)分多路訪問協(xié)議 ALOHA協(xié)議ALOHA協(xié)議一種在共享廣播信道中解決多個(gè)無協(xié)調(diào)關(guān)系的用戶競(jìng)爭(zhēng)單個(gè)共享信道使用權(quán)的協(xié)議。ALOHA協(xié)議純ALOHA無須時(shí)間同步機(jī)制分隙ALOHA須時(shí)間同步機(jī)制第6頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊純ALOHA純ALOHA協(xié)議當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，就發(fā)

3、送數(shù)據(jù)，發(fā)送方利用廣播的反饋特性，通過監(jiān)聽信道判斷是否出現(xiàn)幀破壞。用戶用戶用戶用戶時(shí)間幀的大小一致各用戶發(fā)送時(shí)間完全隨機(jī)沖突發(fā)生時(shí)，發(fā)送沖突的幀全部損壞幀失敗就不斷重傳直至第7頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊ttt+tt+2tt+3t沖突危險(xiǎn)周期發(fā)送時(shí)與陰影幀的開始沖突發(fā)送時(shí)與陰影幀的結(jié)尾沖突第8頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊遵循純ALOHA協(xié)議，根據(jù)泊松分布，可以計(jì)算出有效吞吐率與單位時(shí)間幀產(chǎn)生率之間的關(guān)系。根據(jù)泊松分布，單位時(shí)間幀產(chǎn)生k幀的概率為：其中G指新幀與重傳幀在單位幀時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)量，則吞吐量為乘以每一次傳輸成功的概率P0,即S=GP0 , P0為一幀也沒有遭到?jīng)_突的概率。根據(jù)上圖，在兩個(gè)幀時(shí)間內(nèi)，不存在其他

4、流量而導(dǎo)致沖突的概率為P0 e-2G。利用S=GP0 ,可以得到公式如下：當(dāng)G為0.5時(shí)（表示單位幀時(shí)間內(nèi)平均可能有0.5個(gè)新幀或重復(fù)幀產(chǎn)生），吞吐量最大為1/2e，約等于0.184，也就是信道利用率為18%。第9頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊分隙ALOHA分隙ALOHA協(xié)議將時(shí)間分成離散的間隔，每個(gè)間隔對(duì)應(yīng)于一幀，要求用戶遵守統(tǒng)一的時(shí)間間隔邊界，必須借助于特定的同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔劃分。分隙ALOHA協(xié)議導(dǎo)致沖突危險(xiǎn)周期減小了一半，根據(jù)計(jì)算可以得到：第10頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊CSMA與CDCSMA在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先進(jìn)行載波監(jiān)聽，減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)。持續(xù)型CSMA又稱為持續(xù)型CSMA，當(dāng)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先

5、監(jiān)聽信道；如果信道閑，則一定發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙，則一直等待至信道閑再發(fā)送。非持續(xù)型CSMA站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先監(jiān)聽信道；如果信道閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙，則隨機(jī)等待一段時(shí)間，再重復(fù)同樣的算法。p-持續(xù)型CSMA應(yīng)用于分隙方式，站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，監(jiān)聽信道；如果信道閑，則以概率p進(jìn)行發(fā)送，以概率p延遲至下一個(gè)時(shí)隙；如果下個(gè)時(shí)隙信道同樣空閑，則重復(fù)同樣算法；如果信道忙，則處理方式為隨機(jī)等待一段時(shí)間再重新開始。CSMA第11頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊非持續(xù)型CSMA優(yōu)于持續(xù)型CSMA在信道忙時(shí)，多個(gè)需發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)采用持續(xù)型CSMA，一定會(huì)發(fā)生沖突，而非持續(xù)型不一定會(huì)發(fā)生沖突。P-持續(xù)型CSMA優(yōu)于非

6、持續(xù)型CSMA在信道閑時(shí)，多個(gè)同時(shí)要發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)采用非持續(xù)型CSMA一定會(huì)發(fā)生沖突，而p-持續(xù)型不一定會(huì)發(fā)生沖突。第12頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊CD沖突檢測(cè)時(shí)，通過檢測(cè)回復(fù)信號(hào)的能量或脈沖寬度，并與傳送信號(hào)進(jìn)行比較，可以判斷是否產(chǎn)生了沖突。一旦發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了沖突，則停止發(fā)送。在以太網(wǎng)中，一旦檢測(cè)到?jīng)_突，發(fā)送站點(diǎn)會(huì)發(fā)送一些特殊的加強(qiáng)脈沖，通知其他站點(diǎn)發(fā)生了沖突，這樣避免了某些站點(diǎn)接收到?jīng)_突產(chǎn)生的破碎幀而當(dāng)作正常幀處理。幀幀幀幀傳輸周期競(jìng)爭(zhēng)周期空閑周期競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙t0CSMA的三種狀態(tài)競(jìng)爭(zhēng)傳輸空閑第13頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊信號(hào)傳播時(shí)延為tt0時(shí)刻開始發(fā)送第一位數(shù)據(jù)。第一位數(shù)據(jù)到達(dá)最遠(yuǎn)端的站；這時(shí)刻之后不會(huì)發(fā)生沖

7、突；最壞的情況，最遠(yuǎn)端站恰好發(fā)送了第一位數(shù)據(jù)。最遠(yuǎn)端站的數(shù)據(jù)到達(dá)發(fā)送站；在該時(shí)刻之前，發(fā)送站如果已經(jīng)終止了發(fā)送，就不會(huì)發(fā)現(xiàn)沖突。t0t0tt02t所以，在共享信道的CSMA中，為避免檢測(cè)不到?jīng)_突的情況，要求幀的發(fā)送時(shí)延要大于倍的信號(hào)傳輸時(shí)延。第14頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊無沖突協(xié)議位圖協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)站點(diǎn),每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期包含N個(gè)時(shí)間槽,當(dāng)站點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),在對(duì)應(yīng)的時(shí)間槽上置1,從而讓所有站點(diǎn)得知在競(jìng)爭(zhēng)周期后有多少數(shù)據(jù)幀要發(fā)送.012345671118個(gè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間槽13701234567118個(gè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間槽15幀 像這樣在實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)之前,先廣播自己有數(shù)據(jù)要發(fā)送的協(xié)議,被稱為預(yù)留協(xié)議(reservati

8、on protocol).第15頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊二進(jìn)制倒計(jì)數(shù)協(xié)議 為避免網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)站點(diǎn)時(shí),位圖協(xié)議要求每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期包含N個(gè)時(shí)間槽,二進(jìn)制倒計(jì)數(shù)協(xié)議采用了一種特殊的方法.給個(gè)站點(diǎn)一定長(zhǎng)度的地址,當(dāng)站點(diǎn)想發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),就廣播其二進(jìn)制地址串,來自不同站的地址中的每一位,被布爾或(or)在一起.如果一個(gè)站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其收到地址串中,一個(gè)值為0的高位被改寫成了1,則就放棄發(fā)送,直至下一個(gè)時(shí)間周期. 可將數(shù)據(jù)幀的最前字段定義為地址字段,這樣可以在發(fā)送幀的同時(shí)完成競(jìng)爭(zhēng),提高信道利用率.00100-01000-1001100-101010101010結(jié)果站點(diǎn)0010與0100看到這個(gè)1就放棄發(fā)送地址串,放棄發(fā)送站

9、點(diǎn)1001看到這個(gè)1就放棄發(fā)送地址串,放棄發(fā)送第16頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊4 有限競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議 有限競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的思路是將用戶劃分成特定的小組,競(jìng)爭(zhēng)僅限制在小組內(nèi)部,從而減少了沖突發(fā)生的機(jī)率.從而使站點(diǎn)獲得信道的概率增加. 例如一種思路就是將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)劃分為0號(hào)和1號(hào)兩個(gè)小組,0號(hào)組員競(jìng)爭(zhēng)0號(hào)時(shí)間槽,1號(hào)組爭(zhēng)用1號(hào)時(shí)間槽;如果0號(hào)時(shí)間槽有沖突或有站點(diǎn)要發(fā)送,則1號(hào)組員不能競(jìng)爭(zhēng)1號(hào)時(shí)間槽;當(dāng)0號(hào)時(shí)間槽為空閑,則1號(hào)組開始爭(zhēng)用1號(hào)時(shí)間槽.自適應(yīng)樹搜索協(xié)議所有節(jié)點(diǎn)開始時(shí)都試圖發(fā)送;當(dāng)0號(hào)時(shí)間槽沖突,則只有ABCD可與以再嘗試發(fā)送;當(dāng)1號(hào)時(shí)間槽也沖突,則只有AB可以再嘗試發(fā)送;AB如果再發(fā)生沖突,則只有A可以發(fā)送

10、.第17頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊在局域網(wǎng)絡(luò)中還有令牌環(huán)和時(shí)間槽兩種協(xié)議，局域網(wǎng)絡(luò)中有介紹，這里的協(xié)議理論部分，待補(bǔ)充。5 其他無沖突的多路訪問協(xié)議第18頁(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊4.3波分多路訪問協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)中存在一種協(xié)議也可以應(yīng)用在FDM、TDM上，將信道劃分成多個(gè)子信道，然后根據(jù)需要分配這些子信道。當(dāng)這種劃分機(jī)制應(yīng)用于光纖LAN時(shí)，就是波分多路訪問協(xié)議。一種簡(jiǎn)單的波分多路訪問協(xié)議如下。接收器發(fā)送器接收器發(fā)送器接收器發(fā)送器接收器發(fā)送器光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無源星型網(wǎng)絡(luò)第19頁(yè)波分多路訪問機(jī)制同一時(shí)刻允許多個(gè)站進(jìn)行傳輸；將光波譜劃分為多個(gè)信道（波段）；每個(gè)站被分配兩個(gè)信道，一個(gè)窄的信道用作控制信道，一個(gè)信道用作數(shù)據(jù)信道

11、；每個(gè)信道被分為時(shí)間槽組，例如控制信道時(shí)槽數(shù)目為m，數(shù)據(jù)信道時(shí)槽數(shù)目為n+1，n個(gè)時(shí)槽用于數(shù)據(jù)，最后一個(gè)槽用于站的狀態(tài)報(bào)告；每個(gè)站都有兩個(gè)發(fā)送器和接收器；一個(gè)固定波長(zhǎng)的接收器，用于監(jiān)聽它自己的控制信道；一個(gè)可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的發(fā)送器，用于在其他站的控制信道上發(fā)送信息；一個(gè)固定波長(zhǎng)的發(fā)送器，用于發(fā)送數(shù)據(jù)；一個(gè)可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的接收器，用于選擇監(jiān)聽一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送器；協(xié)議通過在控制信道和數(shù)據(jù)信道上的波段調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間通信；WDMA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中大量使用。第20頁(yè)4.4無線多路訪問協(xié)議 隱藏站與暴露站問題當(dāng)無線局域網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)處于同一物理空間中，由于信號(hào)斗采用輻射方式，因此這些站點(diǎn)之間會(huì)傳聲信號(hào)上的沖突，

12、這些沖突在無線環(huán)境中主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。隱藏站指在接收者的通信范圍內(nèi)而不在發(fā)送者通信范圍內(nèi)的站點(diǎn)。隱藏站因聽不到發(fā)送者發(fā)給接受者的報(bào)文，也向接收者發(fā)送，造成報(bào)文在接收者處沖突，直到碰撞發(fā)生之前發(fā)送端都不能發(fā)現(xiàn)沖突，從而降低了信道利用率。 隱藏站問題第21頁(yè)暴露站是指在發(fā)送者的通信范圍之內(nèi)而在接收者的通信范圍之外的站點(diǎn)。暴露站因聽到發(fā)送者的發(fā)送而延遲發(fā)送。但因?yàn)樗诮邮照叩耐ㄐ欧秶猓陌l(fā)送并不會(huì)造成沖突，因此造成了不必要的延遲，這樣的問題稱做暴露站問題。 第22頁(yè)問題解決隱藏站問題解決一種可能的解決方法是在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，通信雙方先使用控制報(bào)文進(jìn)行握手。以上圖為例：當(dāng)A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)，A

13、先向B發(fā)送RTS，B收到RTS后，回應(yīng)CTS，A收到CTS后開始向B發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)隱站C能夠聽到B發(fā)送的CTS知道A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)，C可以延遲發(fā)送。解決了問題，但此例中，C只是作為發(fā)送端角色，因此稱為隱發(fā)送端問題。 采用上述方案，當(dāng)C聽到B發(fā)送的CTS延遲發(fā)送時(shí)，如果D向C發(fā)送RTS請(qǐng)求，因?yàn)镃此時(shí)不能發(fā)送任何信息（否則與A至B的數(shù)據(jù)傳輸沖突）所以D就收不到回應(yīng)CTS，導(dǎo)致D此時(shí)不能發(fā)送數(shù)據(jù)給C，要用延遲算法退避繼續(xù)請(qǐng)求。但此時(shí)D至C的鏈路是空閑的，這明顯浪費(fèi)了空閑鏈路，此時(shí)C作為接收者，所以此問題稱為隱接收端問題。當(dāng)系統(tǒng)只有一個(gè)信道時(shí) ,隱接收站問題是無法解決的。因?yàn)樵趩涡诺赖那闆r下 ,C發(fā)

14、送的任何信號(hào)都會(huì)造成 B處的報(bào)文碰撞。一種可能的解決方法是 C通過一個(gè)帶外信號(hào) ,通知 D它此時(shí)不能發(fā)送 ,正處于延遲發(fā)送狀態(tài) ,D可以先處理其它任務(wù)。另一種方法是如果系統(tǒng)有數(shù)據(jù)信道和控制信道 ,當(dāng) A和 B在數(shù)據(jù)信道上交互數(shù)據(jù)信息時(shí) ,C可以通過控制信道與 D交互控制消息?？刂葡⒔换コ晒?,D可以通過數(shù)據(jù)信道向 C發(fā)送報(bào)文而不會(huì)產(chǎn)生沖突。 由此可見 ,在使用單信道的網(wǎng)絡(luò)中 ,不可能同時(shí)解決隱發(fā)送站和隱接收站問題。要想完全解決隱站問題 ,數(shù)據(jù)和控制報(bào)文必須在不同的信道上分開傳送。 第23頁(yè)暴露站問題解決當(dāng) B向 A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,C聽到了 B發(fā)送的 RTS,但沒有到 A回送的 CTS。此時(shí)

15、,C便知道自己是暴露站 ,它向 D發(fā)送數(shù)據(jù)并不會(huì)影響 B與 A的通信。但是問題并沒有解決。當(dāng)C知道自己是暴露站后 ,它認(rèn)為自己可以向D發(fā)送，C向 D發(fā)送 RTS,但來自 D的 CTS會(huì)與B發(fā)送的數(shù)據(jù)在 C處產(chǎn)生碰撞。也就是說 C收不到 D的CTS。問題又產(chǎn)生了 ,由于C不知道D的當(dāng)前狀態(tài) ,就超時(shí)重發(fā)。顯然 ,在 B與 A通信期間 ,C無論發(fā)送多少次 RTS,它都不可能聽到來自D的CTS。C不但沒有向 D成功發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文 ,反而重發(fā)了很多無用的 RTS。這是暴露發(fā)送站問題 。如隱站時(shí)分析在單信道的情況下 ,握手機(jī)制也無法解決暴露發(fā)送站問題。但若將數(shù)據(jù)信道和控制信道分開 ,當(dāng) B通過數(shù)據(jù)信道向 A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,如果圖中的 C要向 D發(fā)送數(shù)據(jù) ,C與 D可以通過控制信道成功交互控制報(bào)文 ,C也可以順利地通過數(shù)據(jù)信道向 D發(fā)送數(shù)據(jù)而不會(huì)產(chǎn)生沖突 ,這就解決了暴露發(fā)送站問題。再來看看 C作為接收者時(shí)出現(xiàn)的問題。顯然在B向A發(fā)送期間由于B在共享范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)廣播C是不可能接收數(shù)據(jù)的，因?yàn)榧词褂锌刂菩诺赖拇嬖?RTS-CTS交互成功 ,來自 D的數(shù)據(jù)報(bào)文也會(huì)與 B的數(shù)據(jù)報(bào)文在 C碰撞。雖然 C無法接收 D發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)