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1、第四章 局域网的媒体访问控制协议,媒体访问控制（MAC）是局域网的关键技术之一，局域网的网络性能（如吞吐量、延迟性能）完全取决于所采用的MAC协议。,第一节 概述,一、复用与多址接入 为了在给定的频段上实现多个站间的无线通信，常常需要划分出若干个子信道，以使站之间可同时通信。这种在一个固定频段上实现多个子信道的技术称为复用技术。 多个站共享某一固定频段进行通信的技术称为多址接入。 局域网用MAC协议实现多址接入。 有三类MAC协议：固定分配类、随机竞争类和按需分配类。,固定分配类MAC协议,把共享的一条信道分割成若干个相互独立的子信道，每个子信道又分配给一个（或多个）用户节点专用。 FDMA(
2、频分多址)：在频域上把给定的频段分割成若干个子频段，每个频段表示一个子信道，不同信道在频率轴上是不重叠的。 TDMA(时分多址)：在时域上划分子信道，每个子信道使用不同的时隙。 CDMA(码分多址)：既不在频域上也不在时域上划分子信道，而是在伪随机码上区分各子信道。,随机竞争类MAC协议,使用的传输媒体一般是广播式信道，连接在这条广播信道上的节点都可以向信道发送广播信息。 如某节点有信息需要发送，它将以某种方式竞争信道使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去。 所有的节点都能收到任一节点发送的信息，如果监测出是发给自己的则接收下来，否则丢弃。,按需分配类MAC协议,网络按某种循环的顺序询问每个节
3、点是否有数据发送，如果有数据，则立即发送，否则网络转向询问下一个节点。 集中式控制：网中存在一个中心站，由该站完成对网中各节点的询问控制过程。 分布式控制：网中各节点都有责任按某种确定的规则对询问控制过程进行管理。 特别适用于环形拓扑的网络结构。可保证最大传输时延的要求，使用与时延要求该的网络业务环境。,三类协议的应用,固定分配类和按需分配类适合话音、图像等对实时性要求高的通信业务；随机竞争类适合文件传送等突发性数据业务。 一种好的MAC协议应在下列方面达到折衷。 公平、有效地分享宝贵的带宽资源。 获得尽可能高的吞吐量。 延迟尽可能小。,二、多址接入信道模型,广播信道 N个用户站直接挂在该信道
4、上。 任一用户站发出的信号可被所有其它站直接收到。 信道是半双工的，当且仅当同时只有一个站向信道发送信号时，其它站才能正确收到该信号。,帧的生成,每个挂在信道上的站各自独立地产生欲发送的数据，这些数据被装成一个一个的帧，然后发送到缓冲区。假设单位时间内平均到达的帧数为，当满足以上三个条件时，我们称帧的到达服从泊松分布。 不随时间变化； 某一帧的到达并不影响其后续帧的到达； 在任意小的时间段内到达的帧数要么等于1，要么等于0。,站的构成与操作,假设挂在信道上的所有的站都具备同等硬件及软件功能，站的个数为N。 各站产生的帧首先被送入一个FIFO发送缓冲区。 如果产生的帧没有设定优先级别，先进入缓冲
5、区的帧先被送往信道发出。,信道质量,实际的信道必然引起传输错误，通常用误比特率BER来衡量信道的质量。 在分析MAC协议时，为了简化分析，假设信道是理想的无差错信道。,传输碰撞,两个以上的帧如果同时被送往信道，则这些帧将在时间上重叠，称为“碰撞”。 在理想信道条件下，碰撞是唯一引起帧传输错误的原因。 某一帧发生碰撞或传输错误时，发送站应按照某种算法把该帧重发。,三、有关多址接入的几个重要性能指标,吞吐量 单位时间内在信道上成功传输的信息量为吞吐量。 假设帧长固定为l比特，单位时间内成功传输的帧数为n，则吞吐量可表示为nlbps。 用信道传输速率R对吞吐量归一化，归一化吞吐量S=nl/R=nT。
6、 S的范围为（0，1）。,总业务量(G),信道上所有的站在单位时间内要求传送的帧的信息量称为信道的总业务量。 总业务量等于单位时间内新产生的帧的信息量与重传帧的信息量之和。 用信道传输速率对总业务量归一化，用G表示。,平均传输迟延(D),某一帧从进入缓冲器的时刻开始，至成功到达目的站接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称为该帧的传输迟延。 由于每帧的传输迟延可能不同，一般取一帧的平均传输迟延作为帧迟延的量度。 通常用一帧的传输时间(T)对平均传输迟延归一化，该平均传输迟延用D表示。 随着总业务量G的增加，发送等待时间及重传迟延会增大，导致平均传输迟延增大。,吞吐量特性与迟延特性,对给定的MAC协议
7、，用吞吐量总业务量(SG)关系表示吞吐量随总业务量的变化关系，称为吞吐（量）特性。 理想的吞吐特性为G小于R时，S=G；G大于R时，S=1。 实际的特性为G较小时，S随G的增加而增大；当G增加到一定程度时，由于帧的碰撞导致S减小。,第二节 Aloha协议,Aloha协议是随机竞争类MAC协议中最简单、最典型的例子。 随机竞争类MAC协议制订竞争信道的规则，研究如何避免碰撞的方法，尽可能提高吞吐特性与迟延特性。,一、纯Aloha,工作原理 当任一站有帧送入其发送缓冲器要求发送时，该站不管信道是否忙碌，立即将该帧送入信道发送出去。 当发送站检测出自己发送的帧与其它站发出的帧碰撞后，则发送站独立地延
8、迟一个随机时间后再把该帧发送出去。 如果再发生碰撞，则重复以上过程直至帧发送成功。,性能分析,吞吐特性：纯Aloha协议的吞吐特性很差，其最大值为18.4%。 迟延特性,二、时隙Aloha协议,工作原理 时隙Aloha协议是纯Aloha协议的改进。 把信道传输时间按帧长T为单位分成一个一个的时间段，并把每帧的发送时刻限制在每个时间段的起始时刻。,性能分析,吞吐量特性：由于时隙Aloha的冲突窗口比纯Aloha减少了一半，使其最大吞吐量比纯Aloha增大了一倍。 迟延特性：,第三节 CSMA协议,CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波监测多址接入)是在Aloh
9、a协议的基础上改进的随机竞争类MAC协议，性能比Aloha大大提高且算法简单，在实际中得到广泛应用。,一、CSMA协议的工作原理,每站发送前先检测信道状态，是否发送根据信道的状态来决定。 对于广播信道，如果信道上有帧存在，则每个站都可检测到发送数据的载波，从而知道信道处于忙碌状态。 信号传输时延和检测到信道空闲后安排发送的时机是影响CSMA吞吐特性的主要参数。,二、非持续型CSMA,非持续型CSMA由下列算法描述。 帧到达发送缓冲器，等待发送。 检测信道，如果信道空闲，则发送帧；如信道忙碌，则选择随机时延，开始延时； 延时结束后，开始上一步。,三、持续型CSMA,当信道忙碌时，持续型CSMA将
10、持续监测信道，直至信道空闲。 根据信道空闲后是否立即发送，又可分为1-持续型CSMA和p-持续型CSMA。,1-持续型CSMA,1-持续型CSMA由下列算法描述。 帧到达发送缓冲器，等待发送； 监测信道，如果信道空闲，则发送帧，然后返回；如果信道忙碌，则重新开始。,p-持续型CSMA,如果由两个以上的站监测到信道空闲，1-持续型CSMA必然导致碰撞发生。P-持续型可以减小这种碰撞的可能性。 帧到达发送缓冲器，等待发送； 监测信道，如果信道忙碌，则重新开始检测，如果信道空闲，在0，1区间内选择一个随机数，若p，则发送帧；否则暂停监测信道，并开始延时； 延时结束后，转至上一步。,Aloha与各种C
11、SMA的性能比较,时隙非持续CSMA具有最大的吞吐量，但是在总业务量G较小时，1-持续CSMA和p-持续型CSMA吞吐量最大。 选择合适的p值，可使p-持续型CSMA的延迟特性最好；当s值较小时，1-持续型CSMA的延迟最小。 无论是哪一种CSMA，其性能都比Aloha的性能有显著改善。,第四节 适用于无线传输媒体的MAC协议,依据实际的通信环境因素，例如所用的传输媒体、通信范围、业务量大小等，在CSMA的基础上做适当的改进，往往可以得到性能良好且实现简单的MAC协议。,有线局域网的CSMA/CD协议,CSMA/CD（带碰撞检测的CSMA）是在1-持续型CSMA的基础上增加碰撞检测功能，从而使
12、性能大大改善。 当发送帧时，仍持续监测信道，一旦发现信道上发生了碰撞，则立即中止该帧的发送； 当帧发送结束后，再持续2的时间继续监测信道，如监测不到碰撞，可确认该帧已发送成功，这里指最大传播时延。,一、CSMA/CA,当信道上总业务量很低时，以1-持续型CSMA模式工作，而当总业务量较高时切换至p-持续型CSMA模式工作。可使CSMA/CA的性能优于任何一种CSMA。 对各站设置不同的优先级，当监测到信道忙碌时，以各站的优先级来确定其退避时延的大小，优先级高的退避时间短，反之退避时间长。,探询脉冲CSMA/CA,CSMA/CA的基础协议是1-持续CSMA。 每站在监测到信道空闲时，不是立即发送
13、数据帧，而是在冲突探询窗口之内（传播时延之内）先发送一些探询脉冲序列，每个脉冲的长度都固定一致。 未发送探询脉冲时应先监测信道，如果监测到其它站发送的脉冲序列，则认为其它站正在试探信道。 如果正在发送探询脉冲的站在冲突窗口时间内监测不到其它站发送的探询脉冲，则认为只有自己在试探信道，在冲突探询窗口之后把数据帧发送出去。 冲突探询窗口大小的选择非常重要，如选得太小，则无法达到避免碰撞的效果，如选得过大，反而造成吞吐性能及迟延性能恶化。,二、BTMA,由于地理障碍的影响，使网络中某些站接收不到其它站发射的信号，从而无法通信，即“隐藏终端”问题。 BTMA方式设置一个中心站，且假定该中心站的信号可到
14、达所有其它站。 除广播信道外，BTMA还设置一个下行辅助信道。当数据信道忙碌时，中心站经由辅助信道把“信道忙碌”的消息广播给所有站。 各站靠监测辅助信道间接完成CSMA的载波监测功能，其它工作原理与CSMA相同。,三、ISMA,ISMA方式也在网络中设置一个中心站，但不要求设置专用辅助信道。 当信道空闲时，中心站周期地广播表示信道空闲的短的指示帧。 某站如有数据帧等待发送，需监测信道，收到了指示帧才可开始发送。 为了避免碰撞，可采取类似p-持续CSMA的策略，即当监测到指示帧后，以概率p发送数据帧，以概率1-p退避。,1.画出无线局域网的两种拓扑结构。 2.到现在为止，共有几种无线局域网标准，每种标准的频带和速率是多少？ 3.CSMA/CA协议和CSMA/CD协议的区别。,
