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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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 Detecti
7、onz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
8、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
9、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
10、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
11、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？ z
12、MACA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，
13、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。 zI
14、EEE 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
15、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
16、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
