第四章

1. 第四章 介质（媒体）访问控制子层 Medium Access Control Sublayer

2. 本章主要内容 • 信道分配策略 • 多址协议 • 令牌环网 • 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 • 无线局域网 • 数据链路层交换：网桥，虚拟局域网

3. 几个术语 • Multiaccess channel：多址信道 • random access channel：随机访问信道 • medium：介质，媒体，信道 • medium access：使用信道发送数据 • medium access control（MAC）：决定谁可以使用信道发送数据

4. 1 信道分配策略 • 静态分配： • 固定分配信道的方式，如FDM和同步TDM； • 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。 • 动态分配： • 按需分配信道的方式，如异步TDM； • 适用于用户数多且数量可变、突发通信的情况。

5. 信道分配策略（2） • 动态分配的三种策略： • 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。 • 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。 • 有限竞争方式：以上两种方式的折衷。

6. 2多址协议 • ALOHA • 载波侦听多址协议（CSMA） • 无冲突协议 • 有限竞争协议 • 无线局域网协议

7. 2.1 ALOHA系统（1） • 纯ALOHA的基本思想： • 任何节点有数据发送就可以发送； • 每个节点通过监听信道判断是否发生了冲突； • 一旦发现冲突，随机等待一段时间后重新发送。 • 随机访问信道的效率： • 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。

8. 几个概念 • 帧时（frame time）：发送一个标准长度的帧所需的时间。 • N：每帧时内系统产生的新帧数目（0<N<1) • G：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。 • P0：发送的帧不产生冲突的概率。 • S：系统吞吐量，指每帧时内系统能够成功传输的帧数，S = GP0。

9. 纯ALOHA的易损时间区

10. 纯ALOHA系统的信道效率 • 假设G服从泊松分布，则： • 在一个给定的帧时内，产生k个帧的概率为： Pr[k]= Gke-G/k! • 在一个给定的帧时内，没有帧出现的概率为： Pr[0]= e-G • 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-G×e-G = e-2G • S = GP0 = Ge-2G • 当G = 0.5时，S达到最大值，为0.184。

11. ALOHA系统（2） • 时分ALOHA的基本思想 • 将时间分成离散的时间片（slot），每个时间片用来传输一个帧； • 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。 • 时分ALOHA系统要求全局时钟同步。

12. 时隙ALOHA的易损时间区

13. 时分ALOHA系统的信道效率 • 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。 • P0 = e-G • S =GP0 = Ge-G • 当G = 1时，S达到最大值，为0.368。

14. 纯ALOHA和时分ALOHA的性能比较

15. 2.2 载波侦听多址协议--Carrier Sense Multiple Access Protocols • 1-坚持CSMA • 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。 • 影响协议性能的因素：信号传播延迟，1-坚持的策略。 • 该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。

16. CSMA协议（续） • 非坚持CSMA • 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。 • 信道利用率高于1-坚持CSMA，但延迟特性要差些 。

17. CSMA协议（续） • p-坚持CSMA，适用于时分信道： • 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。 • 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。

18. 几个CSMA协议的性能比较

19. 2.3 CSMA/CD--CSMA with Collision Detection • 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。 • 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。 • 协议的效率近似为：η= 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。 • 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。

20. CSMA/CD的状态周期

21. 2.4 无冲突协议（1） • 位图协议： • 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。 • 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，不考虑其它开销，信道效率为：η= d/(N + d)。 • 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：η= d/(d+1) 。

22. 位图协议

23. 无冲突协议（2） • Binary Countdown： • 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。 • 不考虑其它开销，信道效率为： η= d/(d+log2N)。 • 若将地址作为帧的第一个字段，则信道效率：η= 100%。

24. Binary Countdown图示

25. 无冲突协议（3） • 令牌传递协议： • 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。 • 节点收到令牌后，若没有数据发送，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。 • 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。

26. 2.5 有限竞争协议 • 竞争协议：轻负载下延迟特性好，重负载下信道利用率低。 • 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。 • 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。

27. 协议基本思想 • 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。 • 组内节点数随系统负载的变化动态调整，负载轻则节点数多，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。 • 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。

28. 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

29. 2.6 无线局域网协议 • 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）

30. Ad Hoc模式的无线网络 • 单个节点的通信范围不能覆盖整个网络，即节点的活动不能被网络中所有节点检测到。这种网络也称多跳无线网络。 • 若节点位于两个发送节点的通信范围内，该节点接收失败。

31. 为什么CSMA不适用于多跳无线网络？

32. 为什么CSMA不适用于多跳无线网络？ • 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。 • 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。 • 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。

33. Multiple Access with Collision Avoidance • 问题： • 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？ • MACA的基本思想： • 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。

34. MACA协议图示 (a) A sending an RTS to B. (b) B responding with a CTS to A.

35. MACA协议过程 • A向B发送一个RTS帧，帧中给出后继数据帧的长度。 • B收到后回复一个CTS帧，帧中也给出数据帧的长度。 • A收到CTS帧后就可以发送。 • 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，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。 • 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。

36. MACA for Wireless（MACAW） • MACAW是对MACA的改进： • 每当接收端正确收到一个帧后，发送一个确认帧； • 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； • 改进了冲突后的回退算法； • 增加了节点间交换拥塞信息的机制。

37. 3 局域网标准 • IEEE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。 • IEEE 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。 • IEEE 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。 • 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。

38. IEEE 802标准系列

39. 4 令牌环网 • 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。 • 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（边收边发而不是存储转发）。 • 目的节点将数据接收下来，同时仍向下游转发。 • 数据返回到发送节点时，发送节点将其从环上取消。

41. 令牌环的帧结构（1）

42. 令牌环的帧结构（2） • AC：格式为 • T：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。 • PPP：优先级比特，当节点想发送优先级为ｎ的数据帧时，必须捕获到优先级小于或等于ｎ的令牌才能发送。 • RRR：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。 • M：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。

43. 令牌环的帧结构（3） • FS：格式为 • A：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。 • C：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。 • 数据帧返回发送站时，发送站检查A和C，有三种情况： A＝0，C＝0：接收站不存在或没加电； A＝1，C＝0：接收站存在，但没有接收帧； A＝1，C＝1：接收站存在，且接收了该帧。

44. 星型环结构

45. 5 以太网（Ethernet） • 传统以太网 • 交换式以太网 • 快速以太网 • 千兆以太网

46. 5.1 传统以太网（Traditional Ethernet） • 组网方式： • 10Base-5（粗缆以太网）： • 使用粗的基带同轴电缆作为传输介质，采用总线型拓扑； • 数据速率10Mbps，每段电缆最大长度500米。 • 10Base-2（细缆以太网）： • 使用细的基带同轴电缆，采用总线型拓扑； • 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中已很少使用。

47. 图示 Three kinds of Ethernet cabling. (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.

48. 传统以太网组网方式（2） • 10Base-T • 使用3类双绞线和集线器（hub）连接计算机，物理上是星型拓扑，逻辑上是总线型拓扑； • 数据速率10Mbps，双绞线最大长度100米； • 使用RJ-45连接器，插拔非常方便； • 双绞线以太网是连接桌面系统最流行的技术。

49. 传统以太网组网方式（3） • 10Base-F • 使用多模光纤作为传输介质，采用星型拓扑； • 数据速率10Mbps，光纤最大长度2000米。 • 光纤以太网常用于建筑物间的连接。

50. 使用中继器连接多个以太网段