ADHoc自组织网络的MAC接入协议.pptx

信道共享技术及协议信道共享技术及协议 Ad Hoc Ad Hoc 网络的简介网络的简介 Ad Hoc Ad Hoc对对MACMAC协议的影响协议的影响 MAC MAC简介及需解决的问题简介及需解决的问题信道共享技术简介与分类信道共享技术简介与分类 Ad Hoc网络 无线Ad Hoc 网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的网络,又被称作多跳网络(Multi-hop Network)或者自组织网络(Selforganized Network)。AdHoc 网络与传统的蜂窝网络相比：-没有中心控制器没有中心控制器；-所有节点分布式运行所有节点分布式运行；-共同承担网络构造和管理功能共同承担网络构造和管理功能；它可以随时建立和拆除,具有很强的容错性和鲁棒性,广泛地用于军事行动、灾难救援和移动会议、传感器网络等场合。正是由于Ad Hoc 网络的这些特点,使得Ad Hoc中协议的设计和实用面临着很大的挑战挑战：（1）没有中心控制器,节点可以随时接入和离开,使得网络拓扑结构高度动态。（2）无线信道环境非常的恶劣,并且传输带宽也非常有限。由于传输功率等原因,还可能存在单向信道。（3）无线网络靠电池供电,能量有限。这些都对媒体访问控制这些都对媒体访问控制(MAC)协议的设计和实现提协议的设计和实现提出了更高的要求出了更高的要求。Ad Hoc多跳共享多跳共享网络网络在普通的通信系统中，信道共享方式有3种：点对点（广域网）、点对多点（局域网）和多点共享（以太网）。Ad Hoc 属于多跳共享网络。Ad Hoc多跳共享性对多跳共享性对MAC协议的影响协议的影响 共享的含义就是在一个公用的广播信道上实现所有用户的互连和通信。多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的地理位置相关。在一跳共享广播信道中，报文冲突是全局事件，所有节点要么都收到正确的报文，要么都会感知到报文冲突。但在Ad Hoc网络中，报文冲突只是局部事件，发送节点和接收节点感知到的信道状况的不一致性，会带来隐藏终端、暴露终端等一系列的问题。由于Ad Hoc网络特殊的信道共享方式，所以需要设计专用的MAC信道接入协议。什么是什么是MAC协议？协议？介质访问控制，也叫媒体访问控制协议。它定义了数据帧怎样在介质上进行传输（调度）。该协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（逻辑链路控制），和下层的MAC（介质访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层媒体访问控制媒体访问控制MAC逻辑链路控制逻辑链路控制LLCLogicalLinkControlMediaAccessControl向上层提供向上层提供连接环境连接环境对下层提供对下层提供媒体访问方法媒体访问方法局域网的数据链路层模型MAC层需要解决的主要问题层需要解决的主要问题 网络具有特殊的网络组织形式，具有动态性。因此，其信道接入协议面临许多新的问题，这些问题包括：MAC相关的无线接收问题 不同的信道共享方式 暴露终端问题 隐藏终端问题 节点移动的影响Ad Hoc的MAC协议必须尽量消除这些因素的影响。信道共享技术信道共享技术按照多个用户与一个主机连接的方法来划分，主要有以下两大类方法：通过集中器或复用器与主机相连通过集中器或复用器与主机相连使用多点接入技术使用多点接入技术 受控接入受控接入集中式控制:轮叫轮询;传递轮询 分散式控制:令牌环网，传递令牌，获得令牌才有权发送数据 随机接入随机接入所有的站点可随时发送数据，争用信道，易冲突 1.1.通过集中器通过集中器(或复用器或复用器)1)频分复用（FDM）2)时分复用（TDM）3)码分复用（CDMA无线网)4)波分复用（WDM）5)统计时分复用（STDM）原理:集中器按顺序不断扫描个端口,或采用中 断技术来接受用户信息或转发。应用：比较成熟比较成熟信道共享方法（一）信道共享方法（一）2.使用多点接入多点接入技术 原理:通过一个专用信道将所有的用户连接起来.1）受控接入:集中式控制:轮叫轮询。主机按顺序逐个询问各站是否有数据要发送.分散式控制:令牌环网。在环路中有一个特殊的帧，叫“令牌”。令牌沿环路逐站传递。只有获得令牌的站才有权发送信息。2）随机接入：总线型。所有站点可随时发送数据，争用信道，易冲突。ALOHA,CSMA和CSMA/CD 信道共享方法（二）信道共享方法（二）信道共享技术分类信道共享信道共享TDMFDMSTDMATDM随机接入随机接入受控接入受控接入CATVCBXCSMACSMA/CD集中控制集中控制分散控制分散控制轮询轮询令牌令牌静态分配静态分配动态分配动态分配媒体的多路访问控制共享式共享式广播信道广播信道提出的问题提出的问题可能两个（或更多）站点同时请求占用信道可能两个（或更多）站点同时请求占用信道解决办法：信道分配解决办法：信道分配信道的静态分配信道的静态分配信道的动态分配信道的动态分配多路访问信道多路访问信道multiaccesschannel信道的静态分配将信道资源将信道资源N等分等分例如电话干线的例如电话干线的频分复用频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）适于用户数量少且数目固定、通信量大情况适于用户数量少且数目固定、通信量大情况问题问题资源分配不合理，不能满足用户对资源占用资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不同需求的不同需求有资源浪费，效率低有资源浪费，效率低静态多点接入技术静态多点接入技术 -FDMA:为每个用户分配一个固定的频段（频分多址频分多址FrequencyDivisionMultipleAccess）-TDMA:为每个用户分配一个固定的时隙codecode静态分配信道的缺点：仅适用于仅适用于站点较少站点较少、站点数目相对、站点数目相对固定固定且且 每个站点通信量均较大的情形，不适于突发每个站点通信量均较大的情形，不适于突发性数据。性数据。若采用静态分配方式，将信道分为若采用静态分配方式，将信道分为N个独立个独立的子信道，每个子信道的数据率为的子信道，每个子信道的数据率为C/N bps.信道的动态分配通过多路访问协议（通过多路访问协议（MultipleAccessProtocol）动态分配信道资源，提高信道利用率动态分配信道资源，提高信道利用率基本概念基本概念信道争用模型信道争用模型帧的发送方式帧的发送方式信道的状态与检测信道的状态与检测信道争用模型站点站点连接到广播网络中的每一台独立的设备，能够连接到广播网络中的每一台独立的设备，能够产生待发送帧，具有占用信道的产生待发送帧，具有占用信道的平等权利平等权利。单一信道单一信道所有站点都通过同一信道发送所有站点都通过同一信道发送/接收帧，某一接收帧，某一特定时刻只允许一个站点使用信道。特定时刻只允许一个站点使用信道。站点站点1站点站点2站点站点3站点站点N.连续时间连续时间帧允许在任意时刻帧允许在任意时刻t0 发送。发送。时间片（时隙）时间片（时隙）将时间用时钟分离为片段，帧只允许在每个将时间用时钟分离为片段，帧只允许在每个片段的开始瞬间发送。片段的开始瞬间发送。帧的发送方式tt0tt0信道的状态与检测信道的状态信道的状态状态检测方式状态检测方式载波侦听（载波侦听（carriersense）非载波侦听非载波侦听空闲空闲传输传输两个站点同时争用信道发送帧，帧被破坏两个站点同时争用信道发送帧，帧被破坏冲突冲突轮巡轮巡竞争竞争多路访问协议分类随机访问协议随机访问协议特点特点站点争用信道，可能出现站点之间的冲突站点争用信道，可能出现站点之间的冲突受控访问协议受控访问协议特点特点站点被分配占用信道，无冲突站点被分配占用信道，无冲突随机访问随机访问(RandomAccess)Aloha站点可在任意时刻发送帧站点可在任意时刻发送帧检测到冲突，等待一个随机时间后重发检测到冲突，等待一个随机时间后重发SlottedAloha站点只在时间片到来的瞬间发送帧站点只在时间片到来的瞬间发送帧信道利用率提高一倍信道利用率提高一倍CSMA(IEEE802.3和和Ethernet)站点通过载波侦听信道的情况确定发送帧的策略站点通过载波侦听信道的情况确定发送帧的策略典型随机访问协议典型受控访问协议典型受控访问协议受控访问受控访问（ControlledAccess）DemandAdaptive：TokenPassingBusIEEE802.4Ring IEEE802.5IEEE802.7（FDDI）受控多点接入轮询（一）一一.轮叫轮询轮叫轮询 主机轮流查询各站点,问有无数据要发送.如图:NN-121主机收发.二二.传递轮询传递轮询1.问题提出 轮叫轮询的缺点：轮询帧在多点线路上不停的循环往返，形成了相当大的开销，增加了帧的等待时延。2.传递轮询（1）原理：N12N-1主机收发 受控多点接入轮询（二）三、传递轮询与轮叫轮询的比较比较（1）帧延时总是小于同样条件下轮叫轮询（2）站间的距离越大，传递轮询的效果比轮叫 轮询越好。（3）站间的距离小，且信息较大时，二者的好 处不明显。应用：传递轮询的技术教复杂，代价较高。目前应用的轮询轮叫轮询。受控多点接入轮询（三）多点随机接入协议（针对一跳共享的网络）1、ALOHA方式 ALOHA随机接入方式有两种，一种是纯ALOHA方式，一种是分时隙ALOHA方式。两者的区别在于是否将事件分割为离散的时隙空间，即纯ALOHA方式无需全局时间同步,而分时隙ALOHA方式则必须时间同步。两者都适用于任何无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统。纯纯ALOHA：纯ALOHA是一种用户一旦产生需要传输的数据就完全随机的发送到无线信道上去的方式.它既可以工作在无线信道方式，也可以工作在总线式网络中。纯ALOHA系统最大吞吐量为0.184分时隙ALOHA：以一个分组的传输时间为单位，把信道划分为时隙，用户按照这种时隙同步发送分组的。系统最大吞吐量为0.368，是纯ALOHA的2倍。冲突的结果是使冲突的双方（有时也可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重发。但是发生冲突的各站不能马上进行重发，因为这样做就会继续冲突下去。ALOHA系统采用的重发策略是让各站等待一段随系统采用的重发策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重发。机的时间，然后再进行重发。随机接入技术：CSMA和CSMA/CD一.CSMA的几种类型1.什么是CSMA？Carrier Sense Multiple Access 就是载波监听(CS)多点接入(MA)。方法：采用了附加的硬件装置，每个站在发送数据前监听信道上其他站点是否在发送数据。2.CSMA的类型 CSMA与ALOHA的主要区别:多了一个监听装置。载波侦听多路访问协议概述载波侦听（载波侦听（CarrierSense）每个站点在使用信道前，需检测信道是否已每个站点在使用信道前，需检测信道是否已被其他站点占用被其他站点占用CSMA协议分类协议分类非坚持非坚持CSMA坚持坚持CSMAP坚持坚持CSMACSMA/CD(Collision Detection)非坚持CSMA侦听侦听/发送策略发送策略非坚持非坚持CSMA站点发现信道站点发现信道忙则不再侦听，忙则不再侦听，等待一个等待一个随机随机时间时间再开始侦再开始侦听听/发送过程发送过程坚持CSMA（1坚持CSMA）侦听侦听/发送策略发送策略1-坚持坚持CSMA发现信道空发现信道空闲后发送数闲后发送数据（概率为据（概率为1）发现信道忙发现信道忙则持续等待，则持续等待，直至信道空直至信道空闲闲P P-坚持坚持CSMACSMA：听到信道听到信道空闲时，以概空闲时，以概率率p p发送数据，发送数据，即以概率即以概率1-1-p p延迟一段时间延迟一段时间后再发送。后再发送。P-坚持CSMA 性能：轻载时，性能：轻载时，1 1坚持坚持CSMACSMA吞吐吞吐量最大；量最大；重载时，非重载时，非坚持坚持CSMACSMA吞吐量吞吐量最大。最大。缺点：由于传缺点：由于传播时延的存在，播时延的存在，冲突不可避免冲突不可避免CSMA随机接入过程流程图如图：1kmABtA这时发现冲突B这时发现冲突传输延时对载波的影响CSMA/CD对冲突的解决方法对冲突的解决方法方法方法1（坚持与非坚持（坚持与非坚持CSMA）继续完成已经发送的冲突帧的传送过程继续完成已经发送的冲突帧的传送过程方法方法2（CSMA/CD）尽快终止已经破坏的冲突帧的发送过程尽快终止已经破坏的冲突帧的发送过程CSMA/CD概念模型信道的三种状态：信道的三种状态：传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片空闲周期：所有站点都不使用信道空闲周期：所有站点都不使用信道时间时间争用时间片争用时间片toCSMA/CD：带冲突检测的载波监听多点访问 工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。1-1-坚持的坚持的CSMA/CDCSMA/CD：监听到信道空闲就立即发送数据，并监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送。继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送。冲突检测方法：冲突检测方法：比较接收到的信号电压的大小比较接收到的信号电压的大小 检测曼彻斯特编码的过零点检测曼彻斯特编码的过零点 比较接收到的信号与刚发出的信号比较接收到的信号与刚发出的信号 站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点。突，以通知其他站点。如图：CSMA/CD的工作流程