数据通信与计算机网络-第四章-信道共享.ppt

第第4 4章章 多路复用与信道共享技多路复用与信道共享技术 计算机网算机网络与通信与通信(第第2 2版版)2024/5/27 周一1.数据通信与计算机网络信道共享技术A.1 信道共享技信道共享技术的基本概念的基本概念要解决的要解决的问题：什么时候才可以把数据发到链路上？如何让众多用户合理而方便的共享通信媒体资源？日常生活中常见的信道共享的例子就是召开会召开会议。主要的召开会议的方式有：（1）固定分配发言时间，如学术会议、年终总结会等；（2）由主席管理发言。如听证会、辩论会；（3）不设会议主席，随机发言。如讨论会。信道共享技术的基本思想大都与此类似。2024/5/27 周一2.数据通信与计算机网络信道共享技术A.1 信道共享技信道共享技术的基本概念的基本概念n信道共享技术主要可以分为静态分配和动态分配两大类。n静态分配适用于用户数大致固定且通信量较大的情况。主要主要问题：不够灵活，不能适应拓扑、用户量等变化。因此不适和用户数多且经常变化或通信量具有突发性的情况。典型的静典型的静态分配分配有时分复用分复用、频分复用分复用及码分复用分复用等。n动态分配又可以分为受控多点接入和随机多点接入两大类。受控接入受控接入是指用户接入信道要受到预先设定的控者控者或规则的控制。典型的受控接入技术包括轮叫叫轮询和传递轮询。随机接入随机接入是指各站点通过随机争用随机争用的方式接入信道。主要的随机接入技术有ALOHA，CSMA，和CSMA/CD。计算机网络中信道共享技术的设计原则是公平和效率。对协议性能的分析主要围绕吞吐量和时延两个指标来讨论。2024/5/27 周一3.数据通信与计算机网络信道共享技术第第4章章 多路复用与信道共享技多路复用与信道共享技术 4.1 多路复用技多路复用技术 4.2 信道共享技信道共享技术 2024/5/27 周一4.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1 多路复用技多路复用技术4.1.1 频分多路复用分多路复用(FDM)4.1.2 时分多路复用分多路复用(TDM)4.1.3 波分复用波分复用(WDM)4.1.4 码分复用分复用(CDM)4.1.5 空分复用空分复用(SDM)2024/5/27 周一5.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1 多路复用技多路复用技术n 多路复用多路复用是一种将是一种将若干彼此无关若干彼此无关的信号的信号合并合并成成一路复合信号一路复合信号并在并在一条公用信道一条公用信道上上传输，到达接收端后再，到达接收端后再进行分离的方法。行分离的方法。n 多路复用技多路复用技术包含包含信号复合信号复合、传输和和分离分离三个方面的内容。三个方面的内容。2024/5/27 周一6.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1.1 频分多路复用分多路复用(FDM)n频分多路复用分多路复用是按照是按照频率参量率参量的差的差别来分割信号的。也就来分割信号的。也就是是说，分割信号的参量是，分割信号的参量是频率，只要使率，只要使各路信号的各路信号的频谱互互不重叠不重叠，接收端就可以用，接收端就可以用滤波器把它波器把它们分割开来。分割开来。n把信道的可用把信道的可用频带分割分割为若干条若干条较窄的窄的子子频带，每条子，每条子频带都可以作都可以作为一个独立的一个独立的传输信道信道用来用来传输一路信号。一路信号。为了防止各路信号之了防止各路信号之间的相互干的相互干扰，相，相邻两个子两个子频带之之间需需要留有一定的要留有一定的保保护频带。n由于通由于通过媒媒质传输的复合信号的复合信号一般是一般是模模拟信号信号，因此，当，因此，当输入信号入信号为数字信号数字信号时，应采用采用数模数模转换将数字信号将数字信号转换为模模拟信号，或者由数字信号直接信号，或者由数字信号直接键控控载频形成幅度形成幅度键控控信号。信号。2024/5/27 周一7.数据通信与计算机网络信道共享技术频分多路复用原理分多路复用原理图2024/5/27 周一8.数据通信与计算机网络信道共享技术话音信号音信号频分多路分多路载波通信系波通信系统的原理框的原理框图 复合信号的复合信号的总带宽满足：足：话音信号音信号频分多路复用系分多路复用系统需妥善需妥善处理好两个理好两个问题：防止串防止串话、减少互、减少互调噪声。噪声。2024/5/27 周一9.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1.2 时分多路复用分多路复用(TDM)n 时分多路复用分多路复用通信是指各路信号在通信是指各路信号在同一信道同一信道上上占有占有不同不同时间间隙隙进行通信。具体地行通信。具体地说，就是把，就是把时间分成一些分成一些均匀的均匀的时间间隙隙，将各路信号的，将各路信号的传输时间分配在分配在不同的不同的时间间隙隙，以达到互相分开、，以达到互相分开、互不干互不干扰的目的。的目的。n 目前常用的目前常用的TDM有两种：有两种：同步同步时分多路复用分多路复用和和统计时分多路复用分多路复用。2024/5/27 周一11.数据通信与计算机网络信道共享技术1同步同步时分多路复用分多路复用 只要只要发送端和接收端的送端和接收端的时分多路复用器能分多路复用器能够按按时间分配分配同步地切同步地切换所所连接的接的设备，就能保，就能保证各路各路设备共共用一条信道用一条信道进行相互通信，而且行相互通信，而且彼此互不干彼此互不干扰。2024/5/27 周一12.数据通信与计算机网络信道共享技术1同步同步时分多路复用分多路复用nn路通信路通信设备连接到一条公用信道上，接到一条公用信道上，发送端送端的的时分多路复用器分多路复用器按照按照一定的一定的次序次序轮流流地地给各个各个设备分配一段使用公用信道的分配一段使用公用信道的时间。当。当轮到某个到某个设备使用的使用的逻辑联系被系被暂时切断，待指定的通信切断，待指定的通信设备占用信占用信道的道的时间一到，一到，则同步同步时分多路复用器就将信道切分多路复用器就将信道切换给下一个被指下一个被指定的定的设备。以此。以此类推，一直推，一直轮流到最后一个流到最后一个设备，然后又重新，然后又重新继续开始。开始。n在在接收端接收端，时分多路复用器也是按照一定的分多路复用器也是按照一定的次序次序轮流地流地接通各路接通各路输出，并且与出，并且与输入端入端的的时分多路复用器分多路复用器保持保持同步同步。2024/5/27 周一13.数据通信与计算机网络信道共享技术1同步同步时分多路复用分多路复用TDM的的工作特点工作特点是：是：n第一，通信双方是按照第一，通信双方是按照预先指定的先指定的时隙隙进行通信的，行通信的，而且而且这种种时间关系是关系是固定不固定不变的；的；n第二，就第二，就某一瞬某一瞬时来看，公用信道上来看，公用信道上仅传输某一某一对设备的信号的信号，而，而不是多路复合信号不是多路复合信号，但就，但就一段一段时间而言，公用信道上而言，公用信道上传输着着按按时间分隔的多路复合分隔的多路复合信信号。号。2024/5/27 周一14.数据通信与计算机网络信道共享技术2统计时分多路复用分多路复用n在在传统的的TDM系系统中，以中，以固定分配固定分配时隙隙的方式的方式对来自多个来自多个设备的数据流的数据流进行行组合，然后在合，然后在单一的公用一的公用信道上信道上传输。这种种时分多路复用技分多路复用技术既便宜又可靠，既便宜又可靠，并能降低通信并能降低通信费用。但是，把它用于用。但是，把它用于高速通信高速通信时效率效率较低低。n为了提高了提高时隙的隙的利用率利用率，可以采用，可以采用按需分配按需分配时隙隙的的技技术，即，即动态地分配所需地分配所需时隙，以隙，以避免每避免每帧中出中出现空空闲时隙隙的的现象。以象。以这种种动态分配分配时隙方式工作的隙方式工作的TDM称称为统计时分多路复用分多路复用(STDM)。2024/5/27 周一15.数据通信与计算机网络信道共享技术传统TDM与与STDM 图中有中有4个数据源，并在个数据源，并在4个不同个不同时刻刻(t0t3)出出现数据。数据。2024/5/27 周一16.数据通信与计算机网络信道共享技术2统计时分多路复用分多路复用STDM两种两种子子帧的格式的格式：n每每帧一源一源的格式：的格式：帧末尾末尾标志与志与总帧末尾末尾标志志相同相同。n每每帧多源多源的格式：在一的格式：在一帧中包含多个中包含多个数据源数据源的数据，的数据，此此时除了需要指明除了需要指明数据源的地址数据源的地址外，外，还要要给出出数据字数据字长。2024/5/27 周一17.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1.3 波分复用波分复用(WDM)波分复用就是波分复用就是光的光的频分复用分复用。目前一根。目前一根单模光模光纤的的传输速率可达到速率可达到2.5Gb/s。如采用色散。如采用色散补偿技技术，则一根一根单模光模光纤的的传输速率可达到速率可达到10Gb/s。图4.9波分复用的概念波分复用的概念 2024/5/27 周一18.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1.3 波分复用波分复用(WDM)n图4.9示出了示出了8路路传输速率均速率均为2.5Gb/s的光的光载波波(其波其波长均均为1310nm)，经光光调制后，它制后，它们的波的波长变换到到15501557nm，相，相邻两个光两个光载波相隔波相隔1nm。这8个波个波长很接近的光很接近的光载波波经过光复用器后，在一根光光复用器后，在一根光纤中中传输。n但光信号但光信号传输一段距离后会一段距离后会衰减衰减，因此，因此对衰减了的光信号必衰减了的光信号必须进行行放大后放大后才能才能继续传输。n现在已在已经有了很好的有了很好的掺铒光光纤放大器放大器(EDFA)，它是一种光放，它是一种光放大器。大器。EDFA不需要不需要进行光行光电转换而直接而直接对光信号光信号进行放大行放大。n两个光两个光纤放大器之放大器之间的光的光缆线路路长度可达度可达120km，而光复用，而光复用器和光分用器之器和光分用器之间的的无光无光电转换的距离的距离可达可达600km(只需放入只需放入4个个光光纤放大器放大器)。2024/5/27 周一19.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1.4 码分复用分复用(CDM)n码分复用分复用(CDM)，更常称，更常称为码分多址分多址(CDMA)。n每每个个用用户可可以以在在同同样的的时间使使用用同同样的的频带进行行通通信信。由由于于各各用用户使使用用经过特特殊殊挑挑选的的不不同同码型型，因因此此各各用用户之之间不不会会造成干造成干扰。nCDMA系系统发送送的的信信号号有有很很强的的抗抗干干扰能能力力，其其频谱类似似于白噪声于白噪声。n最最早早应用用于于军事事通通信信中中，随随着着技技术的的进步步，CDMA设备的的价价格格和和体体积都都大大幅幅度度下下降降，现已已广广泛泛使使用用在在民民用用的的移移动通通信信中。中。2024/5/27 周一20.数据通信与计算机网络信道共享技术CDMA工作原理工作原理 n每个比特每个比特时间再划分再划分为m个短的个短的间隔，称隔，称为码片片(chip)。通常。通常m的的值是是64或或128。nCDMA的每个站被指派一个的每个站被指派一个唯一的唯一的m bit码片序列片序列。要要发送比特送比特1，则发送它自己的送它自己的m bit码片序列片序列；要；要发送比特送比特0，则发送送该码片序列的片序列的二二进制反制反码。例如，指派例如，指派给S站的站的8 bit码片序列是片序列是00011011。当。当S站站发送比特送比特1时，就，就发送序列送序列00011011，而当，而当发送比送比特特0时，就，就发送序列送序列11100100。n习惯上，上，S站的站的码片序列片序列记为(-1-1-1+1+1-1+1+1)。2024/5/27 周一21.数据通信与计算机网络信道共享技术CDMA工作原理工作原理 nS站数据率站数据率为bb/s。由于每个比特的信息要。由于每个比特的信息要转成成m个比特的个比特的码片，片，S站站实际据率据率提高到提高到mbb/s，同，同时S站站所占用的所占用的频带也提高到原来的也提高到原来的m倍倍。即。即扩频。n扩频通信通常有两大通信通常有两大类：一种是：一种是直接序列直接序列（DS-CDMA）；另一种是）；另一种是跳跳频(frequencyhopping)扩频方方式（式（FH-CDMA）。）。nCDMA系系统的一个重要特点就是各站的的一个重要特点就是各站的码片序列片序列不不仅必必须各各不相同不相同，而且，而且还必必须互相正交互相正交。n在在实用的系用的系统中使用的是中使用的是伪随机随机码序列序列。2024/5/27 周一22.数据通信与计算机网络信道共享技术CDMA工作原理工作原理用用数学公式数学公式表示表示码片序列的片序列的正交关系正交关系：n两个两个不同站的不同站的码片片序列序列正交正交，就是向量，就是向量S和和T的的规格化内格化内积(innerproduct)为0。n向量向量S和各站和各站码片序列二片序列二进制制反反码的向量的的向量的规格格化化内内积也是也是0。n任何一个任何一个码片向量和片向量和该码片片向量自己向量自己的的规格化格化内内积为1。n一个一个码片向量和片向量和该码片序列二片序列二进制制反反码的向量的的向量的规格化内格化内积是是-1。2024/5/27 周一23.数据通信与计算机网络信道共享技术CDMA工作原理的一个例子工作原理的一个例子nS站站发送数据送数据110，码片序列片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)nT站站发送数据送数据110，码片序列片序列为(-1-1+1-1+1+1+1-1)2024/5/27 周一24.数据通信与计算机网络信道共享技术4.1.5 空分复用空分复用(SDM)n空分复用空分复用(SDM)是利用是利用空空间分割分割构成构成不同信道不同信道的一种多路复用方法。的一种多路复用方法。2024/5/27 周一25.数据通信与计算机网络信道共享技术空分复用技空分复用技术在无在无线传输领域的域的应用用举例例 2024/5/27 周一26.数据通信与计算机网络信道共享技术MIMO技技术nMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)是在空分复用技是在空分复用技术上衍生来的的上衍生来的的多多输入入-多多输出出的方式的方式nMIMO系系统可将可将多径多径作作为一个有利因素加以利用。一个有利因素加以利用。2024/5/27 周一27.数据通信与计算机网络信道共享技术第第4章章 多路复用与信道共享技多路复用与信道共享技术 4.1 多路复用技多路复用技术 4.2 信道共享技信道共享技术 2024/5/27 周一28.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2 信道共享技信道共享技术4.2.1 受控多点接入受控多点接入 4.2.2 随机接入随机接入ALOHA 4.2.3 随机接入随机接入CSMA/CD 4.2.4 令牌令牌传递接入接入 2024/5/27 周一29.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.1 受控多点接入受控多点接入1轮叫叫轮询的性能分析的性能分析主主机机按按顺序序从从站站1开开始始逐逐个个轮询。站站1如如有有数数据据，即即可可发给主主机机。站站1如如无无数数据据，则发送送控控制制帧给主主机机，表表示示无无数数据据可可发。然后主机然后主机询问站站2,，在，在询问完站完站N后，又重复后，又重复询问站站1。轮叫叫轮询的网的网络拓扑拓扑结构构2024/5/27 周一30.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.1 受控多点接入受控多点接入2传递轮询的性能分析的性能分析 前前面面讨论的的轮叫叫轮询存存在在一一个个较大大的的缺缺点点，这就就是是轮询帧在在多多点点线路路上上不不停停地地循循环往往返返，形形成成了了相相当当大大的的开开销，增增加加了了帧的的等等待待时延延。为了了克克服服这一一缺点，可以采用缺点，可以采用传递轮询的的办法。法。传递轮询工作示意工作示意图2024/5/27 周一31.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.1 受控多点接入受控多点接入传递轮询与与轮叫叫轮询的比的比较：(1)传递轮询的的帧时延延总是是小于小于同同样条件下的条件下的轮叫叫轮询的的时延。延。(2)站站间的的距离越大距离越大，传递轮询的效果的效果就比就比轮叫叫轮询的越好。的越好。(3)站站间距离距离较小小且且通信量通信量较大大时，传递轮询带来来的好的好处就不太明就不太明显。传递轮询系系统实现起来起来技技术上比上比较复复杂，代价也代价也较高高，因此在目前，因此在目前实用的用的轮询系系统中，主要中，主要还是使用是使用轮叫叫轮询系系统。2024/5/27 周一32.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.2 随机接入随机接入ALOHAn轮询技技术在在网网络的的通通信信量量较小小时，系系统的的工作效率工作效率较低低。n当当网网络的的通通信信量量较小小时，让用用户自自由由地地发送数据送数据随机接入随机接入。n最最早早在在美美国国夏夏威威夷夷大大学学计算算中中心心的的无无线网网络ALOHA系系统中中采采用用，称称为“ALOHA”方法。方法。2024/5/27 周一33.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHA纯ALOHAALOHA的工作原理的工作原理设所有站所有站发送的送的帧都都是定是定长的的，且用，且用发送送时间而不是比特数来表示。而不是比特数来表示。要点要点：每个站自由地：每个站自由地发送数据送数据帧，若出，若出现冲冲突突，各站，各站等待等待一段随机一段随机的的时间再再重重发，直到成，直到成功功为止。止。2024/5/27 周一34.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHA为便于分析，我便于分析，我们做如下做如下假假设：(1)广播式信道本身是不广播式信道本身是不产生差生差错的的理想信道理想信道；(2)每个每个节点的点的帧到达到达为泊松泊松过程程，帧长度固定度固定相等相等，每，每帧的的发送送时间为秒；秒；(3)单位位时间内内进入信道入信道的的总业务量量为G，其中成，其中成功功传输的的业务量量为S，则有：有：G=S+(单位位时间内的内的重重传帧数数)2024/5/27 周一35.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHA在一个在一个帧发送期送期间tf及之前共及之前共2（这里里=tf）秒的）秒的时间区区间，被称，被称为“易易损区区间”。如能保。如能保证在在这个区个区间内信道上只存在当前内信道上只存在当前这个个帧在在传输，则这个个帧必能必能成功成功传输。根据泊松分布公式，当根据泊松分布公式，当单位位时间内的内的帧到达率到达率为G时，则在期在期间内出内出现k个个帧的概率的概率为：2024/5/27 周一36.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHA 在易在易损区区间内内成功成功传输一个一个帧的概率的概率应是是“前一内前一内不不发送送帧”和和“后一个内只后一个内只发送送个个帧”这两事件同两事件同时发生的概率，生的概率，则成功概率成功概率为：成功概率也即系成功概率也即系统吞吐率吞吐率：ALOHA系系统的的S-G特性曲特性曲线 2024/5/27 周一37.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHAnALOHA系系统的的帧传输时延通常用延通常用时延吞吐特性延吞吐特性来来描述。描述。n定定义帧传输时延延D是从一个是从一个帧发送到被接收送到被接收节点成点成功接收功接收为止的一段止的一段时间间隔。隔。n归一化的一化的帧传输时延延D可表示可表示为式中，第一式中，第一项是成功是成功传输的一次的一次归一化一化时延；第二延；第二项是是归一化的一化的传播播时延，第三延，第三项是由于碰撞而引起是由于碰撞而引起E次重次重传所引起的所引起的时延延，其中，其中是每次重是每次重传所需的平所需的平均均时延。延。问题归结为求求E和和。2024/5/27 周一38.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHA不不难得出一个得出一个帧的的平均平均发送次数送次数就等于就等于G/S。抛去。抛去成功的一次，成功的一次，则平均重平均重传次数次数为：实际中通常采用的一种中通常采用的一种简单重重传策略策略是：当是：当发送站送站检出自己出自己发送的送的帧出出错后，立即后，立即计算一个在算一个在1,K区区间内均匀分布的随机数内均匀分布的随机数k，据此延，据此延迟ktf秒后再重秒后再重传被碰撞被碰撞的的帧，则归一化后的平均一次重一化后的平均一次重传时延延为：最后有：最后有：2024/5/27 周一39.数据通信与计算机网络信道共享技术2时隙隙ALOHAn前述非前述非时隙隙ALOHA系系统只只给出了出了约0.184的最大吞的最大吞吐率。吐率。为了提高吞吐率，需要了提高吞吐率，需要设法减少各法减少各节点点发送送帧时发生冲突生冲突的机会。的机会。n时隙隙ALOHA系系统(简记为S-ALOHA)的的吞吐率吞吐率比非比非时隙隙ALOHA系系统的确的确实提高了一倍提高了一倍。nS-ALOHA系系统的的帧传输时延延D比非比非时隙隙ALOHA系系统的的时延延小小。2024/5/27 周一40.数据通信与计算机网络信道共享技术为了了提高吞吐量提高吞吐量，需要，需要降低冲突的概率降低冲突的概率。通。通过给信道信道划分划分时隙隙可以达到降低冲突概率的要求，可以达到降低冲突概率的要求，付出的代价就是要把各站在付出的代价就是要把各站在时间上同步上同步起来。起来。2时隙隙ALOHA2024/5/27 周一41.数据通信与计算机网络信道共享技术工作原理工作原理把信道在把信道在时间上上划分划分成等成等长的的时隙隙，时隙隙长度等于度等于帧的的发送送时间 ，帧到达各站后，不能立即到达各站后，不能立即发送，必送，必须等到等到一个一个时隙的开始隙的开始时才能才能发送送。性能分析性能分析S-ALOHA发送成功的条件送成功的条件是是:两个两个帧到达到达时间属于不同属于不同时隙，与隙，与纯ALOHA比降低了冲突概率。比降低了冲突概率。2时隙隙ALOHA2024/5/27 周一42.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 随机接入随机接入CSMA/CDn在在ALOHA中，各站要中，各站要发送数据送数据帧时，不考不考虑信道当信道当前的状前的状态，即不管信道是忙，即不管信道是忙还是是闲，就，就马上上发送数据送数据帧，这存在存在严重的重的盲目性盲目性。所以。所以ALOHA的的吞吐量很低吞吐量很低。n要要进一步一步提高系提高系统吞吐率吞吐率，还应进一步一步设法减少法减少节点点间发送送冲突的概率冲突的概率。n为此，除了此，除了缩小易小易损区区间(这也是有限度的也是有限度的)外，外，还可可以从以从减少减少发送策略的盲目性送策略的盲目性着手，在着手，在发送之前送之前进行行“载波波监测”来确定来确定信道忙信道忙闲状状态，然后再决定，然后再决定帧发送与否送与否，即，即载波波侦听多址接入听多址接入(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)方式。方式。2024/5/27 周一43.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 CSMA的基本原理的基本原理 任一个网任一个网络节点在它有点在它有帧欲欲发送之前送之前，先先监测一一下广播信道中是否存在下广播信道中是否存在别的的节点正在点正在发送送帧的的载波波信号。如果信号。如果监测到到这种信号种信号，说明信道正明信道正忙忙，否否则信道是信道是空空闲的。然后，根据的。然后，根据预定的控制策略来定的控制策略来决定决定：(1)若若测得得信道是信道是闲的，的，应该立即将自己的立即将自己的帧发送送出去出去？还是是为慎重起慎重起见暂时不不发送送出去出去？(2)若若测得得信道是忙信道是忙的，的，应该继续坚持持监测载波波？还是是暂时退避退避一段一段时间再再监测？2024/5/27 周一44.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 随机接入技随机接入技术：CSMAn载波波监听多点接入（听多点接入（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）是是对ALOHA技技术的的进一步改一步改进。nCSMA就是在就是在发送前送前先先监听信道听信道，确定信道是否空，确定信道是否空闲，再根据信道的情况决定是否再根据信道的情况决定是否发送。当然，送。当然，代价代价是要增是要增加加载波波监听装置。听装置。根据根据监听策略的不同，听策略的不同，CSMA可以分可以分为以下三种以下三种类型：型：（1）非非坚持持CSMA（Non-persistent）（2）1-坚持持CSMA（1-persistent）（3）p-坚持持CSMA（p-persistent）2024/5/27 周一45.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 随机接入技随机接入技术：CSMA三种三种CSMACSMA策略的特点如下：策略的特点如下：n非非坚持持:一旦听到信道一旦听到信道忙忙，就，就随机延随机延时一段一段时间再重新再重新监听。很听。很可能在重新可能在重新监听前，听前，信道已信道已经空空闲了。了。不不能充分利用信道的空能充分利用信道的空闲时间，影响了信道，影响了信道利用率。在通信量不利用率。在通信量不大大时，平均，平均时延延较大。大。非坚持CSMA2024/5/27 周一46.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 随机接入技随机接入技术：CSMA三种三种CSMACSMA策略的特点如下：策略的特点如下：n1-1-坚持持:如果如果信道忙信道忙坚持持监听听，而一旦听到，而一旦听到信道空信道空闲就就马上上发送数据送数据，可以，可以充分利用信道的空充分利用信道的空闲时间。但当但当通信量通信量较大大时，若，若两两个以上个以上的站的站同同时监听信道听信道，那么就必然会那么就必然会发生生冲突冲突，反而不利于吞吐量的提高。反而不利于吞吐量的提高。1-坚持CSMA2024/5/27 周一47.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 随机接入技随机接入技术：CSMA三种三种CSMACSMA策略的特点如下：策略的特点如下：np-p-坚持持:在一定程度上可以在一定程度上可以克服克服1-1-坚持的缺点。但持的缺点。但p p的的选择和通信量有关，而通信和通信量有关，而通信量通常是量通常是变化的，化的，如何如何选择合适的合适的p p较为困困难。P-坚持CSMA2024/5/27 周一48.数据通信与计算机网络信道共享技术4.2.3 随机接入技随机接入技术：CSMA非坚持CSMA1-坚持CSMAP-坚持CSMA2024/5/27 周一49.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CD载波波监听多点接入听多点接入/碰撞碰撞检测（CSMA with Collision Detection）。nCSMA通通过在在发送前送前监听信道，降低了冲突的概率。但由于听信道，降低了冲突的概率。但由于传播播时延延的的存在，存在，冲突冲突还是不可避免的是不可避免的。n电磁波在磁波在总线上的有限上的有限传播速率的影响播速率的影响,当某个站当某个站监听到听到总线是空是空闲时，也可能也可能总线并非真正是空并非真正是空闲的。的。nA 向向 B 发出的信息，要出的信息，要经过一定的一定的时间后才能后才能传送到送到 B。nB 若在若在 A 发送的信息到达送的信息到达 B 之前之前发送自己的送自己的帧(因因为这时 B 的的载波波监听听检测不到不到 A 所所发送的信息送的信息)，则必然要在某个必然要在某个时间和和 A 发送的送的帧发生生碰撞碰撞。n碰撞的碰撞的结果是两个果是两个帧都都变得得无用无用。2024/5/27 周一50.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CD1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=t=0单程端到端传播时延记为 2024/5/27 周一51.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CD载波波监听多点接入听多点接入/碰撞碰撞检测（CSMA with Collision Detection）。nCSMA通通过在在发送前送前监听信道，降低了冲突的概率。但由于听信道，降低了冲突的概率。但由于传播播时延延的存在，的存在，冲突冲突还是不可避免的是不可避免的。然而，。然而，CSMA一旦开一旦开始始发送，就送，就不管是否不管是否发生冲突生冲突（或碰撞）都（或碰撞）都坚持把要持把要发送的送的数据数据帧发完。所以完。所以只要只要发生冲突生冲突，信道就被浪信道就被浪费一段一段时间 。帧长越大，浪越大，浪费越越严重。重。n为了减小了减小这种浪种浪费，CSMA/CD在在CSMA的基的基础上增加了上增加了碰碰撞撞检测功能功能，即在，即在发送数据送数据帧的同的同时，继续监听信道听信道，如果，如果监听到听到发生冲突，生冲突，则冲突的双方必冲突的双方必须停止停止发送送，使信道很快，使信道很快空空闲下来，提高了下来，提高了信道利用率信道利用率。2024/5/27 周一52.数据通信与计算机网络信道共享技术1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 2024/5/27 周一53.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CDn“碰撞碰撞检测”就是就是计算机算机边发送数据送数据边检测信道信道上的信号上的信号电压大小。所大小。所谓“碰撞碰撞”就是就是发生了冲突。因此生了冲突。因此“碰撞碰撞检测”也称也称为“冲突冲突检测”。n碰撞碰撞检测的方法的方法：信号信号电平法；平法；编码规则法；逐比特比法；逐比特比较法法。n当几个站同当几个站同时在在总线上上发送数据送数据时，总线上的信号上的信号电压摆动值将会增大将会增大（互相叠加）。（互相叠加）。n当一个站当一个站检测到的信号到的信号电压摆动值超超过一定的一定的门限限值时，就就认为总线上至少有两个站同上至少有两个站同时在在发送数据，表明送数据，表明产生了生了碰撞碰撞。2024/5/27 周一54.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CD载波波监听多点接入听多点接入/碰撞碰撞检测（CSMA with Collision Detection）。n在在实际的网的网络中，当中，当检测到冲突后，到冲突后，立即停止立即停止发送外送外，还通通过发送若干比特的送若干比特的人人为干干扰强化冲突化冲突，以便，以便让所以用所以用户都知道都知道发生了冲突。生了冲突。n免得免得继续浪浪费网网络资源，然后源，然后等待一段随机等待一段随机时间后再次后再次发送。送。nCSMA/CD的原理的原理可以可以简练地概括地概括为先听后先听后发，边听听边发，冲，冲突停突停发，随机重，随机重发。2024/5/27 周一55.数据通信与计算机网络信道共享技术qCSMA/CD强化冲突的示意图(B也能检测到冲突，但图中未绘出B发送的干扰信号)4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CD数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突出现冲突信道占用时间A 发送数据B 检测到冲突56.数据通信与计算机网络信道共享技术CSMA/CD确确认式数据式数据传输过程程 2024/5/27 周一57.数据通信与计算机网络信道共享技术CSMA/CD确确认方式的工作流程方式的工作流程 2024/5/27 周一58.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CDn实际网网络中（如中（如应用最广的以太网）使用的就是用最广的以太网）使用的就是1坚持持CSMA/CD。n为了保了保证系系统的的稳定性定性，以太网采用了，以太网采用了截断二截断二进制指数制指数类型型退避算法退避算法（truncated binary exponential type backoff algorithm）决定）决定重重发帧所需的所需的时延。延。n在需要在需要重重发时，该算法从离散整数集合算法从离散整数集合 中中随机取一个数随机取一个数，用，用 表示，其中表示，其中 。重。重发所需所需时延延就是就是 倍的基本退避倍的基本退避时间（事先（事先约定，如定，如 ）。重）。重发16次不成功，次不成功，丢弃弃该帧，并向高，并向高层报告。告。这种算法，种算法，时延随重延随重发次数增大，故称次数增大，故称动态退避退避。即使采用。即使采用1坚持策略，持策略，整个系整个系统也是也是稳定的。定的。2024/5/27 周一59.数据通信与计算机网络信道共享技术4.3 随机接入技随机接入技术：CSMA/CDnCSMACD的的工作工作过程程可概括可概括为以下以下4步：步：n第一步第一步：如果介：如果介质信道空信道空闲，则可可进行行发送。送。n第二步第二步：如果介：如果介质信道有信道有载波波(忙忙)，则继续对信道信道进行行侦听，一旦听，一旦发现空空闲，便立即，便立即发送。送。n第三步第三步：如果在：如果在发送送过程中程中检测到碰撞，到碰撞，则停止自停止自己的正常己的正常发送，送，转而而发送一短送一短暂的干的干扰信号，信号，强化化碰撞信号，使碰撞信号，使LAN上所有站都能知道出上所有站都能知道出现了碰撞。了碰撞。n第四步第四步：发送了干送了干扰信号后，退避一随机信号后，退避一随机时间，重，重新新尝试发送。送。2024/5/27 周一60.数据通信与计算机网络信道共享技术思考思考题题n数据数据链路路层的功能是什么？的功能是什么？差差错控制控制 链路管理（信道共享）路管理（信道共享）定界与同步定界与同步 寻址址 流量控制流量控制 透明透明传输n 在停止等待在停止等待协议中，中，应答答帧为什么不需要序号？什么不需要序号？n何何为冲突？在冲突？在CSMA/CD中如何解决冲突？中如何解决冲突？载波波监听听出出现冲突后，延冲突后，延迟等待不同等待不同时间重重发 2024/5/27 周一61.数据通信与计算机网络信道共享技术谢谢大家大家AnyQuestion?62.数据通信与计算机网络信道共享技术2统计时分多路复用分多路复用nSTDM存在的一些潜在的技存在的一些潜在的技术缺陷：缺陷：时延延问题。nSTDM常用的三种常用的三种缓冲控制技冲控制技术：n 同信道信号同信道信号传输n 异信道信号异信道信号传输n 降低降低时钟，减，减缓数据吞吐量。数据吞吐量。前两种技前两种技术可用于控制异步可用于控制异步终端的数据流，而端的数据流，而后一种技后一种技术适用于同步适用于同步终端。端。2024/5/27 周一63.数据通信与计算机网络信道共享技术1非非时隙隙ALOHA非非时隙隙ALOHA的工作原理的工作原理 2024/5/27 周一64.数据通信与计算机网络信道共享技术A.5 随机接入技随机接入技术：CSMA/CDn争用期（争用期（contention period），），由于由于传播播时延延的存在，每个站的存在，每个站发送送数据数据刚开始的一个很短的开始的一个很短的时间内内，由于，由于传播播时延的存在，仍有可能延的存在，仍有可能发生冲突。我生冲突。我们将将这段可能段可能发生冲突的生冲突的时间间隔称隔称为争用期。争用期。AB信道占用时间冲突干扰信号A检测到冲突B发送数据n总线争用期争用期等于等于 ，而，而 ，所以，所以n争用期争用期越是小于一个越是小于一个帧的的发送送时间，CSMA/CD的的优越性就越越性就越显著。相反，著。相反，对时延延较大大的的卫星信星信道，其争用期可能比道，其争用期可能比帧的的发送送时间还长，故，故CSMA/CD不适用于不适用于卫星信道。星信道。2024/5/27 周一65.数据通信与计算机网络信道共享技术不同的数据速率所需的子不同的数据速率所需的子频带间隔隔 表表4.1FDM的子的子频带间隔隔速 率(b/s)间 隔Hz速 率(b/s)间 隔Hz75120450720110170600960150240120018003004802024/5/27 周一66.数据通信与计算机网络