数据通信与计算机网络第四章信道共享ppt课件.ppt

第第4 4章章 多路复用与信道共享技术多路复用与信道共享技术 计算机网络与通信计算机网络与通信(第第2 2版版)1A.1 信道共享技术的基本概念信道共享技术的基本概念要解决的问题要解决的问题：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议召开会议。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。2A.1 信道共享技术的基本概念信道共享技术的基本概念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。主要问题：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。典型的静态分配典型的静态分配有时分复用时分复用、频分复用频分复用及码分复用码分复用等。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规则的控制。典型的受控接入技术包括轮叫轮询轮叫轮询和传递轮询传递轮询。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。3第第4章章 多路复用与信道共享技术多路复用与信道共享技术 4.1 多路复用技术多路复用技术 4.2 信道共享技术信道共享技术 44.1 多路复用技术多路复用技术4.1.1 频分多路复用频分多路复用(FDM)4.1.2 时分多路复用时分多路复用(TDM)4.1.3 波分复用波分复用(WDM)4.1.4 码分复用码分复用(CDM)4.1.5 空分复用空分复用(SDM)54.1 多路复用技术多路复用技术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传输，到达接收端后再进行分离的方法。上传输，到达接收端后再进行分离的方法。n 多路复用技术包含多路复用技术包含信号复合信号复合、传输传输和和分离分离三个方面的内容。三个方面的内容。64.1.1 频分多路复用频分多路复用(FDM)n频分多路复用频分多路复用是按照是按照频率参量频率参量的差别来分割信号的。也就的差别来分割信号的。也就是说，分割信号的参量是频率，只要使是说，分割信号的参量是频率，只要使各路信号的频谱互各路信号的频谱互不重叠不重叠，接收端就可以用滤波器把它们分割开来。，接收端就可以用滤波器把它们分割开来。n把信道的可用把信道的可用频带分割频带分割为若干条较窄的为若干条较窄的子频带子频带，每条子频，每条子频带都可以作为带都可以作为一个独立的传输信道一个独立的传输信道用来传输一路信号。为用来传输一路信号。为了防止各路信号之间的相互干扰，相邻两个子频带之间需了防止各路信号之间的相互干扰，相邻两个子频带之间需要留有一定的要留有一定的保护频带保护频带。n由于通过媒质由于通过媒质传输的复合信号传输的复合信号一般是一般是模拟信号模拟信号，因此，当，因此，当输入信号输入信号为为数字信号数字信号时，应采用时，应采用数模转换数模转换将数字信号转换将数字信号转换为模拟信号，或者由数字信号直接键控载频形成幅度键控为模拟信号，或者由数字信号直接键控载频形成幅度键控信号。信号。7频分多路复用原理图频分多路复用原理图8话音信号频分多路载波通信系统的原理框图话音信号频分多路载波通信系统的原理框图 复合信号的复合信号的总带宽总带宽满足：满足：话音信号频分多路复用系统需妥善处理好两个问题：话音信号频分多路复用系统需妥善处理好两个问题：防止串话、减少互调噪声。防止串话、减少互调噪声。94.1.2 时分多路复用时分多路复用(TDM)n 时分多路复用时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时间间隙不同时间间隙进行通信。具体地说，就是把进行通信。具体地说，就是把时间分成一些时间分成一些均匀的时间间隙均匀的时间间隙，将各路信号的，将各路信号的传传输时间输时间分配在分配在不同的时间间隙不同的时间间隙，以达到互相分开、，以达到互相分开、互不干扰的目的。互不干扰的目的。n 目前常用的目前常用的TDM有两种：有两种：同步时分多路复用同步时分多路复用和和统计时分多路复用统计时分多路复用。111同步时分多路复用同步时分多路复用 只要发送端和接收端的时分多路复用器能够只要发送端和接收端的时分多路复用器能够按时间按时间分配分配同步地切换同步地切换所连接的设备所连接的设备，就能保证各路设备共，就能保证各路设备共用一条信道进行相互通信，而且用一条信道进行相互通信，而且彼此互不干扰彼此互不干扰。121同步时分多路复用同步时分多路复用nn路通信设备连接到一条公用信道上，路通信设备连接到一条公用信道上，发送端发送端的的时分多路复用器时分多路复用器按照按照一定的一定的次序轮流次序轮流地给各个设备地给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时间。当轮。当轮到某个设备使用的逻辑联系被暂时切断，待指定的通信设备占用信到某个设备使用的逻辑联系被暂时切断，待指定的通信设备占用信道的时间一到，则同步时分多路复用器就将信道切换给下一个被指道的时间一到，则同步时分多路复用器就将信道切换给下一个被指定的设备。以此类推，一直轮流到最后一个设备，然后又重新继续定的设备。以此类推，一直轮流到最后一个设备，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，时分多路复用器也是按照一定的次序轮流地次序轮流地接通各路输接通各路输出，并且与出，并且与输入端输入端的的时分多路复用器时分多路复用器保持保持同步同步。131同步时分多路复用同步时分多路复用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时隙预先指定的时隙进行通信的，进行通信的，而且这种时间关系是而且这种时间关系是固定不变固定不变的；的；n第二，就第二，就某一瞬时某一瞬时来看，公用信道上来看，公用信道上仅传输某一对仅传输某一对设备的信号设备的信号，而，而不是多路复合信号不是多路复合信号，但就，但就一段时间一段时间而言，公用信道上传输着而言，公用信道上传输着按时间分隔的多路复合按时间分隔的多路复合信信号。号。142统计时分多路复用统计时分多路复用n在在传统的传统的TDM系统中，以系统中，以固定分配时隙固定分配时隙的方式对的方式对来自多个设备的数据流进行组合，然后在单一的公用来自多个设备的数据流进行组合，然后在单一的公用信道上传输。这种时分多路复用技术既便宜又可靠，信道上传输。这种时分多路复用技术既便宜又可靠，并能降低通信费用。但是，把它用于并能降低通信费用。但是，把它用于高速通信时效率高速通信时效率较低较低。n为了提高时隙的为了提高时隙的利用率利用率，可以采用，可以采用按需分配时隙按需分配时隙的的技术，即动态地分配所需时隙，以技术，即动态地分配所需时隙，以避免每帧中出现空避免每帧中出现空闲时隙闲时隙的现象。以这种动态分配时隙方式工作的的现象。以这种动态分配时隙方式工作的TDM称为称为统计时分多路复用统计时分多路复用(STDM)。15传统传统TDM与与STDM 图中有图中有4个数据源，并在个数据源，并在4个不同时刻个不同时刻(t0t3)出现数据。出现数据。162统计时分多路复用统计时分多路复用STDM两种两种子帧的格式子帧的格式：n每帧一源每帧一源的格式：的格式：帧末尾帧末尾标志与标志与总帧末尾总帧末尾标志标志相同相同。n每帧多源每帧多源的格式：在一帧中包含多个的格式：在一帧中包含多个数据源数据源的数据，的数据，此时除了需要指明此时除了需要指明数据源的地址数据源的地址外，还要给出外，还要给出数据字数据字长长。174.1.3 波分复用波分复用(WDM)波分复用就是波分复用就是光的频分复用光的频分复用。目前一根单模光纤的传输。目前一根单模光纤的传输速率可达到速率可达到2.5Gb/s。如采用色散补偿技术，则一根单模光。如采用色散补偿技术，则一根单模光纤的传输速率可达到纤的传输速率可达到10Gb/s。图图4.9波分复用的概念波分复用的概念 184.1.3 波分复用波分复用(WDM)n图图4.9示出了示出了8路传输速率均为路传输速率均为2.5Gb/s的光载波的光载波(其波长均为其波长均为1310nm)，经光调制后，它们的波长变换到，经光调制后，它们的波长变换到15501557nm，相邻两个光载波相隔，相邻两个光载波相隔1nm。这。这8个波长很接近的光载波经个波长很接近的光载波经过光复用器后，在一根光纤中传输。过光复用器后，在一根光纤中传输。n但光信号传输一段距离后会但光信号传输一段距离后会衰减衰减，因此对衰减了的光信号必，因此对衰减了的光信号必须进行须进行放大后放大后才能继续传输。才能继续传输。n现在已经有了很好的现在已经有了很好的掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)，它是一种光放，它是一种光放大器。大器。EDFA不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大。n两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km，而光复用，而光复用器和光分用器之间的器和光分用器之间的无光电转换的距离无光电转换的距离可达可达600km(只需放入只需放入4个个光纤放大器光纤放大器)。194.1.4 码分复用码分复用(CDM)n码分复用码分复用(CDM)，更常称为码分多址，更常称为码分多址(CDMA)。n每每个个用用户户可可以以在在同同样样的的时时间间使使用用同同样样的的频频带带进进行行通通信信。由由于于各各用用户户使使用用经经过过特特殊殊挑挑选选的的不不同同码码型型，因因此此各各用用户户之之间间不不会会造成干扰。造成干扰。nCDMA系系统统发发送送的的信信号号有有很很强强的的抗抗干干扰扰能能力力，其其频频谱谱类类似似于白噪声于白噪声。n最最早早应应用用于于军军事事通通信信中中，随随着着技技术术的的进进步步，CDMA设设备备的的价价格格和和体体积积都都大大幅幅度度下下降降，现现已已广广泛泛使使用用在在民民用用的的移移动动通通信信中。中。20CDMA工作原理工作原理 n每个比特时间再划分为每个比特时间再划分为m个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片(chip)。通常。通常m的值是的值是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码片序列码片序列。要发送比特要发送比特1，则发送它自己的，则发送它自己的m bit码片序列码片序列；要发；要发送比特送比特0，则发送该码片序列的，则发送该码片序列的二进制反码二进制反码。例如，指派给例如，指派给S站的站的8 bit码片序列是码片序列是00011011。当。当S站发送比特站发送比特1时，就发送序列时，就发送序列00011011，而当发送比，而当发送比特特0时，就发送序列时，就发送序列11100100。n习惯上，习惯上，S站的码片序列记为站的码片序列记为(-1-1-1+1+1-1+1+1)。21CDMA工作原理工作原理 nS站数据率为站数据率为bb/s。由于每个比特的信息要转成。由于每个比特的信息要转成m个比特的码片，个比特的码片，S站站实际据率实际据率提高到提高到mbb/s，同时，同时S站站所占用的所占用的频带频带也提高到原来的也提高到原来的m倍倍。即。即扩频扩频。n扩频通信通常有两大类：一种是扩频通信通常有两大类：一种是直接序列直接序列（DS-CDMA）；另一种是）；另一种是跳频跳频(frequencyhopping)扩频方扩频方式（式（FH-CDMA）。）。nCDMA系统的一个重要特点就是各站的码片序列系统的一个重要特点就是各站的码片序列不仅必须各不仅必须各不相同不相同，而且还必须，而且还必须互相正交互相正交。n在实用的系统中使用的是在实用的系统中使用的是伪随机码序列伪随机码序列。22CDMA工作原理工作原理用用数学公式数学公式表示码片序列的表示码片序列的正交关系正交关系：n两个两个不同站的码片不同站的码片序列序列正交正交，就是向量，就是向量S和和T的的规格化内积规格化内积(innerproduct)为为0。n向量向量S和各站码片序列二进制和各站码片序列二进制反码反码的向量的规格的向量的规格化化内积内积也是也是0。n任何一个码片向量和该码片任何一个码片向量和该码片向量自己向量自己的规格化的规格化内内积为积为1。n一个码片向量和该码片序列二进制一个码片向量和该码片序列二进制反码的向量的反码的向量的规格化内积是规格化内积是-1。23CDMA工作原理的一个例子工作原理的一个例子nS站发送数据站发送数据110，码片序列为，码片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)nT站发送数据站发送数据110，码片序列为，码片序列为(-1-1+1-1+1+1+1-1)244.1.5 空分复用空分复用(SDM)n空分复用空分复用(SDM)是利用是利用空间分割空间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。25空分复用技术在无线传输领域的应用举例空分复用技术在无线传输领域的应用举例 26MIMO技术技术nMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)是在空分复用技术是在空分复用技术上衍生来的的上衍生来的的多输入多输入-多输出多输出的方式的方式nMIMO系统可将系统可将多径多径作为一个有利因素加以利用。作为一个有利因素加以利用。27第第4章章 多路复用与信道共享技术多路复用与信道共享技术 4.1 多路复用技术多路复用技术 4.2 信道共享技术信道共享技术 284.2 信道共享技术信道共享技术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 令牌传递接入令牌传递接入 294.2.1 受控多点接入受控多点接入1轮叫轮询轮叫轮询的性能分析的性能分析主主机机按按顺顺序序从从站站1开开始始逐逐个个轮轮询询。站站1如如有有数数据据，即即可可发发给给主主机机。站站1如如无无数数据据，则则发发送送控控制制帧帧给给主主机机，表表示示无无数数据据可可发发。然后主机询问站然后主机询问站2,，在询问完站，在询问完站N后，又重复询问站后，又重复询问站1。轮叫轮询的网络拓扑结构轮叫轮询的网络拓扑结构304.2.1 受控多点接入受控多点接入2传递轮询传递轮询的性能分析的性能分析 前前面面讨讨论论的的轮轮叫叫轮轮询询存存在在一一个个较较大大的的缺缺点点，这这就就是是轮轮询询帧帧在在多多点点线线路路上上不不停停地地循循环环往往返返，形形成成了了相相当当大大的的开开销销，增增加加了了帧帧的的等等待待时时延延。为为了了克克服服这这一一缺点，可以采用缺点，可以采用传递轮询传递轮询的办法。的办法。传递轮询工作示意图传递轮询工作示意图314.2.1 受控多点接入受控多点接入传递轮询传递轮询与与轮叫轮询轮叫轮询的比较：的比较：(1)传递轮询传递轮询的的帧时延帧时延总是总是小于小于同样条件下的轮叫同样条件下的轮叫轮询的时延。轮询的时延。(2)站间的站间的距离越大距离越大，传递轮询的效果传递轮询的效果就比轮叫轮就比轮叫轮询的越好。询的越好。(3)站间站间距离较小距离较小且且通信量较大通信量较大时，传递轮询带来时，传递轮询带来的好处就不太明显。的好处就不太明显。传递轮询系统传递轮询系统实现实现起来起来技术上比较复杂技术上比较复杂，代价也较代价也较高高，因此在目前实用的轮询系统中，主要还是使用，因此在目前实用的轮询系统中，主要还是使用轮轮叫轮询系统叫轮询系统。324.2.2 随机接入随机接入ALOHAn轮轮询询技技术术在在网网络络的的通通信信量量较较小小时时，系系统统的的工作效率较低工作效率较低。n当当网网络络的的通通信信量量较较小小时时，让让用用户户自自由由地地发送数据发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计算算中中心心的的无无线线网网络络ALOHA系系统统中中采采用用，称称为为“ALOHA”方法。方法。331非时隙非时隙ALOHA纯纯ALOHAALOHA的工作原理的工作原理设所有站发送的设所有站发送的帧都帧都是定长的是定长的，且用，且用发送时发送时间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帧，若出现发送数据帧，若出现冲冲突突，各站，各站等待等待一段随机一段随机的时间再的时间再重发重发，直到成，直到成功为止。功为止。341非时隙非时隙ALOHA为便于分析，我们做如下为便于分析，我们做如下假设假设：(1)广播式信道本身是不产生差错的广播式信道本身是不产生差错的理想信道理想信道；(2)每个节点的帧到达为每个节点的帧到达为泊松过程泊松过程，帧，帧长度固定长度固定相等相等，每帧的发送时间为秒；，每帧的发送时间为秒；(3)单位时间内单位时间内进入信道进入信道的总业务量为的总业务量为G，其中成，其中成功传输的业务量为功传输的业务量为S，则有：，则有：G=S+(单位时间内的单位时间内的重传帧数重传帧数)351非时隙非时隙ALOHA在一个帧发送期间在一个帧发送期间tf及之前共及之前共2（这里（这里=tf）秒的）秒的时间区间，被称为时间区间，被称为“易损区间易损区间”。如能保证在这个区。如能保证在这个区间内信道上只存在当前这个帧在传输，则这个帧必能间内信道上只存在当前这个帧在传输，则这个帧必能成功传输成功传输。根据泊松分布公式，当单位时间内的帧到达率为根据泊松分布公式，当单位时间内的帧到达率为G时，则在期间内出现时，则在期间内出现k个帧的概率为：个帧的概率为：361非时隙非时隙ALOHA 在易损区间内在易损区间内成功传输成功传输一个帧的概率应是一个帧的概率应是“前一内前一内不发送帧不发送帧”和和“后一个内只发送后一个内只发送个帧个帧”这两事件同这两事件同时发生的概率，则成功概率为：时发生的概率，则成功概率为：成功概率也即系统成功概率也即系统吞吐率吞吐率：ALOHA系统的系统的S-G特性曲线特性曲线 371非时隙非时隙ALOHAnALOHA系统的帧传输时延通常用系统的帧传输时延通常用时延吞吐特性时延吞吐特性来来描述。描述。n定义帧定义帧传输时延传输时延D是从一个帧发送到被接收节点成是从一个帧发送到被接收节点成功接收为止的一段时间间隔。功接收为止的一段时间间隔。n归一化的帧传输时延归一化的帧传输时延D可表示为可表示为式中，第一项是成功传输的一次归一化时延；第二式中，第一项是成功传输的一次归一化时延；第二项是归一化的传播时延，第三项是由于碰撞而引起项是归一化的传播时延，第三项是由于碰撞而引起E次重传所引起的时延次重传所引起的时延，其中，其中是每次重传所需的平是每次重传所需的平均时延。问题归结为求均时延。问题归结为求E和和。381非时隙非时隙ALOHA不难得出一个帧的不难得出一个帧的平均发送次数平均发送次数就等于就等于G/S。抛去。抛去成功的一次，则平均重传次数为：成功的一次，则平均重传次数为：实际中通常采用的一种简单实际中通常采用的一种简单重传策略重传策略是：当发送站是：当发送站检出自己发送的帧出错后，立即计算一个在检出自己发送的帧出错后，立即计算一个在1,K区间区间内均匀分布的随机数内均匀分布的随机数k，据此延迟，据此延迟ktf秒后再重传被碰撞秒后再重传被碰撞的帧的帧，则归一化后的平均一次重传时延为，则归一化后的平均一次重传时延为：最后有：最后有：392时隙时隙ALOHAn前述非时隙前述非时隙ALOHA系统只给出了约系统只给出了约0.184的最大吞的最大吞吐率。为了提高吞吐率，需要设法减少各节点发送帧吐率。为了提高吞吐率，需要设法减少各节点发送帧时时发生冲突发生冲突的机会。的机会。n时隙时隙ALOHA系统系统(简记为简记为S-ALOHA)的的吞吐率吞吐率比非比非时隙时隙ALOHA系统的确实系统的确实提高了一倍提高了一倍。nS-ALOHA系统的帧系统的帧传输时延传输时延D比非时隙比非时隙ALOHA系统的时延系统的时延小小。40为了为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。通过。通过给信道给信道划分时隙划分时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时间上同步起来。起来。2时隙时隙ALOHA41工作原理工作原理把信道在时间上把信道在时间上划分划分成等长的成等长的时隙时隙，时隙长度等于帧的发送时间，时隙长度等于帧的发送时间 ，帧到达各站后，不能立即发送，必须等到，帧到达各站后，不能立即发送，必须等到一个时隙的开始时才能发一个时隙的开始时才能发送送。性能分析性能分析S-ALOHA发送成功的条件发送成功的条件是是:两个帧到达时间属于不同时隙，与纯两个帧到达时间属于不同时隙，与纯ALOHA比降低了冲突概率。比降低了冲突概率。2时隙时隙ALOHA424.2.3 随机接入随机接入CSMA/CDn在在ALOHA中，各站要中，各站要发送数据帧发送数据帧时，时，不考虑信道当不考虑信道当前的状态前的状态，即不管信道是忙还是闲，就马上发送数据帧，即不管信道是忙还是闲，就马上发送数据帧，这存在严重的这存在严重的盲目性盲目性。所以。所以ALOHA的的吞吐量很低吞吐量很低。n要进一步要进一步提高系统吞吐率提高系统吞吐率，还应进一步设法减少节点，还应进一步设法减少节点间发送间发送冲突的概率冲突的概率。n为此，除了为此，除了缩小易损区间缩小易损区间(这也是有限度的这也是有限度的)外，还可外，还可以从以从减少发送策略的盲目性减少发送策略的盲目性着手，在发送之前进行着手，在发送之前进行“载载波监测波监测”来确定来确定信道忙闲状态信道忙闲状态，然后再决定帧发送与否，然后再决定帧发送与否，即，即载波侦听多址接入载波侦听多址接入(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)方式。方式。434.2.3 CSMA的基本原理的基本原理 任一个网络节点在它有帧欲任一个网络节点在它有帧欲发送之前发送之前，先监测先监测一一下广播信道中是否存在别的节点正在发送帧的载波下广播信道中是否存在别的节点正在发送帧的载波信号。如果信号。如果监测到这种信号监测到这种信号，说明信道正，说明信道正忙忙，否则否则信道是信道是空闲空闲的。然后，根据预定的控制策略来的。然后，根据预定的控制策略来决定决定：(1)若测得若测得信道是闲信道是闲的，应该立即将自己的的，应该立即将自己的帧发帧发送送出去出去？还是为慎重起见还是为慎重起见暂时不发送暂时不发送出去出去？(2)若测得若测得信道是忙信道是忙的，应该的，应该继续坚持监测继续坚持监测载波载波？还是还是暂时退避暂时退避一段时间再监测一段时间再监测？444.2.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMAn载波监听多点接入载波监听多点接入（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）是对是对ALOHA技术的进一步改进。技术的进一步改进。nCSMA就是在发送前就是在发送前先监听信道先监听信道，确定信道是否空闲，确定信道是否空闲，再根据信道的情况决定是否发送。当然，再根据信道的情况决定是否发送。当然，代价代价是要增是要增加载波监听装置。加载波监听装置。根据监听策略的不同，根据监听策略的不同，CSMA可以分为以下三种类型：可以分为以下三种类型：（1）非坚持非坚持CSMA（Non-persistent）（2）1-坚持坚持CSMA（1-persistent）（3）p-坚持坚持CSMA（p-persistent）454.2.3 随机接入技术：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非坚持非坚持:一旦听到信道一旦听到信道忙忙，就，就随机延时随机延时一段时一段时间再重新监听。很可能间再重新监听。很可能在重新监听前，在重新监听前，信道已信道已经空闲经空闲了。了。不能充分利不能充分利用信道的空闲时间用信道的空闲时间，影，影响了信道利用率。在通响了信道利用率。在通信量不大时，平均时延信量不大时，平均时延较大。较大。非坚持CSMA464.2.3 随机接入技术：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-坚持坚持:如果如果信道忙坚持监信道忙坚持监听听，而一旦听到，而一旦听到信道空闲就信道空闲就马上发送数据马上发送数据，可以，可以充分利充分利用信道的空闲时间用信道的空闲时间。但当。但当通通信量较大信量较大时，若时，若两个以上两个以上的的站站同时监听信道同时监听信道，那么就必，那么就必然会发生然会发生冲突冲突，反而不利于，反而不利于吞吐量的提高。吞吐量的提高。1-坚持CSMA474.2.3 随机接入技术：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-坚持坚持: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。但坚持的缺点。但p p的的选择和通信量有关，而通信选择和通信量有关，而通信量通常是变化的，量通常是变化的，如何选择如何选择合适的合适的p p较为困难较为困难。P-坚持CSMA484.2.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA非坚持CSMA1-坚持CSMAP-坚持CSMA494.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CD载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测（CSMA with Collision Detection）。nCSMA通过在发送前监听信道，降低了冲突的概率。但由于通过在发送前监听信道，降低了冲突的概率。但由于传播时延传播时延的的存在，存在，冲突还是不可避免的冲突还是不可避免的。n电磁波在总线上的有限电磁波在总线上的有限传播速率的影响传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。也可能总线并非真正是空闲的。nA 向向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。nB 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的帧之前发送自己的帧(因为这时因为这时 B 的载波监的载波监听检测不到听检测不到 A 所发送的信息所发送的信息)，则必然要在某个时间和，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发发送的帧发生生碰撞碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得碰撞的结果是两个帧都变得无用无用。504.3 随机接入技术：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 514.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CD载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测（CSMA with Collision Detection）。nCSMA通过在发送前监听信道，降低了冲突的概率。但由通过在发送前监听信道，降低了冲突的概率。但由于于传播时延传播时延的存在，的存在，冲突还是不可避免的冲突还是不可避免的。然而，。然而，CSMA一旦开始发送，就一旦开始发送，就不管是否发生冲突不管是否发生冲突（或碰撞）都坚持把（或碰撞）都坚持把要发送的数据帧发完。所以要发送的数据帧发完。所以只要发生冲突只要发生冲突，信道就被浪费信道就被浪费一段时间一段时间 。帧长越大，浪费越严重。帧长越大，浪费越严重。n为了减小这种浪费，为了减小这种浪费，CSMA/CD在在CSMA的基础上增加了的基础上增加了碰碰撞检测功能撞检测功能，即在，即在发送数据帧的同时，继续监听信道发送数据帧的同时，继续监听信道，如，如果监听到发生冲突，则冲突的双方必须果监听到发生冲突，则冲突的双方必须停止发送停止发送，使信道，使信道很快空闲下来，提高了很快空闲下来，提高了信道利用率信道利用率。521 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 534.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CDn“碰撞检测碰撞检测”就是计算机就是计算机边发送数据边检测信道边发送数据边检测信道上的信号电上的信号电压大小。所谓压大小。所谓“碰撞碰撞”就是发生了冲突。因此就是发生了冲突。因此“碰撞检测碰撞检测”也称为也称为“冲突检测冲突检测”。n碰撞检测的方法碰撞检测的方法：信号电平法；编码规则法；逐比特比较信号电平法；编码规则法；逐比特比较法法。n当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆电压摆动值将会增大动值将会增大（互相叠加）。（互相叠加）。n当一个站检测到的信号电压当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值摆动值超过一定的门限值时，时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞碰撞。544.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CD载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测（CSMA with Collision Detection）。n在实际的网络中，当检测到冲突后，在实际的网络中，当检测到冲突后，立即停止发送外立即停止发送外，还通，还通过发送若干比特的过发送若干比特的人为干扰人为干扰强化冲突强化冲突，以便让所以用户都知，以便让所以用户都知道发生了冲突。道发生了冲突。n免得继续浪费网络资源，然后免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间等待一段随机时间后再次发送。后再次发送。nCSMA/CD的原理的原理可以简练地概括为可以简练地概括为先听后发先听后发，边听边发，边听边发，冲突停发，随机重发。冲突停发，随机重发。55qCSMA/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 随机接入技术：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56CSMA/CD确认式数据传输过程确认式数据传输过程 57CSMA/CD确认方式的工作流程确认方式的工作流程 584.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CDn实际网络中（如应用最广的以太网）使用的就是实际网络中（如应用最广的以太网）使用的就是1坚持坚持CSMA/CD。n为了保证系统的为了保证系统的稳定性稳定性，以太网采用了，以太网采用了截断二进制指数类型截断二进制指数类型退避算法退避算法（truncated binary exponential type backoff algorithm）决定）决定重发重发帧所需的时延。帧所需的时延。n在需要在需要重发重发时，该算法从离散整数集合时，该算法从离散整数集合 中中随机随机取一个数取一个数，用，用 表示，其中表示，其中 。重发所需。重发所需时延时延就是就是 倍的基本退避时间倍的基本退避时间（事先约定，如（事先约定，如 ）。重发）。重发16次不成功，丢弃该帧，并向高层报告。这种算法，时延随重次不成功，丢弃该帧，并向高层报告。这种算法，时延随重发次数增大，故称发次数增大，故称动态退避动态退避。即使采用。即使采用1坚持策略，整个系坚持策略，整个系统也是稳定的。统也是稳定的。594.3 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CDnCSMACD的的工作过程工作过程可概括为以下可概括为以下4步：步：n第一步第一步：如果介质信道空闲，则可进行发送。：如果介质信道空闲，则可进行发送。n第二步第二步：如果介质信道有载波：如果介质信道有载波(忙忙)，则继续对信道，则继续对信道进行侦听，一旦发现空闲，便立即发送。进行侦听，一旦发现空闲，便立即发送。n第三步第三步：如果在发送过程中检测到碰撞，则停止自：如果在发送过程中检测到碰撞，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信号，强化己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信号，强化碰撞信号，使碰撞信号，使LAN上所有站都能知道出现了碰撞。上所有站都能知道出现了碰撞。n第四步第四步：发送了干扰信号后，退避一随机时间，重：发送了干扰信号后，退避一随机时间，重新尝试发送。新尝试发送。60思考题思考题n数据链路层的功能是什么？数据链路层的功能是什么？差错控制差错控制 链路管理（信道共享）链路管理（信道共享）定界与同步定界与同步 寻址寻址 流量控制流量控制 透明传输透明传输n 在停止等待协议中，应答帧为什么不需要序号？在停止等待协议中，应答帧为什么不需要序号？n何为冲突？在何为冲突？在CSMA/CD中如何解决冲突？中如何解决冲突？载波监听载波监听出现冲突后，延迟等待不同时间重发出现冲突后，延迟等待不同时间重发 61谢谢大家谢谢大家AnyQuestion?622统计时分多路复用统计时分多路复用nSTDM存在的一些潜在的技术缺陷：存在的一些潜在的技术缺陷：时时延问题延问题。nSTDM常用的三种常用的三种缓冲控制技术缓冲控制技术：n 同信道信号传输同信道信号传输n 异信道信号传输异信道信号传输n 降低时钟，减缓数据吞吐量。降低时钟，减缓数据吞吐量。前两种技术可用于控制异步终端的数据流，而前两种技术可用于控制异步终端的数据流，而后一种技术适用于同步终端。后一种技术适用于同步终端。631非时隙非时隙ALOHA非时隙非时隙ALOHA的工作原理的工作原理 64A.5 随机接入技术：随机接入技术：CSMA/CDn争用期争用期（contention period），），由于由于传播时延传播时延的存在，每个站发送的存在，每个站发送数据数据刚开始的一个很短的时间内刚开始的一个很短的时间内，由于传播时延的存在，仍有可能发，由于传播时延的存在，仍有可能发生冲突。我们将这段可能发生冲突的时间间隔称为争用期。生冲突。我们将这段可能发生冲突的时间间隔称为争用期。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总线争用期总线争用期等于等于 ，而，而 ，所以，所以n争用期争用期越是小于一个帧的发送时越是小于一个帧的发送时间间，CSMA/CD的优越性就越显的优越性就越显著。相反，对著。相反，对时延较大时延较大的卫星信的卫星信道，其争用期可能比帧的发送时道，其争用期可能比帧的发送时间还长，故间还长，故CSMA/CD不适用于不适用于卫星信道。卫星信道。65不同的数据速率所需的子频带间隔不同的数据速率所需的子频带间隔 表表4.1FDM的子频带间隔的子频带间隔速 率(b/s)间 隔Hz速 率(b/s)间 隔Hz7512045072011017060096015024012001800300480661同步时分多路复用同步时分多路复用TDM有两种有两种：比特交错比特交错TDM、字符交错字符交错TDM67比特交错比特交错TDM和字符交错和字符交错TDMn比特交错比特交错TDM通常用于通常用于同步终端系统同步终端系统，而，而字符字符交错交错TDM则用于则用于异步终端系统异步终端系统。n当以当以比特为基础进行交错比特为基础进行交错时，复用器允许每路时，复用器允许每路每次输入一比特，然后将各路输入的比特组合每次输入一比特，然后将各路输入的比特组合成帧进行传输。显然，如一帧中含有多个字符，成帧进行传输。显然，如一帧中含有多个字符，由于由于减少了同步字符的个数减少了同步字符的个数，从而，从而提高了传输提高了传输效率效率。另外，如采用。另外，如采用时隙大小时隙大小与每个与每个字符宽度字符宽度成比例成比例的技术，虽增加了技术的复杂性和成本，的技术，虽增加了技术的复杂性和成本，但其传输效率将能达到但其传输效率将能达到最大值最大值。68比特交错比特交错TDM和字符交错和字符交错TDMn因为因为字符