无线局域网-第二章.ppt

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1、第二章.局域网基础n2.1OSI参考模型和局域网的协议体系n2.2局域网的LLC层协议n2.3局域网的MAC协议2022/12/51移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣OSI参考模型和局域网的协议体系n2.1.1OSI参考模型ISO制定了OSI参考模型，便于计算机之间互联-1984解释：功能层次的计算机互联模型2022/12/52移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣 一一.物理层物理层物理层的主要功能是在两个(或多个)数据链路实体间通过物理介质提供透明的比特流的传输。物理层协议所涉及的问题有:信号的编码方式，即用什么样的信号传代比特1和0；传输比特流的速率；通信方式

2、(双工或半双工)；如何实现物理连接的建立和释放；网络接口的机械与电气参数等。二二.数据链路层数据链路层数据链路层的主要功能是保证网络实体间建立数据链路通道，进行无差错的数据块的交换。这种数据块叫作数据链路服务数据单元，也就是帧。帧的装配与识别分解。差错检验与差错恢复功能。流量控制功能、顺序控制功能。存取控制功能等。三三.网络层网络层网络层的功能是在通信实体之间建立、维持及拆除网络连接，传送“网络服务数据单元”即数据包。网络层控制通信子网的工作，因此又称为通信子网层。网络层与传输层的接口实际上就是IMP与主机的接口；网络层通过主机接口接收主机传送的信件，并将它们分组成信息分组（包），通过通信子网

3、将数据包传送到目的站的网络层并最终交给目的主机。网络层协议的内容包括网络寻址、网络连接、网络流量控制、路径选择和中继、信息包的拆装，差错检验及恢复等。四四.传输层传输层传输层的功能是在会话实体之间建立传输连接，提供透明的数据传送。它接收来自会话层数据，经过必要的处理并加入一定的附加控制信息传输到网络层。传输层又称为主机-主机层。传输层的连接是源端-目的端的连接，不需要经过中间结点。一个传输层的连接可以对应多个网络连接，在传输连接吞吐量较大时可以分散数据，改善流通情况，提高响应速度。也可以多个传输连接复用一个网络连接，以降低成本，提高网络利用率。传输连接可以是点到点的连接，也可以根据需要提供广播

4、式逻辑信道，把数据广播到多个目的地。传输层必须考虑源、目的主机之间的流量控制，以及顺序控制，差错检验和恢复等。五五.会话层会话层 两个表示层之间的数据交换称为会话(或对话)。会话层要在两个表示实体之间提供建立会话连接的服务，组织和同步它们的对话，以及为管理它们的数据交换提供必要的手段。会话连接是建立在传输连接基础之上的，因而必须把会话连接映射成传输连接。一旦连接建立。会话层就要进行对话管理。如连接恢复(当传输连接出现故障时，会话层应能重新建立传输连接，以保证对话的继续)；顺序控制(如传输层不提供，则由会话层提供)等。六六.表示层表示层 表示层的主要功能就是执行数据变换。这些变换包括数据压缩(表

5、达层接收 ASCII码字符串作为输入，并产生压缩过的二进制码输出)与解压缩、数据加密与解密、编码变换、格式变换等。七七.应用层应用层 应用层是网络的最高层，为用户进程提供访问网络的手段。应用层的内容直接取决于网络用户要求什么样的网络服务。但也有一些普遍性的问题，如网络的透明性，任务的分配，分布式数据库的操作等。OSI参考模型和局域网的协议体系2022/12/53移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣局域网拓扑结构局域网拓扑结构 一一.环形局域网环形局域网 计算机局域网络计算机局域网络环路中继器网络电缆/光纤网卡网卡计算机环形拓扑局域网络结构2022/12/54移动通信重点实验室移动

6、通信重点实验室-景小荣景小荣计算机局域网络计算机局域网络局域网拓扑结构局域网拓扑结构 二二.星形局域网星形局域网 交换机/集中器网卡网络电缆计算机计算机网卡星形拓扑局域网络结构2022/12/55移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣计算机局域网络计算机局域网络局域网拓扑结构局域网拓扑结构 三三.总线形局域网总线形局域网 总线形拓扑局域网络结构终端匹配器终端匹配器网卡计算机网卡计算机网卡计算机网络电缆T型接头路T型接头2022/12/56移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣n局域网的规模较小，因而有一些独具的特点:n结构简单n专设通信线路n传输速率高、质量好n灵活性与

7、可扩展性强n可靠性高n实时性强、成本低、易于管理和维护等特点。OSI参考模型和局域网的协议体系2022/12/57移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣IEEE 802IEEE 802委员会给出的基于委员会给出的基于ISO/OSIISO/OSI七层网络参考模式的局域网体七层网络参考模式的局域网体系结构参考模型。在该模型中，将系结构参考模型。在该模型中，将ISO/OSIISO/OSI七层网络参考模式中的七层网络参考模式中的应用层、表示层、会话层和传输层和并在一起称为应用层、表示层、会话层和传输层和并在一起称为“高层高层”协议。协议。在所制订的在所制订的IEEE 802IEEE 802

8、系列标准中并未对局域网高层做特别规定，而系列标准中并未对局域网高层做特别规定，而是只涉及到是只涉及到数据链路层数据链路层和和物理层物理层，并且把数据链路层划分为逻辑链，并且把数据链路层划分为逻辑链路控制（路控制（LLCLLC）和媒体访问控制（和媒体访问控制（MACMAC）两个子层。两个子层。2.1.2 局域网协议体系局域网协议体系高 层数据链路层LLCMAC物 理 层高 层数据链路层LLCMAC物 理 层传输介质逻辑链路控制介质访问控制IEEE802系列标准局域网络体系结构参考模式2022/12/58移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣OSI参考模型和局域网的协议体系nPHY：任

9、务是定义与实现建立，维持和拆除物理连接所需的机械的、电气的、功能的特性及规则。目的在于保证可靠的，按照比特位单位的同步与传输。nMAC：任务:从LLC接收数据、决定是否要把其发给给物理层、给发送数据加载控制信息，并将数据帧传递给物理层；从物理层接收数据帧、检查帧中的控制信息，并判断数据正确性，去掉控制信息，交给LLC。nLLC:任务：完成两个通信实体间点到点链路上的数据帧传输与控制。实际中LLC通过本层的SAP来构建逻辑连接的。数据包服务：无确定连接虚链路服务：面向连接，有确定的逻辑链路。2022/12/59移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣2.3 计算机局域网络计算机局域网络

10、2.3.3 局域网协议体系局域网协议体系IEEE802.1概述及层间关系IEEE802.2通用逻辑链路控制IEEE802.10网络安全与通信保密IEEEIEEEIEEEIEEEIEEEIEEE802.3802.4802.5802.6802.11802.12LLCMACPHY图2.11IEEE802局域网络协议体系IEEE802.1：概述局域网的体系结构、层次及各层次间的关系。IEEE802.2：通用的逻辑链路控制(LLC)规程。IEEE802.10：是对LLC子层的补充，主要描述局域网(LAN)的网络安全与数据保密问题。总线拓扑结构的CSMA/CD媒体访问控制(MAC)方法及物理层（PL）规范

11、。令牌传递总线式(Token-PassingBus)媒体访问控制(MAC)方法及物理层（PL）规范。令牌传递环式(Token-Ring)媒体访问控制(MAC)方法及物理层（PL）规范。无线局域网（WLAN）媒体访问控制(MAC)方法及物理层（PL）规范。2.1.3IEEE802协议体系2022/12/510移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣2.1.4 无线局域网的协议体系无线局域网的协议体系无线局域网协议层次无线局域网协议层次IEEE802.2通用逻辑链路控制(LLC)IEEE802.10网络安全与保密媒体访问控制(MAC)物理媒体1物理媒体2物理媒体KIEEE802.1各层间

12、关系IEEE802.11无线局域网的协议层次无线局域网的协议层次IEEE802.11委员会提出了无线局域网的协议体系。和其它IEEE802系列局域网标准一样，它对OSI七层网络模式中的链路层层以上未作具体规定，而只定义了媒体访问控制（MAC）和物理（PHY）两个层次。2022/12/511移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣无线局域网的协议体系无线局域网的协议体系无线局域网的无线局域网的MAC协议协议无线局域网(WLAN)的MAC协议的主要功能和操作基本原理原则上与有线局域网没有什么本质区别。由于所采用的传输媒体不同，而媒体访问控制（MAC）不能不和媒体有关。无线局域网(WLAN

13、)的MAC协议必须考虑与所用无线传媒相关的一些特定问题，使得在与信道有关的差错控制、解决隐藏终端等方面有别于有线局域网。另外，无线局域网(WLAN)的MAC协议在网络业务功能、网络安全机制以及协议的具体操作上都比原有的有线局域网MAC协议有较大的改进。关于无线局域网(WLAN)的MAC协议的详细讨论在随后的章节进行。2022/12/512移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣局域网的LLC层协议n1.4无线局域网的技术要求一说明一说明LLC是IEEE802参考模型的最高层，利用基于802MAC层的受控链路，在局域网中两个终端用户间建立数据交换的逻辑链路。LLC提供寻址和数据链路控制

14、服务，且与拓扑结构，传输介质和被选介质访问控制技术是彼此独立。二原理二原理当一条逻辑链路构建后，网络层将数据传递给LLC,LLC完成数据帧的差错控制和流量控制，以保证无差错传输。LLC构建LLC协议数据单元（PDU），然后通过SAP传递给MAC，MAC通过在信息报起始和结束位置添加控制信息，组成MAC帧。2022/12/513移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣nLLC为网络层提供如下三种服务n未确认无连接服务该服务仅仅发送和接收LLCPDU，不发送确认，不涉及链路建立。（高层保证可靠）n面向连接服务执行连接建立，数据传输，连接终止。有差错控制机制，比如ARQ,主要通过循环冗余校

15、验码实现。n确认无连接服务有确认信息，保证数据包发送成功。2022/12/514移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣2.3引言引言2.3.1 MAC协议基础协议基础 广播信道及多址接入技术广播信道及多址接入技术 多址接入信道模型多址接入信道模型 多址接入协议的主要性能指标多址接入协议的主要性能指标2.3.2 典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能 多址接入多址接入MAC协议的分类协议的分类 ALOHA协议协议 CSMA协议协议 按需分配方式按需分配方式MAC协议协议2.3.3 无线局域网络对无线局域网络对MAC协议的特殊考虑协议的特殊考虑局域网的局域网的M

16、AC协议协议2022/12/515移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣引言引言传输媒体及其频带是局域网络特别是一大类广播信道局域网络所有站点共享的系统资源。局域网的媒体访问控制（MAC）协议是在局域网内将传输媒体的频带有效地分配给网络各站点用户的方法。媒体访问的控制策略对整个局域网络的性能（吞吐量、帧延迟时间等）来说是至关重要的。这里我们概括介绍适合广播信道的局域网络媒体访问控制（MAC）协议。这些协议虽然有些并非为为无线局域网所设计，但原则上都可以用于作为无线局域网的媒体访问控制（MAC）协议。在介绍广播信道模型的基础上，分析了经典的ALOHA协议、CSMA协议的原理及性能，最

17、后对适合无线局域网的CSMACA（冲突避免）等协议进行讨论。2022/12/516移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础广播信道及多址接入技术广播信道及多址接入技术一广播信道概念及信道的容量一广播信道概念及信道的容量所谓广播信道，简单说来是指系统中的所有站点都连接在该信道上，这些站点中的任何一个所发送出的信号，都可以被系统中与信道相连接的所有其它站点接收到。信道是有容量限制的，而信道容量则是信道资源大小的量度，表示信道能够可靠传输信息的速率能力。信道容量的大小由下面的香农公式给出：C=Blog2（1+S/N）式中，C为信道容量，单位为bit/s；B为信道频带宽

18、度，单位为Hz；S/N是信道中的信号功率（S）与噪声功率（N）之比，称为信噪比。2022/12/517移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础1 广播信道及多址接入技术广播信道及多址接入技术二信道的复用与多址接入技术二信道的复用与多址接入技术原则上说来，同一局域网络系统中两个（或两个以上）站利用同一频带信道资源是不能在同一时间发送信息的。通常采用分割子信道的方法。分割子信道通常又称为复用技术。复用技术除了以前提到的频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）技术外，还有一种常用的时分多址（TDMA）技术。FDMA和CDMA技术在GSM蜂窝电话网或无线局域网中用来分

19、割相邻不同小区的子信道，而在单小区无线局域网或有线局域网内，为了若干站共享同一媒体资源，常采用时分的方式，若干站交替在不同时间占用公共信道媒体来发送信号，这一技术称为时分多址接入技术。下面及后续各节主要介绍时分多址接入技术的有关MAC协议。2022/12/518移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础2 多址接入信道模型多址接入信道模型一一N用户广播信道用户广播信道 SB RB SB RB SB RB MAC MAC MAC接收缓冲器接收缓冲器接收缓冲器接收缓冲器媒体访问控制媒体访问控制站点站点1 站点站点 2 站点站点 NN用户广播信道模型用户广播信道模型 N

20、个用户直接个用户直接“连接连接”在该信道上；在该信道上；任一用户发送出的信息信号可被所有其它站接收到；任一用户发送出的信息信号可被所有其它站接收到；信道是半双工的，即同一时间仅当只有一个站发送信息时，信道是半双工的，即同一时间仅当只有一个站发送信息时，其它站才可以正确接收。其它站才可以正确接收。2022/12/519移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础2 多址接入信道模型多址接入信道模型二二数据帧的生成规则数据帧的生成规则网络中每个站有数据要发送时，在MAC层将数据装配成一个又一个的数据帧，并依顺序放入发送缓冲器。一个数据帧进入缓冲器就意味着一个帧的生成。设

21、单位时间内平均到达帧数为，且满足：不随时间变化；某一帧的到达不影响后续帧的到达；任意小的时间段t内的到达帧要么为1，要么为0。我们说网络中（所有站）帧的到达服从泊松分布，即在时间（0，t）内“到达k个帧”这一事件的概率记为Pk（t）为：Pk（t）=（t）k/k！e-t（1）据此可得帧到达时间间隔的概率密度函数p（t）为：p（t）=e-t（2）2022/12/520移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础2 多址接入信道模型多址接入信道模型三三信道为理想无噪信道信道为理想无噪信道 我们假设我们假设系统是理想系统是理想的且的且信道中是没有噪声和干扰信道中是没有噪声和

22、干扰的，这的，这样当只有某一个站发送数据信息时，信号会无失真地到达各样当只有某一个站发送数据信息时，信号会无失真地到达各个站点，它的接收站一定能正确收到。在这种情况下，个站点，它的接收站一定能正确收到。在这种情况下，传输传输出错仅当若干站同时发送信息（发生碰撞）时才可能出现出错仅当若干站同时发送信息（发生碰撞）时才可能出现。四四传输碰撞的后果及处理传输碰撞的后果及处理 传传输输碰碰撞撞是是两两个个或或两两个个以以上上的的站站同同时时向向信信道道中中送送出出数数据据帧帧是是发发生生的的。无无论论两两个个（或或多多个个）数数据据帧帧在在时时间间上上全全部部重重叠叠还还是是部部分分重重叠叠，这这些些

23、相相碰碰的的数数据据帧帧都都会会损损坏坏。相相互互碰碰撞撞的的帧帧损损坏坏（或或传传输输错错误误）之之后后，发发送送站站要要按按照照某某种种规规则则将将被被损损坏坏帧帧进行进行重新发送重新发送。2022/12/521移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础3 多址接入协议的主要性能指标多址接入协议的主要性能指标吞吐量（S）、总业务量（G）、平均传输延迟（D）等。一一.吞吐量吞吐量S吞吐量是单位时间内在信道上成功传送的信息量，其单位是bit/s、Kbit/s或Mbit/s。若在每一秒时间内，成功传送的帧数为n，每帧长度为L比特，则吞吐量为nL（bit/s）。实用中

24、为分析方便，吞吐量常用其理论上的最大值，也就是信道的传输速率R（单位是bit/s）来归一化，用符号S来表示，则S=nL/R=nT（T为每帧的传输时长），且0S1若系统中各站没有数据帧的传输要求（信道空闲，总业务量G=0）或传输的数据帧都发生碰撞，单位时间内成功传输的帧数n等于零，则S=0；若有足够的帧要求传输，这些数据帧一个接一个地发送到信道中，既没有发生碰撞，又没有空闲的帧间隙，则S=1。2022/12/522移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣MAC协议基础协议基础3 多址接入协议的主要性能指标多址接入协议的主要性能指标系统的总业务量就是系统中所有站数据帧之传输要求的总和。定

25、义为网络信道上所有站在单位时间内要求传送的帧（包括新生帧和出错重传帧）的信息量总和，其单位也是bit/s、Kbit/s或Mbit/s。总业务量也常用信道的信息传输速率R来归一化，用符号G表示。假设每一秒内系统要求传送的帧数为（为按泊松分布帧的到达率），则用R归一化的总业务量G为G=L/R=T尽管吞吐量S不可能大于1，但总业务量G作为系统的传输要求，是可能大于1的。当G大于1时，意味着系统内总的传输要求超过了信道的传输能力（信道的信息传输速率R）。吞吐量（S）、总业务量（G）、平均传输延迟（D）等。二二.总业务量总业务量G2022/12/523移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣M

26、AC协议基础协议基础3 多址接入协议的主要性能指标多址接入协议的主要性能指标某一个数据帧从进入发送缓冲器到成功到达目的地的接收缓冲器所经过的时间称为该数据帧传输迟延（包括该数据帧在发送缓冲器中的等待时间、将数据帧按传输速率R一位一位送入信道的传输时间、与传输距离相关的信号传播时间、数据出错后重新传输的时间等）。平平均均传传输输迟迟延延则则是是对对所所有有数数据据帧帧的的传传输输迟迟延延求求得得的的统统计计平平均均值值。常常用用传输时间传输时间T来归一化，用符号来归一化，用符号D表示。表示。吞吐量（S）、总业务量（G）、平均传输延迟（D）等。三三.平均传输迟延平均传输迟延D只有当数据帧在发送缓冲

27、器中的等待时间为零、数据帧一次发送成功（没有发生碰撞和误码）且忽略掉信号在媒体中的传播时延的情况下，D=1。如果系统的总业务量G增大，则数据帧在发送缓冲器中的等待时间就会增长；总业务量G的增大也会使系统内总的发送企图（试图发送的数据帧）上升，会大大增加数据帧在信道中的碰撞机率，使数据帧出错后重新传输的时间增长。2022/12/524移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣3 多址接入协议的主要性能指标多址接入协议的主要性能指标四四.吞吐量特性（吞吐量吞吐量特性（吞吐量S与总业务量与总业务量G的关系）的关系）当总业务量大于等于信道传输速率R（G大于或等于1）时，如果不发生碰撞且数据帧间

28、间隔为零（理想情况），信道的利用率达到100%，此时吞吐量达最大值，S=1。吞吐量（S）理想特性实际特性0 1 总业务量（总业务量（G）1吞吐量总业务量（吞吐量总业务量（SG）特性特性实际情况下，G较小时，S可随着G的增大而增大；当G大到一定程度，不可避免的碰撞将使S减小；如果此时不加以控制，大量新帧和重传帧的出现，会使得G进一步剧增，系统陷于瘫痪，即S=0，D趋于无穷大。当总业务量小于信道传输速率R（G小于1）时，由于不发生碰撞或碰撞较少，此时S大约等于G。理想情况下（不发生碰撞），S=G。2022/12/525移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣3 多址接入协议的主要性能指标

29、多址接入协议的主要性能指标五五.延迟特性（延迟特性（平均传输延迟平均传输延迟D D与吞吐量与吞吐量S S的关系的关系）如果新的业务量不断增加，在加上数据帧碰撞大量出现，将会使总业务量G剧增。如控制不当，不仅会导致S锐减，还会导致平均传输迟延D急剧上升。平均传输延迟吞吐量（平均传输延迟吞吐量（DS）特性特性随着吞吐量S的增大，发送等待时间上升，数据帧在信道中的碰撞使得重传帧增加，重传时间增大，导致平均传输迟延增大。正常情况下，总业务量G较小，吞吐量S也较小时，发送等待时间小，数据帧在信道中的碰撞也很少，此时的平均传输迟延D也小；平均传输延迟（平均传输延迟（D）延迟特性延迟特性0 1 吞吐量（吞吐

30、量（S）12022/12/526移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能多址接入多址接入MAC协议的分类协议的分类时分多址接入协议时分多址接入协议同步时分多址接入协议同步时分多址接入协议异步时分多址接入协议异步时分多址接入协议随机竞争方式随机竞争方式 固定分配方式固定分配方式按需分配方式按需分配方式 TDMAALOHACSMAPollingTokenBit-Map时间分割多址接入时间分割多址接入MAC协议的划分协议的划分随机竞争方式MAC协议使用广播信道，连接在广播信道上的任一站点在需要发送信息时，要以某种方式竞争信道的使

31、用权，一旦得到使用权便将信息（数据帧）发送出去。所有站点都能收到这一信息，如果某站发现该信息是发给自己的，便存贮并处理，否则丢弃。这种随机竞争方式的典型协议有ALOHA协议、CSMA协议等。按需分配方式MAC协议中，网络各站以轮询或预约的方式获得信道使用权。例如在轮询方式中，网络按某种循环顺序询问各站是否有信息发送，被询问站如有待发信息，则立即发送出去，否则（通知）网络转向询问下一个站点。轮询方式控制有集中控制（该中心站对各站依次点名称为轮询，如Polling协议）和分布控制（各站依一定规则传递信道使用权，又称为令牌方式，如tokenpassingbus协议）两种。2022/12/527移动通

32、信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能ALOHA协议协议一一.纯纯ALOHA原理原理纯ALOHA是指在时间上不划分时间片的ALOHA协议。其原理如下：当网络中任一站有数据帧要求发送时，不管信道忙与闲，立即发送出去。当检测到所发送的数据帧与其它站发出的数据帧发生碰撞时，则独立延迟一段时间（退避时间）再重新发送出去。如再次发生碰撞，重复以上过程，直至发送成功。碰撞窗口TT纯ALOHA协议的碰撞窗口为2T数据帧生成后不用等待就立即发出去，故纯ALOHA协议的发送等待时间小，在网络业务量小时有利于提高系统的吞吐量。然而由于发送前不检测

33、信道忙闲，在网络业务量大时，数据帧碰撞概率较大。不加控制时反而会导致系统的吞吐量的迅速减小与延迟的急剧增加。2022/12/528移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能ALOHA协议协议二二.分时隙分时隙ALOHA原理原理在分时隙ALOHA中，将信道传输时间按一帧时长T划分成时间片(Slot)，某站的待发送帧不论产生于何一时刻，其发送起止时间在一个时间片内进行。如此可能产生的碰撞都应该是完全重叠式的碰撞，从而将碰撞窗口减小为T。纯ALOHA协议的碰撞窗口为2TB1A1B2A2B3A1B1B2A2B3碰撞碰撞帧帧站A帧的生

34、成站B帧的生成分时隙信道中帧的传输T T T T T T T2022/12/529移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能ALOHA协议协议三三.纯纯ALOHA与分时隙与分时隙ALOHA协议的性能协议的性能 1.吞吐量性能吞吐量性能 一个数据帧发送成功的概率是在一定时段（碰撞窗口）内没有其它数据帧生成的概率P0。而吞吐量则是总业务量与发送成功率之积，即S=GP0分时隙ALOHAS=G e-G纯ALOHAS=G e-2G吞吐量（吞吐量（S）0 0.5 1.0 1.5 2.0 总业务量（总业务量（G）0.10.20.30.40

35、.1840.1840.3680.368纯纯ALOHA与分时隙与分时隙ALOHA的吞吐量的吞吐量S与总业务量与总业务量G的关系的关系2022/12/530移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能ALOHA协议协议三三.纯纯ALOHA与分时隙与分时隙ALOHA协议的性能协议的性能 2.延迟延迟性能性能 一帧的传输时间对平均传输迟延取平均。一帧的传输时间对平均传输迟延取平均。纯纯ALOHA分时隙分时隙ALOHA0 0.1 0.2 0.3 0.4 吞吐量（吞吐量（S）平均延迟（平均延迟（D）125102050100纯纯ALOHA与

36、分时隙与分时隙ALOHA的传输延迟的传输延迟D与吞吐量与吞吐量S的关系示意图的关系示意图2022/12/531移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）协议称为协议称为载波侦听（或载波检测）多址接入协议载波侦听（或载波检测）多址接入协议。是在广播介质。是在广播介质信道局域网络中使用较多的一种随机竞争类信道局域网络中使用较多的一种随机竞争类MAC协议。协议。以减小碰撞率和提高吞吐能力为目的，以减小碰撞率和提高吞吐能力为目的，CSMA协议有多

37、协议有多种不同控制策略形成的不同类型：种不同控制策略形成的不同类型：1-持续式持续式CSMA P-持续持续式式 非持续非持续式式 CSMA/CD CSMA/CA等。等。IEEE 802.3建议的总线以太网使用协议建议的总线以太网使用协议CSMA/CD，IEEE 802.11建议的无线局域网基本协议建议的无线局域网基本协议CSMA/CA。2022/12/532移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议一一.CSMA协议原理协议原理CSMA协议下，每站在发送数据帧之前先对信道上的载波进行侦听，以确定信道是处在忙碌

38、（有载波）还是空闲（无载波）状态。当信道忙时，肯定不发送，可以选择继续对载波进行侦听以检测信道，或者先退避一段时间再重新检测信道，直至信道空闲。当检测到信道空闲时，可以立即发送出去，也可以以某种概率发送出去，以另外概率重新检测信道。进一步提高CSMA协议的性能（减少碰撞、增大吞吐量、缩短帧传输延迟等）将取决于CSMA协议如何安排信道检测和数据发送的机制。检测到信道是忙检测到信道是忙碌的，是坚持检碌的，是坚持检测还是退避一段测还是退避一段时间后再检测？时间后再检测？检测到信道是检测到信道是空空闲，是肯定发送闲，是肯定发送还是以某一概率还是以某一概率发送？发送？是检测到信道瞬是检测到信道瞬时空闲还

39、是要求时空闲还是要求达到一定的空闲达到一定的空闲间隔才来考虑安间隔才来考虑安排发送时机？排发送时机？2022/12/533移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣1-持续式持续式CSMA若信道空闲，则将数据帧发送出去；若信道忙碌，则坚持继续检测信道，直至信道空闲。典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议NY发送帧到达发送缓冲器载波侦听检测信道信道空闲吗？发送数据帧结束程序1持续式持续式CSMA协议协议 发送操作流程发送操作流程1持续式持续式CSMA协议协议 吞吐量性能吞吐量性能10.80.60.40.200.01 0.1 1 10 100 tp=

40、1tp=0tp=0.2归一化信号传播延时t tP PSmax =0.5382022/12/534移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣三三.p-持续式持续式CSMA检测到信道空闲时，以概率P（P小于1）发送数据帧，而以概率1P延迟一个时间，之后再重新进行信道检测。典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议p持续式持续式CSMA协议协议 发送操作流程发送操作流程p持续式持续式CSMA协议协议 吞吐量性能吞吐量性能发送帧到发送缓冲器发送帧到发送缓冲器载波侦听检测信道载波侦听检测信道信道空闲？信道空闲？发送数据帧发送数据帧NY产生产生0,1内随机数内随

41、机数P?P?Y延迟时间延迟时间 N结束程序结束程序10.80.60.40.200.01 0.1 1 10 100 tp=0.2p=0.9p=0.52p=0.1522022/12/535移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣四四.非持续式非持续式CSMA这种方式和1坚持式CSMA相比较，差别在于当检测到信道忙碌时，不是再坚持继续检测，而是暂退出来，选择一个随机时间延迟D,延迟完毕后，再重新开始检测信道。典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议非持续式非持续式CSMA协议协议 发送操作流程发送操作流程发送帧到发送缓冲器发送帧到发送缓冲器载波侦听检测

42、信道载波侦听检测信道信信 道道 空空 闲闲？Y选择随机选择随机延迟时间延迟时间D DN发送数据帧发送数据帧结束程序结束程序非持续式CSMA协议也能够在总业务量G很大时也有大的吞吐量，特别是在信号传播延时小时更为明显。需要指出，非持续式CSMA在总业务量G很大时也有大的吞吐量这一点是靠牺牲数据帧的平均传输延迟换来的。综合前述的几种CSMA协议，对它们的性能作一简单比较：时隙非持续式CSMA具有最大的吞吐量S；总业务量G较小时，1持续式和P持续式CSMA的吞吐量最大；选择合适的P值，可使P持续式CSMA的平均传输延迟D较小；吞吐量S较小时，1持续式CSMA的平均传输延迟D最小；各种CSMA协议的性

43、能都比ALOHA系统要好。2022/12/536移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣四四.具有碰撞检测和碰撞避免功能的具有碰撞检测和碰撞避免功能的CSMA协议简介协议简介典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议1.具有碰撞检测功能的具有碰撞检测功能的CSMA协议协议CSMA/CDCSMA/CD协议就是IEEE802.3标准规定的总线式以太网络的媒体访问控制（MAC）协议。它是在1持续式CSMA的基础上增加了碰撞检测功能，从而使协议的性能大大改善。CSMA/CD协议对碰撞进行检测是基于在一定传输距离内，任何两个或两个以上的数据帧在媒体中发生碰撞

44、时，多路信号（曼彻斯特编码信号）相互叠加后的直流电平一定高于单路信号（无碰撞）的直流电平。增加碰撞检测功能后使得协议性能提高主要基于两点：当检测出已经发生的碰撞后，正在发送数据帧的站可立即终止发送，以减少信道资源的不必要的继续浪费；每个站的数据帧发生碰撞后将选择进入退避，并可根据自己的数据帧连续遭到碰撞的次数，了解系统中负载的轻重情况，调整随机退避的时间范围，进而降低再次碰撞的概率，确保重负载G时获得较大的吞吐量S。2022/12/537移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣四四.具有碰撞检测和碰撞避免功能的具有碰撞检测和碰撞避免功能的CSMA协议简介协议简介典型的时分多址接入典型

45、的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能CSMA协议协议2.具有碰撞避免功能的具有碰撞避免功能的CSMA协议协议CSMA/CACSMA/CA协议是IEEE802.11标准规定的无线局域网的基本的MAC协议。无线局域网的MAC协议没有选择CSMA/CD的原因是无线条件下碰撞检测的困难。因为若干路无线信号碰撞后，并不能保证相互叠加的合成信号的直流电平或载波幅度的一定增加。CSMA/CA是具有碰撞避免功能的CSMA协议。实际上它也不能做到碰撞的绝对避免，只不过是综合前述各种CSMA的优秀特点，尽量减少碰撞的概率，尽量获得比较理想的吞吐量S及传输延迟D。碰撞避免途径之一碰撞避免途径之一:当系统中的总业

46、务量G很低时以1持续式CSMA方式工作，尽量减小传输延迟D，而在系统中的总业务量G较高时以P持续式或非坚持式CSMA方式工作，尽量获得较大的吞吐量S。碰撞避免途径之二碰撞避免途径之二:在非坚持式CSMA方式工作时，可以给系统中的站或各个站所发送的不同类型的信息进行分类，并给以不同的优先级别。当检测到信道忙碌时，以不同优先级别的站或不同优先级别的信息数据帧来确定其退避延迟时间的大小，达到改善系统性能的目的。碰撞避免途径之三碰撞避免途径之三:可以通过发送探询脉冲（或短的探询帧）的方式获取信道使用权，以减小数据帧碰撞的概率。因为发出占时很短的探询脉冲如果未遭碰撞（能正确回收到），说明已获得信道，可放

47、心随后发送自己的数据帧；如果探询脉冲遭到碰撞（未能回收或回收错误），则选择退避。由于探询脉冲占时很短，即使碰撞，造成的信道资源浪费也很小。2022/12/538移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣一一.具有预约功能的位映象（具有预约功能的位映象（Bit-Map）MAC协议协议典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能按需分配方式按需分配方式MAC协议协议 1 1 1 F1F4F6 1 1 F1F5 1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 争用期（N=8时隙）数据帧争用期（N=8时隙）数据帧争用期位映象（位映象（Bit-M

48、ap）协议原理示意图协议原理示意图具有数据帧要发送的站，可以在争用期中属于自己的争用时隙（和自己站址地相同的时隙号）内插入比特“1”。一个争用期过去后，网络中的所有站都可通过该争用期中各个时隙内的内容（0或1）了解该争用期过后，究竟有那些站点想要发送数据帧，了解信道中要发送的数据帧的数目和顺序。因为每一个站都知道下一帧该谁发送，所以根本就不可能发生碰撞。当最后一个待发送的站成功发送后（每个站都可容易地检测到这个事件），新的一个N时隙争用期又将开始。位映象（位映象（Bit-Map）MAC协议性能协议性能 在系统总业务量G=0情况下，由于没有数据帧的发送,只有争用期位图一遍遍地重复,故系统的吞吐量

49、S=0。当系统中有n个站有数据帧需要发送时，每长度为N个时间单位的争用期位图之后，有n个长度为L的数据帧，如果忽略掉帧间间隔，我们可以得到系统的吞吐量S=nL(nL+N)。当系统中每个站都有数据帧要发送时，系统可以获得到最大的吞吐量Smax=L(L+1)。系统的平均传输延迟D的最小值发生在只有一个站有数据帧要发送时，若忽略掉帧间间隔和媒体传播延迟时间，有Dmin=1+（NL）；系统的平均传输延迟D的最大值发生在全部N个站都有数据帧要发送时，同样如果忽略掉帧间间隔和媒体传播延迟时间，有Dmax=N+（NL）。2022/12/539移动通信重点实验室移动通信重点实验室-景小荣景小荣二二.轮询（轮询

50、（Polling）方式媒体访问控制（方式媒体访问控制（MAC）协议协议典型的时分多址接入典型的时分多址接入MAC协议与性能协议与性能按需分配方式按需分配方式MAC协议协议轮询帧A响应帧A轮询帧B数据帧B轮询帧C数据帧CN=3（A、B、与C）系统的一个轮询周期其中站A无数据发送，站B和C有数据发送三站系统的一个轮询周期及其信道利用示意图三站系统的一个轮询周期及其信道利用示意图轮询（Polling）方式媒体访问控制（MAC）协议用于采用有中心集中控制的网络系统。中心站通过发送短的询问帧（询问帧内含有某站的地址），以点名的方式询问某站是否有数据要发送。这种询问帧在系统内各个站间以某种逻辑循环顺序（轮