第3章-媒体访问控制技术教学课件.ppt
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1、第3章-媒体访问控制技术信息与控制工程研究所 张凤登张凤登第第3章章 媒体访问控制技术媒体访问控制技术 媒体访问控制(MAC)协议是实时通信网络的重要组成部分,也是节点共享网络媒体的基础。MAC的效率、确定性、优先级设置等直接影响网络的通信性能。3.1 概述概述1多用户的网络连接方法多用户的网络连接方法 每个用户独立地与网络连接。这种方法有时要消耗较多的通信资源。通过集中器与网络连接(见图3-1)。这时,每个用户有一个单独的到集中器的访问线路(通过单独使用的端口)。集中器按顺序不断扫描各端口,或采用中断技术接收用户发来的信息。通过一个公用信道或媒体,使所有用户能够访问网络。图3-2是一个多点线
2、路,许多用户通过同一公用信道与主机相连。在这种情况下,必须使各用户与主机的通信不要互相冲突和干扰。有时整个网络就是条总线(如图3-21),或一个环(如图3-23),而各用户平等地连接到网络上。在这种情况下,用户之间的通信显然需要有一个彼此都遵守的协议。2多路访问控制技术分类多路访问控制技术分类 媒体访问控制技术通过一个公用信道或媒体,使所有用户能够访问网络(即上述网络连接方法)。受受控控访访问问。用户访问网络不能是随意的,必须服从网络的控制。受控访问又可分为:集集中中控控制制方方式式。集中控制的代表是探询(polling)。如在图3-2的多点线路中,主机依照顺序逐个询问各用户有无信息发送。如有
3、,则被询问的用户就立即发给主机;如无,则轮到下一个用户。主机控制整个的轮询。分分散散控控制制方方式式。分散控制的例子是令牌环(图3-23)传送。环网中有一个特殊分组,叫做令牌。令牌沿环路从一个用户传到另一个用户。只有持有令牌的用户才有权发送信息。信息发完后,即将令牌传递给下一个用户。由此可见,在网络的控制下,连接到公用信道上的许多用户,可以有条不紊地工作。随随机机访访问问。用户可以根据自己的意愿随机地发送信息。第3章图3-21所示的总线网就属这种类型。当两个或更多的用户同时发送信息时,就产生了分组的冲突。因此必须找出解决分组冲突的办法。现在已经研究出了多种解决分组冲突的网络协议。随机访问实际上
4、也就是竞争访问。竞争胜利者可获得总线(通信信道),因而成功地发送信息。但竞争也会导致两败俱伤(发生冲突时),使分组发送失败。最早的随机访问实例是ALOHA系统。3.2 集中控制型受控访问方法集中控制型受控访问方法 3.21 轮叫探询的性能分析轮叫探询的性能分析 轮叫探询的网络拓扑如图3-3所示,它实际上是由N个节点连接而成的多点线路。主机轮流呼叫各节点,询问有无数据要传送。主机也可主动将数据发给各节点。由于当主机向各节点发送数据时,数据分组都带有各节点的地址,所以不会出现混乱现象(每个节点不接收发往其它节点的数据)。因此在这里不必讨论主机怎样向各节点发送数据,而是集中精力研究各节点怎样按顺序将
5、数据发往主机。轮叫探询的工作原理(见图3-4)。这里着重画出了节点1和2的情况。设t0时节点l刚把所存的分组发完。于是主机开始询问节点2,而节点1则变为等待状态。这时,到达节点1的分组将存放在缓冲区中。图中画出了缓冲区所存储的分组数随时间阶梯般地增长。分组的到达是随机的。当主机再次轮询到节点l时,节点1即开始以全速发送所存放的全部分组。用排队论的术语就是服务开始(图中这一时刻用大黑点表示)。为便于画图,这里设分组长度为定长,等于1/(bit)(采用1/是排队论中的习惯表示方法),线路容量为C(bps),因此每发送1个分组需时1/(C)(s)。节点l从开始发送分组到分组全部发完,共需时t1(s)
6、。显然,t1取决于缓冲区中存储的分组数,是随机变量。轮叫探询访问方法的时间分析:轮叫探询访问方法的时间分析:上图中,节点1发完数据并且经过一定的传播时间后,主机就向节点2发出探询分组。再经过一定的传播时间,探询分组到达节点2。节点2要识别这个探询分组(即根据探询分组的地址捕捉到这个探询分组),则又需要一些时间。上述这几种时间之总和即为2,它代表节点1把发送权转交给节点2所需的时间;2也称为行走时间(walk time)。这样,轮询全部节点一周所用的时间,就是各节点的发送时间ti与行走时间i的总和(见图3-5),我们将这个时间称为循环时间,并记为tc。即(3-1)由于i、ti都是随机变量,因而t
7、c也是随机变量。我们关心的是循环时间的平均值,以及一个分组平均要等待多长时间才能被发往主机。1.循环时间的平均值循环时间的平均值 设整个探询系统的行走时间L是各节点的行走时间的平均值之和:(3-2)将(3-1)式两端求平均值,得到循环时间的平均值:(3-3)这里i是节点i的通信量强度。i=i/(iC)节点i的分组平均到达率为i(pkt/s),分组的平均长度为1/i(bit),则在循环时间 内共有i 个分组到达节点i,因此节点i的服务时间的平均值 应为:(3-4)(3-5)将(3-4)式代入(3-3)式,得:(3-6)其中 式中,是整个探询系统的通信量强度。从(3-5)式可看出,要使整个探询系统
8、是稳定的,必须使1。2.分组的平均等待时间分组的平均等待时间 一个分组从到达节点起,到该节点开始发送这一分组时所经历的平均时间。如图3-6所示,等待时间W可以进一步分为两部分:W1,分组到达节点到该节点开始发送分组的时间;W2,从节点开始发送分组,到该分组移动到发送队列的最前头所需的时间。因为任何一个节点的平均发送时间是 /N,所以任何一个节点的平均空闲时间是(1/N)。显然,W1应为这个时间的一半,即:将(3-5)式代入上式,得 W2的计算稍麻烦一点,还须做些假定。(3-7)(3-8)设各节点的分组到达率为(pkt/s)。可以假设把整个探询系统换成另一个排队系统,其分组到达率是总到达率N。显
9、然,W2就是一个分组进入这样的排队系统的平均等待时间。若分组的到达服从泊松过程,则设分组长度(变量)为l,1/为分组的平均长度,则服务时间(即分组的发送时间)的方差应为:将(3-9)式代入(A35)式的右端第2项,并考虑到现在N/(C),得 最后得出分组的平均等待时间为:服务时间的2阶矩 (服务时间的均值)2 (3-9)(3-10)(3-11)当分组为定长时,(3-11)式变为(3-12)当分组长度为指数分布时,(3-11)式变为(3-13)设主机向各节点发出的探询帧为定长,探询帧的发送时间tp亦为定长,每个节点识别探询分组平均需时间ts。再设各节点沿多点线路均匀分布,而主机到最远的节点N的单
10、程传播时间为,则不难证明,整个探询系统的行走时间L为(3-14)(412)和(413)式就是我们所要推导的分组延迟公式。现在剩下的问题就是探询系统的行走时间L的具体计算,见【例3-1】。3.22 传递探询的性能分析传递探询的性能分析 轮叫探询的探询分组不停地循环往返在多点线路上,并且形成了相当部分开销,增加了分组的等待延迟。为了克服这一缺点,可以采用传递探询的办法。传递探询的工作原理:主节点先向节点N发出探询分组,节点N在发送数据完毕时,或在告诉主节点暂时没有数据发送时,就将其相邻节点(即节点N1)的地址附上。我们应注意到现在节点1N1各有2条输入线。一条是接收主机发来的数据用的,另一条则用来
11、接收允许发送的信息。可以看出,当节点N向主机发送信息时,节点lN1都可检测到线路上有数据在传送。但这些数据的地址并非指向节点1N1,所以这些节点都不去接收线路上的数据。但在最后,节点N1检测到自己的地址,知道节点N把发送权转移到自己这方面来了。于是它就开始向主机发送数据。以后的情况都是类似的。当节点1发完数据时,就将主机的地址附上。当发送权重新回到主机手中时,一个循环就结束了。下一个循环开始时,主机再向节点N发出探询。在传递探询的情况下,除了系统的行走时间L外,其余的计算公式应当都是相同的。从上述的工作原理可看出,在公式(3-14)中,右端第1项可以取消(严格说来应变为tp),而第3项应改为2
12、。于是(3-15)根据公式(3-13)、(3-14)和(3-15)以及实例计算结果,很容易得出以下的结论:传递探询的分组延迟总是小于同样条件下的轮叫探询的延迟。节点间的距离越大,传递探询的效果越好。节点间距离较小且通信量强度较大时,传递探询带来的好处就不太明显。传递探询系统虽然具有比轮叫探询更短的分组等待延迟,但由于实现技术比较复杂,代价也高些,因此在目前实用的探询系统中,主要还是使用轮叫探询。3.3 ALOHA随机访问方法随机访问方法 探询技术这种多路访问方式的缺点是:当网络的通信量较小时,探询系统的工作效率较低,因为探询信息不停地在线路上传来传去,即使节点基本上没有数据可发送,也是如此。节
13、点可以自由地发送数据吗?1工作原理工作原理 ALOHA网络的通用结构如图3-8所示。这个结构既可代表总线式网络,也可以代表无线信道的情况。3.31 纯纯ALOHA 纯ALOHA媒体访问技术是70年代初期由美国夏威夷大学试验成功的。其目的是为了使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机。由于无线信道相当于一个公用媒体,一个用户发送的信息可以被许多用户同时收到,而每个用户又是随机发送的,因此这是个随机访问系统。他们早期研制的系统称为ALOHA,是Additive Link On-line HAwaii system的缩写,而ALOHA恰好又是夏威夷方言的“你好”。在ALOHA系统出现以后,很多性
14、能更完善的协议也相继问世。例如,一种改进的随机访问协议,称为载波监听多路访问/冲突检测,简称为CSMA/CD,现已成为总线式局域网的标准协议。ALOHA系统的工作原理图3-9表示 每一个节点均自由地发送分组,分组长度用分组发送所需时间T0表示,设所有的节点发送的分组都是定长的。当节点1发送第1个分组时,其它节点都没有发送分组,所以这个分组必定发送成功(这里不考虑由信道不良产生的误码),但随后节点2和节点N1发送的分组有一部分在时间上重叠了,这就是以前提到的“冲突”。当任何一个节点发现发出的分组与其他节点的分组相冲突时,不能马上重发,因为这样会继续冲突下去。可以使冲突的分组先退避,即各自延迟一段
15、随机的时间,然后再重发。如再发生冲突,则继续退避,直到发送成功为止。2性能分析性能分析 这里主要分析纯ALOHA的吞吐量和平均延迟。从图3-l0可看出,一个分组如欲发送成功,必须使在该分组发送时刻之前和之后各一段时间T0内(一共2T0的时间间隔),没有其他分组的发送。否则,必产生冲突而导致发送失败。分组发送成功的条件:在分组之前和之后的到达时间间隔必须都大于T0。从图3-10可看出,若分组4要发送成功,分组3和分组4的间隔要大于T0,分组4和分组5的间隔也要大于T0。为便于分析,我们把图3-9改画成具有同一时间轴的图3-10,并把每个分组开始发送的时间用一垂直向上的箭头表示(请和图3-9对照起
16、来看)。设分组的到达(包括重发分组)服从泊松分布。在有关ALOHA系统的分析中,一般用到下述两个归一化的参数:吞吐量S(又称吞吐率)在分组发送时间T0内成功发送的平均分组数。显然,0S1。网络负载G 从网络的角度看,在T0内总共发送的平均分组数。这里包括发送成功的和因冲突发送失败而需要重发的分组。显然,GS,而只有在不发生冲突时,G才等于S。还应注意到,G可以远大于1。吞吐量:吞吐量:在稳定状态下,吞吐量S与网络负载G的关系为:S GP()(3-16)这里的意义是发送成功,P()是一个分组发送成功的概率。将这个结果代入(3-17)式,得出一个分组发送成功的概率为:P()e2G(3-20)代入(
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- 媒体 访问 控制 技术 教学 课件
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