【計算機網絡】第五章 數據鏈路層（2）

三．多路訪問控制（MAC）協議

1. 兩類鏈路

（1）點對點鏈路：撥號接入的PPP、以太網交換機與主機間的點對點鏈路

（2）廣播鏈路（共享介質）：早期的總線以太網、HFC的上行鏈路、802.11無線局域網

2. 基本概念

（1）單一共享廣播信道

（2）兩個或兩個以上結點同時傳輸，則發生衝突；結點同時接收到兩個或多個信號，則接受失敗

（3）採用分佈式算法決定結點如何共享信道，即決策結點什麼時候能夠傳輸數據

（4）MAC協議基於信道自己，通訊信道共享協調信息

3. 理想MAC協議

（1）給定：速率爲R bps的廣播信道

（2）指望

　　·當只有一個結點但願傳輸數據時，以速率R發送

　　·M個結點指望發送數據時，每一個結點的平均發送速率爲R/M、

　　·徹底分散控制「無需特定結點協調、無需時鐘、時隙同步

　　·簡單

4. MAC協議分類

（1）信道劃分MAC協議：多路複用技術，TDMA、CDMA、WDMA、FDMA

　　·TDMA：週期性接入信道，每一個站點再每一個週期佔用固定長度的時隙，未用時隙空閒

 

　　·FDMA：信道頻譜劃分爲若干頻帶，每一個站點分配一個固定的頻帶，無傳輸頻帶空閒

 

（2）隨機訪問MAC協議：信道不劃分，容許衝突，採用衝突恢復機制

　　·須要定義：衝突檢測、衝突恢復

　　·典型隨機訪問協議：時隙ALOHA、ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

（3）輪轉訪問MAC協議：結點輪流使用信道

5. 時隙ALOHA協議

（1）假定

　　·全部幀大小相同，時間被劃分爲等長的時隙

　　·結點只能在時隙開始時刻發送幀，結點間時鐘同步

　　·若是兩個或兩個以上結點在同一時隙發送幀，結點即檢測到衝突

（2）運行

　　·若是無衝突，當結點有新的幀時，在下一個時隙發送

　　·有衝突，在下一個時隙以機率p重傳該幀，直到成功

（3）示例

 

（4）優勢：單個結點活動時佔據所有速率，高度分散化，簡單

（5）缺點：衝突浪費時隙，結點也許能以遠小於分組傳輸時間檢測到衝突、時鐘同步

（6）效率：長期運行時成功發送幀的時隙所佔比例

　　·假設：N個結點有不少幀待傳輸，每一個結點在每一個時隙均以機率p發送數據

　　·對於給定結點，在一個時隙成功的機率爲p × (1 - p)^(N - 1)

　　·對於任意結點，在一個時隙成功的機率爲Np × (1 - p)^(N - 1)

　　·最大效率：求得使Np × (1 - p)^(N - 1)最大的p*

　　·對於不少結點，當N趨於無窮時，可得最大效率爲1/e = 0.37

6. （純）ALOHA協議

（1）無同步，有新的幀，當即發送

（2）衝突可能性更大：易損時間區爲兩個時隙，比時隙ALOHA多一個

 

（3）P(給定結點成功發送幀) = p × (1 - p)^(2(N - 1)) = 1/2e = 0.18

7. 載波監聽多路訪問MAC協議

（1）CSMA：發送幀以前，監聽信道

　　·信道空閒：發送完整幀

　　·信道忙：推遲發送

　　　　- 1-堅持：一直監聽

　　　　- 非堅持：隨機等待一段時間後監聽

　　　　- P-堅持：以機率P一直監聽，機率(1 - P)隨機等待

　　·信號傳播延遲仍可能致使衝突，繼續發送衝突幀形成資源浪費

（2）CSMA/CD：帶有衝突信號檢測

　　·邊發送邊檢測或短期內可檢測衝突，衝突後傳輸停止，減小信道浪費

　　·衝突檢測

　　　　- 有線局域網：可測量信號強度，比較發射與接收信號

　　　　- 無線局域網：因爲信號衰減很難實現，接收信號強度淹沒在本地發射信號強度下

　　·示例

 

　　·效率 = 1 / (1 + 5tprop / ttrans)

　　　　- tprop：LAN中兩個結點間的最大傳播延遲

　　　　- ttrans：最長幀傳輸延遲

　　　　- tprop趨近於0或ttrans趨近於無窮時，效率趨近於1

8. 輪轉訪問MAC協議

（1）輪詢

　　·主結點輪流邀請從屬結點發送數據

　　·典型應用：啞從屬設備

　　·問題：輪詢開銷、等待延遲、單點故障

（2）令牌傳遞

　　·控制令牌（一個特殊幀）依次從一個結點傳遞到下一個結點

　　·問題：令牌開銷、等待延遲、單點故障（若是令牌丟失，主結點補發）