CN-随机访问MAC协议

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多路访问控制(MAC)协议

两类的链路：

• 点对点链路：
  1. 拨号接入的PPP
  2. 以太网交换机和主机之间的点对点链路
• 广播链路（共享介质）
  1. 早期的总线以太网
  2. HFC的上行链路
  3. 802.11无线局域网

单一共享广播信道

两个或者两个以上的结点同时传输：干扰(interface)

冲突

结点同时接收到两个或者多个信号 $\to$ 接收失败！

多路访问控制协议

采用分布式算法决定结点怎么共享信道，也就是决策结点什么时候可以传输数据

必须基于信道本身，通信信道共享协调信息！

理想的MAC协议

给定：速率为Rbos的广播信道

期望：

1. 如果只有一个结点：R
2. M个结点发送：R/M
3. 完全分散控制：
   1. 不用特定协调
   2. 不用时钟，时隙同步
4. 简单

MAC协议的分类

三大类：

信道划分MAC协议

多路复用技术

TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等

随机访问MAC协议

信道不划分，允许冲突

冲突的恢复机制

轮转协议

结点轮流使用信道

信道划分MAC协议：TDMA、FDMA

time division multiple access

周期性的使用信道

每个站点在每个周期占用固定长度的时隙

未用的时隙空间

同理：FDMA (frequency division multiple access)

网络资源

随机访问MAC协议

当结点要发送分组的时候：

• 利用信道全部数据速率R发送分组
• 没有实现的结点协调

两个或者多个结点同时传输 ： 冲突

随机访问MAC协议需要定义：

• 如何检测冲突

• 如何从冲突中恢复（延迟重传）

典型的随机访问MAC协议：

ALOHA CSMA/CA 等

时隙ALOHA协议

假定：

所有帧的大小相同
时间被划分为等长度的时隙
结点只能在时隙的开始时刻发送帧
结点之间时钟同步
如果两个或者两个以上的结点在同一个时隙发送帧，节点就检测到冲突

运行：

当结点有新的帧的时候，在下一个时隙(slot)发送
如果冲突 以概率p重传这个帧

优点:
单个结点活动时，可以连续以信道全部速率传输数据
高度分散化: 只需同步时隙
简单

缺点:
冲突，浪费时隙
空闲时隙
结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突

效率：成功发送帧的时隙占的比例

假设：N个结点有很多的帧需要传输，每个结点在每个时隙均以概率p发送数据

效率：最大的效率为0.37

纯ALOHA协议

更简单，不用时钟同步

当有新的数据帧构成的时候立刻发送数据帧

• 立即发送

冲突的可能性增大

比时隙ALOHA协议更差，效率为0.18

CSMA协议

载波监听多路访问协议

发送帧之前，监听信道(载波)：

• 信道空闲：发送完整帧

• 信道忙：推迟发送

  • 1-坚持CSMA
  • 非坚持CSMA
  • P-坚持CSMA

冲突可能仍然发生：信号传播延迟

继续发送冲突帧：浪费信道资源

CSMA/CD协议

带有冲突检测的载波多路访问协议

短时间内内可以检测到冲突

冲突之后传输中止，减少信道的浪费

冲突检测：

• 有线局域网易于实现：测量信号强度，比较发送信号和接收信号
• 无线局域网很难实现：接收信号强度淹没在本地发射信号强度下

“边发边听，不发不听”

CSMA/CD协议

在一个采用CSMA/CD协议的网络中，传输介质是一根完整的电缆，传输速率为1 Gbps，电缆中的信号传播速度是200 000 km/s。若最小数据帧长度减少800比特，则最远的两个站点之间的距离至少需要减少

$T_{prop} = LAN中两个结点之间的最大传播延迟$

$t_{trans} = 最长帧传输延迟$

$效率 = \frac{1}{1+5 t_{prop}/t_{trans}}$

远优于ALOHA并且简单分散