電腦網路-鏈路層(2)多路存取控制協議(multiple access control protocol)

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單一共用廣播通道,如果兩個或者兩個以上結點同時傳輸,會互相干擾(interference)衝突(collision):結點同時接收到兩個或者多個訊號→接收失敗!MAC協議採用分布式演算法決定結點如何共用通道,即決策結點何時可以傳輸資料。其必須基於通道本身,通訊通道共用協調資訊。無帶外通道用於協調。
  • 通道劃分(channel partitioning)MAC協議
TDMA: time division multiple accessTDM 將時間劃分為時間幀(timeframe),並進一步劃分每個時間幀為N個時隙(slot)每個網站在每個時間幀,佔用固定長度的時隙(長度=分組傳輸時間);未用時隙空閑(idle)6網站LAN,134傳輸分組,256空閑 FDMA: frequency division multiple access通道頻譜劃分為若干頻帶(frequency bands)每個站台指派一個固定的頻帶,不會衝突但通道利用率可能不高;無傳輸頻帶空閑6網站LAN, 134頻帶傳輸資料,256頻帶空閑。 CDMA: code division multiple access每個使用者指派一個唯一的m bit碼片序列(chipping sequence),其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示。各使用者碼片序列相互正交(orthogonal)各使用者使用相同頻率載波,利用各自碼片序列編碼資料,編碼訊號= (未經處理資料) × (碼片序列)如發送位元 1(+1),則發送自己的m bit 碼片序列如發送位元 0(-1),則發送該碼片序列的m bit 碼片序列的反碼接收端收到的是各使用者的疊加向量,用發送端的碼片序列與收到的編碼訊號求內積則可解碼
  • 隨機訪問(random access)MAC協議
當結點要發送分組時,利用通道全部資料速率R發送分組,沒有事先的結點間協調兩個或多個結點同時傳輸時會發生衝突,因此需要定義:如何檢測衝突、如何從衝突中恢複 (如通過延遲重傳) 時隙ALOHA協議所有幀大小相同時間被劃分為等長的時隙(每個時隙可以傳輸1個幀),結點間時鐘同步結點只能在時隙開始時刻發送幀,當結點有新的幀時在下一個時隙(slot)發送如果2個或2個以上結點在同一時隙發送幀,結點即檢測到衝突如果無衝突:該結點可以在下一個時隙繼續發送新的幀如果衝突:該結點在下一個時隙以機率p重傳該幀,直至成功優點:(1)單個結點活動時,可以連續以通道全部速率傳輸資料(2)高度分散化:只需同步時隙(3)簡單缺點:(2)衝突時會浪費時隙(2)存在空閑時隙(3)結點也許能以遠小於分組傳輸時間檢測到衝突,不過檢測到衝突也沒有意義,因為時隙ALOHA協議只允許在時隙開始時發送資料幀(4)需要時鐘同步假設: N個結點有很多幀待傳輸,每個結點在每個時隙均以機率p發送資料對於給定的一個結點,在一個時隙將幀發送成功的機率= p(1-p)N-1對於任意結點成功發送幀的機率= Np(1-p)N-1最大效率: 求得使Np(1-p)N-1最大的p*對於很多結點,求Np*(1-p*)N-1當N趨近無窮時的極限,可得最大效率=1/e≈0.37 非時隙ALOHA協議無需時鐘同步,更加簡單當有新的幀產生時,立刻發送衝突可能性增大:在t0時刻發送幀,會與在[t0-1, t0+1]期間其他結點發送的幀衝突易損時間區為[t0-1, t0+1],是時隙ALOHA協議的兩倍P(給定結點成功發送幀) = P(該結點發送)*P(無其他結點在[t0-1, t0]期間發送幀)*P(無其他結點在[t0, t0+1]期間發送幀)= p·(1-p)N-1·(1-p)N-1= p·(1-p)2(N-1)選取最優的p,當N趨近無窮時的極限=1/(2e)≈0.18,比時隙ALOHA更差 載波偵聽多路訪問協議 CSMA(carrier sense multiple access)協議載波偵聽:發送幀之前,監聽通道(載波):    通道空閑:發送完整幀    通道忙:延遲發送        1-堅持CSMA:以機率p=1一直堅持監聽通道        非堅持CSMA:不堅持監聽訊號,等待一段時間再監聽        P-堅持CSMA衝突可能仍然發生:訊號傳播延遲,或者同時發送了資料幀廣播通道的端到端通道傳播時延越長,載波偵聽結點不能偵聽到網路中另一個結點巳經開始傳輸的機會就越大B已經開始傳輸,但由於訊號傳輸延遲,D不能偵聽到,因此也開始了傳輸。但即使出現衝突也必須將資料幀發送完,會浪費通道資源。 具有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問協議 CSMA/CD (CSMA with CollisionDetection)協議應用於乙太網路碰撞檢測:當一個傳輸結點在傳輸時一直在偵聽此通道。如果它檢測到另一個結點正在傳輸幹擾幀,它就停止傳輸有線區域網路易於實現:測量訊號強度,比較發射訊號與接收訊號無線區域網路很難實現:接收訊號強度淹沒在本地發射訊號強度下短時間內可以檢測到衝突(檢測到疊加訊號),衝突後傳輸中止,減少通道浪費網路頻寬:R bps資料幀最小長度:Lmin(bits)訊號傳播速度:V(m/s)資料幀發送完成前,A必須收到B處傳來的衝突L / R ≥ 2dmax/ VLmin/ R = 2dmax/ V可能還有一些延遲時間,RTT > d / V ,得Lmin/ R= RTTmaxTprop= LAN中2個結點間的最大傳播延遲ttrans= 最長幀傳輸延遲,對於10Mbps,傳輸最大長度的乙太網路幀的時間近似為1.2msTprop趨近於0或者ttrans趨近於∞時,效率趨近於1遠優於ALOHA,並且簡單、分散! 避免衝突的載波偵聽多路訪問協議  CSMA/CA(CSMAwith Collision Avoidance)協議802.11無線區域網路中,不能像CSMA/CD那樣,邊發送、邊檢測衝突!    無線通道很難實現    無法偵聽到所有可能的衝突:隱藏站、訊號衰落802.11發送端:(1)如果監聽到通道空閑了DIFS時間,則發送整個幀(發送的同時不檢測衝突)(2)如果監聽到通道忙,則開始隨機退避計時            當通道空閑時,計時器倒計時            當計時器逾時時,發送幀(3)如果沒有收到ACK,則增加隨機退避間隔時間,重複(2)802.11接收端:如果正確接收幀,則在延遲SIFS時間後,向發送端發送ACK(由於存在隱藏站問題) MAC/CA基本思想:允許發送端“預約”(reserve)通道,而不是隨機發送資料幀,利用小預約幀避免長資料幀的衝突通道空閑了DIFS時間後,發送端首先利用CSMA向BS發送一個很短的RTS(request-to-send)幀RTS幀仍然可能彼此衝突 (但RTS幀很短)BS廣播一個CTS(clear-to-send)幀作為對RTS的響應,CTS幀可以被所有結點接收,以消除隱藏站影響發送端可以發送資料幀,其他結點延遲發送
  • 輪流訪問MAC協議
輪詢協議主結點以迴圈的方式輪詢每個結點(向結點發送一個報文,告訴它能夠傳輸的楨的最多數掀)從屬結點發送資料(被邀請且有資料才會發送資料)缺點:(1)輪詢資料幀存在輪詢開銷(2)主結點必須依次輪詢每一個非活躍結點,活躍結點等待輪詢存在等待延遲(2)單點故障問題 令牌傳遞通訊協定控制令牌(小的特殊幀)依次從一個結點傳遞到下一個結點。當一個結點收到令牌且它有一些幀要發送時,它持有令牌並發送最大數目的幀數;否則,它立即向下一個結點轉寄該令牌。缺點:(1)令牌開銷(2)令牌丟失,則必須調用某些恢複步驟使令牌返回到迴圈中來(3)令牌依次傳遞,結點必須等待令牌存在等待延遲(4)單點故障問題

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