【计算机网络】第五章 数据链路层（2）

三．多路访问控制（MAC）协议

1. 两类链路

（1）点对点链路：拨号接入的PPP、以太网交换机与主机间的点对点链路

（2）广播链路（共享介质）：早期的总线以太网、HFC的上行链路、802.11无线局域网

2. 基本概念

（1）单一共享广播信道

（2）两个或两个以上结点同时传输，则发生冲突；结点同时接收到两个或多个信号，则接受失败

（3）采用分布式算法决定结点如何共享信道，即决策结点什么时候能够传输数据

（4）MAC协议基于信道自己，通讯信道共享协调信息

3. 理想MAC协议

（1）给定：速率为R bps的广播信道

（2）指望

　　·当只有一个结点但愿传输数据时，以速率R发送

　　·M个结点指望发送数据时，每一个结点的平均发送速率为R/M、

　　·彻底分散控制“无需特定结点协调、无需时钟、时隙同步

　　·简单

4. MAC协议分类

（1）信道划分MAC协议：多路复用技术，TDMA、CDMA、WDMA、FDMA

　　·TDMA：周期性接入信道，每一个站点再每一个周期占用固定长度的时隙，未用时隙空闲

 

　　·FDMA：信道频谱划分为若干频带，每一个站点分配一个固定的频带，无传输频带空闲

 

（2）随机访问MAC协议：信道不划分，容许冲突，采用冲突恢复机制

　　·须要定义：冲突检测、冲突恢复

　　·典型随机访问协议：时隙ALOHA、ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

（3）轮转访问MAC协议：结点轮流使用信道

5. 时隙ALOHA协议

（1）假定

　　·全部帧大小相同，时间被划分为等长的时隙

　　·结点只能在时隙开始时刻发送帧，结点间时钟同步

　　·若是两个或两个以上结点在同一时隙发送帧，结点即检测到冲突

（2）运行

　　·若是无冲突，当结点有新的帧时，在下一个时隙发送

　　·有冲突，在下一个时隙以几率p重传该帧，直到成功

（3）示例

 

（4）优势：单个结点活动时占据所有速率，高度分散化，简单

（5）缺点：冲突浪费时隙，结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突、时钟同步

（6）效率：长期运行时成功发送帧的时隙所占比例

　　·假设：N个结点有不少帧待传输，每一个结点在每一个时隙均以几率p发送数据

　　·对于给定结点，在一个时隙成功的几率为p × (1 - p)^(N - 1)

　　·对于任意结点，在一个时隙成功的几率为Np × (1 - p)^(N - 1)

　　·最大效率：求得使Np × (1 - p)^(N - 1)最大的p*

　　·对于不少结点，当N趋于无穷时，可得最大效率为1/e = 0.37

6. （纯）ALOHA协议

（1）无同步，有新的帧，当即发送

（2）冲突可能性更大：易损时间区为两个时隙，比时隙ALOHA多一个

 

（3）P(给定结点成功发送帧) = p × (1 - p)^(2(N - 1)) = 1/2e = 0.18

7. 载波监听多路访问MAC协议

（1）CSMA：发送帧以前，监听信道

　　·信道空闲：发送完整帧

　　·信道忙：推迟发送

　　　　- 1-坚持：一直监听

　　　　- 非坚持：随机等待一段时间后监听

　　　　- P-坚持：以几率P一直监听，几率(1 - P)随机等待

　　·信号传播延迟仍可能致使冲突，继续发送冲突帧形成资源浪费

（2）CSMA/CD：带有冲突信号检测

　　·边发送边检测或短期内可检测冲突，冲突后传输停止，减小信道浪费

　　·冲突检测

　　　　- 有线局域网：可测量信号强度，比较发射与接收信号

　　　　- 无线局域网：因为信号衰减很难实现，接收信号强度淹没在本地发射信号强度下

　　·示例

 

　　·效率 = 1 / (1 + 5tprop / ttrans)

　　　　- tprop：LAN中两个结点间的最大传播延迟

　　　　- ttrans：最长帧传输延迟

　　　　- tprop趋近于0或ttrans趋近于无穷时，效率趋近于1

8. 轮转访问MAC协议

（1）轮询

　　·主结点轮流邀请从属结点发送数据

　　·典型应用：哑从属设备

　　·问题：轮询开销、等待延迟、单点故障

（2）令牌传递

　　·控制令牌（一个特殊帧）依次从一个结点传递到下一个结点

　　·问题：令牌开销、等待延迟、单点故障（若是令牌丢失，主结点补发）