數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第四章信道共享ppt課件

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第4章 多路復(fù)用與信道共享技術(shù),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信 (第2版),1,A.1 信道共享技術(shù)的基本概念,要解決的問題：什么時(shí)候才可以把數(shù)據(jù)發(fā)到鏈路上？如何讓眾多用戶合理而方便的共享通信媒體資源？ 日常生活中常見的信道共享的例子就是召開會(huì)議。主要的召開會(huì)議的方式有： （1）固定分配發(fā)言時(shí)間，如學(xué)術(shù)會(huì)議、年終總結(jié)會(huì)等； （2）由主席管理發(fā)言。如聽證會(huì)、辯論會(huì)； （3）不設(shè)會(huì)議主席，隨機(jī)發(fā)言。如討論會(huì)。 信道共享技術(shù)的基本思想大都與此類似。,2,A.1 信道共享技術(shù)的基本概念,信道共享技術(shù)主要可以分為靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配兩大類。 靜態(tài)分配適用于用戶數(shù)大致固定且通信量較大的情況。 主要問題：不夠靈活，不能適應(yīng)拓?fù)?、用戶量等變化。因此不適和用戶數(shù)多且經(jīng)常變化或通信量具有突發(fā)性的情況。 典型的靜態(tài)分配有時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用及碼分復(fù)用等。 動(dòng)態(tài)分配又可以分為受控多點(diǎn)接入和隨機(jī)多點(diǎn)接入兩大類。 受控接入是指用戶接入信道要受到預(yù)先設(shè)定的控者或規(guī)則的控制。典型的受控接入技術(shù)包括輪叫輪詢和傳遞輪詢。 隨機(jī)接入是指各站點(diǎn)通過隨機(jī)爭(zhēng)用的方式接入信道。主要的隨機(jī)接入技術(shù)有ALOHA，CSMA，和CSMA/CD。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信道共享技術(shù)的設(shè)計(jì)原則是公平和效率。對(duì)協(xié)議性能的分析主要圍繞吞吐量和時(shí)延兩個(gè)指標(biāo)來討論。,3,第4章 多路復(fù)用與信道共享技術(shù),4.1 多路復(fù)用技術(shù) 4.2 信道共享技術(shù),4,4.1 多路復(fù)用技術(shù),4.1.1 頻分多路復(fù)用(FDM) 4.1.2 時(shí)分多路復(fù)用(TDM) 4.1.3 波分復(fù)用(WDM) 4.1.4 碼分復(fù)用(CDM) 4.1.5 空分復(fù)用(SDM),5,4.1 多路復(fù)用技術(shù),多路復(fù)用是一種將若干彼此無關(guān)的信號(hào)合并成一路復(fù)合信號(hào)并在一條公用信道上傳輸，到達(dá)接收端后再進(jìn)行分離的方法。 多路復(fù)用技術(shù)包含信號(hào)復(fù)合、傳輸和分離三個(gè)方面的內(nèi)容。,6,4.1.1 頻分多路復(fù)用(FDM),頻分多路復(fù)用是按照頻率參量的差別來分割信號(hào)的。也就是說，分割信號(hào)的參量是頻率，只要使各路信號(hào)的頻譜互不重疊，接收端就可以用濾波器把它們分割開來。 把信道的可用頻帶分割為若干條較窄的子頻帶，每條子頻帶都可以作為一個(gè)獨(dú)立的傳輸信道用來傳輸一路信號(hào)。為了防止各路信號(hào)之間的相互干擾，相鄰兩個(gè)子頻帶之間需要留有一定的保護(hù)頻帶。 由于通過媒質(zhì)傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)一般是模擬信號(hào)，因此，當(dāng)輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)時(shí)，應(yīng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，或者由數(shù)字信號(hào)直接鍵控載頻形成幅度鍵控信號(hào)。,7,頻分多路復(fù)用原理圖,8,話音信號(hào)頻分多路載波通信系統(tǒng)的原理框圖,復(fù)合信號(hào)的總帶寬滿足：,,話音信號(hào)頻分多路復(fù)用系統(tǒng)需妥善處理好兩個(gè)問題：防止串話、減少互調(diào)噪聲。,9,頻分多路復(fù)用(FDM)優(yōu)缺點(diǎn),主要優(yōu)點(diǎn):在于實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，能較充分地利用信道頻帶，因而系統(tǒng)效率較高。 主要缺點(diǎn)： 保護(hù)頻帶的存在大大地降低了FDM技術(shù)的效率； 信道的非線性失真改變了它的實(shí)際頻帶特性，易造成串音和互調(diào)噪聲干擾； 所需設(shè)備量隨輸入路數(shù)增加而增多，且不易小型化； 頻分多路復(fù)用本身不提供差錯(cuò)控制技術(shù)，不便于性能監(jiān)測(cè)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)DM正在被時(shí)分多路復(fù)用所替代。,10,4.1.2 時(shí)分多路復(fù)用(TDM),時(shí)分多路復(fù)用通信是指各路信號(hào)在同一信道上占有不同時(shí)間間隙進(jìn)行通信。具體地說，就是把時(shí)間分成一些均勻的時(shí)間間隙，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)間間隙，以達(dá)到互相分開、互不干擾的目的。 目前常用的TDM有兩種：同步時(shí)分多路復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用。,11,1．同步時(shí)分多路復(fù)用,只要發(fā)送端和接收端的時(shí)分多路復(fù)用器能夠按時(shí)間分配同步地切換所連接的設(shè)備，就能保證各路設(shè)備共用一條信道進(jìn)行相互通信，而且彼此互不干擾。,12,1．同步時(shí)分多路復(fù)用,n路通信設(shè)備連接到一條公用信道上，發(fā)送端的時(shí)分多路復(fù)用器按照一定的次序輪流地給各個(gè)設(shè)備分配一段使用公用信道的時(shí)間。當(dāng)輪到某個(gè)設(shè)備使用的邏輯聯(lián)系被暫時(shí)切斷，待指定的通信設(shè)備占用信道的時(shí)間一到，則同步時(shí)分多路復(fù)用器就將信道切換給下一個(gè)被指定的設(shè)備。以此類推，一直輪流到最后一個(gè)設(shè)備，然后又重新繼續(xù)開始。 在接收端，時(shí)分多路復(fù)用器也是按照一定的次序輪流地接通各路輸出，并且與輸入端的時(shí)分多路復(fù)用器保持同步。,13,1．同步時(shí)分多路復(fù)用,TDM的工作特點(diǎn)是： 第一，通信雙方是按照預(yù)先指定的時(shí)隙進(jìn)行通信的，而且這種時(shí)間關(guān)系是固定不變的； 第二，就某一瞬時(shí)來看，公用信道上僅傳輸某一對(duì)設(shè)備的信號(hào)，而不是多路復(fù)合信號(hào)，但就一段時(shí)間而言，公用信道上傳輸著按時(shí)間分隔的多路復(fù)合信號(hào)。,,14,2．統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用,在傳統(tǒng)的TDM系統(tǒng)中，以固定分配時(shí)隙的方式對(duì)來自多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)流進(jìn)行組合，然后在單一的公用信道上傳輸。這種時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)既便宜又可靠，并能降低通信費(fèi)用。但是，把它用于高速通信時(shí)效率較低。 為了提高時(shí)隙的利用率，可以采用按需分配時(shí)隙的技術(shù)，即動(dòng)態(tài)地分配所需時(shí)隙，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時(shí)隙的現(xiàn)象。以這種動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙方式工作的TDM稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用(STDM)。,15,傳統(tǒng)TDM與STDM,圖中有4個(gè)數(shù)據(jù)源，并在4個(gè)不同時(shí)刻(t0～t3)出現(xiàn)數(shù)據(jù)。,16,2．統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用,STDM兩種子幀的格式： 每幀一源的格式：幀末尾標(biāo)志與總幀末尾標(biāo)志相同。 每幀多源的格式：在一幀中包含多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，此時(shí)除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還要給出數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。,17,4.1.3 波分復(fù)用(WDM),波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。目前一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到2.5 Gb/s。如采用色散補(bǔ)償技術(shù)，則一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到10 Gb/s 。,,,圖4.9 波分復(fù)用的概念,18,4.1.3 波分復(fù)用(WDM),圖4.9示出了8路傳輸速率均為2.5 Gb/s的光載波(其波長(zhǎng)均為1310 nm)，經(jīng)光調(diào)制后，它們的波長(zhǎng)變換到1550～1557 nm，相鄰兩個(gè)光載波相隔1 nm。這8個(gè)波長(zhǎng)很接近的光載波經(jīng)過光復(fù)用器后，在一根光纖中傳輸。 但光信號(hào)傳輸一段距離后會(huì)衰減，因此對(duì)衰減了的光信號(hào)必須進(jìn)行放大后才能繼續(xù)傳輸。 現(xiàn)在已經(jīng)有了很好的摻鉺光纖放大器(EDFA)，它是一種光放大器。EDFA不需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。 兩個(gè)光纖放大器之間的光纜線路長(zhǎng)度可達(dá)120 km，而光復(fù)用器和光分用器之間的無光電轉(zhuǎn)換的距離可達(dá)600 km(只需放入4個(gè)光纖放大器)。,19,4.1.4 碼分復(fù)用(CDM),碼分復(fù)用(CDM)，更常稱為碼分多址(CDMA)。 每個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會(huì)造成干擾。 CDMA系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲。 最早應(yīng)用于軍事通信中，隨著技術(shù)的進(jìn)步，CDMA設(shè)備的價(jià)格和體積都大幅度下降，現(xiàn)已廣泛使用在民用的移動(dòng)通信中。,,,20,CDMA工作原理,每個(gè)比特時(shí)間再劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。通常m的值是64或128。 CDMA的每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的m bit碼片序列。要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的m bit碼片序列；要發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 例如，指派給S站的8 bit碼片序列是00011011。當(dāng)S站發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，而當(dāng)發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。 習(xí)慣上，S站的碼片序列記為(-1-1-1+1+1-1+1+1)。,,21,CDMA工作原理,S站數(shù)據(jù)率為b b/s。由于每個(gè)比特的信息要轉(zhuǎn)成m個(gè)比特的碼片，S站實(shí)際據(jù)率提高到mb b/s，同時(shí)S站所占用的頻帶也提高到原來的m倍。即擴(kuò)頻。 擴(kuò)頻通信通常有兩大類：一種是直接序列（DS-CDMA）；另一種是跳頻(frequency hopping)擴(kuò)頻方式（FH-CDMA）。 CDMA系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是各站的碼片序列不僅必須各不相同，而且還必須互相正交。 在實(shí)用的系統(tǒng)中使用的是偽隨機(jī)碼序列。,,22,CDMA工作原理,用數(shù)學(xué)公式表示碼片序列的正交關(guān)系： 兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)為0。 向量S和各站碼片序列二進(jìn)制反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積也是0。 任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積為1 。 一個(gè)碼片向量和該碼片序列二進(jìn)制反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積是-1 。,,23,CDMA工作原理的一個(gè)例子,S站發(fā)送數(shù)據(jù)110 ，碼片序列為(-1-1-1+1+1-1+1+1) T站發(fā)送數(shù)據(jù)110，碼片序列為(-1-1+1-1+1+1+1-1),24,4.1.5 空分復(fù)用(SDM),空分復(fù)用(SDM)是利用空間分割構(gòu)成不同信道的一種多路復(fù)用方法。,25,空分復(fù)用技術(shù)在無線傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用舉例,26,MIMO技術(shù),MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)是在空分復(fù)用技術(shù)上衍生來的的多輸入-多輸出的方式 MIMO系統(tǒng)可將多徑作為一個(gè)有利因素加以利用。,,,,27,第4章 多路復(fù)用與信道共享技術(shù),4.1 多路復(fù)用技術(shù) 4.2 信道共享技術(shù),28,4.2 信道共享技術(shù),4.2.1 受控多點(diǎn)接入 4.2.2 隨機(jī)接入ALOHA 4.2.3 隨機(jī)接入CSMA/CD 4.2.4 令牌傳遞接入,29,4.2.1 受控多點(diǎn)接入,1．輪叫輪詢的性能分析 主機(jī)按順序從站1開始逐個(gè)輪詢。站1如有數(shù)據(jù)，即可發(fā)給主機(jī)。站1如無數(shù)據(jù)，則發(fā)送控制幀給主機(jī)，表示無數(shù)據(jù)可發(fā)。然后主機(jī)詢問站2, …，在詢問完站N后，又重復(fù)詢問站1。,輪叫輪詢的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),30,4.2.1 受控多點(diǎn)接入,2．傳遞輪詢的性能分析 前面討論的輪叫輪詢存在一個(gè)較大的缺點(diǎn)，這就是輪詢幀在多點(diǎn)線路上不停地循環(huán)往返，形成了相當(dāng)大的開銷，增加了幀的等待時(shí)延。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用傳遞輪詢的辦法。,傳遞輪詢工作示意圖,31,4.2.1 受控多點(diǎn)接入,傳遞輪詢與輪叫輪詢的比較： (1) 傳遞輪詢的幀時(shí)延總是小于同樣條件下的輪叫輪詢的時(shí)延。 (2) 站間的距離越大，傳遞輪詢的效果就比輪叫輪詢的越好。 (3) 站間距離較小且通信量較大時(shí)，傳遞輪詢帶來的好處就不太明顯。 傳遞輪詢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來技術(shù)上比較復(fù)雜，代價(jià)也較高，因此在目前實(shí)用的輪詢系統(tǒng)中，主要還是使用輪叫輪詢系統(tǒng)。,32,4.2.2 隨機(jī)接入ALOHA,輪詢技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時(shí)，系統(tǒng)的工作效率較低 。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時(shí)，讓用戶自由地發(fā)送數(shù)據(jù) ——隨機(jī)接入。 最早在美國(guó)夏威夷大學(xué)計(jì)算中心的無線網(wǎng)絡(luò)ALOHA系統(tǒng)中采用，稱為“ALOHA”方法。,33,1．非時(shí)隙ALOHA,純ALOHA的工作原理 設(shè)所有站發(fā)送的幀都是定長(zhǎng)的，且用發(fā)送時(shí)間而不是比特?cái)?shù)來表示。 要點(diǎn)：每個(gè)站自由地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若出現(xiàn)沖突，各站等待一段隨機(jī)的時(shí)間再重發(fā)，直到成功為止。,34,1．非時(shí)隙ALOHA,為便于分析，我們做如下假設(shè)： (1) 廣播式信道本身是不產(chǎn)生差錯(cuò)的理想信道； (2) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀到達(dá)為泊松過程，幀長(zhǎng)度固定相等，每幀的發(fā)送時(shí)間為秒； (3) 單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入信道的總業(yè)務(wù)量為G，其中成功傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量為S，則有： G = S + (單位時(shí)間內(nèi)的重傳幀數(shù)),35,1．非時(shí)隙ALOHA,在一個(gè)幀發(fā)送期間tf及之前共2 （這里 = tf）秒的時(shí)間區(qū)間，被稱為“易損區(qū)間”。如能保證在這個(gè)區(qū)間內(nèi)信道上只存在當(dāng)前這個(gè)幀在傳輸，則這個(gè)幀必能成功傳輸。 根據(jù)泊松分布公式，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)的幀到達(dá)率為G時(shí)，則在期間內(nèi)出現(xiàn)k個(gè)幀的概率為：,,,,36,1．非時(shí)隙ALOHA,在易損區(qū)間內(nèi)成功傳輸一個(gè)幀的概率應(yīng)是“前一內(nèi)不發(fā)送幀”和“后一個(gè)內(nèi)只發(fā)送—個(gè)幀”這兩事件同時(shí)發(fā)生的概率，則成功概率為： 成功概率也即系統(tǒng) 吞吐率：,,,,ALOHA系統(tǒng)的S-G特性曲線,37,1．非時(shí)隙ALOHA,ALOHA系統(tǒng)的幀傳輸時(shí)延通常用時(shí)延吞吐特性來描述。 定義幀傳輸時(shí)延D是從一個(gè)幀發(fā)送到被接收節(jié)點(diǎn)成功接收為止的一段時(shí)間間隔。 歸一化的幀傳輸時(shí)延D可表示為 式中，第一項(xiàng)是成功傳輸?shù)囊淮螝w一化時(shí)延；第二項(xiàng)是歸一化的傳播時(shí)延，第三項(xiàng)是由于碰撞而引起E次重傳所引起的時(shí)延 ，其中 是每次重傳所需的平均時(shí)延。問題歸結(jié)為求E和 。,,,,,,38,1．非時(shí)隙ALOHA,不難得出一個(gè)幀的平均發(fā)送次數(shù)就等于G/S。拋去成功的一次，則平均重傳次數(shù)為： 實(shí)際中通常采用的一種簡(jiǎn)單重傳策略是：當(dāng)發(fā)送站檢出自己發(fā)送的幀出錯(cuò)后，立即計(jì)算一個(gè)在[1, K]區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)k，據(jù)此延遲ktf秒后再重傳被碰撞的幀，則歸一化后的平均一次重傳時(shí)延為 ： 最后有：,,,,,,39,2．時(shí)隙ALOHA,前述非時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)只給出了約0.184的最大吞吐率。為了提高吞吐率，需要設(shè)法減少各節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀時(shí)發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)。 時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)(簡(jiǎn)記為S-ALOHA)的吞吐率比非時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)的確實(shí)提高了一倍。 S-ALOHA系統(tǒng)的幀傳輸時(shí)延D比非時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)的時(shí)延小。,,40,為了提高吞吐量，需要降低沖突的概率。通過給信道劃分時(shí)隙可以達(dá)到降低沖突概率的要求，付出的代價(jià)就是要把各站在時(shí)間上同步起來。,,,,,,,,,,,,2．時(shí)隙ALOHA,41,工作原理 把信道在時(shí)間上劃分成等長(zhǎng)的時(shí)隙，時(shí)隙長(zhǎng)度等于幀的發(fā)送時(shí)間 ，幀到達(dá)各站后，不能立即發(fā)送，必須等到一個(gè)時(shí)隙的開始時(shí)才能發(fā)送。 性能分析 S-ALOHA發(fā)送成功的條件是: 兩個(gè)幀到達(dá)時(shí)間屬于不同時(shí)隙，與純ALOHA比降低了沖突概率。,2．時(shí)隙ALOHA,42,4.2.3 隨機(jī)接入CSMA/CD,在ALOHA中，各站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，不考慮信道當(dāng)前的狀態(tài)，即不管信道是忙還是閑，就馬上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這存在嚴(yán)重的盲目性。所以ALOHA的吞吐量很低。 要進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐率，還應(yīng)進(jìn)一步設(shè)法減少節(jié)點(diǎn)間發(fā)送沖突的概率。 為此，除了縮小易損區(qū)間(這也是有限度的)外，還可以從減少發(fā)送策略的盲目性著手，在發(fā)送之前進(jìn)行“載波監(jiān)測(cè)”來確定信道忙閑狀態(tài)，然后再?zèng)Q定幀發(fā)送與否 ，即載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)方式。,43,4.2.3 CSMA的基本原理,任一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在它有幀欲發(fā)送之前，先監(jiān)測(cè)一下廣播信道中是否存在別的節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送幀的載波信號(hào)。如果監(jiān)測(cè)到這種信號(hào)，說明信道正忙，否則信道是空閑的。然后，根據(jù)預(yù)定的控制策略來決定： (1)若測(cè)得信道是閑的，應(yīng)該立即將自己的幀發(fā)送出去？還是為慎重起見暫時(shí)不發(fā)送出去？ (2)若測(cè)得信道是忙的，應(yīng)該繼續(xù)堅(jiān)持監(jiān)測(cè)載波？還是暫時(shí)退避一段時(shí)間再監(jiān)測(cè)？,44,4.2.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA,載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）是對(duì)ALOHA技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)。 CSMA就是在發(fā)送前先監(jiān)聽信道，確定信道是否空閑，再根據(jù)信道的情況決定是否發(fā)送。當(dāng)然，代價(jià)是要增加載波監(jiān)聽裝置。 根據(jù)監(jiān)聽策略的不同，CSMA可以分為以下三種類型： （1）非堅(jiān)持CSMA（Non-persistent） （2）1-堅(jiān)持CSMA（1-persistent） （3）p-堅(jiān)持CSMA（p-persistent）,45,4.2.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA,三種CSMA策略的特點(diǎn)如下： 非堅(jiān)持:一旦聽到信道忙，就隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間再重新監(jiān)聽。很可能在重新監(jiān)聽前，信道已經(jīng)空閑了。不能充分利用信道的空閑時(shí)間，影響了信道利用率。在通信量不大時(shí)，平均時(shí)延較大。,非堅(jiān)持CSMA,46,4.2.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA,三種CSMA策略的特點(diǎn)如下： 1-堅(jiān)持: 如果信道忙堅(jiān)持監(jiān)聽，而一旦聽到信道空閑就馬上發(fā)送數(shù)據(jù)，可以充分利用信道的空閑時(shí)間。但當(dāng)通信量較大時(shí)，若兩個(gè)以上的站同時(shí)監(jiān)聽信道，那么就必然會(huì)發(fā)生沖突，反而不利于吞吐量的提高。,1-堅(jiān)持CSMA,47,4.2.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA,三種CSMA策略的特點(diǎn)如下： p-堅(jiān)持:在一定程度上可以克服1-堅(jiān)持的缺點(diǎn)。但p的選擇和通信量有關(guān)，而通信量通常是變化的，如何選擇合適的p較為困難。,P-堅(jiān)持CSMA,48,4.2.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA,49,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)（CSMA with Collision Detection）。 CSMA通過在發(fā)送前監(jiān)聽信道，降低了沖突的概率。但由于傳播時(shí)延的存在，沖突還是不可避免的。 電磁波在總線上的有限傳播速率的影響, 當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽到總線是空閑時(shí)，也可能總線并非真正是空閑的。 A 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時(shí)間后才能傳送到 B。 B 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自己的幀(因?yàn)檫@時(shí) B 的載波監(jiān)聽檢測(cè)不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個(gè)時(shí)間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無用。,50,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,,,1 km,,,A,B,,t,,,t = 0,,單程端到端 傳播時(shí)延記為?,51,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)（CSMA with Collision Detection）。 CSMA通過在發(fā)送前監(jiān)聽信道，降低了沖突的概率。但由于傳播時(shí)延的存在，沖突還是不可避免的。然而，CSMA一旦開始發(fā)送，就不管是否發(fā)生沖突（或碰撞）都堅(jiān)持把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)完。所以只要發(fā)生沖突，信道就被浪費(fèi)一段時(shí)間 。幀長(zhǎng)越大，浪費(fèi)越嚴(yán)重。 為了減小這種浪費(fèi)，CSMA/CD在CSMA的基礎(chǔ)上增加了碰撞檢測(cè)功能，即在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，繼續(xù)監(jiān)聽信道，如果監(jiān)聽到發(fā)生沖突，則沖突的雙方必須停止發(fā)送，使信道很快空閑下來，提高了信道利用率。,52,,,,,1 km,,,A,B,,t,,,t = ? ? ? B 檢測(cè)到信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù),t = ? ? ? / 2 發(fā)生碰撞,A,B,,,,A,B,,,t = 0 A 檢測(cè)到 信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù),A,B,t = 0,,A,B,單程端到端 傳播時(shí)延記為?,53,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,“碰撞檢測(cè)”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的信號(hào)電壓大小。所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測(cè)”也稱為“沖突檢測(cè)”。 碰撞檢測(cè)的方法：信號(hào)電平法；編碼規(guī)則法；逐比特比較法。 當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號(hào)電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。 當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到的信號(hào)電壓擺動(dòng)值超過一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。,54,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)（CSMA with Collision Detection）。 在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突后，立即停止發(fā)送外，還通過發(fā)送若干比特的人為干擾強(qiáng)化沖突，以便讓所以用戶都知道發(fā)生了沖突。 免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。 CSMA/CD的原理可以簡(jiǎn)練地概括為先聽后發(fā) ，邊聽邊發(fā)，沖突停發(fā)，隨機(jī)重發(fā)。,55,CSMA/CD強(qiáng)化沖突的示意圖(B也能檢測(cè)到?jīng)_突，但圖中未繪出B發(fā)送的干擾信號(hào)),4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,56,CSMA/CD確認(rèn)式數(shù)據(jù)傳輸過程,57,CSMA/CD確認(rèn)方式的工作流程,58,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中（如應(yīng)用最廣的以太網(wǎng)）使用的就是1堅(jiān)持CSMA/CD。 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以太網(wǎng)采用了截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)類型退避算法（truncated binary exponential type backoff algorithm）決定重發(fā)幀所需的時(shí)延。 在需要重發(fā)時(shí)，該算法從離散整數(shù)集合 中隨機(jī)取一個(gè)數(shù)，用 表示，其中 。重發(fā)所需時(shí)延就是 倍的基本退避時(shí)間（事先約定，如 ）。重發(fā)16次不成功，丟棄該幀，并向高層報(bào)告。這種算法，時(shí)延隨重發(fā)次數(shù)增大，故稱動(dòng)態(tài)退避。即使采用1堅(jiān)持策略，整個(gè)系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。,59,4.3 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,CSMA／CD的工作過程可概括為以下4步： 第一步：如果介質(zhì)信道空閑，則可進(jìn)行發(fā)送。 第二步：如果介質(zhì)信道有載波(忙)，則繼續(xù)對(duì)信道進(jìn)行偵聽，一旦發(fā)現(xiàn)空閑，便立即發(fā)送。 第三步：如果在發(fā)送過程中檢測(cè)到碰撞，則停止自己的正常發(fā)送，轉(zhuǎn)而發(fā)送一短暫的干擾信號(hào)，強(qiáng)化碰撞信號(hào)，使LAN上所有站都能知道出現(xiàn)了碰撞。 第四步：發(fā)送了干擾信號(hào)后，退避一隨機(jī)時(shí)間，重新嘗試發(fā)送。,60,思考題,數(shù)據(jù)鏈路層的功能是什么？ 差錯(cuò)控制 鏈路管理（信道共享） 定界與同步 尋址 流量控制 透明傳輸 在停止等待協(xié)議中，應(yīng)答幀為什么不需要序號(hào)？ 何為沖突？在CSMA/CD中如何解決沖突？ 載波監(jiān)聽 出現(xiàn)沖突后，延遲等待不同時(shí)間重發(fā),61,謝謝大家 Any Question?,62,2．統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用,STDM存在的一些潛在的技術(shù)缺陷：時(shí)延問題。 STDM常用的三種緩沖控制技術(shù)： 同信道信號(hào)傳輸 異信道信號(hào)傳輸 降低時(shí)鐘，減緩數(shù)據(jù)吞吐量。 前兩種技術(shù)可用于控制異步終端的數(shù)據(jù)流，而后一種技術(shù)適用于同步終端。,63,1．非時(shí)隙ALOHA,非時(shí)隙ALOHA的工作原理,64,A.5 隨機(jī)接入技術(shù)：CSMA/CD,爭(zhēng)用期（contention period），由于傳播時(shí)延的存在，每個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)剛開始的一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)，由于傳播時(shí)延的存在，仍有可能發(fā)生沖突。我們將這段可能發(fā)生沖突的時(shí)間間隔稱為爭(zhēng)用期。,總線爭(zhēng)用期等于 ，而 ，所以 爭(zhēng)用期越是小于一個(gè)幀的發(fā)送時(shí)間，CSMA/CD的優(yōu)越性就越顯著。相反，對(duì)時(shí)延較大的衛(wèi)星信道，其爭(zhēng)用期可能比幀的發(fā)送時(shí)間還長(zhǎng)，故CSMA/CD不適用于衛(wèi)星信道。,65,不同的數(shù)據(jù)速率所需的子頻帶間隔,表4.1 FDM的子頻帶間隔,66,1．同步時(shí)分多路復(fù)用,TDM有兩種 ：比特交錯(cuò)TDM、字符交錯(cuò)TDM,,67,比特交錯(cuò)TDM和字符交錯(cuò)TDM,比特交錯(cuò)TDM通常用于同步終端系統(tǒng)，而字符交錯(cuò)TDM則用于異步終端系統(tǒng)。 當(dāng)以比特為基礎(chǔ)進(jìn)行交錯(cuò)時(shí)，復(fù)用器允許每路每次輸入一比特，然后將各路輸入的比特組合成幀進(jìn)行傳輸。顯然，如一幀中含有多個(gè)字符，由于減少了同步字符的個(gè)數(shù)，從而提高了傳輸效率。另外，如采用時(shí)隙大小與每個(gè)字符寬度成比例的技術(shù)，雖增加了技術(shù)的復(fù)雜性和成本，但其傳輸效率將能達(dá)到最大值。,68,比特交錯(cuò)TDM和字符交錯(cuò)TDM,因?yàn)樽址诲e(cuò)TDM所需的緩沖區(qū)大，所以字符交錯(cuò)TDM的成本比比特交錯(cuò)TDM要略微高一些。 對(duì)于比特交錯(cuò)TDM來說，除了實(shí)現(xiàn)較為便宜外，它還能提供較快的同步和較短的傳輸延遲，這是因?yàn)閺?fù)用器接收到每一比特?cái)?shù)據(jù)就可傳輸?shù)木壒省?而字符交錯(cuò)TDM中，復(fù)用器則需將若干比特匯集成字符后方可傳輸。另外，字符交錯(cuò)TDM還具有較強(qiáng)的抗突發(fā)干擾的能力。,69,4.4 令牌傳遞接入,在環(huán)形拓?fù)涞木钟蚓W(wǎng)上，基本上都采用令牌傳遞(Token-Passing)方式的媒質(zhì)接入技術(shù)。 “令牌”(Token)，也稱為“通行證”或“標(biāo)記”，它是用于分配和調(diào)度共享信道資源的一種控制碼型，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作站接入并占用媒質(zhì)資源的權(quán)力象征。 令牌的忙或閑狀態(tài)代表信道是否空閑以供節(jié)點(diǎn)站接入使用。 Token-Passing接入方式 ，理論上可使最大信道利用率達(dá)到100％。 采用令牌傳遞技術(shù)的環(huán)形網(wǎng)稱為令牌環(huán)(Token-Ring)網(wǎng) ，采用令牌傳遞技術(shù)的總線網(wǎng)稱為令牌總線(Token-Bus)網(wǎng)。,70,環(huán)網(wǎng)及環(huán)接口,環(huán)接口RI主要包括兩個(gè)部件：環(huán)路連接器和環(huán)接口控制器。,71,環(huán)網(wǎng)及環(huán)接口,(1) 環(huán)路連接器 連接器用來完成節(jié)點(diǎn)信號(hào)通路與傳輸媒質(zhì)的物理連接，完成物理層的功能(主要是對(duì)環(huán)路比特信號(hào)的存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā))。 每個(gè)環(huán)路連接器對(duì)比特信號(hào)的存儲(chǔ)(或轉(zhuǎn)發(fā))遲延，稱為站嵌入遲延。所有站嵌入遲延加上所有鏈路段的傳播遲延的總時(shí)延，稱為環(huán)路時(shí)延。在實(shí)際系統(tǒng)中，站嵌入遲延應(yīng)是可調(diào)整的，以使調(diào)節(jié)環(huán)路時(shí)延滿足令牌傳遞過程的實(shí)際要求。,72,環(huán)網(wǎng)及環(huán)接口,(2) 環(huán)接口控制器 環(huán)接口控制器是節(jié)點(diǎn)設(shè)備DTE與連接器之間的接口，完成網(wǎng)絡(luò)層功能。這個(gè)接口控制器主要擔(dān)負(fù)兩種基本的操作控制。 監(jiān)測(cè)信道和接收數(shù)據(jù)(收聽方式) 發(fā)送數(shù)據(jù)(發(fā)送方式),73,令牌環(huán)的工作過程,工作原理： 傳送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)由掌握 token 的電腦先發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù)的電腦會(huì)檢查 frame 表頭，若是送給自己的則處理之 無論是否是送給自己的，都會(huì)再傳下去 傳一圈后檢查資料是否相同以確定資料沒有傳輸錯(cuò)誤 再把 token 傳遞到下一臺(tái)電腦,74,幾點(diǎn)說明,當(dāng)環(huán)路時(shí)延小于或等于一個(gè)令牌的傳輸時(shí)間時(shí)，顯然環(huán)路上只可能存在一個(gè)令牌，此時(shí)稱環(huán)路工作于單令牌方式。 當(dāng)環(huán)路時(shí)延大于一個(gè)令牌的傳輸時(shí)間時(shí)，則環(huán)路上可允許存在多個(gè)令牌，此時(shí)環(huán)路既可工作于單令牌方式，也可工作于多令牌方式。 在采用令牌傳遞接入方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，最值得引起注意的系統(tǒng)故障是令牌丟失現(xiàn)象。 采用超時(shí)控制方法可以發(fā)現(xiàn)令牌丟失。,75,令牌丟失的超時(shí)控制方法,設(shè)環(huán)路時(shí)延(一個(gè)比特巡回環(huán)路一周的時(shí)間)為TR，一個(gè)環(huán)接口發(fā)送最長(zhǎng)幀的時(shí)間為TP，發(fā)送令牌的時(shí)間為TT。那么任一環(huán)接口兩次收到令牌之間的時(shí)間間距 應(yīng)滿足： ≤ Tu Tu滿足 Tu = TR + TP + TT 在每個(gè)環(huán)路接口中都設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，若定時(shí)值超過Tu，即可認(rèn)為環(huán)路中丟失了令牌。,,,76,