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

第4章 多路復(fù)用與信道共享技術(shù),計算機網(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議。主要的召開會議的方式有： （1）固定分配發(fā)言時間，如學術(shù)會議、年終總結(jié)會等； （2）由主席管理發(fā)言。如聽證會、辯論會； （3）不設(shè)會議主席，隨機發(fā)言。如討論會。 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)拓撲、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)分配有時分復(fù)用、頻分復(fù)用及碼分復(fù)用等。 動態(tài)分配又可以分為受控多點接入和隨機多點接入兩大類。 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。 隨機接入是指各站點通過隨機爭用的方式接入信道。主要的隨機接入技術(shù)有ALOHA，CSMA，和CSMA/CD。 計算機網(wǎng)絡(luò)中信道共享技術(shù)的設(shè)計原則是公平和效率。對協(xié)議性能的分析主要圍繞吞吐量和時延兩個指標來討論。,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)的信號合并成一路復(fù)合信號并在一條公用信道上傳輸，到達接收端后再進行分離的方法。 多路復(fù)用技術(shù)包含信號復(fù)合、傳輸和分離三個方面的內(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的。也就是說，分割信號的參量是頻率，只要使各路信號的頻譜互不重疊，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獨立的傳輸信道用來傳輸一路信號。為了防止各路信號之間的相互干擾，相鄰兩個子頻帶之間需要留有一定的保護頻帶。 由于通過媒質(zhì)傳輸?shù)膹?fù)合信號一般是模擬信號，因此，當輸入信號為數(shù)字信號時，應(yīng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，或者由數(shù)字信號直接鍵控載頻形成幅度鍵控信號。,7,頻分多路復(fù)用原理圖,8,話音信號頻分多路載波通信系統(tǒng)的原理框圖,復(fù)合信號的總帶寬滿足：,話音信號頻分多路復(fù)用系統(tǒng)需妥善處理好兩個問題：防止串話、減少互調(diào)噪聲。,9,頻分多路復(fù)用(FDM)優(yōu)缺點,主要優(yōu)點:在于實現(xiàn)相對簡單，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： 保護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)用本身不提供差錯控制技術(shù)，不便于性能監(jiān)測。因此，在實際應(yīng)用中，F(xiàn)DM正在被時分多路復(fù)用所替代。,10,4.1.2 時分多路復(fù)用(TDM),時分多路復(fù)用通信是指各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進行通信。具體地說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開、互不干擾的目的。 目前常用的TDM有兩種：同步時分多路復(fù)用和統(tǒng)計時分多路復(fù)用。,11,1同步時分多路復(fù)用,只要發(fā)送端和接收端的時分多路復(fù)用器能夠按時間分配同步地切換所連接的設(shè)備，就能保證各路設(shè)備共用一條信道進行相互通信，而且彼此互不干擾。,12,1同步時分多路復(fù)用,n路通信設(shè)備連接到一條公用信道上，發(fā)送端的時分多路復(fù)用器按照一定的次序輪流地給各個設(shè)備分配一段使用公用信道的時間。當輪到某個設(shè)備使用的邏輯聯(lián)系被暫時切斷，待指定的通信設(shè)備占用信道的時間一到，則同步時分多路復(fù)用器就將信道切換給下一個被指定的設(shè)備。以此類推，一直輪流到最后一個設(shè)備，然后又重新繼續(xù)開始。 在接收端，時分多路復(fù)用器也是按照一定的次序輪流地接通各路輸出，并且與輸入端的時分多路復(fù)用器保持同步。,13,1同步時分多路復(fù)用,TDM的工作特點是： 第一，通信雙方是按照預(yù)先指定的時隙進行通信的，而且這種時間關(guān)系是固定不變的； 第二，就某一瞬時來看，公用信道上僅傳輸某一對設(shè)備的信號，而不是多路復(fù)合信號，但就一段時間而言，公用信道上傳輸著按時間分隔的多路復(fù)合信號。,14,2統(tǒng)計時分多路復(fù)用,在傳統(tǒng)的TDM系統(tǒng)中，以固定分配時隙的方式對來自多個設(shè)備的數(shù)據(jù)流進行組合，然后在單一的公用信道上傳輸。這種時分多路復(fù)用技術(shù)既便宜又可靠，并能降低通信費用。但是，把它用于高速通信時效率較低。 為了提高時隙的利用率，可以采用按需分配時隙的技術(shù)，即動態(tài)地分配所需時隙，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時隙的現(xiàn)象。以這種動態(tài)分配時隙方式工作的TDM稱為統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)。,15,傳統(tǒng)TDM與STDM,圖中有4個數(shù)據(jù)源，并在4個不同時刻(t0t3)出現(xiàn)數(shù)據(jù)。,16,2統(tǒng)計時分多路復(fù)用,STDM兩種子幀的格式： 每幀一源的格式：幀末尾標志與總幀末尾標志相同。 每幀多源的格式：在一幀中包含多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，此時除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還要給出數(shù)據(jù)字長。,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到2.5 Gb/s。如采用色散補償技術(shù)，則一根單模光纖的傳輸速率可達到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(其波長均為1310 nm)，經(jīng)光調(diào)制后，它們的波長變換到15501557 nm，相鄰兩個光載波相隔1 nm。這8個波長很接近的光載波經(jīng)過光復(fù)用器后，在一根光纖中傳輸。 但光信號傳輸一段距離后會衰減，因此對衰減了的光信號必須進行放大后才能繼續(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不需要進行光電轉(zhuǎn)換而直接對光信號進行放大。 兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達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600 km(只需放入4個光纖放大器)。,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)。 每個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。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造成干擾。 CDMA系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，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)的進步，CDMA設(shè)備的價格和體積都大幅度下降，現(xiàn)已廣泛使用在民用的移動通信中。,20,CDMA工作原理,每個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。通常m的值是64或128。 CDMA的每個站被指派一個唯一的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制反碼。 例如，指派給S站的8 bit碼片序列是00011011。當S站發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011，而當發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100。 習慣上，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。由于每個比特的信息要轉(zhuǎn)成m個比特的碼片，S站實際據(jù)率提高到mb b/s，同時S站所占用的頻帶也提高到原來的m倍。即擴頻。 擴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)擴頻方式（FH-CDMA）。 CDMA系統(tǒng)的一個重要特點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。 在實用的系統(tǒng)中使用的是偽隨機碼序列。,22,CDMA工作原理,用數(shù)學公式表示碼片序列的正交關(guān)系： 兩個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制反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積也是0。 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積為1 。 一個碼片向量和該碼片序列二進制反碼的向量的規(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 受控多點接入 4.2.2 隨機接入ALOHA 4.2.3 隨機接入CSMA/CD 4.2.4 令牌傳遞接入,29,4.2.1 受控多點接入,1輪叫輪詢的性能分析 主機按順序從站1開始逐個輪詢。站1如有數(shù)據(jù)，即可發(fā)給主機。站1如無數(shù)據(jù)，則發(fā)送控制幀給主機，表示無數(shù)據(jù)可發(fā)。然后主機詢問站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)拓撲結(jié)構(gòu),30,4.2.1 受控多點接入,2傳遞輪詢的性能分析 前面討論的輪叫輪詢存在一個較大的缺點，這就是輪詢幀在多點線路上不停地循環(huán)往返，形成了相當大的開銷，增加了幀的等待時延。為了克服這一缺點，可以采用傳遞輪詢的辦法。,傳遞輪詢工作示意圖,31,4.2.1 受控多點接入,傳遞輪詢與輪叫輪詢的比較： (1) 傳遞輪詢的幀時延總是小于同樣條件下的輪叫輪詢的時延。 (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，傳遞輪詢帶來的好處就不太明顯。 傳遞輪詢系統(tǒng)實現(xiàn)起來技術(shù)上比較復(fù)雜，代價也較高，因此在目前實用的輪詢系統(tǒng)中，主要還是使用輪叫輪詢系統(tǒng)。,32,4.2.2 隨機接入ALOHA,輪詢技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時，系統(tǒng)的工作效率較低 。 當網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時，讓用戶自由地發(fā)送數(shù)據(jù) 隨機接入。 最早在美國夏威夷大學計算中心的無線網(wǎng)絡(luò)ALOHA系統(tǒng)中采用，稱為“ALOHA”方法。,33,1非時隙ALOHA,純ALOHA的工作原理 設(shè)所有站發(fā)送的幀都是定長的，且用發(fā)送時間而不是比特數(shù)來表示。 要點：每個站自由地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若出現(xiàn)沖突，各站等待一段隨機的時間再重發(fā)，直到成功為止。,34,1非時隙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)生差錯的理想信道； (2) 每個節(jié)點的幀到達為泊松過程，幀長度固定相等，每幀的發(fā)送時間為秒； (3) 單位時間內(nèi)進入信道的總業(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 + (單位時間內(nèi)的重傳幀數(shù)),35,1非時隙ALOHA,在一個幀發(fā)送期間tf及之前共2 （這里 = tf）秒的時間區(qū)間，被稱為“易損區(qū)間”。如能保證在這個區(qū)間內(nèi)信道上只存在當前這個幀在傳輸，則這個幀必能成功傳輸。 根據(jù)泊松分布公式，當單位時間內(nèi)的幀到達率為G時，則在期間內(nèi)出現(xiàn)k個幀的概率為：,36,1非時隙ALOHA,在易損區(qū)間內(nèi)成功傳輸一個幀的概率應(yīng)是“前一內(nèi)不發(fā)送幀”和“后一個內(nèi)只發(fā)送個幀”這兩事件同時發(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非時隙ALOHA,ALOHA系統(tǒng)的幀傳輸時延通常用時延吞吐特性來描述。 定義幀傳輸時延D是從一個幀發(fā)送到被接收節(jié)點成功接收為止的一段時間間隔。 歸一化的幀傳輸時延D可表示為 式中，第一項是成功傳輸?shù)囊淮螝w一化時延；第二項是歸一化的傳播時延，第三項是由于碰撞而引起E次重傳所引起的時延 ，其中 是每次重傳所需的平均時延。問題歸結(jié)為求E和 。,38,1非時隙ALOHA,不難得出一個幀的平均發(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： 實際中通常采用的一種簡單重傳策略是：當發(fā)送站檢出自己發(fā)送的幀出錯后，立即計算一個在1, K區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機數(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延為 ： 最后有：,39,2時隙ALOHA,前述非時隙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)點發(fā)送幀時發(fā)生沖突的機會。 時隙ALOHA系統(tǒng)(簡記為S-ALOHA)的吞吐率比非時隙ALOHA系統(tǒng)的確實提高了一倍。 S-ALOHA系統(tǒng)的幀傳輸時延D比非時隙ALOHA系統(tǒng)的時延小。,40,為了提高吞吐量，需要降低沖突的概率。通過給信道劃分時隙可以達到降低沖突概率的要求，付出的代價就是要把各站在時間上同步起來。,2時隙ALOHA,41,工作原理 把信道在時間上劃分成等長的時隙，時隙長度等于幀的發(fā)送時間 ，幀到達各站后，不能立即發(fā)送，必須等到一個時隙的開始時才能發(fā)送。 性能分析 S-ALOHA發(fā)送成功的條件是: 兩個幀到達時間屬于不同時隙，與純ALOHA比降低了沖突概率。,2時隙ALOHA,42,4.2.3 隨機接入CSMA/CD,在ALOHA中，各站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不考慮信道當前的狀態(tài)，即不管信道是忙還是閑，就馬上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這存在嚴重的盲目性。所以ALOHA的吞吐量很低。 要進一步提高系統(tǒng)吞吐率，還應(yīng)進一步設(shè)法減少節(jié)點間發(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)送之前進行“載波監(jiān)測”來確定信道忙閑狀態(tài)，然后再決定幀發(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,任一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在它有幀欲發(fā)送之前，先監(jiān)測一下廣播信道中是否存在別的節(jié)點正在發(fā)送幀的載波信號。如果監(jiān)測到這種信號，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不發(fā)送出去？ (2)若測得信道是忙的，應(yīng)該繼續(xù)堅持監(jiān)測載波？還是暫時退避一段時間再監(jiān)測？,44,4.2.3 隨機接入技術(shù)：CSMA,載波監(jiān)聽多點接入（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）是對ALOHA技術(shù)的進一步改進。 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。當然，代價是要增加載波監(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）非堅持CSMA（Non-persistent） （2）1-堅持CSMA（1-persistent） （3）p-堅持CSMA（p-persistent）,45,4.2.3 隨機接入技術(shù)：CSMA,三種CSMA策略的特點如下： 非堅持:一旦聽到信道忙，就隨機延時一段時間再重新監(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間，影響了信道利用率。在通信量不大時，平均時延較大。,非堅持CSMA,46,4.2.3 隨機接入技術(shù)：CSMA,三種CSMA策略的特點如下： 1-堅持: 如果信道忙堅持監(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間。但當通信量較大時，若兩個以上的站同時監(jiān)聽信道，那么就必然會發(fā)生沖突，反而不利于吞吐量的提高。,1-堅持CSMA,47,4.2.3 隨機接入技術(shù)：CSMA,三種CSMA策略的特點如下： p-堅持:在一定程度上可以克服1-堅持的缺點。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-堅持CSMA,48,4.2.3 隨機接入技術(shù)：CSMA,49,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測（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, 當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，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)過一定的時間后才能傳送到 B。 B 若在 A 發(fā)送的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。,50,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,1 km,A,B,t,t = 0,單程端到端 傳播時延記為,51,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測（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，信道就被浪費一段時間 。幀長越大，浪費越嚴重。 為了減小這種浪費，CSMA/CD在CSMA的基礎(chǔ)上增加了碰撞檢測功能，即在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時，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 傳播時延記為,53,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。 碰撞檢測的方法：信號電平法；編碼規(guī)則法；逐比特比較法。 當幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。 當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。,54,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測（CSMA with Collision Detection）。 在實際的網(wǎng)絡(luò)中，當檢測到?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)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。 CSMA/CD的原理可以簡練地概括為先聽后發(fā) ，邊聽邊發(fā)，沖突停發(fā)，隨機重發(fā)。,55,CSMA/CD強化沖突的示意圖(B也能檢測到?jīng)_突，但圖中未繪出B發(fā)送的干擾信號),4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,56,CSMA/CD確認式數(shù)據(jù)傳輸過程,57,CSMA/CD確認方式的工作流程,58,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,實際網(wǎng)絡(luò)中（如應(yīng)用最廣的以太網(wǎng)）使用的就是1堅持CSMA/CD。 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以太網(wǎng)采用了截斷二進制指數(shù)類型退避算法（truncated binary exponential type backoff algorithm）決定重發(fā)幀所需的時延。 在需要重發(fā)時，該算法從離散整數(shù)集合 中隨機取一個數(shù)，用 表示，其中 。重發(fā)所需時延就是 倍的基本退避時間（事先約定，如 ）。重發(fā)16次不成功，丟棄該幀，并向高層報告。這種算法，時延隨重發(fā)次數(shù)增大，故稱動態(tài)退避。即使采用1堅持策略，整個系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。,59,4.3 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,CSMACD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，則可進行發(fā)送。 第二步：如果介質(zhì)信道有載波(忙)，則繼續(xù)對信道進行偵聽，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，強化碰撞信號，使LAN上所有站都能知道出現(xiàn)了碰撞。 第四步：發(fā)送了干擾信號后，退避一隨機時間，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？ 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，延遲等待不同時間重發(fā),61,謝謝大家 Any Question?,62,2統(tǒng)計時分多路復(fù)用,STDM存在的一些潛在的技術(shù)缺陷：時延問題。 STDM常用的三種緩沖控制技術(shù)： 同信道信號傳輸 異信道信號傳輸 降低時鐘，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非時隙ALOHA,非時隙ALOHA的工作原理,64,A.5 隨機接入技術(shù)：CSMA/CD,爭用期（contention period），由于傳播時延的存在，每個站發(fā)送數(shù)據(jù)剛開始的一個很短的時間內(nèi)，由于傳播時延的存在，仍有可能發(fā)生沖突。我們將這段可能發(fā)生沖突的時間間隔稱為爭用期。,總線爭用期等于 ，而 ，所以 爭用期越是小于一個幀的發(fā)送時間，CSMA/CD的優(yōu)越性就越顯著。相反，對時延較大的衛(wèi)星信道，其爭用期可能比幀的發(fā)送時間還長，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同步時分多路復(fù)用,TDM有兩種 ：比特交錯TDM、字符交錯TDM,67,比特交錯TDM和字符交錯TDM,比特交錯TDM通常用于同步終端系統(tǒng)，而字符交錯TDM則用于異步終端系統(tǒng)。 當以比特為基礎(chǔ)進行交錯時，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行傳輸。顯然，如一幀中含有多個字符，由于減少了同步字符的個數(shù)，從而提高了傳輸效率。另外，如采用時隙大小與每個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到最大值。,68,比特交錯TDM和字符交錯TDM,因為字符交錯TDM所需的緩沖區(qū)大，所以字符交錯TDM的成本比比特交錯TDM要略微高一些。 對于比特交錯TDM來說，除了實現(xiàn)較為便宜外，它還能提供較快的同步和較短的傳輸延遲，這是因為復(fù)用器接收到每一比特數(shù)據(jù)就可傳輸?shù)木壒省?而字符交錯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TDM還具有較強的抗突發(fā)干擾的能力。,69,4.4 令牌傳遞接入,在環(huán)形拓撲的局域網(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)點站接入使用。 Token-Passing接入方式 ，理論上可使最大信道利用率達到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)點信號通路與傳輸媒質(zhì)的物理連接，完成物理層的功能(主要是對環(huán)路比特信號的存儲或轉(zhuǎn)發(fā))。 每個環(huán)路連接器對比特信號的存儲(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延，稱為環(huán)路時延。在實際系統(tǒng)中，站嵌入遲延應(yīng)是可調(diào)整的，以使調(diào)節(jié)環(huán)路時延滿足令牌傳遞過程的實際要求。,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)點設(shè)備DTE與連接器之間的接口，完成網(wǎng)絡(luò)層功能。這個接口控制器主要擔負兩種基本的操作控制。 監(jiān)測信道和接收數(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)時會由掌握 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誤 再把 token 傳遞到下一臺電腦,74,幾點說明,當環(huán)路時延小于或等于一個令牌的傳輸時間時，顯然環(huán)路上只可能存在一個令牌，此時稱環(huán)路工作于單令牌方式。 當環(huán)路時延大于一個令牌的傳輸時間時，則環(huán)路上可允許存在多個令牌，此時環(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，最值得引起注意的系統(tǒng)故障是令牌丟失現(xiàn)象。 采用超時控制方法可以發(fā)現(xiàn)令牌丟失。,75,令牌丟失的超時控制方法,設(shè)環(huán)路時延(一個比特巡回環(huán)路一周的時間)為TR，一個環(huán)接口發(fā)送最長幀的時間為TP，發(fā)送令牌的時間為TT。那么任一環(huán)接口兩次收到令牌之間的時間間距 應(yīng)滿足： Tu Tu滿足 Tu = TR + TP + TT 在每個環(huán)路接口中都設(shè)置一個定時器，若定時值超過Tu，即可認為環(huán)路中丟失了令牌。,76,