信息科学与技术学院

1、2022-3-15Computer Network12 在计算机网络中，任何两台计算机之间都要通信，但不可能任何两台计算机之间都用专用线路连接。 因此需要。本节介绍共用信道的技术、种类、特性。34技术 ()： (; ) 用户根据自己的意愿，随机使用信道，总线局域网。用户接入信道必须遵守一定的规则，如集中控制(轮询)；分散控制(令牌环)。 -成对使用复用(分用)器。520世纪70年代夏威夷大学建立的无线局域网。特点：共享信道用户可随意发送信息多个用户同时发送会产生当通信量较小时，系统效率低；但用户数据冲突的可能性不大，但仍有冲突。当系统通信量很大时，冲突激增，系统瘫痪。6每个站自由的发送数据帧，

2、若冲突，则等待一段随机时间后，重发。站N-11站1站2站N成功发送32547冲突重传冲突重传成功发送成功发送6冲突再重传冲突重传帧到达帧到达T0 T07性能性能(设帧到达为波松分布设帧到达为波松分布)吞吐量S(0S1)：在帧的发送时间(T0)内发送的平均帧数。网络负载G：在帧发送时间(T0)内总共发送的平均帧数。显然G=S,若不发生冲突，G=S,G可大于1。S G e-2G （G = 0.5时, Smax 0.184）v G0.5 为不稳定区。v 为安全起见纯ALOHA的吞吐量 S 不应超过10。0.51.01.52.0GS0.100.200.1848原理：原理： 将时间划分为一段段时隙(Ti

3、me Slot)，每个站只能在时隙开始时自由的发送数据帧，若冲突，则等待一段随机时间后，重发。站站1 1站站2 2冲突重传冲突重传帧到达帧到达帧到达帧到达9 S Ge -G (G = 1时, Smax 0.368)时隙ALOHA不稳定区0.1840.51.01.52.0G2.5S0.200.300.100.400.368纯ALOHA时隙ALOHA10表：时隙ALOHA的最大吞吐量与站数的关系 结论：结论：在采用卫星信道的计算机网络种，由于传播时延太大，轮询方式不宜采用，否则传输效率太低，这时主要采用ALOHA系列协议。N12351020100Smax10.50.4440.4100.3870.3

4、770.3700.36811多站共用同一通信介质：如总线局域网载波监听多路访问载波监听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)采用附加硬件装置，使每个站在发送数据前监听信道上是否有其它站在发送数据：如果信道忙，则暂不发送。如果信道空闲，发送；同时启动2定时器；ADBC121. 非坚持(nopersistent) CSMA 若信道空闲，发送；一旦监听到信道忙，就不再坚持听下去，而是根据协议推迟一个随机时间后重新再监听 。不能充分利用信道2. 1-坚持CSMA 若信道空闲，发送；若信道忙，仍坚持听下去，一直听到信道空闲为止；然后立即发送数据。容易冲突3. P

5、-坚持CSMA 若信道空闲，发送；监听到信道忙，仍坚持听下去，一直听到信道空闲为止；然后以概率P发送数据，而以概率(1P)延迟一段时间，重新监听信道。上述2者折衷，但P值不好选。13 早期ALOHA系统的无线电发射机工作在超高频UHF频段，因此网络中的各站可以监听到其它站发出的载波。 但以后发展到总线局域网时，采用基带传输，总线上根本不存在。这时检测到的是其它站所发送的二进制基带信号，但习惯上仍称为“”。 CSMA协议是在ALOHA协议的基础上提出的。它与ALOHA的主要区别是多了一个载波监听装置，实现发送前监听。 1415 CSMA随机访问S-G比较： a=0.01时S-G曲线。，端到端时延

6、与帧发送时间T0之比。/T0 16 CSMA随机访问D-S(平均时延吞吐率)比较：17n 带的多路访问协议 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectionn 监听到信道空闲就发送数据，并继续监听下去，(电磁波在电缆中以有限速率传播)，如果听到发生冲突，立即放弃此数据帧的传送。同时发送(通常采用32 bit长的1和0交替的比特块) ，使网上所有用户知道发生了冲突。n 可分成时隙/非时隙，分成非坚持/p坚持/1坚持等。：电信号叠加幅度(考虑信号衰减)；曼彻斯特编码过零点偏移。18CSMA/CD流程图：19争用期争用期(碰撞窗口)假设信号

7、在两个相距最远的站点间传输时间为 。最坏情况，时间后传到对方，发生冲突，又需时间传回来。即站点在2时间后都没有听到冲突，才可确信抓住了信道。AB 注注：电磁波在1Km的电缆中传播时延约5us。20基带传输基带传输 冲突时间冲突时间 说明：说明： 若B刚发出几个比特就发生冲突，B检测到冲突立刻停止发送，由于冲突时间很短，冲突信号经线路衰减，可能使A检测不出冲突。为此站点B在停止发送报文后，随即发送一个加强冲突信号(Jam)，以保证有关站点能可靠地检测到冲突。21数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据 B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接

8、着发送干扰信号。为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。22n以太网取 51.2 s 为争用期长度。不仅考虑了以太网端到端时延，还包括可能存在转发器所增加的时延，以及强化冲突的JAM信号的持续时间等因素。n对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。n以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 23n使用CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 n这种使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 24解决冲突

9、帧重发所需的时延 1. 从离散整数集合0,1,. 中随机选择一个数 r，k= Min重发次数，10 2. 重发所需要的时延t就是r倍的基本退避时延(2)， 3. 每当节点成功发送一个报文,则又默认为信道竞争程度降低了,节点将t重置为最小值， 4. 当重发16次仍不成功时，丢弃该帧，向高层汇报。 特点：特点：重发次数越多，时延越大。不公平，实时性不好，抖动大。该算法在无线自组网(Ad hoc)、IEEE802.11中也使用。 12 k25 CSMA随机访问S-G比较：a=0.0126 CSMA/CD的MAC被认为是Xerox最初的研究工作以来最重要的进展，它用及其简单的算法，可以在多个设备之间进

10、行信道使用仲裁，而不需要使用中央控制设备。高层协议和应用程序完全不知道底层MAC的仲裁。它们对信道的本质一无所知，而只关心以太网通过信道用帧交换的能力。 对以太网的设计者而言，CSMA/CD是LAN的精髓。 。不仅在以太网领域不断发展，其简单的算法成就了一批基于CSMA的新的应用。如802.11(CSMA/CA)，Lonworks(p坚持CSMA)，CAN(带优先级CSMA)等等。27CSMA/CD与局域网性质与局域网性质() 普遍应用的以太网采用CSMA/CD，要使CSMA/CD正常工作，要求以太网满足网上帧长度64至1518字节。(决定)每种传输介质组建的局域网有一定覆盖范围；如单细缆网段

11、185米(10BASE-2),单个粗缆网段500米(10BASE-5), 且网段个数有上限。网络速率越高，要是CSMA/CD工作，传输介质应当越短。100M网络？如何解决？28 ALOHA及及CSMA都存在信道冲突问题都存在信道冲突问题，原因是由于各站点发送是的。网络负载越大，冲突概率越大，冲突的存在导致报文重传，因此当网络负载太大时吞吐率会下降，进一步增大负载，网络会失去稳定性，造成死锁。 为解决冲突，可采用受控采用受控，即各站点访问通道按预先设计好的规则有控制地进行。为了不发生冲突而又能获得较高通道利用率，可对通道采用“按需分配”原则，轮训/令牌属于这一类。 时分多路复用及频分多路复用方式

12、时分多路复用及频分多路复用方式, 即预先给每个站点分配所用的通道时间片或频带，就不会有信道冲突。但这两种方式对突发性很高的数据传输的通道利用率不高。29集中式控制 轮询(Polling)轮叫轮询传递轮询分散式控制令牌环网(Token Ring)30主机按顺序从站1开始逐个询问，直到站N；一轮完成再从站1重新开始新一轮。被询问站若有数据发送即可发给主机；若无发一控制帧给主机，表示无数据可发；然后主机询问下一站。1 2 N-1 N收发主机主机31主机向站N发出轮询帧。站N在发送完数据或告诉主机没有数据发送时，将相邻站N-1的地址附上。站N-1检测到自己的地址，知道站N把发送权转移到本站；以此类推，

13、直到站1。站1完成后将主机地址附上，把发送权交回主机。下一轮循环开始。1 2 N-1 N收发主机32 令牌方式是一种按一定顺序在各站点间传递令牌(Token: 一组规定的数据帧)的介质访问控制方法。得到令牌的站点获得在信道上发送的权利，如果该站点有报文待发，就将令牌置为“忙”，表示通道已被占用，然后发报，发完之后，就将令牌置为“空”，随即将令牌传递给下一站点；如果该站点无报文发送，则随即将刚收到的令牌转发给下一站点。 令牌访问原理既可用于环形网，又可用于总线网，当用于总线环境时，就构成令牌总线网(逻辑环)。 Token Ring是IBM倡导的一种MAC技术。 33频分复用FDM时分复用TDM统

14、计(异步)时分复用ATDM波分复用WDM码分复用CDMA34FDM频分复用的所有用户在同样时间占用不同的带宽资源。频带2频带3频带4频带5频带6频带7频带8频带9频带10频带11频带12频带13频带1频率 原来的带宽原来的带宽 带宽被升频带宽被升频多路复用后的通道35时分复用TDM的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。T1、E1()、STM-1(155Mb/s)、STM-4(155Mb/s)等都是最常用的TDM系统。时间ACDABCDABCDBTDM帧TDM帧TDM帧36TDM同步时分多路复用同步时分多路复用STDM (Synchronous TDM), 将时间片预先分配给各信道，时间片大

15、小固定不变。异步时分多路复用异步时分多路复用(统计时分复用)ATDM(Asynchronous TDM)使用ATDM帧传送复用数据。允许动态分配时间片。每一ATDM帧的时隙数小于连接在集中器上的信道数。各信道有了数据就随时发往集中器的输入缓存，由集中器按顺序扫描，将缓存数据放入STDM帧，没有数据的缓存就跳过。当一帧满就发送。时间片序号和信道号之间无固定对应关系，发送端在发送数据的同时，也传送发送、接收信道号。复用器复用器(multiplexer)和分用器分用器(demultiplexer),它们之间就是用户共享的高速信道。37波分复用WDM，即光的频分复用。多束不同频率的光通过棱柱或光栅，合

16、成到一根共享的光纤上。波长间隔几十nm。传到目的地后再将它们分解开来。与电系统的FDM不同是光纤系统FDM使用的衍射光栅是无源的，因此极其可靠。远距离传送，可采用掺洱光纤放大器EDFA(1550nm)。0123456782.5Gb/s1310nm复用器复用器1500nm1501nm1502nm1503nm 1504nm1505nm1506nm1507nm0123456782.5Gb/s1310nm分用器分用器1500nm1501nm1502nm1503nm 1504nm1505nm1506nm1507nmFA20Gb/s120km38(Code Division Multiplexing Ac

17、cess)基本思想是不同子信道采用不同码型。划分编码空间。系统中每个站点的不同子信道指派一段专用的代码空间。CDMA中，每被分成m个短的时间段，称。通常m=64或m=128(系统中至多容纳m个站)。每个站被指定一个唯一的m位的码片序列(chip sequence)。所有码片序列都是两两正交。发送1时，为码片序列，发送0时，为码片序列的反码。若分配给某站的码片序列为11010111，则该站要发送1时，就发11010111，而要发0时，发00101000。 39 ：A：00011011，B：00101110，C：01000010，若A站发1，B站发0，C站不发，则各站收到的码片序列是什么？ A:

18、( -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)A: ( -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B: ( -1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) B: ( -1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) C: ( -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) C: ( -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) A A发发1: 1: -1-1 -1 -1 -1-1 +1 +1 +1+1 -1 -1 +1+1 +1 +1 B B发发0: 0: +1+1 +1 +1 -1-1 +1 +1 -1-1 -1 -1 -1-1 +1 +1 C C不发不发: : 芯片序

19、列芯片序列: : 0 0 0 0 -2-2 +2 +2 0 0 -2 -2 0 0 +2 +2 40向量S表示站S的码片向量，T表示其它任何站的码片向量，若两者正交则内集为正交则内集为0(则则S与各站的码片反码的与各站的码片反码的向量内积也是向量内积也是0)：miiiTSmTS101miiiSSmSS111 码片向量规格化内积miiiSSmSS11)(1)( 码片向量和码片反码向量的规格化内积41假设站X接收到的码片序列为R(各个站发送的码片序列之和)，X站想知道S站(码片序列为S)发送的信号是什么？根据，求RS的内积(其它站的信号都被过滤掉)内积为1，则S站发送比特1；内积为1，则S站发送比特0；。42三