计算机通信网络之介质接入控制

2013-10-301介质接入控制本章重点：理解广播信道分配问题掌握查询技术、随机接入方式（ALOHA、CSMA）2013-10-3021

广播信道的分配问题公用信道访问技术卫星通信网、分组无线网、总线式局域网冲突存在，需要访问机制解决信道的争用关键问题？当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权？用来决定广播信道中信道分配的功能及协议属于数据链路层的子层，称作介质接入控制MAC(Medium

Access

Control)子层。MAC子层是数据链路层的底层。MAC子层在局域网中尤其重要广播信道也称为多路访问信道或随机访问信道。2013-10-303广播信道分配问题静态分配将广播信道分为多个“子”信道FDM

TDM

…每个用户分配一个子信道较大延时，较多带宽浪费动态分配动态不划分子信道，根据用户数据需求进行信道分配

非固定使用信道资源：时隙、频段……(ALOHA、slotted

ALOHA、CSMA、CSMA/CD…)2013-10-3041.1

静态分配法频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）和波分多路复用（WDM）当用户数较多且数量经常变化，或者通信量具有突发性的特点时，采用FDM就会产生一些问题。显而易见的有两个问题，其一是当实际用户数少于已经划分的频段数时，许多宝贵的频段资源就白白浪费了。其二是在频段已经分配完后，其他一些用户会因为没有分配到频段而不能通信，即使这时已分配到频段的用户并没有通信。2013-10-305设信道容量为C（比特/秒），信道上的数据到达率为λ

（帧/秒）。假设帧长度可变，帧长服从几何分布，其平均长度为1/μ

（比特/帧）。由排队论计算得：平均时延DD

1C

现若采用FDM，容量为C的信道被分给N个用户使用

NDDFDM

NC

1C

N

N因此，传统的信道静态分配方法不能有效地处理用户数量的可变性和通信的突发性。2013-10-306

1.2

动态信道分配若干假设：（1）数据站模型每个站点是独立的，并以统计固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被阻塞，不会有新的帧产生；（2）单信道假设所有的通信都是通过单一的信道来完成的，单独的信道对所用数据站都是平等的；（3）关于冲突

如果两帧的发送在时间上出现重叠，则认为发生冲突（collision）。在此认为所有的站都能检测到冲突（如果它发生），受冲突的帧必须重传。（4）时间参考连续时间和时间分槽（确定何时发送）（5）有载波侦听或无载波侦听载波监听和无载波监听（确定能否发送）7动态分配需要考虑的要素要素如何发送任意，想发就发仅在时槽起始处发送发送前是否侦听载波：盲目

或

等待信道空闲如何接收地址识别是否检测冲突冲突怎样解决

2013-10-30不使冲突出现减少冲突减少冲突影响STOPYES

NOCollision2013-10-308动态信道分配需要考虑的两个主要问题在哪里分配？集中式：中央监控站专门实施信道的接入控制功能，其他站点必须得到中央监控站的允许才能使用信道。分布式：所有的站点共同完成信道接入控制功能，从而动态地完成决定发送数据的顺序。如何分配？循环式：每个站轮流等到机会。适合于有多个站点要发送很多数据的情况。预约式：这种方式把信道的使用时间划分为时隙，站点在约定的时隙内发送数据竞争式：不对每个站的发送权进行限制，而是由各个站自由竞争发送机会。特点：简单，适合轻负载或中等负载情况，负载重时，性能下降很快。2013-10-3092

查询技术概念：查询技术是常见的一种信道访问技术，该技术都需要一个中心控制站，中央控制站周期性地向各终端或工作站发送查询帧，各用户只有当被控制站查询时，才能发送信息。如：令牌环、令牌总线。查询方式一般适用于集中式拓扑结构的网络（如树型、星型），也可以使用于回路式(loop)网络中2013-10-30102.1

两种最常用的查询方法roll-call查询hub查询roll-call查询的工作原理12中央控制站N3发收123N

中央控制站

Hub查询的工作原理2013-10-3011产生查询帧

查询站1接收应答帧

ahead?

Y

查询站N接收应答帧

Nroll-call查询的流程图等待收到查询帧？NN

Y

NGo

数据准备好？

Y发送数据

Go

ahead?

Y(a)

中央控制站发送Go

ahead

(a)

各个站2013-10-30122.3

自适应查询传统查询策略有如下缺点：在轻负载的情况下，效率较低在重负载的情况下，将引入较长的时延探查法（Probing）的主要思想是：（1）同时探查一组（两个或多个）站点。如果其中某个站点需发送数据，则它反馈以某种形式的信号；否则，系统就认为整个该组站点都是空闲的，直至下一次探查。（2）将具有反馈信号的站点组（即其中有站点申请使用信道）分成两个子组，重复过程（1）。（3）对于最终的探查（即组内只有一个站点），由控制站发送给该站点一个查询帧，使其可以发送数据。2013-10-3013总共需要7次询问（包括5次探查和最后一个子组所需的2次查询）就可以完成整个探查循环过程。包含8个站的探查二叉树0000010100111001011101112013-10-3014平均询问次数纯探查

纯查询

自适应查询

p不同查询方法的扫描周期对比2013-10-3015多路访问协议•••••纯ALOHA时隙ALOHACSMA无冲突协议有限竞争协议2013-10-30163

随机接入：ALOHA控制多个用户共用一条信道的协议

ALOHA协议(ALOHA原是美国夏威夷大学为计算机之间

的数据信息传输与交换设计的一种在地面通信网中进行的

数据分组广播通信方式)70年代，Norman

Abramson设计了ALOHA协议目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；有两种类型的ALOHA系统：纯ALOHA（P-ALOHA）和

时隙ALOHA,又叫做分槽ALOHA协议（S－ALOHA）。2013-10-3017Background

of

Aloha2013-10-30182013-10-3019A1帧产生A2A2B1冲突随机时间t1t2B2A2t3t4B3A3站A

站B信道上的总效应A1B1B1A2B2B22013-10-30203.1

纯ALOHA纯ALOHA-T0T基本思想：当用户想要发送数据帧时，它就可以在任何时候发送。但是，不同用户发出的数据帧就有可能发生冲突。冲突的帧将被破坏，传输不成功，使吞吐量下降。

数据帧易受冲突时间

纯ALOHA中，帧冲突的危险区2GS

Ge

0.184

12eSmax

2013-10-3021

纯ALOHA信道的效率

帧时(Frame

Time)：发送一个标准长度

的帧所需的时间设：无限多个用户产生新帧的概率服从泊松分布

平均每个帧时产生S个新帧则：当S

>

1时，将每个帧都冲突所以，吞吐率应为

0

<

S

<

1除新帧外，凡冲突的帧也要重发2013-10-3022

纯ALOHA信道的效率（续）设：帧发送的平均值为G帧/帧时，

G中包括每个帧

时内产生的新帧S和由于冲突而需重发的帧

当轻负载(S

<<

1

0)时，几乎无冲突，则G

S

当重负载(S

1)时，冲突频繁，则G

>

S冲突危险区t0t0+tt0+2tt0+3t时间2013-10-3023

纯ALOHA的吞吐率设：在任一帧时内生成k帧（包括新旧帧）的

概率服从泊松分布，为：则：生成0帧的概率为P0

=

e-G

两个帧时内产生的平均帧数为2G即：

，P0

=

e-2G由于S

=

GP0所以S

=

Ge-2G2013-10-3024

纯ALOHA的吞吐率（续）对于：S

=

Ge-2G

得：S’

=

e-2G

+

Ge-2G(-2)

并令其为0

e-2G

-

2Ge-2G

=

0

2G

=

1

G

=

0.5时，S有最大值

S

=

1/(2e)

S

0.184

在纯ALOHA中，其吞吐率最大为0.18425在一个时隙内只产生一个新帧，新帧不允许立即发送，将在下一个时隙的开始处

t0+t

时发送，不会发生冲突在一个时隙内产生一个以上新帧，下一个时隙的开始处

t0+t

时，一个以上的帧同时发送，将发生冲突，即冲突危险区为t2013-10-303.2

分隙ALOHA的原理t0t0+t

时间t0+2tt0+Δt冲突危险区t0t0+tt0+2tt0+tt0+t2013-10-3026分隙ALOHA的原理（续）

分隙ALOHA的时间以时隙(Time

Slot)为单位

时隙的长度对应一帧的传输时间，其起点由专门

的信号来标志

新帧的产生是随机的，但分隙ALOHA不允许随机

发送，凡帧的发送必须在时隙的起点，即冲突危

险区是原来的一半冲突主要发生在时隙的起点处，一旦发送成功，则不会出现冲突，即生成新帧并等待发送的这一帧时内，是冲突危险区，时间长度为t，是原来的一半2013-10-3027分隙ALOHA的吞吐率在一个时隙的起点没有其它帧发送的概率为：

P0

=

e-G所以：S

=

GP0

=

Ge-G当G

=

1时，吞吐量S为最大

S

0.3682013-10-3028纯ALOHA和分隙ALOHA的比较纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，全然不顾是否有用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着发送的整个过程分隙ALOHA中，规定发送行为必须在时隙的开始，一旦在发送开始时没有冲突，则该帧将成功发送2013-10-3029S2013-10-3030时隙ALOHAS

GeGALOHA系统中的吞吐特性曲线013450.20.10.00.3将时间轴分成固定的时隙。各数据源只能在一个时隙的起始时刻才能发送帧，这就要求系统中所有站的发送操作都必须被同步于统一的时隙定时关系中。因此，冲突的发生只能在T秒间隔内发生，即易受冲突的间隔为T。

0.4纯ALOHA

2时隙ALOHAG最大吞吐量为0.368。时隙ALOHA的最好结果是：37%的时隙为空，37%的时隙传送成功，26%的时隙产生冲突。2013-10-3031随着G的增大，空时隙数(e-G)会减少，而产生冲突的时隙数按指数增加。每帧传送次数

E=eG说明通信负载G稍微增加就会大大降低系统的吞吐性能时隙ALOHA需要全网的同步机制，增加了复杂性2013-10-3032纯ALOHA和分隙ALOHA的比较（续）

G为每个帧时内可能的发送次数ALOHA系统中吞吐率和帧产生率之间的关系00.51.01.52.03.00.400.300.200.10分隙ALOHA：S

=

Ge-G

纯ALOHA：S

=

Ge-2G

S为每帧时内的吞吐率2013-10-30334

随机接入：CSMA“载波侦听多址接入”（CSMA）方式关键之处在于发送之前先侦听信道。如果已经有站在发送信息，因而可以在广播信道中监测到别的站正在发送帧的载波信号，即信道正忙，则本站就不发送，或者继续侦听信道，或者等待一段随机时间之后，再试图发送，并且在发送之前再侦听一下信道，看是否信道有空。如果侦听到信道是空闲的，则根据预定的控制策略来决定，是立即将自己的帧发送出去还是为慎重起见暂时不发送出去。因此，CSMA方式可以减少站发送帧的盲目性。2013-10-3034CSMA(Carrier

Sense

Multiple

Access)改进的思路：减少发帧的盲目性，改进性能>1/e三种方式：(1)非持续型CSMA(2)p-持续型CSMA(3)1-持续型CSMA2013-10-30354.1

CSMA原理1．非持续型CSMA（1）如果此时信道空闲，则该站就可以向公共的信道上发送帧。（2）如果此时信道处于忙状态，则它就停止侦听，并按某种解决冲突的方式重新调度它对帧的发送，典型的方法是延迟某一随机数值的时间段，然后在该延迟时间结束后再次侦听信道。非持续CSMA的缺点是已经侦听到信道忙的站点在延迟时间没有结束之前，即使后来信道已经空闲，它们也不发送任何信息，因而限制了信道利用率的进一步提高。2013-10-30362．p-持续CSMA在持续CSMA方式中，要发送帧的站始终侦听信道，直至信道由忙变空，然后它就向公共信道上发送帧。而这种方式的明显缺陷是当有两个站都要发送帧时，一旦原来忙的信道变空后，它们就立即同时发送各自的帧，从而发生冲突。（1）如果站侦听到信道空闲，则它以概率p发出一个待发的帧，而以概率(1-p)延迟一个时隙，然后再侦听信道。如果此时信道忙，它就等到信道空闲并重复这一步骤。（2）如在下一时隙中侦听到信道空，它就重复步骤（1）。概率p通常是一个较小的数字，典型值为0.03和0.1。非持续型CSMA可以大大减少冲突可能性，能使系统的最大吞吐量达到信道容量的80%以上。但由于随机延迟侦听的原因，将会使系统对帧传输的响应时间变长，也即时延—吞吐特性变坏。相反，p-持续CSMA既考虑到尽快使用已空闲的信道，又考虑到发送帧时的主动退避，在性能上比非持续型CSMA的性能好。2013-10-30373．1-持续CSMA是p-持续CSMA的极端情况，指只要发现信道空闲，就立即发送帧。轻载时性能较好，但重载时性能急剧变坏，其性能比非持续CSMA要差，最大吞吐量只能达到信道的53%2013-10-3038

随机访问协议信道利用率比较

.

不同随机访问协议信道利用率的比较S表示信道的吞吐量，在t时间内成功发送的平均帧数；G表示网络负载，

t时间内总共发送的平均帧数（成功+重法）2013-10-30390.01-持续>0.1持续>0.5持续>1持续>slotted-ALOHA>pure-ALOHA重载时倾向于politely退让非持续在重载时性能表现良好2013-10-3040传播时延对载波侦听的影响CSMA并不能完全解决冲突问题如两个或多个准备发送的站都检测到信道空闲而同时发送将发生冲突冲突A1

kmB

=

5

st2013-10-30412013-10-3042检测出冲突后，立即停止发送，可以节省时间和带宽2013-10-30434.2

CSMA/CD方式如果不仅在发送前进行载波侦听，而且在发送过程中也侦听是否发生冲突，并在监测到冲突后及时中断发送，就可以减少信道工作时间，从而进一步提高系统吞吐性能和减小帧传输时延。这就是目前使用最多的CSMA/CD。在Ethernet总线式局域网中，采用了CSMA/CD方式，它有两个主要操作规程：竞争发送和无冲突接收。2013-10-3044实现冲突检测的方法还有：(1)信号电平法(2)过零点检测法(当产生冲突时，过零点将在其他地方出现)(3)自发自收法曼彻斯特编码：

从高电平到低电平的跳变代表0，而从低电平到高电平的跳变代表12013-10-3045CSMA/CD发生冲突时对信道占用时间的影响发生冲突ABtB发送数据信道占用时间如一个站点发送并经2后，没有冲突，即发送成功典型的，一公里长的同轴电缆，

5s

2

10

sTBTJ

A检测到冲突

B检测到冲突2013-10-3046(1)竞争发送方式各站点在发送之前对总线进行侦听，只要总线空便开始发送，否则等待一段随机时间，直至监测到总线空。站点在发送出信息后，仍对总线进行侦听，进行冲突检测。若检测到冲突产生，则马上要对总线进行干预。干预的方式是继续发送一小段时间(发送小于最小帧长的异常帧)，使总线上各站点都知道已发生了冲突而停止各自的发送。进行这种干预后，便放弃这次发送。延迟一段等待总线空后重传。重传时机对性能有重要影响。2013-10-3047退

避

算

法这样做是为了减小再

次发生碰撞的概率。

Binary

Exponential

Backoff

Algorithm——就是让发生

碰撞的站在停止发送数据后，不是立即再发送数据，而是推迟

（这叫做退避）一个随机时间。具体做法是：（1）确定基本退避时间，一般是取为争用期2

τ

。（2）定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=Min(重传

次数，10)。（3）从离散整数集合[0,1,2,…,(2

k-1)]中随机地取出一个数，记为r。

重传输所需的时间就是r倍的基本退避时间。（4）当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。

说明想发送数据的站太多，以

致连续发生碰撞。2013-10-3048(2)无冲突接收发送站点的干预方法是检测到冲突后，再继续发一个32位的不完全帧，它小于最短的信息帧长度（48位）。当接收站点收到这一不完全帧时，便知道发生了冲突，于是把已收到的信息作为错误信息处理，再进入另一次接收的准备。当接收站点收到异常帧时，知道发生了冲突。这是一种冲突加强的方式。49发送请求总线空？有冲突？发送完？

发送结束

(a)

竞争发送

竞争发送和无冲突接收的流程图2013-10-30进行干预放弃发送延迟重发N

Y发送数据帧YNNNY在指定时间内

收到ACK？

Y接收开始接收完？接收一帧帧太小？确认地址？NYYNY帧校验正确？

YN出错处理

接收完成(b)

无冲突接

收N“退避算法”退避算法SSNR

j(1

A)

j1A

2013-10-30504.3

CSMA方式的性能分析0.20.40.61.00.8a=0.001

a=0a=0.01a=0.05

a=0.1a=0.2a=0.4

a=0.6a=0.8a=10.0

0.01

0.1

1

5

20

40

G

非持续CSMA的吞吐特性曲线p-持续CSMA的吞吐特性曲线0.0111040p=0.01

p=0.03

p=0.1p=0.2p=0.4

p=0.8p=0.991.000.80

0.600.400.200.00G设系统中共有N个站，每个站发送帧的概率为p，令A表示某个站发送成功的概率，则N1A

Np(1

p)P[需发送j次]

(1

A)

j1A1A

j1N1Amax

11

N

11

a(2A1

1)S

2013-10-30516

关于IEEE

802标准IEEE

802.1标准规定局域网的低三层。（1）物理层：与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准直接与传输介质有关。（2）介质接入控制（MAC）层：具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。（3）逻辑链路控制（LLC）层：提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点—多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。2013-10-3052

网络层数据链路层

物理层OSI高层

IEEE

802逻辑链路控制

LLC媒体访问控制

MAC

物理层PHY由NOS来实现

IEEE

802标准IEEE802标准2013-10-3053

物理层传输媒介数据链路层高层物理层OSI/RM

IEEE局域网参考模型、服务访问点MAC子层LLC子层123IPIPXxy物理层

传输媒介MAC子层LLC子层12z物理层MAC子层LLC子层1

站ACLNS

站B高层

站C高层L-SAPM-SAP

P-SAPL-SAPM-SAP

P-SAP2013-10-3054服务地址LLC层向网络层提供多个服务访问点L-SAPMAC层向LLC层提供一个服务访问点M-SAP物理层向MAC层也只需单一的服务访问点P-SAP两个站点建立逻辑链路连接，需要两种地址：（1）MAC物理地址，即某站在网络中的物理地址（48位网卡地址），由MAC帧负责传送；（2）L-SAP地址，即进程在站中的地址，由LLC帧负责传送。2013-10-3055协议格式2013-10-3056IEEE

802标准LAN的参考模型逻辑链路控制子层

LLC（Logical

Link

Control）引入LLC子层的原因：

MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量

控制（滑动窗口），有些情况下，这种服务足够，如支持IP协

议；当需要确认和流控的时候，这种服务就不能满足，需要LLC。LLC子层提供确认机制和流量控制；LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；LLC提供三种服务选项：

不可靠的数据报服务,

带确认的数据报服务,

可靠的面向连接服务.LLC帧头基于HDLC协议2013-10-3057IEEE

802标准介质访问控制子层

MAC（Medium

Access

Control）数据封装

(发送和接收)

成帧

(帧定界,帧同步)寻址

(源和目的地址的处理)错误检测

(物理介质传输错误的检测)介质接入管理介质分配

(碰撞避免)争用解决方法

(碰撞处理)分成两个子层的原因管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制；对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择LLC层与局域网形态和传输介质无关MAC层与局域网形态和传输介质直接相关2013-10-3058IEEE

802标准IEEE

802协议IEEE

802系列标准定义了若干种LAN，包括对物理层、MAC子层的定义和描述。它的组成如下：802.1

基本介绍和接口原语定义802.2

逻辑链路控制（LLC）子层802.3

采用CSMA/CD技术的局域网802.4

采用令牌总线（Token

Bus）技术的局域网802.5

采用令牌环（Token

Ring）技术的局域网2013-10-3059

802.10可互操作的局域网的安全

802.1B

网际互连络管理802.1B

802.1A

网

体系结构802.2

逻辑链路控制LLC

802.3CSMA/CD

802.4令牌总线

802.5令牌环

802.6DQDB

802.9综合话音

/数据局域网802.11

无线局域网

802.12100VG-ANYLAN

802.7

宽带技术IEEE

802标准系列之间的关系

802.8光纤技术2013-10-3060

IEEE

802标准IEEE

802.3

和

Ethernet

历史ALOHA系统ALOHA

+

载波监听Xerox

设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的Ethernet(1972)Xerox,

DEC,

Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准(1980)IEEE定义了采用1-坚持型CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3标准与以太网协议略有差别(1983)。名称电缆最大区间长度节点数/段优点接口10Base5粗缆500m100用于主干已基本淘汰AUI10Base2细缆185m30廉价已基本淘汰BNC10Base-T双绞线100m1024易于维护RJ-4510Base-F光纤2km1024用于楼间ST2013-10-3061802.3的电缆传输电缆分以下四种62粗缆以太网（10BASE5）终止器

2013-10-30终止器粗缆收发器AUI电缆2013-10-3063细缆以太网(10BASE2)终止器细缆BNC连接器2013-10-3064双绞线以太网(10BASE-T)其物理接口为RJ-45连线采用3类（或5类）双绞线，仅用两对线，且全双工距离为100

m编码采用曼切斯特编码2013-10-3065

双绞线HUB

RJ-452013-10-3066Caption:

10Base-T

hub,

with

10Base-T

cablesconnecting

computers

to

the

hub.67以太网MAC子层协议以太网的帧结构802.3的帧结构帧开始字符10101011

类型：表示上层使用的协议

如IP协议为800H，ARP协议为806H712/62/620~15000~464先导字段10101010目的地址

源地址数

据填充字符

校验和712/62/620~15000~464先导字段10101010目的地址

源地址数

据填充字符

校验和数据字段长度

帧开始字符101010112013-10-302013-10-3068先导字段7个字节的10101010，实际上下一个字节也是先导字段，只是最后的两位为1，表示紧接着的是真正的MAC帧8个字节的10101010的曼切斯特编码将产生10MHz，持续6.

4s的方波，周期为0.1s，可用于时钟同步2013-10-3069两个地址目的地址和源地址都允许为2字节或6字节，在10M

bps的基带以太网中是6字节目的地址最高位为0：普通地址

1：多点发送（Multicast）目的地址全1：广播发送（Broadcast）在6个字节（共48位）的地址中有46位用于地址的指定，即有246＝7.03687x1013个地址网卡地址是一个全局地址如：44-45-53-54-00-002013-10-3070数据字段长度和校验和字段长度：指明数据的字节数，数据字段长度允许为0校验和：4个字节共32位的CRC码2013-10-3071填充字段为保证帧的最短长度为64个字节即：两个地址（12字节）+

长度（2个字节）+数据字段＋

填充字节+校验和（4个字节）=

64在数据字段长度为0时

，18字节+

填充字节

=

64

填充字节

=

46所以填充字节为：0

~

46字节2013-10-3072最短帧长避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于

2；10Mbps

LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节；网络速度提高，最短帧长应增大或者站点间的距离要减小。2013-10-3073为什么帧的最短长度为64个字节为了确认发送帧是否正确到达目的站点，必须保证可能的冲突信号返回时帧的发送尚未结束，如在2

内没有冲突信号返回，则发送成功，如果发送端在2时间内帧已经发送结束，则即使冲突也无法检测，即最短帧长应与2相当2013-10-30742的计算在极限条件下，802.3局域网中发送方和接收方间允许接有4个中继器，最大距离为2500

m，往返5000m，在传输速率为10M

bps

条件下，如果在信号传播过程的尽头发生冲突，往返的时间大约需要50s，再考虑一些安全余量以及

2的整次幂的因素，所以通常取51.2

s为争用时隙的时间长度（51.2

s即传输512

bit，即64字节所耗费的时间），所以帧的长度至少为64个字节2013-10-3075二进制指数后退算法二进制指数后退算法（binary

exponential

backoff）算法将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时隙发生第一次冲突后，各个站点等待

0

或

1

个时隙再开始重传；发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0,

1,

2或3个时隙再开始重传；第

i

次冲突后，在

0

至

2i-1

间随机地选择一个等待的时隙数，再开始重传；10次冲突后，选择等待的时隙数固定在0至210-1间；16次冲突后，发送失败，报告上层。2013-10-3076

二进制指数后退算法举例

在一个时隙的起始处，两个CSMA/CD站点同时发

送一个帧，求前4次竞争都冲突的概率?

第一次竞争冲突的概率为1；

第一次冲突后，A、B都将在等待0个或1个时隙之间选择，选择的组合有：00、

01、10、11，共4种，其中00和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突的

概率为0.5

第二次冲突后：A、B都将在0、1、2、3之间选择，选择的组合有：00、01、

02、03、10、11、12、13、20、21、22、23、30、31、32、33共16种，其

中00、11、22、33将再次冲突，所以第三次竞争时，冲突的概率为0.25

第三次冲突后：A、B都将在0、1、2、3、4、5、6、7之间选择，选择的组合

共有64种，其中00、11、…

…、77将再次冲突，所以第四次竞争时，冲突的

概率为0.125

前四次竞争都冲突的概率为：1

x

0.5

x

0.25

x

0.125

=

0.0156252013-10-3077802.3的性能

对某个站点来说，从站点产生新帧到允许发送的

等待时间越短越好；对信道来说，在保证每个站

点性能的基础上，能支持的站点数越多越好，很

显然，这与共享网络中的站点数和每个站点在单

位时间内发送帧的概率有关，所以，设：在稳定重载荷的情况下，有k个站点参与信道竞争每个站点在每个时隙中的发送概率为p2013-10-3078802.3的性能（续）平均竞争时间

=

平均竞争时隙数

x

时隙长度(2

)那么：某个给定时隙内，站点成功获得信道的概率为：

A

=

kp(1-p)k

–1

显然，当p

=

1/k时，A将取最大值

当k

∞时，A

1/e竞争时隙数正好是j个时隙的概率=A(1-A)j-1

j0

A信道效率

=

每帧发送时间（P）每帧发送时间（P）+

平均竞争时间（T）2013-10-3079最佳信道效率

由于802.3采用的是CSMA/CD（带冲突检测

的载波侦听多路访问），

是发送站点到最远

站点的信号传播延时，为保证冲突信号的回

传时间，所以每个时隙的时间为2

，平均竞

争时隙数为e，所以平均竞争时间为2

e信道效率

=

每帧发送时间（P）每帧发送时间（P）+

平均竞争时间（T）PP

+2

APP+2e==2013-10-3080FB对更一般的情况

如：帧长为F，网络带宽为B，电缆长度为L信

号传播速率为c（典型的为5µ

s/km）

每帧传输时间为P=F/B

信号的最大传播延迟

=L/c

在有e个竞争时隙的情况下

F1

12BLe

cFB

2Le

c即最佳的信道效率可见，增加网络带宽或远距离传输，将使信道效率降低所以，在高带宽或广域网条件下，以太网可能不是最合适的2013-10-3081IEEE

802标准

hubhub

hub

Server

farmSwitch

stationsstations

station2013-10-3082最简单的以太网络

交叉双绞线电缆

(a)

两个站点的以太网2013-10-3083交换式以太网图例ABCDEHUB交换交叉双绞线电缆机

直连双绞线电缆(b)

多站点以太网2013-10-3084以太网交换机交换机有一个高速的背板，速率可达1G

b/s或更高背板上可插入若干个模块（有的模块还可插入子模块）每个模块（或子模块）上有4

~

8个RJ-45的端口，甚至更多，每个模块实际上是一个规模较小的局域网，即一个模块就是一个共享域（以太网中，共享域即冲突域）一个模块上任一时刻只能有一个站点发送，但分属不同模块上的端口可并行工作，这可理解为组交换：模块内共享，模块间交换当每个模块都退化成只有一个端口时，即一个共享域中只有一个端口，则该交换机是全交换的2013-10-3085交换式局域网交换式局域网通常以百兆以太网交换机或千兆以太网交换机（通常是全交换的）作为局域网的核心交换设备，交换机的每个端口都可通过一个HUB连接一个共享的网段或直接连接一台主机每个端口连接的网段形成一个冲突域，端口之间帧的传输不受CSMA/CD的限制交换机上不同类型的端口支持不同类型的传输介质，不同类型的端口其传输速率和最大传输距离也不尽相同86交换式局域网示例主交换机

子网

22013-10-30HUB

子网4

冲突域

子网

1服务器中央路由器

部门交换机子网

32013-10-3087Fast

Ethernet（802.3u）结构简单，兼容性好，价格相对低廉双速10/100

Mb/s

MAC功能（自动协商

）优选全双工操作，采用星型连接方式提供对cat3、cat5和STP（屏蔽双绞线）的支持，也支持光纤介质，但不支持同轴电缆采用简单的不归零制编码的变种：逢一变化的不归零制NRZ1（nonreturn-to-zero

change

on

one）即4B/5B的二进制编码2013-10-3088100Base-TX其物理接口为RJ-45连线采用5类双绞线cat5，仅用两对线，且全双工802.3u必须与802.3完全兼容，即802.3u的帧格式与802.3的帧格式完全一致，最短帧长为64B，然而，由于802.3u的传输速率为100M

bps，所以64B的发送时间是12us，即在802.3u中，2

为12us由于要求802.3u支持共享设备，即802.3u必须支持CSMA/CD，考虑竞争发送的冲突检测，在CSMA/CD机制中，

决定了其最长的传输距离为250m据此，规定单根双绞线的长度不超过100（125）m。2013-10-3089100Base-FX其物理接口为ST（圆型）或SC

（方型）连线采用一对多模光纤，全双工，且免受电磁干扰配制光纤端口的交换设备通常不会是共享设备，所以不必考虑冲突检测问题传输距离取决于采用的光源和在光纤中光信号的衰减，通常：

多模光纤的传输距离为2km；单模光纤的传输距离为10km快速以太网交换机是目前使用最广泛的交换机，中小规模的局域网或大规模局域网中的部门级交换机，首选的通常都是100

Mbps交换机2013-10-3090千兆以太网支持两种工作模式：全双工工作模式使用两根信道，通常是光纤，不会产生冲突传输距离取决于信号的衰减半双工模式允许使用共享设备（如HUB），采用CSMA/CD机制来实现信道的共享传输距离必须考虑冲突检测，即必须考虑时隙问题

Gigabit

Ethernet（802.3z）千兆以太网的标准802.3z，1998年6月公布标准类型多模62.5µm多模50µm单模10µm1000BASE-SX（波长850nm）220m550m----1000BASE-LX（波长1300nm）550m550m5000m2013-10-30911000

Base-X标准1000

Base-SX1000

Base-LX标准类型两对屏蔽双绞线四对非屏蔽双绞线（5类线）1000BASE-CX25m----1000BASE-T----200m921000Base-X标准（续）1000Base-CX1000Base-T

1000BASE-XX2013-10-30200

m

两对非屏蔽双绞线（超5类线）参数值时隙4.096s，即4096bit(512Byte)的传输时间帧间间隔0.096µm（96bit）拥塞序列大小32bit最大帧长度1518Byte（数据长1500Byte）最小帧长度512bit（64Byte）2013-10-3093千兆以太网主要参数2013-10-3094方法/系统说明纯ALOHA在任何时候均非同步传输时隙ALOHA在定义恰当的时隙内随机传输1－持续CSMA标准的载波侦听多路访问非持续CSMA当侦听到信道忙时随机延迟p－持续CSMACSMA，但持续概率为pCSMA/CDCSMA，但发生冲突时终止以太网采用CSMA/CD的局域网令牌总线在一条物理总线上的逻辑环令牌环在发送数据前必须获得令牌2013-10-3095公用信道的各种分配方法2013-10-3096无线局域网无线局域网的组成802.11物理层802.11MAC子层协议97Ad-Hoc

模式Infrastructure

模式

2013-10-30基本服务集合

BSS扩展服务集合

ESS802.11的组网模式

802.11定义了两种组网模式2013-10-3098Ad-Hoc模式所有的移动站之间互相平等，每个节点既是主机又是路由器StationDestination

StationStation

Station

source

Station2013-10-3099

Access

Point

StationStationService

SetStation基本服务集BSS

Distribution

System

Server

Basic由一个基站和若干个移动站组成基站称为AP一个BSS覆盖的范围称为一个