第4章 介质访问子层 网络分类 广播信道网络 也称： 介质访问控制（MAC) 点到点连接 广播信道 多路访问信道（Multiaccess Channel) 随机访问信道（Random Access Channel) 介质访问控制（MAC) 属于数据链路层的子层 04:21:01

4.1 信道分配问题 局域网和城域网中信道的静态分配 缺陷：无通信量时信道白白浪费 静态FDM的性能差 帧平均延时： TFDM=NT TDM也有同样的问题 04:21:01

4.1 信道分配问题 局域网和城域网中信道的动态分配 5个关键假设： 1.站模型(station model) 2.单通道假设(single channel model) 所有通信都通过单个信道进行 3.冲突假设(collision assumption) 冲突、检测到后等待重发 4a.连续时间(continuous time) 帧可在任何时候发送 4b.时隙(slotted time) 时间片、帧总在时隙开始时发送、一时隙内可发送0、1或多帧 5a.载波侦听(carrier sense) 使用前侦听信道是否忙 5b.非载波侦听(no carrier sense) 使用前不检测信道，事后才能确定传送是否成功 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.1 ALOHA协议 纯ALOHA -[see fig 4-1] 纯ALOHA 分隙ALOHA 基本思想：只要有待发数据，就栏他们发 信道效率如何？ 冲突危险区-[see fig 4-2] 系统吞吐率: S=Ge-2G 当 G=0.5时，吞吐率最大， S=1/2e = 0.184 即： 纯ALOHA信道的利用率最好为：18% 04:21:01

4.2 多路访问协议 分隙ALOHA 基本思想：把时间分为离散的时间片(slot)，每段对应一帧 要求时间同步 冲突危险减少一半 系统吞吐率: S=Ge-G 当 G=1时，吞吐率最大，S=1/e = 0.368，是纯ALOHA的两倍 即： 时隙ALOHA信道的利用率最好为：37% 吞吐率和帧产生率之间的关系-[see fig 4-3] 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.2 载波侦听多路访问协议 持续和非持续CSMA 各种协议的比较 -[see fig 4-4] 基本思想：检测其它站点，调整自己的动作，大大提高利用率 载波侦听协议 持续和非持续CSMA 1-持续CSMA 侦听、如果忙，持续等待，直到空闲即发送 如果冲突，等待一随机时间后重新开始 非持续CSMA 侦听、如果忙，等待一随机时间后重新开始 p-持续CSMA 侦听、如果空闲，以概率p发送，以概率q=1-p将发送推迟到下一时隙 各种协议的比较 -[see fig 4-4] 04:21:01

4.2 多路访问协议 有冲突检测的CSMA 改进：检测到冲突就取消传送 即：带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD) 概念模型-[see fig 4-5] 模型由三种状态组成：竞争、传输和空闲 CSMA/CD是一个重要的协议，其中一个版本：IEEE 802.3(以太网)国际标准 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.3 无冲突的协议 位图协议 基本位图法-[see fig 4-6] （预定协议） 性能： 竞争周期由N个时隙组成； 站点j可以通过在时隙j内填入1Bit,以声明有一帧要发送 然后按照声明的顺序发送数据 （预定协议） 性能： 效率=d/(N+d), N-每帧的开销，d-数据量/帧 高负荷下，效率=d/(d+1), (N=1) 二进制倒计数法 （*） 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.4 有限竞争协议 竞争法（如 CSMA)和无冲突法的结合 对称竞争信道获取概率-[see fig 4-8] 低负荷时，采用竞争法，使时延较短 重负荷时，采用无冲突法，使信道利用率较高 对称竞争信道获取概率-[see fig 4-8] 适应树搜索协议-[see fig 4-9] 二叉树 第一个竞争时隙(0)内,所有站点多可以尝试获取信道 如有冲突，1时隙内，只允许节点2以下的站点参与竞争 。。。 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.5 波分多路访问协议(WDMA) 信道分成子信道（TDM,FDM),动态地分配信道 例如，fig2-10, 光纤LAN 每个站点分成2个子信道：窄-控制，宽-数据 -[see fig 4-10] 每个站点有2个发送端和2个接收端 波长固定的接收端，用于侦听本站点控制信道 波长可调的发送端，用于向其他站点控制信道发送帧 波长固定的发送端，用于输出数据帧 波长可调的接收端，用于选择要侦听的数据发送端 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.6 无线局域网协议 不同于蜂窝电话系统，每单元只有一个信道，覆盖整个带宽，通常 1Mb/s-11Mb/s 隐藏站点问题-[see fig 4-11(a)] A->B, C在侦听，误认为可以发送，结果造成冲突 暴露站点问题-[see fig 4-11(b)] B->A, C在侦听，C误认为不能向D发送 避免冲突的多路访问(MACA) -[see fig 4-12] IEEE 802.11 基本思想：发送方激发接收方（RTS)，使其发一短帧(CTS)，让接收方周围的站点监测到这个短帧，从而避免冲突 MACAW:改进的MACA 在成功的数据帧后加一个ACK（确认帧），避免数据帧的丢失 04:21:01

4.2 多路访问协议 4.2.7 数字蜂窝无线电 GSM—全球可移动通信系统 AMPS、GSM、CDPD、CDMA 数字传输的优点： 数字、声音和传真三合一；声音压缩比高；纠错、高质量；安全 GSM—全球可移动通信系统 美国IS-54、日本JDC、欧洲GSM（900MHz波段、1800MHz) GSM使用124个频率信道，每个均使用8隙TDM系统-[see fig 4-13] GSM分帧结构-[see fig 4-14] 许多管理信道： 广播控制信道、专用控制信道、公用控制信道（呼叫、随机访问和访问授权子信道） GSM:复杂系统。运用：分隙ALOHA、FDM、TDM控制信道 04:21:01

4.2 多路访问协议 CDPD—蜂窝数字分组数据(*) CDMA—码分多址 GSM-电路交换 三种接口：E型、I型和A型接口 问题：基站间接管频繁、以丢失数据、错误率高(a->m)、昂贵 解决方法：采用CDPD -[see fig 4-15] 三种接口：E型、I型和A型接口 CDMA—码分多址 特点：允许所有站点通时在整个频段上传输，多路的同时传输编码原理加以区分 每站点一个唯一的m位代码（或芯片序列） 原理： -[see fig 4-16] 带宽利用率高 下一代通信系统的重要标准 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.x: CSMA/CD、Token Bus、Toke Ring … ISO 8802.x 802.1:标准介绍、接口原语 802.2:LLC 802.3:CSMA/CD 802.4:Token Bus 802.5:Token Ring 802.6:DQDB (MAN) 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.3标准及以太网（Ethernet) 1-持续CSMA/CD LAN 工作原理 802.3与以太网的区别 各种介质（802.3定义了1Mb/s-10Mb/s) 字段（802.3的长度字段—以太网的分组类型） 802.3的电缆-[see fig 4-17/18/19] 10Base5,10Base2,10Base-T,10Base-F, 100Base… 曼彻斯特编码-[see fig 4-20] 1 –前半周期电压位高，后半周为低，0 –前半周低，后半周高 差分曼彻斯特编码 周期开始处，电压不跳变为1，跳变为0 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.3标准及以太网（Ethernet) 802.3 MAC子层协议 帧结构-[see fig 4-21] 帧先导字节：10101010 帧开始标志：10101011 帧最短长度：64字节， 或 51.2us 冲突检测需时2t-[see fig 4-22] CRC校验 二进制指数后退算法 I次冲突后，等待时隙就从0到2i-1种随机产生 10次以后，最大时隙固定在1023；16次后，报错 802.3的性能-[see fig 4-23] 交换式802.3局域网-[see fig 4-24] 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.4标准：令牌总线(Token Bus) 75欧姆同轴电缆、1Mb/s,5Mb/s,10Mb/s -[see fig 4-25] 802.4 MAC子层协议 帧结构-[see fig 4-26] 先导字节：10101010 优先级：0，2，4或6 开始/结束界符：模拟编码 帧最大长度：8182/8174字节 各种控制帧-[see fig 4-27] CRC校验 逻辑环的维护 初始化、站点要求加入、令牌丢失/多令牌… 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.5标准：令牌环(Token Ring) 1Bit 的“物理长度” 1Mb/s, 环长1000米，同时只能有5bit再环上 Token, 接口操作模式：侦听和发送-[see fig 4-28] 帧确认： 其中1位，初始值=0，目的站=〉1 重负荷下，网络效率接近100% 物理层：屏蔽双绞线，速率：1M,4M或16Mb/s 可靠性问题：电缆断裂。 解决：线路中心、旁路中继器 =>星型环-[see fig 4-29] 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 令牌环MAC子层协议 令牌和数据帧的格式-[see fig 4-30] 令牌持有时间 特定位由0-〉1 令牌持有时间 持有时间内可发送多个数据帧 访问控制字节(AC)包括： 令牌位、监视位、优先级位、预定位 数据可任意长 帧状态：A和C 位 A=0,C=0:目的站点不存在或未加电 A=1,C=0:目的站点存在但帧未被接收 A=1,C=1:目的站点存在且帧被复制 帧优先级方案 站点仅能捕获较低优先级的令牌帧 站点可在经过的数据帧中预订下一令牌（如果没有更高的预订） 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 环的维护 通过“监控站” 令牌环的各种控制帧-[see fig 4-31] 监控站的责任： 确保令牌不丢失 环断开时采取行动 清除混淆帧 检查无主帧 802.4与802.5的比较： 控制方式不同：802.4没有集中的 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 802.3,802.4及802.5的比较 802.3 优点:应用最广泛、协议简单、安装方便、无源电缆、轻载时延迟为零 缺点：模拟部件多、最短帧为64字节、不适合实时环境、无优先级、电缆长度受限、重载时冲突严重 802.4 优点:高可靠性电视电缆易买、高可靠性、短帧、支持优先级、重载时吞吐量高、宽带支持多信道 缺点：大量使用模拟设备、协议复杂、轻载延迟大、用户少 802.5 优点：点点连接，工程容易、全数字化、双绞线成本低、优先级、重载效率高 缺点：集中时监控（关键部件）、轻载时有延迟 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.6标准：分布队列双路总线(DQDB) 城域网 上总线(A和B)-[see fig 4-32] 56字节的信元流 信元发送前须知道目的站点在其左方或右方->决定总线的使用 按序排队,FIFO 每站点2个计数器:RC和CD 04:21:01

4.3 局域网和广域网的IEEE802标准 IEEE 802.2标准：逻辑链路控制(LLC)-[see fig 4- 33] 隐藏各种802网络的差别 向网络层提供统一的格式和接口 属于数据链路层的上半部,MAC属于下半部 提供三种服务: 不可靠的数据报的服务 有确认的数据报的服务 可靠的面向连接的服务 04:21:01

4.4 网桥 工作在数据链路层 为何要使用网桥? -[see fig 4-34] 工作原理-[see fig 4-35] 连接k个不同的LAN的网桥有k个相应的不同的MAC子层核物理层 802.x到802.y的网桥 存在的问题: 不同的帧格式-[see fig 4-36] 瓶颈问题--耗尽存储器、计数器 不同的最大帧长度 802.x到802.y的9种网桥-[see fig 4-37] 04:21:01

4.4 网桥 透明网桥-[see fig 4-38] 透明网桥(Transparent bridge) 散列表,扩散算法,逆向学习法 到达帧的路由选择: 源LAN和目的LAN相同,则丢弃该帧 源LAN和目的LAN不同,则转发该帧 目的LAN未知,则进行扩散 2个并行的透明网桥-[see fig 4-39] 生成树网桥 构造一棵无回路的树(将LAN看成节点) -[see fig 4-40] 04:21:01

4.4 网桥 源路由选择网桥 802网桥的比较 远程网桥 源路由选择(source routing)的网桥 核心思想: 假定发送者知道接收者的位置和经由路径 路径的构造过程：通过帧查找（discovery) 802网桥的比较 -[see fig 4-42] 远程网桥 连接两个或多个相距较远的LAN 实现方法: 每个LAN中均设置一个网桥,用点到点的连接(电话线)将他们两个两个地连接起来：-[see fig 4-43] 04:21:01

4.5 高速局域网 4.5.1 FDDI 光纤分布式数据接口FDDI-[see fig 4-44/45/46] 光纤令牌环LAN， 100Mb/s, Max.200Km，Max.1000 Nodes 多模光纤、LED、两个光纤环组成 物理层：4/5（4 out of 5)编码方式 帧格式-[see fig 4-46] 协议：802.5相似 MAC协议使用了3个计时器 令牌持有计时器 令牌环绕计时器 有效传输计时器 04:21:01

4.5.2 快速以太网 FDDI的缺点促使快速以太网的发展 基本思想: 802.3u,均使用集线器 支持的连线类型： -[see fig 4-47] 3类双绞线：100Base-T4 （用4对双绞线） 优缺点 5类线方案：100Base-TX （用2对双绞线） 光纤：100Base-FX 集线器： 共享式 交换式 04:21:01

4.5.3 HIPPI高性能并行接口 高性能并行接口HIPPI(high performance parallel interface) [see fig 4-48] 数据通道--加入交叉式交换机 HIPPI标准:物理层和数据链路层 基本协议: 超级计算机连接的标准 04:21:01

4.5.4 光纤通道 光纤通道（fibre channel) 处理数据通道、网络连接； 基本结构：一个连接输入和输出的交叉式交换机 传送数据通道：HIPPI、SCSI、IBM 主机使用的多路通道； 传送网络分组：包括IEEE802、IP、ATM 基本结构：一个连接输入和输出的交叉式交换机 支持3种等级的服务 纯粹的电路交换 带保证的分组交换 不带保证的分组交换 协议结构-[see fig 4-49] 最低层负责物理介质 第2层负责比特编码 第3层定义帧的布局及头部格式 第4层用于提供某些公共服务 最顶层提供各种接口 04:21:01

4.6 卫星网 基于卫星的广域网问题 五类协议用于多路访问(上行链路)信道：轮询法、ALOHA、FDM、TDM、CDMA 弯管卫星(将收到的东西反射回去,不作任何处理) 停顿时间(不能太短) 五类协议用于多路访问(上行链路)信道：轮询法、ALOHA、FDM、TDM、CDMA 04:21:01

4.6.1 轮询法 将地面上的站点排列 一个逻辑环中,每个站点都知道后续的站点是谁; 在环中运行一个令牌; 站点只有在捕捉到令牌后才允许在上行链路上发送帧; 如果环中站点数量较少且保持稳定,令牌的传输时间就较短,那么在上行链路信道上发送的时间远远大于令牌的环绕时间,该机制比较有效. 04:21:01

4.6.2 A L O H A 解决纯ALOHA带来的信道效率低的方法是采用分隙ALOHA 站点如何知道时隙是何时开始的? 如何解决同步? 参考站点(reference station)设立,周期性地发出某种信号,经卫星反射回的信号广播给所有的站点作为时间的开始. 例如:时隙k从起始时间后的k△T点开始 如何解决同步? 增加一个上行链路提高其利用率-[see fig 4-50] 04:21:01

4.6.3 FDM 频分多路访问的信道分配方法 FDM 的缺点: 动态分配频率波段:SPADE系统 很大一部分带宽浪费在警界波段上 各站点发射的能量易干扰相邻波段的信道 是模拟技术,不易用软件实现 动态分配频率波段:SPADE系统 分为PCM 声音信道 公共通信信道 做法 04:21:01

4.6.4 T D M 动态分配时隙 时隙分配按集中或非集中方式进行 站点数目可变/站点数目不变但载荷随时间变化 先进通信技术卫星ACTS ----集中方式 主控站点MCS（master control station) ----地面上的站点，用于时隙管理 ACTS的基本操作过程：3步，每步耗费1ms 卫星接收1帧并把它存储在卫星上的1728路的RAM中 卫星上的计算机将所有输入路的内容复制到相应的输出路中 输出帧被送到下行链路中 动态分配TDM方案：-[see fig 4-51] 第一种 时隙数多于站点数 第二种 站点数不确定且变化 第三种 04:21:01

4.6.5 CDMA CDMA 的优点 缺点: 避开时间同步和信道分配的问题 分散式和动态的 容量低于TDM 发送器的配备昂贵 技术难以掌握 04:21:01

4.7 小结 信道分配方法总结-[see fig 4-52] TDM、FDM ALOHA、CSMA/CD 无线LAN、GSM、CDMA IEEE 802.x LAN: CSMA/CD TOKEN BUS TOKEN RING 网桥 高速网：FDDI、FE、HIPPI、光纤通道 卫星网 04:21:01