广播链路MAC协议

两种类型链路

• 点到点链路：PPP、HDLC

• 广播链路

  
  • 多台主机连接到同一个、共享的广播信道上
  • 一台主机发送数据（帧），其他节点都能收到

多路访问协议

• 碰撞/冲突（collision）：多个节点同时发送帧，这些帧相互干扰，导致接收方都不能正确收到帧。
• 多路访问问题：如何协调多台主机之间的通信？

三类协议

• 信道划分协议

  • 多路复用技术（时间、频带、码片划分）
  • FDMA、TDMA、WDMA、CDMA

• 随机访问协议

  • 信道不划分，允许冲突，等待一个随机时延再发送，直到发送成功
  • ALOHA、S-ALOHA、CSMA、CSMA/CD
    • CSMA/CD应用于以太网
    • CSMA/CA应用802.11无线局域网

• 轮流协议

  • 轮询协议：指定主节点，循环的方式轮询每个节点（ZigBee协议，蓝牙协议）
  • 令牌传递协议：没有主节点，令牌（token）在节点之间以某个固定的次序交换（光纤分布式接口FDDI协议，IEEE802.5令牌环协议）

信道划分MAC 协议

• TDMA: time division multiple access

  • “周期性”接入信道
  • 每个站点在每个周期，占用固定长度的时隙(e.g.长度=分组传输时间)
  • 未用时隙空闲(idle)
  • 例如：6-站点LAN，1,3,4传输分组，2,5,6空闲

• 道划分MAC 协议：FDMA

  • 信道频谱划分为若干频带(frequency bands)
  • 每个站点分配一个固定的频带
  • 无传输频带空闲
  • 例如: 6站点LAN, 1,3,4频带传输数据, 2,5,6频带空闲。

随机访问MAC 协议

• 当结点要发送分组时：
  • 利用信道全部数据速率R发送分组
  • 没有事先的结点间协调
• 两个或多个结点同时传输：➜ “冲突”
• 随机访问MAC协议需要定义:
  • 如何检测冲突
  • 如何从冲突中恢复 (e.g., 通过延迟重传)
• 典型的随机访问MAC协议：
  • 时隙(sloted)ALOHA
  • ALOHA
  • CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

时隙ALOHA 协议

• 假定：
  • 所有帧大小相同
  • 时间被划分为等长的时隙 (每个时隙可以传输1个帧)
  • 结点只能在时隙开始时刻发送帧
  • 结点间时钟同步
  • 如果2个或2个以上结点在同一时隙发送帧，结点即检测到冲突
• 运行:
  • 当结点有新的帧时，在下一个时隙(slot)发送
  • 如果无冲突：该结点可以在下一个时隙继续发送新的帧
  • 如果冲突：该结点在下一个时隙以概率p重传该帧，直至成功
• 优缺点:
  • 优点
    • 单个结点活动时，可以连续以信道全部速率传输数据
    • 高度分散化：只需同步时隙
    • 简单
  • 缺点:
    • 冲突，浪费时隙
    • 空闲时隙
    • 结点也许能以远小于分组传输时间检测到冲突
    • 时钟同步
• 效率(efficiency) : 长期运行时，成功发送帧的时隙所占比例 ( 很多结点，有很多帧待发送)
  • 假设: N个结点有很多帧待传输，每个结点在每个时隙均以概率p发送数据
  • 对于给定的一个结点，在一个时隙将帧发送成功的概率= p ( 1 − p ) N − 1 p(1-p)^{N-1} p(1−p)N−1
  • 对于任意结点成功发送帧的概率= N p ( 1 − p ) N − 1 Np(1-p)^{N-1} Np(1−p)N−1
  • 最大效率: 求得使 N p ( 1 − p ) N − 1 Np(1-p)^{N-1} Np(1−p)N−1 最大的p*
  • 对于很多结点，求 N p ∗ ( 1 − p ∗ ) N − 1 Np*(1-p*)^{N-1} Np∗(1−p∗)N−1当N趋近无穷时的极限，可得最大效率= 1/e = 0.37

ALOHA 协议

• 非时隙(纯)Aloha：更加简单，无需同步

• 有新的帧生成时：立即发送

• 冲突可能性增大：在t0 时刻发送帧，会与在[t0 -1, t0 +1]期间其他结点发送的帧冲突

• 效率

  P(给定结点成功发送帧) = P(该结点发送) * P(无其他结点在[t0 -1, t0 ]期间发送帧)P(无其他结点在[t0 , t0 +1]期间发送帧)
  = p * ( 1 − p ) N − 1 (1-p)^{N-1} (1−p)N−1 * ( 1 − p ) N − 1 (1-p)^{N-1} (1−p)N−1
  = p ( 1 − p ) 2 ( N − 1 ) (1-p)^{2(N-1)} (1−p)2(N−1)

ALOHA

• ALOHAnet

  • 中心主机
  • 分散在夏威夷各岛上的二级节点两个信道（不同的频段）：上行信道和下行信道

• ALOHA协议

  • 节点有数据，立即发送
  • 如碰撞（没有收到中央主机返回的确认帧），等待随机时间重发
  • 每个节点等待的随机时间不同，降低第二次冲突的概率

• 吞吐率（效率）：在单位时间（一个帧时），一个节点成功传输帧的概率 1/2e =0.18（时隙ALOHA 效率：1/e=0.37）

CSMA

• 载波侦听多路访问（ carrier sense multiple access ）

  • 应用：局域网

• CSMA基本思想

  • 传输节点在发送数据前，先侦听信道
  • 信道空闲：立即发送
  • 信道忙：不发送

• 三种CSMA

  • 1-坚持CSMA：侦听到信道“忙”，持续侦听，一旦“空闲”，立即发送
  • 0-坚持CSMA：侦听到信道“忙”，等待一随机时间，重新侦听，一旦空闲，立即发送
  • P-坚持CSMA：侦听到信道“忙”，持续侦听，一旦空闲，P概率发送，(1-P)概率延迟1个时隙进行侦听

• CSMA/CD

  • 冲突的帧，节点不知道，继续传输，造成信道浪费冲突检测（CD），检测到冲突，节点立即停止传输
  • 冲突检测
    • 有线局域网易于实现：测量信号强度，比较发射信号与接收信号
    • 无线局域网很难实现：接收信号强度淹没在本地发射信号强度下
  • 要求：L / R ≥ 2 d m a x 2d_{max} 2dmax​ / V
    • 网络带宽：R bps
    • 数据帧最小长度： L m i n L_{min} Lmin​ (bits)
    • 信号传播速度：V (m/s)

对比

• 发送时机判断

  • 时隙 ALOHA：时钟起始时刻

  • ALOHA ：有就发

  • CSMA：侦听信道，空闲再发

• 冲突检测

  • 时隙 ALOHA / ALOHA / CSMA：用超时判断
  • CSMA/CD：冲突检测

轮转访问MAC协议

比较

• 信道划分MAC协议：
  • 网络负载重时，共享信道效率高，且公平
  • 网络负载轻时，共享信道效率低！
• 随机访问MAC协议：
  • 网络负载轻时，共享信道效率高，单个结点可以利用信道的全部带宽
  • 网络负载重时，产生冲突开销
• 轮转访问MAC协议：
  • 综合两者的优点！

轮询(polling):

• 主结点轮流“邀请”从属结点发送数据
• 典型应用：“哑(dumb)” 从属设备
• 问题：轮询开销、等待延迟、单点故障

令牌传递(token passing):

• 控制令牌依次从一个结点传递到下一个结点.
• 令牌：特殊帧
• 问题：令牌开销、等待延迟、单点故障

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