廣播鏈路MAC協議

兩種類型鏈路

• 點到點鏈路：PPP、HDLC

• 廣播鏈路

  • 多臺主機連接到同一個、共享的廣播信道上
  • 一臺主機發送數據（幀），其他節點都能收到

多路訪問協議

• 碰撞/沖突（collision）：多個節點同時發送幀，這些幀相互干擾，導致接收方都不能正確收到幀。
• 多路訪問問題：如何協調多臺主機之間的通信？

三類協議

• 信道劃分協議

  • 多路復用技術（時間、頻帶、碼片劃分）
  • FDMA、TDMA、WDMA、CDMA

• 隨機訪問協議

  • 信道不劃分，允許沖突，等待一個隨機時延再發送，直到發送成功
  • ALOHA、S-ALOHA、CSMA、CSMA/CD
    • CSMA/CD應用于以太網
    • CSMA/CA應用802.11無線局域網

• 輪流協議

  • 輪詢協議：指定主節點，循環的方式輪詢每個節點（ZigBee協議，藍牙協議）
  • 令牌傳遞協議：沒有主節點，令牌（token）在節點之間以某個固定的次序交換（光纖分布式接口FDDI協議，IEEE802.5令牌環協議）

信道劃分MAC 協議

• TDMA: time division multiple access

  • “周期性”接入信道
  • 每個站點在每個周期，占用固定長度的時隙(e.g.長度=分組傳輸時間)
  • 未用時隙空閑(idle)
  • 例如：6-站點LAN，1,3,4傳輸分組，2,5,6空閑

• 道劃分MAC 協議：FDMA

  • 信道頻譜劃分為若干頻帶(frequency bands)
  • 每個站點分配一個固定的頻帶
  • 無傳輸頻帶空閑
  • 例如: 6站點LAN, 1,3,4頻帶傳輸數據, 2,5,6頻帶空閑。

隨機訪問MAC 協議

• 當結點要發送分組時：
  • 利用信道全部數據速率R發送分組
  • 沒有事先的結點間協調
• 兩個或多個結點同時傳輸：? “沖突”
• 隨機訪問MAC協議需要定義:
  • 如何檢測沖突
  • 如何從沖突中恢復 (e.g., 通過延遲重傳)
• 典型的隨機訪問MAC協議：
  • 時隙(sloted)ALOHA
  • ALOHA
  • CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

時隙ALOHA 協議

• 假定：
  • 所有幀大小相同
  • 時間被劃分為等長的時隙 (每個時隙可以傳輸1個幀)
  • 結點只能在時隙開始時刻發送幀
  • 結點間時鐘同步
  • 如果2個或2個以上結點在同一時隙發送幀，結點即檢測到沖突
• 運行:
  • 當結點有新的幀時，在下一個時隙(slot)發送
  • 如果無沖突：該結點可以在下一個時隙繼續發送新的幀
  • 如果沖突：該結點在下一個時隙以概率p重傳該幀，直至成功
• 優缺點:
  • 優點
    • 單個結點活動時，可以連續以信道全部速率傳輸數據
    • 高度分散化：只需同步時隙
    • 簡單
  • 缺點:
    • 沖突，浪費時隙
    • 空閑時隙
    • 結點也許能以遠小于分組傳輸時間檢測到沖突
    • 時鐘同步
• 效率(efficiency) : 長期運行時，成功發送幀的時隙所占比例 ( 很多結點，有很多幀待發送)
  • 假設: N個結點有很多幀待傳輸，每個結點在每個時隙均以概率p發送數據
  • 對于給定的一個結點，在一個時隙將幀發送成功的概率= $p(1?p{)}^{N?1}$
  • 對于任意結點成功發送幀的概率= $Np(1?p{)}^{N?1}$
  • 最大效率: 求得使$Np(1?p{)}^{N?1}$ 最大的p*
  • 對于很多結點，求$Np?(1?p?{)}^{N?1}$當N趨近無窮時的極限，可得最大效率= 1/e = 0.37

ALOHA 協議

• 非時隙(純)Aloha：更加簡單，無需同步

• 有新的幀生成時：立即發送

• 沖突可能性增大：在t0 時刻發送幀，會與在[t0 -1, t0 +1]期間其他結點發送的幀沖突

• 效率

  P(給定結點成功發送幀) = P(該結點發送) * P(無其他結點在[t0 -1, t0 ]期間發送幀)P(無其他結點在[t0 , t0 +1]期間發送幀)
  = p * $(1?p{)}^{N?1}$ * $(1?p{)}^{N?1}$
  = p$(1?p{)}^{2(N?1)}$

ALOHA

• ALOHAnet

  • 中心主機
  • 分散在夏威夷各島上的二級節點兩個信道（不同的頻段）：上行信道和下行信道

• ALOHA協議

  • 節點有數據，立即發送
  • 如碰撞（沒有收到中央主機返回的確認幀），等待隨機時間重發
  • 每個節點等待的隨機時間不同，降低第二次沖突的概率

• 吞吐率（效率）：在單位時間（一個幀時），一個節點成功傳輸幀的概率 1/2e =0.18（時隙ALOHA 效率：1/e=0.37）

CSMA

• 載波偵聽多路訪問（ carrier sense multiple access ）

  • 應用：局域網

• CSMA基本思想

  • 傳輸節點在發送數據前，先偵聽信道
  • 信道空閑：立即發送
  • 信道忙：不發送

• 三種CSMA

  • 1-堅持CSMA：偵聽到信道“忙”，持續偵聽，一旦“空閑”，立即發送
  • 0-堅持CSMA：偵聽到信道“忙”，等待一隨機時間，重新偵聽，一旦空閑，立即發送
  • P-堅持CSMA：偵聽到信道“忙”，持續偵聽，一旦空閑，P概率發送，(1-P)概率延遲1個時隙進行偵聽

• CSMA/CD

  • 沖突的幀，節點不知道，繼續傳輸，造成信道浪費沖突檢測（CD），檢測到沖突，節點立即停止傳輸
  • 沖突檢測
    • 有線局域網易于實現：測量信號強度，比較發射信號與接收信號
    • 無線局域網很難實現：接收信號強度淹沒在本地發射信號強度下
  • 要求：L / R ≥ $2d_{max}$ / V
    • 網絡帶寬：R bps
    • 數據幀最小長度：$L_{min}$ (bits)
    • 信號傳播速度：V (m/s)

對比

• 發送時機判斷

  • 時隙 ALOHA：時鐘起始時刻

  • ALOHA ：有就發

  • CSMA：偵聽信道，空閑再發

• 沖突檢測

  • 時隙 ALOHA / ALOHA / CSMA：用超時判斷
  • CSMA/CD：沖突檢測

輪轉訪問MAC協議

比較

• 信道劃分MAC協議：
  • 網絡負載重時，共享信道效率高，且公平
  • 網絡負載輕時，共享信道效率低！
• 隨機訪問MAC協議：
  • 網絡負載輕時，共享信道效率高，單個結點可以利用信道的全部帶寬
  • 網絡負載重時，產生沖突開銷
• 輪轉訪問MAC協議：
  • 綜合兩者的優點！

輪詢(polling):

• 主結點輪流“邀請”從屬結點發送數據
• 典型應用：“啞(dumb)” 從屬設備
• 問題：輪詢開銷、等待延遲、單點故障

令牌傳遞(token passing):

• 控制令牌依次從一個結點傳遞到下一個結點.
• 令牌：特殊幀
• 問題：令牌開銷、等待延遲、單點故障

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机网络系列】广播链路MAC协议的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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