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第四章 信道共享技术 多个用户 (计算机或终端 )要同时与一个主机相连，本章所讨论的多点接入技术属于数据链路层中的媒体接入控制MAC子层。主要内容：

随机接入 ALOHA随机接入 CSMA 和 CSMA/CD受控接入信道复用

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4.1 概述广播网络的媒体访问控制1 ）广播网络需要解决的问题2 ）局域网的数据链路层模型 ( 第 5 章 )3 ）多路访问协议4） IEEE802.3 和以太网

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信道共享技术 按照多个用户与一个主机连接的方法来划分，主要有以下两大类方法：

– 通过集中器或复用器与主机相连– 使用多点接入技术

受控接入 – 集中式控制 : 轮叫轮询 ; 传递轮询 – 分散式控制 : 令牌环网，传递令牌，获得令牌才有权发送数据

随机接入– 所有的站点可随时发送数据，争用信道，易冲突

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A B

点到点网络

• 一个发送者（ sender） / 一个接收者（ receiver）

• 主要用于广域网 WAN 的主干网

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• 许多发送者 / 许多接收者• 访问共享媒体（ media）• 需要寻址• 主要用于局域网 LAN

广播网络

A B C D E F

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媒体的多路访问控制• 共享式广播信道提出的问题

– 可能两个（或更多）站点同时请求占用信道• 解决办法：信道分配

– 信道的静态分配– 信道的动态分配 多路访问信道

multiaccess channel

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信道的静态分配• 将信道资源 N 等分

– 例如电话干线的频分复用 FDM– 适于用户数量少且数目固定、通信量大情况

• 问题– 资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不同需求– 有资源浪费，效率低

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信道的动态分配• 通过多路访问协议（ Multiple Access

Protocol ）动态分配信道资源，提高信道利用率• 基本概念

– 信道争用模型– 帧的发送方式– 信道的状态与检测

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信道争用模型• 站点

– 连接到广播网络中的每一台独立的设备，能够产生待发送帧，具有占用信道的平等权利。• 单一信道

– 所有站点都通过同一信道发送 / 接收帧，某一特定时刻只允许一个站点使用信道。站点 1 站点 2 站点 3 站点 N…...

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• 连续时间– 帧允许在任意时刻 t0 发送。

• 时间片（时隙）– 将时间用时钟分离为片段，帧只允许在每个片段的开始瞬间发送。

帧的发送方式

tt0

tt0

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信道的状态与检测• 信道的状态

• 状态检测方式– 载波侦听（ carrier sense）– 非载波侦听

空闲传输

两个站点同时争用信道发送帧，帧被破坏冲突轮巡

竞争

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数据链路层

物理层

网络层

媒体访问控制 MAC

逻辑链路控制 LLC

Logical Link Control

Media Access Control

向上层提供 连接环境对下层提供 媒体访问方法

局域网的数据链路层模型

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多路访问协议• 协议分类• IEEE802 标准系列

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多路访问协议分类• 随机访问协议

– 特点站点争用信道，可能出现站点之间的冲突

• 受控访问协议– 特点

站点被分配占用信道，无冲突

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随机访问 (Random Access )

• Aloha– 站点可在任意时刻发送帧– 检测到冲突，等待一个随机时间后重发

• Slotted Aloha– 站点只在时间片到来的瞬间发送帧– 信道利用率提高一倍

• CSMA(IEEE 802.3 和 Ethernet)– 站点通过载波侦听信道的情况确定发送帧的策略

典型随机访问协议

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典型受控访问协议受控访问（ Controlled Access）• Demand Adaptive ： Token Passing

– Bus • IEEE802.4

– Ring • IEEE802.5• IEEE802.7 （ FDDI）

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IEEE802 标准系列802.2 逻辑链路控制

802.1 桥接

802.3 802.4 802.5 802.6 802.9 802.11 802.12

MAC MAC MAC MAC MAC MAC MAC

802 概述及其体系结构

802.1 管理

Phy Phy Phy Phy Phy Phy Phy

CSMA/CD

Token Bus

Token Ring

DQDB MAN

IIS LAN

无线LAN

DPAM

802.10安全和保密

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1. 通过集中器 ( 或复用器 )1) 频分复用（ FDM）2) 时分复用（ TDM）3) 码分复用 CDMA 无线网 )P864) 波分复用（ WDM）5) 统计时分复用（ STDM） P84原理 : 集中器按顺序不断扫描个端口 , 或采用中 断技术来接受用户信息或转发。应用：比较成熟

信道共享方法（一）

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2. 使用多点接入技术 原理 : 通过一个专用信道将所有的用户连接起来 .1 ）受控接入 : 集中式控制 : 轮叫轮询。主机按顺序逐个询问各站是否有数据要发送 . 分散式控制 : 令牌环网。在环路中有一个特殊的帧，叫“令牌”。 令牌沿环路逐站传递。只有获得令牌的站才有权发送信息。2 ）随机接入：总线型。所有站点可随时发送数据，争用信道， 易冲突。 ALOHA , CSMA和 CSMA/CD

信道共享方法（二）

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信道共享技术分类信道共享

TDM

FDM

STDM ATDM

随机接入 受控接入

CATV

CBX

CSMA CSMA/CD 集中控制 分散控制轮询 令牌

静态分配

动态分配

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静态分配信道的缺点：仅适用于站点较少、站点数目相对固定且 每个站点通信量均较大的情形，不适于突发性数据。若采用静态分配方式，将信道分为 N 个独立的子信道，每个子信道的数据率为 C/N bps.

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动态分配的前提： 5 个假定1. 站模型假定：各站独立，且以固定速率 产生帧。在成功发送 一帧之前，站点不会产生新帧（单用户系统）2. 单信道假定：只有一个信道，各站平等共享该信道3. 冲突假定： 若有冲突（两帧有重叠），必须重发4. 时间假定 连续时间：帧可以在任何时刻发送

时 隙：帧必须在时隙开始时发送5. 载波假定 有载波：站点可以检测到信道是否空闲

无载波：站点在发送之前无法判断信道是否空闲

{{

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4.2 节 受控多点接入—轮询（一）一 . 轮叫轮询 主机轮流查询个站点 ,问有无数据要发送 .如图 :

N N-1 2 1

主机收发

...

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二 . 传递轮询1. 问题提出 轮叫轮询的缺点：轮询帧在多点线路上不停的循环往返，形成了相当大的开销，增加了帧的等待时延。2. 传递轮询

（ 1）原理：N 12N-1

主机 收

发

4.2 节 受控多点接入—轮询（二）

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三、传递轮询与轮叫轮询的比较（ 1 ）帧延时总是小于同样条件下轮叫轮询（ 2）站间的距离越大，传递轮询的效果比轮叫 轮询越好。（ 3）站间的距离小，且信息较大时，二者的好 处不明显。应用： 传递轮询的技术教复杂，代价较高。 目前应用的轮询——轮叫轮询。

4.2 节 受控多点接入—轮询（三）

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4.3 节 随机多点接入—纯 ALOHA协议 工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功；否则重发 重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止 缺点：极容易冲突 性能：网络负载 0. 5 吞吐量 0. 184

N N-1 2 1接口总线信道

ALOHA 系统的一般模型

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1 2 3 4 5 6 7

T0T0T0 T0

t

3

4

7 发送成功

发送成功

冲突

冲突

重发

重发

1站 1 发送成功

6 t

t

t

T0

2 5冲突冲突 再重发

t站 2

站 n-1

站 n

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（一）

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（ 1 ）每个站均可自由的发送数据帧。（ 2 ）发送一帧用时 T0 ，且发送帧都是定长。（ 3 ）当站 1 发送帧 1 时，其他的站都未发送数据，所以发 送成功。（ 4 ）站 2 和站 N－ 1 发送帧 2 ，帧 3 在时间上重叠了一些，这 就产生“冲突”。（ 5 ）设双方发送数据出错，都必须“重发”。（ 6）注意：发生冲突的各站不能马上进行重发， 否则，这样会产生新的冲突。重发策略：让各站等待一随机的时间，然后再进行重发。 再冲突，再等待重发，知道重发成功为止。

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（二）

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2. 性能分析 如果帧发送成功，前后各一段时间内 T0,没有其他帧发送 , 否则就产生冲突。 1 ） 2帧、 3帧的时间间隔不足，产生冲突。 2 ） 4帧、 3帧之间有足够的时间间隔，不产生冲 突。因此，发送成功。条件： 该帧与该帧前后的二个帧的到达时间间隔均大于 T0。

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（三）

30

（ 1 ）吞吐量 S(又称吞吐率） 等于在帧的发送时间 T0 内成功发送的平均帧数。显然 0≦S≦1 而 S＝ 1 是极限情况，表明帧一个接一个地发送出去，帧与帧之间 没有空隙。由于用户随机发送，所以不可能实现。（ 2 ）网络负载 G 从网络地角度看， G 等于在 T0 内总共发送的平均帧数 (包括重传的帧数 ) 。 G＝发送成功＋未成功注意： 1 、这里包括发送成功的帧和因冲突未发送成功而重发的帧。 2 、显然 G≧S 而只有在不发生冲突时， G=S。

3、 G 可以远大于 1 。例如， G＝ 10 ，表示在 T0 时间内网络共发送了 10 帧，这当然会导致很多的冲突。

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（四）

31

在稳定状态下：因为假定帧的到达服从泊松分布，所以到达时间间隔的概率密度为

（ 3） S与 G 的关系S=G*P [ 发送成功 ]

a(t)=λe-λt

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（五）

其中于是可以求得 λ=G/T0P=∫T

∞ a(t)dt= ∫T∞ G/ T0 e-Gt/T0 dt =e-G

再求得吞吐量公式：这就是 Abramson 与 1970年首次导出得著名公式。S=Ge-2G

320 0.5 1.0 1.5 2.0

G

0.1

0.1840.2

(G’,S’)

不稳定区域

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（六）

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当 G＝ 0.5 时， S＝ 0.5/e 这是吞吐量 S可能达到得极大值。不稳定区：（ 1 ）当 G 增大， S 减小。（ 2) 这就引起更多得重发，使得 G 进一步增大。（ 3 ）这样的恶性循环，使得 S 降为 0 。结论：（ 1 ）在纯 ALOHA 系统中，网络负载 G 一定，不能超过0.5 。（ 2 ）在纯 ALOHA 系统中，吞吐量得极大值为 18.4％，实际 上，一般 S不超过 10％。（为了安全起见）

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（七）

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例：线路数据率为 4800b/s 。设每份报文有 60 个字符，而用户用键盘输入一份报文需 2 分钟。设每个字符用 10bit进行编码。采用 ALOHA 方式，信道利用率为 10％，问最多可容纳多少个交互式用户？

一、纯 ALOHA 系统的工作原理（八）

每个终端平均数据率为 60×10bit2 分钟 ＝ 5b/s

信道利用率为 10％表示：信道的总数据率为 480b/s

最多可容纳交互式用户： 480/5＝ 96 个

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二 . 时隙 ALOHA（ S-ALOHA) （一）

1. 原理 其思想是：将时间划分成为一个个等长的时隙（ SLOT) ， 记为 T0 ，同时规定，不论帧在何时产生，它只能在每个时隙的开始时才能发送出去。如图：

T0 帧到达

发送成功

发送成功

冲突重发

冲突重发t

t

帧到达

帧到达 帧到达T0Tx

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2. S-ALOHA的 S,G（ 1 ）吞吐量 S ，网络负载 G 的定义与纯 ALOHA 相同。（ 2 ）成功的条件是没有其他的帧在时隙内到达。 因此：

P[ 发送成功 ]＝ ∫ T0-TX ∞a(t)dt ∫ TX ∞a(t)dt

二 . 时隙 ALOHA（ S-SLOHA) （二）

进而有于是，得出吞吐量此公式为 Roberts 在 1972年推导出来的。S=Ge-G

P[ 发送成功 ]＝ e-G

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0.40

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0G

0.10

0.20

0.30

时隙 ALOHA

纯 ALOHAS=Ge^-2G

S=Ge^-G

0.184

0.368

结论：（ 1） S-ALOHA 的不稳定区位于 G 的部分。 （ 2 ） S-ALOHA 的最大吞吐量为 0.368 。

二 . 时隙 ALOHA（ S-SLOHA) （三）

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4.4 节 随机接入技术： CSMA和CSMA/CD

一 .CSMA 的几种类型1.什么是 CSMA？ 就是载波监听 (CS) 多点接入 (MA)。方法： 采用了附加的硬件装置，每个站在发送数据前监听信道上其他站点是否在发送数据。2. CSMA 的类型 CSMA与 ALOHA 的主要区别 : 多了一个监听装置。

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载波侦听多路访问协议概述• 载波侦听（ Carrier Sense）

– 每个站点在使用信道前，需检测信道是否已被其他站点占用• CSMA 协议分类

– 非坚持 CSMA– 坚持 CSMA– P坚持 CSMA– CSMA/CD

40

非坚持 CSMA

侦听 / 发送策略• 非坚持 CSMA

– 站点发现信道忙则不再侦听，等待一个随机时间再开始侦听 / 发送过程

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坚持 CSMA（ 1坚持 CSMA ）

侦听 / 发送策略• 1-坚持

CSMA– 发现信道空闲后发送数据（概率为

1 ）– 发现信道忙则持续等待，直至信道空闲

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P- 坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率 p 发送数据，即以概率 1-p 延迟一段时间后再发送。

P-坚持 CSMA

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性能：轻载时， 1坚持CSMA吞吐量最大； 重载时，非坚持 CSMA吞吐量最大。 缺点：由于传播时延的存在，冲突不可避免

CSMA 随机接入过程流程图

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如图： 1kmA B

S 5

t A这时发现冲突B 这时发现冲突

传输延时对载波的影响

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CSMA/CD

对冲突的解决方法• 方法 1 （坚持与非坚持 CSMA）

– 继续完成已经发送的冲突帧的传送过程• 方法 2（ CSMA/CD）

– 尽快终止已经破坏的冲突帧的发送过程

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CSMA/CD 概念模型

信道的三种状态：• 传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用• 竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片• 空闲周期：所有站点都不使用信道

帧 帧 帧 帧

传输 竞争 传输 竞争 传输 空闲 传输

时间

争用时间片to

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CSMA/CD ：带冲突检测的载波监听多点访问 工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。 1- 坚持的 CSMA/CD ：监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送。 冲突检测方法： 比较接收到的信号电压的大小 检测曼彻斯特编码的过零点 比较接收到的信号与刚发出的信号 站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点。

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如图：CSMA/CD 的工作流程

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CSMA/CD 产生冲突对信道占用时间的影响

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几种多路接入的比较图

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各站点尝试争用信道而连续遇到冲突时，随机选择一定范围内的某个退避等待时间片（ 2T ）数，范围如下：• 第 1 次冲突： 0～ 1 （即 21-1 ） ；• 第 2 次冲突： 0 ～ 3 （即 22-1 ）；• …• 第 10 次冲突： 0~1023 （即 210-1 ），此后固定选择范围；• …• 第 16次冲突：仍不成功则放弃，并报告上层。

二进制指数后退算法帧 帧 帧 帧

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无冲突协议之一：位图协议 工作原理：为 N 个站点分配 N 个时隙，每个时隙占 1位。要发送数据的站点在自己相应的时隙中填入“ 1”。按照申请信道的站点的序号占用信道。

0 1 2 3 4 5 6 7争用时隙

1 1 1 1 3 7争用时隙 1 1

0 1 2 3 4 5 6 752

数据帧 数据帧

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无冲突协议之二：二进制倒计数法 工作原理：具有最高地址的站点优先占用信道。想要发送数据的所有站点从地址最高位开始逐位向信道上广播其地址，并对这些位进行“或”运算，一个站点如果看到位运算结果大于自己的地址当前位的值，就放弃发送。 问题：不公平，地址值小的站点很难占用信道 改进：每次发送之后重新对站点编号，刚发送完的站点排在最后

站 A：0010站 B： 0100

站 C： 1001

站D： 1010

广播地址位

“或”运算结果

00111

00

01

0 1

退出退出

退出获得占用信道的权利0

0