信道共享技术.

计算机网络概论信道共享技术概述受控接入随机接入ALOHA随机接入：CSMA和CSMA/CD信道复用计算机网络概论信道共享技术概述信道共享技术又称多点接入技术，指多个计算机用户共享一个公共信道的问题。多个用户共享一个Cb/s的信道，希望可以做到：（1）只有一个用户接入此信道时，该用户可获得整个信道的吞吐量Cb/s。（2）若同时有N个用户接入此信道，每个用户可获得整个信道的吞吐量C/Nb/s。（3）控制信道共享的协议简单、可靠。用户之间不会互相干扰，最好是分布式的协议。计算机网络概论信道共享举例计算机网络概论1受控接入在受控接入中用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。这又分为集中式控制和分散式控制。分散式控制如令牌环形网。使用一个称为令牌（Token）的特殊帧，使其沿着环路循环。只有获得令牌的站点才有权发送数据帧，完成发送后立即释放令牌供其它站点使用。环路中只有一个令牌，因此任何时刻至多只有一个站点发送数据，不会产生冲突。令牌环上各站点均有相同的机会公平地获取令牌。计算机网络概论轮询轮询属于集中式控制，主机按顺序逐个询问用户有无信息发送。如有，被询问用户立即将信息发给主机，如无，再询问下一站。轮询分为轮叫轮询和传递轮询两种。计算机网络概论12N-1N主机收发……12N-1N主机收发……轮叫轮询多点线路传递轮询的工作原理计算机网络概论轮叫轮询和传递轮询的比较传递轮询的帧时延总是小于同样条件下的轮叫轮询的时延，如果站间的距离越大，传递轮询的效果就比轮叫轮询的越好。但当站间距离较小且通信量较大时，传递轮询带来的好处不明显。传递轮询实现起来技术上比较复杂，代价也较高。计算机网络概论2随机接入：ALOHA随机接入的特点是所有用户可以随机的发送信息。当多个用户同时在共享的信道上发送信息时，会发生冲突。ALOHA系统的一般模型：站1站2站N-1站N………接口信道总线计算机网络概论2.1纯ALOHA用发送一个帧所需的时间T0而不是比特来表示帧长度。一个帧发送成功的条件是该帧与其前后的两个帧的到达时间间隔均大于T0。纯ALOHA处理冲突的方法是让各站等待一段随机的时间，再进行重传。若仍发生冲突，则再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。计算机网络概论计算机网络概论纯ALOHA性能分析吞吐量S：在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。0≤S≤1网络负载G：在帧的发送时间T0内总共发送的平均帧数。S≤GS=Ge-2G，重传次数NR=e2G-1G=0.5，S≈0.184。这是S的极大值。G＞0.5时发生冲突的帧增加，而这又会引起更多重传，使S下降。计算机网络概论2.2时隙ALOHA纯ALOHA简单便宜，适合进行突发性的交互性的数据通信。但其重传次数NR=e2G-1，即网络负载增大时，重传次数将按指数规律增长，而且吞吐量较小。时隙ALOHA：为提高吞吐量，可以将各站的时间同步，并划分成一段段等长的时隙T0，不论帧何时到达，只能在一个时隙开始时发送。计算机网络概论计算机网络概论时隙ALOHA性能分析吞吐量S=G(1-G/N)N-1，当N→∞时，S=Ge-G时隙ALOHA的最大吞吐量与站数的关系G=1，S≈0.368，G＞1时，进入不稳定区域重传次数NR=eG-1N12351020100∞SMAX10.50.4440.4100.3870.3770.3700.368计算机网络概论吞吐量曲线0.51.01.52.00.10.20.30.4纯ALOHA时隙ALOHAGS计算机网络概论ALOHA和轮询的比较（1）站数较少，纯ALOHA时延较小，而站数较多时，轮询时延较小。而站数适中，二者的时延差不多。纯ALOHA所受约束较少(除了重发要服从一定的算法外)，可以在通信量强度较小时获得最小的时延。轮询系统地每个站的发送时机有严格的限制，因而当通信量强度增大时各站不会互相干扰，仍像轻载时那样一个站一个站地发送数据，不会发送冲突，这样可得到良好的时延特性。计算机网络概论ALOHA和轮询的比较（2）轮询帧来回不断地在路线上传递，增加了开销，使得轮询系统在通信量强度较小时的时延要比ALOHA系统的大。当多点接入系统中的站数不断增多时，轮询系统不会出现不稳定现象，而两种ALOHA系统在吞吐量超过一定数值时，都有一个不稳定的工作区域。在采用卫星通信的计算机网络中，由于传播时延太大，轮询方式不宜采用。这时主要采用ALOHA系统以及各种派生出来的ALOHA系统。计算机网络概论3随机接入：CSMA和CSMA/CD载波监听随机接入CSMA，又称载波侦听多点访问，和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD是从ALOHA演变出的改进协议。CSMA和CSMA/CD是用争用的方法来决定对信道访问权的协议，这种争用协议只适用于逻辑上属于总线拓扑结构的网络。在总线网络中，每个站点都能独立地决定帧的发送。计算机网络概论3.1CSMACSMA的每个站都能在发送数据前监听信道上其他站是否在发送数据，如在发送，则该站就暂时不发送，从而减少发送冲突的可能，提高吞吐量。发送数据前监听信道上其他站在发送数据，站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1－坚持、P－坚持三种。计算机网络概论非坚持算法非坚持算法⑴如果信道是空闲的，则可以立即发送。⑵如果信道是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。非坚持算法采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。其缺点是：即使有几个站都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使信道仍可能处于空闲状态，使用率降低。计算机网络概论1-坚持算法1-坚持算法⑴如果信道空闲的，则可以立即发送。⑵如果信道是忙的，则继续监听，直至检测到信道是空闲，立即发送。⑶如果有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复)，则等待一随机量的时间，重复步骤⑴～⑵。优点：只要信道空闲，站点就立即可发送，避免了信道利用率的损失；缺点：假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。计算机网络概论P-坚持算法P-坚持算法⑴监听总线，如果信道是空闲的，则以P的概率发送，而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。⑶如果信道是忙的，继续监听直至信道空闲并重复步骤⑴。计算机网络概论P值的选择P-坚持算法既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少信道空闲时间。选择P值要能避免重负载下系统处于的不稳定状态。假如有N个站待发送，一旦当前的发送完成，将试图传输的站的总期望数为NP。如果选择P过大，使NP＞1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。必须选择适当P值使NP＜1。P值选得过小，信道利用率又会降低。计算机网络概论计算机网络概论三种算法特性比较非坚持算法：可以大大减少冲突机会，但对帧的传输的响应时间长，也即时延-吞吐量特性较差。1-坚持算法：通信量很小时，帧的发送机会多，响应快，但站点或通信量较多时，冲突急剧增加，吞吐量和时延特性急剧变坏。P-坚持算法，折中于前两者的改进方案。但难于选择一个能用于各种通信量强度的P值。在实用网络中常选择1坚持。1坚持比p坚持在实现时要更简单些。计算机网络概论3.2载波监听多路访问/冲突检测协议CSMA/CDCSMA由于存在传播时延，仍会发生冲突。而CSMA没有冲突检测功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。CSMA/CD的站点在传输过程中继续监听媒体，以检测冲突。如发生冲突，立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通知总线上其它有关站点。这样，通道容量就不因传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。计算机网络概论冲突检测方法比较接收到的信号的电压的大小。两个帧的信号迭加时，电压的摆动值要比正常值大一倍。若站离得很远，可能使冲突迭加信号摆动值在传播时衰减，无法判断冲突，所以对站间的最大距离有限制。采用曼彻斯特编码时，电压的过零点是在每一比特的正中央。当发生冲突时，迭加的过零点将在其他地方出现。根据过零点位置的变化判断冲突。在发送帧时也同时进行接收，将收到的信号逐比特地与发送的比特相比较。若有不符合的，就说明有冲突存在。计算机网络概论站点要求发送有载波？发送一帧信息有冲突？发出阻塞信号冲突16？延时处理放弃发送另作处理一次发送结束图4.3CSMA/CD发送过程流程图YNYNNYCSMA/CD的流程图计算机网络概论争用期使用CSMA/CD协议时，在每个站发送数据刚刚开始的一个很短的时间内，由于电磁波在网络上传播需要时间，因此冲突仍可能发生。这段可能发生冲突的时间间隔称为争用期。CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。计算机网络概论检测冲突所需时间TB是A站从发送数据开始到发现有了冲突的时间间隔，其最大值为2t。发送数据后经过往返时延即可知是否发生冲突，这段时间称为争用期。总线被占用时间为TB+TJ+t。计算机网络概论4信道复用复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。当信号单元在一条公共信道上传输时，虽然它们在时间上和频率上可能有所重叠，但采用适当的处理就能容易地识别和分离开来。有三种基本的复用方法：按频率区分信号的方法叫频分复用，按时间区分信号的方法叫时分复用，而按扩频码区分信号的方式称为码分复用。计算机网络概论4.1时分复用时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。计算机网络概论4.2统计时分复用统计时分复用的用户不是固定地对应于信道中的某一个时隙，而是动态地按需分配信道中的时隙。也就是说，只把需要传送信息的站接入信道，把信道的时隙实行按需分配。这样就使所有的时隙都能饱满地得到使用，从而提高了线路的利用率，起到复用的作用。统计表明，统计复用可比传统的时分复用提高传输效率2～4倍。计算机网络概论4.3频分复用频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频分复用的优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。计算机网络概论4.4波分复用在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用，本质上是光频上的频分复用技术。计算机网络概论4.5码分复用码分复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。为了使若干个独立信号能在一条信道上传输，将它们配置成某些正交信号的复用。